Hidrogênio: um problema e uma solução verde

*Por Tarcísio Dias

A coluna de hoje vou abrir espaço para um assunto cada vez mais em alta, o hidrogênio. A Infosys divulgou, recentemente, um material que fala sobre a transição das empresas para fontes de energia sustentáveis, como o hidrogênio. Abaixo, estou compartilhando esse conteúdo, na íntegra, que trata da visão sobre o hidrogênio como um problema e uma solução, exigindo bilhões de dólares em pesquisa e inovação para superar seus desafios técnicos.

A transição para fontes de energia sustentáveis, afastando-se dos combustíveis fósseis, sempre exigiu uma abordagem abrangente para ter sucesso. E o hidrogênio há muito tempo é reconhecido como um problema e uma solução, exigindo bilhões de dólares em pesquisa e inovação para superar seus desafios técnicos.

Há vinte anos, a Agência Internacional de Energia estabeleceu um grupo para coordenar entre os programas nacionais de pesquisa e desenvolvimento de hidrogênio e estratégias de políticas, desde veículos de célula de combustível até geração distribuída em regiões remotas e descarbonização da produção existente de hidrogênio. "No entanto, o desenvolvimento da economia do hidrogênio não ocorreu tão rapidamente, amplamente ou sustentavelmente como muitos esperavam, embora o interesse esteja ressurgindo.

O mundo produz cerca de 70 milhões de toneladas métricas de hidrogênio anualmente para usos industriais, incluindo refino de petróleo, produção de amônia, metanol e aço. No entanto, essas 70 milhões de toneladas métricas resultam em 830 milhões de toneladas métricas de emissões de CO2, o equivalente ao Reino Unido e Indonésia combinados.

Quase todo o hidrogênio do mundo (96%) foi processado a partir de gás natural, carvão ou petróleo em 2021, de acordo com a Agência Internacional de Energias Renováveis. Apenas 4% foram gerados a partir da divisão da água em hidrogênio e oxigênio por meio da eletrólise - e apenas uma fração disso a partir de fontes de energia renovável. Em todos os casos, esses são processos intensivos em energia.

Como combustível de transporte limpo, o hidrogênio também tem lutado para ganhar espaço. Em 2022, estações de carregamento de veículos elétricos representaram 83% das estações de combustível alternativo nos EUA. O hidrogênio tinha apenas 72 estações de abastecimento, ou 0,1% do total nacional, de acordo com o Departamento de Energia dos EUA. Apesar da redução de 70% nos custos das células de combustível a hidrogênio em cerca de uma dúzia de anos e do crescimento recente, ainda havia apenas 72.000 desses veículos globalmente. Em comparação, mais de 10 milhões de veículos elétricos foram vendidos em todo o mundo em 2022.

Ainda assim, uma nova onda de interesse no hidrogênio está em curso, em parte devido a avanços tecnológicos, investimentos governamentais e pressão crescente para atingir as metas do Acordo de Paris. O governo dos EUA planeja investir US$ 7 bilhões em hubs regionais de hidrogênio na próxima década como parte de um esforço de US$ 8 bilhões para promover o uso de hidrogênio. A Alemanha anunciou que gastaria quase a mesma quantia (US$ 7,6 bilhões) em hidrogênio verde. Além disso, estão em andamento planos para um projeto na Arábia Saudita que produziria 600 toneladas métricas de hidrogênio verde por dia para criar amônia, tornando a planta um dos maiores produtores de hidrogênio do mundo.

O papel do hidrogênio no mundo - Até agora, o hidrogênio desempenhou um papel pequeno na transição energética mundial. No entanto, a pressão está aumentando para mudar essa dinâmica, já que o hidrogênio é um produto fundamental em muitas indústrias intensivas em carbono. O gráfico abaixo mostra uma versão simplificada da complexa cadeia de valor do hidrogênio.

