Hidrogênio em Foco

Mas também tem desvantagens: a produção não é simples, o transporte pode ser difícil e ineficiente e, por isso, os benefícios reais da sustentabilidade nem sempre são claros.

Aqui, analisamos algumas das tecnologias de hidrogênio mais promissoras, os primeiros a adotar, as aplicações crescentes, os métodos de transporte e armazenamento e o cenário regulatório, juntamente com os investimentos governamentais em hidrogênio.

Tecnologias de produção de hidrogênio

O hidrogênio é um dos elementos mais abundantes na Terra. Mas frequentemente está incorporado em compostos – como a água – que exigem processos para acessá-lo. Alguns dos principais processos são:

Eletrólise

Eletrólise é o processo de separação da água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade. Esse método, especialmente quando alimentado por fontes de energia renováveis ​​como eólica ou solar, produz o que é conhecido como hidrogênio verde. Empresas como Siemens e ITM Power estão avançando na tecnologia de eletrólise, melhorando a eficiência e reduzindo custos.

Parece bom à primeira vista, mas há problemas substanciais em fazer isso em larga escala.

Os principais problemas com a produção de hidrogênio verde incluem:

1. Eficiência Energética: Os eletrolisadores atuais têm eficiência de 60 a 70%, com perda significativa de energia. Aprimorar a tecnologia de catalisadores e membranas é crucial. A dependência de energia renovável, que é intermitente, também apresenta desafios.
2. Custo: Altos custos iniciais de capital e custos operacionais contínuos dificultam a adoção generalizada. Avanços tecnológicos e economias de escala são necessários para reduzir esses custos.
3. Materiais e Recursos: Eletrolisadores utilizam materiais escassos, como platina e irídio. Pesquisas sobre catalisadores alternativos estão em andamento. Além disso, a demanda por água, embora modesta, exige uma gestão sustentável.
4. Infraestrutura: A integração de eletrolisadores à rede elétrica e o desenvolvimento de infraestrutura de distribuição e armazenamento são obstáculos significativos. O transporte e o armazenamento de hidrogênio exigem investimentos substanciais em dutos, tanques e outras tecnologias.
5. Preocupações ambientais: Todo o ciclo de vida da produção de hidrogênio deve ser ambientalmente sustentável. O aumento da demanda por energia renovável para a produção de hidrogênio não deve levar ao ressurgimento dos combustíveis fósseis.
6. Avanços Tecnológicos: Eletrolisadores alcalinos, PEM e SOEC apresentam desafios únicos. Melhorar a eficiência, o custo e a durabilidade é essencial. A integração de eletrolisadores com fontes de energia renováveis ​​variáveis ​​requer sistemas híbridos e tecnologias avançadas.
7. Quadro Econômico e Político: Desenvolver um mercado de hidrogênio estável e políticas governamentais de apoio é vital. Subsídios, créditos fiscais e cooperação internacional podem impulsionar pesquisa, desenvolvimento e implantação.

Enfrentar esses desafios é fundamental para que a eletrólise de hidrogênio se torne uma solução de hidrogênio verde viável e em larga escala, apoiando a transição para um futuro energético de baixo carbono.

Reforma de metano a vapor (SMR) com captura e armazenamento de carbono (CCS)

A reforma do metano a vapor envolve uma reação entre metano (CH₄) e vapor (H₂O) em altas temperaturas para produzir hidrogênio (H₂), monóxido de carbono (CO) e algum dióxido de carbono (CO₂).

A SMR é altamente eficiente, com eficiências gerais variando tipicamente de 65% a 75%. É também uma tecnologia madura e bem compreendida, tornando-se o método mais comum para a produção industrial de hidrogênio. A infraestrutura e a expertise para SMR estão amplamente disponíveis. Comparado a outros métodos de produção de hidrogênio, o SMR também é relativamente econômico, especialmente onde o gás natural é abundante e barato.

Então, embora o SMR tenha pontos positivos definitivos: as emissões associadas de dióxido de carbono e a dependência de combustíveis fósseis apresentam desafios significativos. 

A integração do CCS pode ajudar a reduzir o impacto ambiental, tornando o SMR uma solução de transição viável à medida que o mundo avança em direção a métodos de produção de hidrogênio mais sustentáveis.

Mas esse método de produção serve apenas como uma tecnologia de transição, aproveitando a infraestrutura de gás natural existente.

Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFCs)

Células de Combustível de Óxido Sólido (SOFCs) converter hidrogênio em eletricidade por meio de um processo eletroquímico, adequado para geração de energia estacionária. 