Existem barreiras significativas em cada etapa da cadeia de valor. O tipo de energia usada e a tecnologia aplicada ao processo de produção determinam se o hidrogênio realmente reduz as emissões de gases de efeito estufa (GEE). A intensidade energética da produção determina a viabilidade econômica do hidrogênio mais sustentável. O transporte também é dispendioso devido às propriedades físicas do hidrogênio - ele é altamente inflamável e propenso a vazamentos. Por fim, ainda existem obstáculos para adaptar os usos finais para funcionar com hidrogênio em vez de combustíveis fósseis.

Apesar de todas essas barreiras - tanto atuais quanto futuras - empresas multinacionais e governos nacionais estão investindo bilhões de dólares na transformação da forma como pensamos sobre o hidrogênio.

O papel do hidrogênio na indústria - O hidrogênio oferece grande potencial para substituir hidrocarbonetos como matéria-prima para alguns processos industriais e também para produzir energia em algumas indústrias intensivas em carbono.

Um artigo no Journal of Industrial Ecology examinou como o hidrogênio pode ser usado como agente redutor para substituir o carvão na produção de ferro. Os pesquisadores concluíram que essa abordagem, que requer investimentos significativos, poderia reduzir as emissões da indústria do ferro e do aço em quase um terço.

Além disso, o projeto de pesquisa "HyInHeat" da UE está examinando o uso do hidrogênio para gerar as altas temperaturas necessárias para as indústrias de alumínio e aço. O projeto, que conta com 30 parceiros de 12 países, está testando a eficiência desses processos e determinando como os fornos e outros equipamentos existentes precisariam ser modificados.

Hidrogênio na geração e armazenamento de eletricidade - Grande parte da eletricidade mundial é gerada por turbinas a gás natural, mas o hidrogênio é uma alternativa.

A Entergy, uma empresa de eletricidade integrada com três milhões de clientes nos EUA, está construindo uma usina de energia no Texas que pode usar tanto gás natural quanto hidrogênio como combustível. Este projeto de US$ 1,5 bilhão está em construção perto do corredor de petróleo da Costa do Golfo do Texas e em um estado que, se fosse um país, seria o terceiro maior produtor de gás natural do mundo.

Projetos semelhantes podem se espalhar à medida que os governos limitam as emissões de usinas de energia. Embora a queima de hidrogênio não crie emissões de GEE, o impacto total na atmosfera dependerá de como o hidrogênio foi produzido.

O armazenamento de energia oferece outra oportunidade, que pode complementar as baterias, a hidroeletricidade reversa e outras soluções menos estabelecidas. O conceito é o mesmo com o hidrogênio e com outras tecnologias de armazenamento, que é compensar a natureza intermitente da geração de eletricidade a partir de fontes renováveis. As empresas podem usar eletricidade quando ela estiver abundante e barata (geralmente quando o vento e o sol geram eletricidade em excesso) para produzir hidrogênio por meio da eletrólise. Em seguida, o hidrogênio pode ser convertido de volta em energia quando a demanda aumentar, seja por meio de células de combustível ou motores de combustão.

Hidrogênio no transporte - O hidrogênio ainda é uma fonte de energia de nicho (ou mais precisamente um portador de energia). No entanto, isso não é necessariamente negativo. Cada vez mais, especialistas veem o hidrogênio como uma solução crítica para preencher lacunas na estratégia de sustentabilidade mundial. Com o planejamento adequado, o hidrogênio, abundante mas difícil de gerenciar, promete ajudar a reduzir as emissões em áreas onde outros esforços falharam.

As pessoas raramente viajam em veículos de passageiros movidos a células de combustível a hidrogênio, e ainda menos em veículos com motores de combustão interna movidos a hidrogênio. No entanto, o hidrogênio pode ser útil em muitas outras situações, como caminhões pesados que podem descarregar as baterias elétricas muito rapidamente ou caminhões que viajam em áreas remotas.

No Reino Unido, a BP anunciou um grande projeto de hidrogênio verde e assinou um memorando de entendimento com a Daimler para usar parte do hidrogênio para alimentar caminhões com células de combustível. De forma mais ampla, a BP afirma publicamente que deseja que o projeto Teesside se torne um centro de descarbonização de caminhões, aeroportos, portos e ferrovias. Essa abordagem de hub é particularmente útil com o hidrogênio, que é mais difícil e dispendioso de transportar do que muitos outros combustíveis.