SOFCs são dispositivos de alta eficiência que geram eletricidade pela reação de hidrogênio ou hidrocarbonetos com oxigênio em altas temperaturas (600 °C a 1,000 °C) usando um eletrólito cerâmico sólido. Elas oferecem vantagens como alta eficiência elétrica (50-60%), flexibilidade de combustível (hidrogênio, gás natural, biogás) e estabilidade a longo prazo. No entanto, enfrentam desafios como degradação do material, longos tempos de inicialização, problemas de gerenciamento térmico e altos custos devido aos materiais e processos de fabricação caros.

As SOFCs são adequadas para geração de energia estacionária, aplicações industriais e energia remota ou marítima, aproveitando sua alta eficiência e capacidade de utilizar calor residual. Superar as barreiras técnicas e econômicas por meio de avanços em materiais e técnicas de fabricação é essencial para uma adoção mais ampla. Apesar dos desafios atuais, as SOFCs representam uma promessa significativa de contribuir para um futuro energético sustentável com redução das emissões de gases de efeito estufa.

Empresas como a Bloom Energy são líderes no desenvolvimento de SOFC, oferecendo soluções de energia eficientes e escaláveis ​​para uso industrial e comercial.

Primeiros usuários e aplicativos em crescimento

Transporte

Automóveis de passageiros / Veículos movidos a células de combustível de hidrogênio (FCVs)

Os FCVs a hidrogênio estão na vanguarda da adoção inicial, com empresas como Toyota (Mirai) e Hyundai (Nexo) produzindo modelos de automóveis de passeio comercialmente disponíveis movidos a hidrogênio. Esses veículos oferecem maior autonomia e reabastecimento mais rápido em comparação com os veículos elétricos a bateria (BEVs). Mas, embora o número de postos de abastecimento esteja crescendo lentamente, eles ainda não são amplamente utilizados.  

A Toyota, em particular, manteve-se fiel à sua visão de uso generalizado de carros movidos a hidrogênio: isso explica, em parte, por que eles ficaram para trás no desenvolvimento de um portfólio de veículos elétricos.

Transporte Pesado

A alta densidade energética e o rápido reabastecimento do hidrogênio o tornam ideal para aplicações pesadas, como caminhões, ônibus e trens. 

Os principais avanços incluem os caminhões a hidrogênio da Nikola Motors com autonomia de até 500 km e os caminhões XCIENT Fuel Cell da Hyundai na Europa. Cidades europeias e a China estão adotando ônibus a hidrogênio, enquanto o trem a hidrogênio Coradia iLint da Alstom opera na Alemanha. O setor marítimo está desenvolvendo embarcações movidas a hidrogênio, como as balsas da Norled na Noruega, visando o transporte com zero emissão. 

O crescimento de postos de abastecimento de hidrogênio para caminhões está acelerando globalmente. A América do Norte e a Europa estão expandindo suas redes, com projetos significativos de empresas como a Nikola Motors e iniciativas governamentais em cidades que adotam ônibus movidos a hidrogênio, garantindo uma infraestrutura de reabastecimento conveniente e ampla.

 APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

O hidrogênio poderia, em teoria, ser usado em muitos processos de produção industrial e química. A relativa dificuldade de produção, transporte e armazenamento, no entanto, significa que muitas vezes não é uma alternativa prática ou econômica aos combustíveis fósseis tradicionais, como o carvão.

Produção de Aço

A indústria siderúrgica, uma grande emissora de CO2, está explorando processos de redução baseados em hidrogênio para produzir aço verde. Empresas como a SSAB, na Suécia, são pioneiras nessa abordagem, com o objetivo de substituir o carvão por hidrogênio.

A SSAB, em colaboração com a LKAB e a Vattenfall, lidera a iniciativa HYBRIT (Tecnologia Inovadora de Fabricação de Ferro com Hidrogênio). A HYBRIT visa substituir o carvão no processo de fabricação de aço por hidrogênio, que produz água em vez de CO₂. A planta piloto da SSAB em Luleå, Suécia, já produziu o primeiro ferro-esponja com teor reduzido de hidrogênio do mundo.

Outras empresas, principalmente na Europa, também estão experimentando hidrogênio em vez dos combustíveis fósseis tradicionais.  

A Salzgitter AG está desenvolvendo o projeto SALCOS (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) para descarbonizar a produção de aço. Esta iniciativa inclui o uso de hidrogênio para a redução direta de minério de ferro. A Salzgitter firmou parceria com a Sunfire GmbH para usar sua tecnologia de eletrólise de alta temperatura na produção de hidrogênio verde.

A ArcelorMittal está explorando diversos projetos baseados em hidrogênio para reduzir as emissões de CO₂. Em Hamburgo, na Alemanha, estão testando uma planta de redução direta que utiliza hidrogênio para produzir ferro de redução direta (DRI). Este projeto piloto visa demonstrar a viabilidade do hidrogênio como agente redutor na produção de aço.

A Tata Steel está trabalhando no projeto HIsarna em sua usina de IJmuiden, que visa reduzir as emissões de CO₂ integrando hidrogênio ao processo de fabricação de aço. O projeto se concentra na conversão de minério de ferro em ferro usando hidrogênio em vez de materiais à base de carbono.

A Thyssenkrupp está desenvolvendo seu projeto Carbon2Chem, que inclui o uso de hidrogênio para produzir aço. O projeto visa capturar e converter as emissões da siderurgia em produtos químicos, utilizando o hidrogênio como componente-chave. A Thyssenkrupp também planeja construir uma planta de redução direta baseada em hidrogênio em Duisburg.

Indústria Química

O hidrogênio verde, produzido por eletrólise alimentada por energia renovável, está transformando a produção de amônia e metanol, produtos químicos cruciais com aplicações industriais significativas.

Tradicionalmente, a amônia é produzida pelo processo Haber-Bosch, utilizando hidrogênio derivado do gás natural, resultando em emissões substanciais de CO₂. Ao utilizar hidrogênio verde, o processo combina esse hidrogênio com o nitrogênio do ar para produzir amônia sem emitir CO₂. Essa amônia verde é vital para fertilizantes e como um potencial transportador de energia livre de carbono.

O metanol é normalmente produzido a partir de gás de síntese (uma mistura de hidrogênio, monóxido de carbono e CO₂) derivado de gás natural ou carvão, emitindo também uma quantidade significativa de CO₂. O hidrogênio verde, combinado com o CO₂ capturado, pode produzir metanol por hidrogenação, gerando metanol e água. O metanol verde serve como matéria-prima química e combustível, com uma pegada de carbono muito menor.

Notavelmente, a Yara International e a Siemens-CF Industries estão promovendo projetos de amônia verde. E a Carbon Recycling International (CRI), na Islândia, produz metanol renovável usando hidrogênio verde e CO₂.

Outros setores

Além do aço e dos produtos químicos, o hidrogênio está sendo explorado em vários processos industriais para reduzir emissões e aumentar a sustentabilidade:

1. Produção de cimento: o hidrogênio pode substituir o carvão e o gás natural em fornos de cimento para reduzir as emissões de CO₂.
2. Fabricação de vidro: o hidrogênio serve como combustível limpo para fornos de alta temperatura.
3. Refinarias: Mudar para hidrogênio verde para hidrocraqueamento e dessulfuração pode reduzir as emissões.
4. Alimentos e bebidas: o hidrogênio alimenta fornos e caldeiras, reduzindo o uso de combustíveis fósseis.
5. Têxteis e papel*: O hidrogênio oferece uma alternativa mais limpa para aquecimento e geração de vapor.
6. Operações de mineração: células de combustível de hidrogênio alimentam máquinas pesadas, reduzindo o impacto ambiental.
7. Fabricação de eletrônicos: o hidrogênio verde é usado na produção de semicondutores.
8. Transporte e Logística: Células de combustível de hidrogênio alimentam caminhões, ônibus, empilhadeiras e equipamentos de movimentação de materiais.

Esses desenvolvimentos mostram o potencial do hidrogênio para descarbonizar vários setores de alta emissão, mas ele continua sendo uma opção mais cara e menos prática do que o status quo.

Armazenamento de energia e geração de energia

Armazenamento de energia em escala de rede

O hidrogênio pode estabilizar a rede elétrica armazenando o excesso de energia renovável e liberando-a durante o pico de demanda. 

Durante períodos de produção excedente de energia renovável, os eletrolisadores utilizam esse excesso de eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio. O hidrogênio é então armazenado como gás comprimido, hidrogênio líquido ou em compostos químicos. Quando a demanda excede a oferta, o hidrogênio armazenado é convertido novamente em eletricidade por meio de células de combustível ou turbinas de combustão. 

As células de combustível geram eletricidade combinando hidrogênio e oxigênio, enquanto as turbinas de combustão queimam hidrogênio para produzir energia. Esse processo ajuda a equilibrar a oferta e a demanda, fornece energia de reserva confiável e auxilia na regulação da frequência. 