Embarcações movidas a hidrogênio marítimo existem, mas apenas em pequeno número. Um navio de contêineres movido a hidrogênio, o H₂ Barge 1, foi lançado este ano e transportará produtos da Nike da Holanda para a Bélgica. Isso deve eliminar 2.000 toneladas de emissões de CO₂ da pegada de carbono da gigante do esporte. A primeira balsa movida a hidrogênio líquido, a MF Hydra da Norled, começou a operar na Noruega em 2023. Além disso, a linha de cruzeiros de luxo Viking planeja lançar novos navios que usam células de combustível a hidrogênio. Outras linhas de cruzeiros também estão procurando alternativas de combustível como forma de 
atingir a meta de emissões líquidas zero de 2050 da Cruise Lines International Association.

Além disso, os fabricantes de aeronaves estão trabalhando em aviões movidos a hidrogênio, embora essas ambições estejam a mais de uma década de distância. A Airbus tem como objetivo desenvolver o "primeiro avião comercial movido a hidrogênio do mundo" até 2035. Até o início de 2023, o maior avião a funcionar com uma célula de combustível a hidrogênio era um modelo de 19 lugares. Mas apenas um de seus dois motores era movido a hidrogênio; o outro era um motor a querosene.

O espectro de cores do hidrogênio - O hidrogênio desempenhará um papel crítico na transição energética, seja acelerando-a ou dificultando-a. O fator determinante será a cor do hidrogênio, um esquema de categorização que indica o método de produção e, como resultado, o impacto nas emissões de gases de efeito estufa. Os códigos de cores mais comuns são hidrogênio branco, cinza, preto, marrom, rosa, azul, turquesa e verde.
Hidrogênio branco — Ocorre naturalmente no subsolo e não é extraído comercialmente. No entanto, algumas empresas estão buscando fontes de hidrogênio branco, apesar do ceticismo significativo de que ele será comercialmente viável ou capaz de satisfazer uma porcentagem significativa da demanda da indústria.

Hidrogênio cinza — Produzido a partir de gás natural por meio do processo de reforma a vapor de metano (SMR). Nesse método, o metano reage com vapor para produzir gás de hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono. A SMR também libera grandes quantidades de GEE na atmosfera. Este é o método mais comum de produção de hidrogênio.

Hidrogênio preto e marrom — Utiliza carvão betuminoso (preto) ou carvão lignito (marrom) no processo de gasificação.

Hidrogênio rosa — Gerado por meio de eletrólise alimentada por energia nuclear, na qual a água é dividida em hidrogênio e oxigênio. Isso não gera emissões de GEE, mas a necessidade de descartar resíduos nucleares ainda é um problema ambiental com essa fonte de energia.

Hidrogênio azul — Também produzido usando SMR, assim como o hidrogênio cinza. No entanto, técnicas de captura e armazenamento de carbono buscam manter as emissões fora da atmosfera.

Hidrogênio turquesa — Produzido usando um processo chamado pirólise de metano. O gás natural é aquecido a altas temperaturas, o que quebra o metano em gás de hidrogênio e carbono sólido. O carbono pode ser capturado e usado para aplicações industriais.

Hidrogênio verde — Produzido por meio de eletrólise usando fontes de energia renovável, como eólica, solar ou hidrelétrica. O hidrogênio verde é o mais ecologicamente correto do grupo e o foco de muitas das novas iniciativas governamentais de hidrogênio.

Apesar da complexidade, uma semelhança entre esses diferentes processos é que todos são muito intensivos em energia. Isso coloca um prêmio nos tipos de eletricidade utilizados e na tecnologia e técnicas necessárias para tornar o processo mais eficiente.

A atual corrida para criar novos projetos de hidrogênio verde é um resultado direto do aumento da capacidade de energia renovável e da diminuição de seus custos.