Os sistemas de armazenamento de hidrogênio são escaláveis ​​e podem armazenar energia por longos períodos, tornando-os ideais para integração com fontes de energia renováveis ​​e melhorando a estabilidade da rede. Essa abordagem contribui para um sistema energético mais confiável e sustentável, garantindo um fornecimento de energia consistente, apesar da variabilidade das fontes de energia renováveis.

Projetos como o HyDeploy europeu visam integrar hidrogênio em redes de gás natural, aproveitando a infraestrutura existente.

Sistemas de energia de backup

Células de combustível de hidrogênio oferecem energia de reserva confiável e limpa para infraestruturas críticas, como data centers. Elas fornecem energia contínua enquanto o hidrogênio estiver disponível e podem ser acionadas rapidamente para garantir reserva imediata durante interrupções. 

Gerando eletricidade por meio de uma reação eletroquímica, as células de combustível emitem apenas água e calor, o que as torna ecologicamente corretas e reduzem a pegada de carbono, especialmente ao usar hidrogênio verde.

As células de combustível são altamente eficientes, modulares e escaláveis, permitindo que atendam a necessidades específicas de energia, oferecendo baixa manutenção e operação silenciosa. A produção e o armazenamento de hidrogênio no local aumentam a segurança energética, proporcionando independência da rede e garantindo um fornecimento constante de combustível. 

Ao adotar células de combustível de hidrogênio, os data centers podem obter energia confiável e ininterrupta, reduzir emissões e contribuir para metas de sustentabilidade, tornando-os uma alternativa atraente aos geradores a diesel tradicionais.

Empresas como a Microsoft estão experimentando células de combustível de hidrogênio em seus data centers.

Armazenamento e Transporte de Hidrogênio

Armazenamento

O armazenamento de hidrogênio é essencial para o uso do hidrogênio como transportador de energia, especialmente para integração de energia renovável, transporte e processos industriais. Soluções eficazes de armazenamento precisam abordar os desafios de densidade energética, custo, segurança e infraestrutura. Alguns dos principais métodos de armazenamento de hidrogênio são:

Armazenamento de gás comprimido

O hidrogênio é armazenado em tanques de alta pressão (350 a 700 bar). Essa tecnologia madura é amplamente utilizada, principalmente em veículos movidos a células de combustível de hidrogênio (FCVs). Embora seja relativamente simples, a densidade energética é menor em comparação com outros métodos, exigindo volumes de armazenamento maiores. O armazenamento em alta pressão também exige materiais resistentes e duráveis, o que aumenta os custos.

Armazenamento de hidrogênio líquido

O hidrogênio é resfriado a -253 °C e armazenado como líquido em recipientes isolados. Este método oferece maior densidade energética, tornando-o adequado para aplicações com restrições de espaço, como a indústria aeroespacial. No entanto, manter temperaturas criogênicas requer energia significativa e isolamento especializado, aumentando a complexidade e o custo. Há também perdas por evaporação ao longo do tempo.

Armazenamento de produtos químicos

O hidrogênio pode ser armazenado em compostos químicos como hidretos metálicos, amônia ou transportadores de hidrogênio orgânico líquido (LOHCs). Os hidretos metálicos proporcionam alta densidade energética volumétrica e segurança, mas apresentam baixas taxas de liberação de hidrogênio. A amônia possui alta densidade energética e infraestrutura estabelecida, mas é tóxica e corrosiva. Os LOHCs oferecem manuseio seguro e utilizam a infraestrutura existente, mas exigem processos que consomem muita energia para liberar o hidrogênio.

Armazenamento Subterrâneo

O hidrogênio pode ser armazenado em cavernas subterrâneas, domos de sal ou campos de gás natural esgotados. Este método é econômico para grandes volumes e adequado para armazenamento em escala de rede, mas requer formações geológicas adequadas e apresenta riscos de vazamento e contaminação.

Materiais avançados

Pesquisas em materiais avançados, como estruturas metal-orgânicas (MOFs) e materiais à base de carbono, estão em andamento. Esses materiais podem oferecer alta capacidade de armazenamento em baixas pressões e temperaturas ambientes, mas ainda estão em fase de pesquisa, enfrentando desafios de escalabilidade e custo.

Transporte

Pipelines

O hidrogênio pode ser transportado por gasodutos de gás natural existentes, com modificações, ou por novos gasodutos dedicados a hidrogênio. Projetos como o European Hydrogen Backbone propõem a criação de uma rede transeuropeia de hidrogênio até 2040.

Caminhões-tanque

Para distâncias mais curtas, o hidrogênio pode ser transportado na forma comprimida ou liquefeita por meio de caminhões-tanque. Esse método é atualmente utilizado para o fornecimento industrial de hidrogênio.

Envios

O transporte marítimo de hidrogênio líquido está sendo desenvolvido para o transporte internacional. A Kawasaki Heavy Industries lançou o primeiro navio cargueiro de hidrogênio liquefeito do mundo, o Suiso Frontier, facilitando o comércio de hidrogênio em larga escala.

Novos métodos

Novas opções de transporte também estão surgindo, muitas vezes em conjunto com o transporte de materiais essenciais em processos industriais.

Por exemplo, o hidrogênio pode ser incorporado ao minério de ferro para transporte até as siderúrgicas. Isso envolve o uso do hidrogênio para reduzir o minério de ferro a ferro reduzido diretamente (DRI), reduzindo significativamente as emissões de dióxido de carbono na produção de aço. Esse método substitui o carbono por hidrogênio no processo de redução, produzindo vapor d'água em vez de dióxido de carbono. O DRI, contendo hidrogênio incorporado, é então transportado para as unidades de produção de aço para processamento posterior em fornos elétricos a arco (EAFs), que podem ser alimentados por energia renovável. Essa abordagem descarboniza a indústria siderúrgica, alavanca a logística existente para o minério de ferro e promove o uso de hidrogênio verde.

Questões Regulamentares

Normas de Segurança

A inflamabilidade do hidrogênio exige padrões de segurança rigorosos para produção, armazenamento e transporte. Órgãos reguladores como a Organização Internacional para Padronização (ISO) e o Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão desenvolvendo diretrizes de segurança para garantir o manuseio seguro.

Desenvolvimento de infraestrutura

Os marcos regulatórios devem apoiar o desenvolvimento de infraestrutura, incluindo oleodutos, postos de abastecimento e instalações de armazenamento. Políticas que promovam parcerias público-privadas e processos de licenciamento simplificados são essenciais.

Incentivos e subsídios

Os governos estão implementando incentivos como créditos fiscais, subsídios e subsídios para promover a adoção do hidrogênio. O Acordo Verde da União Europeia, por exemplo, inclui financiamento significativo para projetos de hidrogênio.

Investimento governamental

Europa

A União Europeia é líder em investimentos em hidrogênio, com a Estratégia de Hidrogênio da UE visando instalar 40 GW de eletrolisadores até 2030. Países como Alemanha, França e Holanda têm estratégias nacionais substanciais de hidrogênio, investindo bilhões em pesquisa, infraestrutura e projetos-piloto.

Ásia

Japão e Coreia do Sul são pioneiros em economias de hidrogênio. A Estratégia Básica de Hidrogênio do Japão visa uma sociedade baseada em hidrogênio, com investimentos em veículos movidos a células de combustível e produção de hidrogênio. O Roteiro da Economia de Hidrogênio da Coreia do Sul visa implantar 5.26 milhões de veículos movidos a hidrogênio até 2040.

América do Norte

Os EUA estão intensificando os investimentos em hidrogênio, com a iniciativa Hydrogen Energy Earthshot do Departamento de Energia (DOE) visando US$ 1/kg de hidrogênio até 2030. A Califórnia está na vanguarda, com ampla infraestrutura de reabastecimento de hidrogênio e incentivos para FCVs de hidrogênio. A Estratégia de Hidrogênio do Canadá concentra-se na produção e no potencial de exportação de hidrogênio verde.

Mostra potencial e espaço para melhorias…

O hidrogênio é uma alternativa versátil e promissora aos combustíveis fósseis, com aplicações que abrangem transporte, processos industriais e armazenamento de energia. Os pioneiros nos setores automotivo e de transporte pesado estão demonstrando o potencial do hidrogênio, enquanto as aplicações industriais oferecem oportunidades significativas de descarbonização. Soluções eficazes de transporte e armazenamento são cruciais para o sucesso do hidrogênio, exigindo avanços em infraestrutura e tecnologia.

Estruturas regulatórias e investimentos governamentais são fundamentais para impulsionar a adoção do hidrogênio. Com padrões de segurança robustos, políticas de apoio e financiamento substancial, o hidrogênio pode desempenhar um papel crucial para atingir as metas climáticas globais. 

Mas — e isso é verdade há muito tempo — o hidrogênio não cumpriu sua promessa. 

À medida que a tecnologia avança e as economias de escala são alcançadas, o papel do hidrogênio na transição energética deve continuar a se expandir, oferecendo um caminho mais sustentável a seguir.