Barreiras ao uso do hidrogênio - Embora o hidrogênio tenha potencial como combustível alternativo, existem vários argumentos e preocupações levantados por críticos e céticos que merecem consideração. Esses argumentos destacam desafios e possíveis desvantagens associadas ao uso do hidrogênio como alternativa convencional aos combustíveis tradicionais. Alguns dos principais argumentos contra o hidrogênio como combustível alternativo incluem:

Eficiência energética — O processo de produção, transporte e uso do hidrogênio como combustível é menos eficiente em comparação com o uso direto de eletricidade em veículos elétricos com bateria. A conversão de energia da eletricidade para o hidrogênio, seu transporte e a conversão de volta em eletricidade em células de combustível resultam em perda de energia.

Emissões de carbono na produção — Se o hidrogênio for produzido usando combustíveis fósseis sem captura e armazenamento de carbono, pode resultar em emissões significativas de carbono. A RSM, o principal método de produção de hidrogênio, gera dióxido de carbono como subproduto.

Desvio de investimento — O hidrogênio como combustível compete por atenção, recursos e investimento com várias outras soluções de energia limpa, como eletrificação, biocombustíveis e tecnologias avançadas de propulsão. A construção de uma infraestrutura de hidrogênio, incluindo instalações de produção, armazenamento, transporte e postos de abastecimento, requer um investimento significativo que pode ser mais bem direcionado para soluções mais maduras.

Desafios de armazenamento de energia — O armazenamento de hidrogênio requer infraestrutura e materiais especializados. Sua baixa densidade de energia por volume requer compressão e liquefação, o que pode levar à perda de energia e preocupações com a segurança do gás altamente inflamável.

Questões da cadeia de suprimentos — A logística da cadeia de suprimentos de hidrogênio, incluindo produção, transporte e distribuição, precisa ser desenvolvida e otimizada. Críticos questionam a viabilidade de estabelecer uma cadeia de suprimentos de hidrogênio abrangente e eficiente.

Uso de recursos e terra — A produção de hidrogênio requer quantidades significativas de água, principalmente para a eletrólise. Isso pode representar desafios em regiões com escassez de água.

Escala e viabilidade — Aumentar a produção de hidrogênio para atender à demanda nos setores de transporte, indústria e outros é um desafio complexo. Céticos questionam se haverá oferta suficiente das versões mais limpas de hidrogênio para sustentar uma ampla adoção.

Uma abordagem prática para os problemas e soluções do hidrogênio

A cadeia de valor do hidrogênio, desde a produção até a distribuição e os usos finais, enfrenta desafios que impedem seu progresso. No entanto, os apoiadores veem claramente seu potencial como uma solução de energia limpa e estão confiantes de que o impacto ambiental de sua produção atual pode ser aliviado.

Não é possível cumprir todas as grandes promessas atribuídas ao hidrogênio, mas muitas soluções estão agora ao alcance. A integração de tecnologias digitais está transformando rapidamente a indústria do hidrogênio, abordando muitos desses desafios e garantindo que o impacto do hidrogênio no mundo seja mais positivo. Mas, em primeiro lugar, as organizações precisam saber onde concentrar seus esforços para desbloquear o pleno potencial do hidrogênio.

Produção otimizada

Controle de processo avançado — A tecnologia de gêmeo digital permite simulações em tempo real dos processos de produção de hidrogênio, permitindo que os operadores otimizem as operações, minimizem o consumo de energia e reduzam as emissões.

Manutenção preditiva — Sensores e dispositivos de Internet das Coisas (IoT) podem monitorar as condições dos equipamentos, prevendo as necessidades de manutenção e evitando paradas caras nas instalações de produção de hidrogênio.

Armazenamento e transporte eficientes

Tubulações inteligentes — O uso de IoT e inteligência artificial (IA) no monitoramento de tubulações garante o transporte seguro e eficiente de hidrogênio, detectando vazamentos ou anomalias e possibilitando uma resposta rápida.

Blockchain para transparência — A tecnologia blockchain pode ser usada para rastrear a origem e a qualidade do hidrogênio, garantindo transparência e rastreabilidade na cadeia de suprimentos. A empresa de energia espanhola ACCIONA Energía lançou o que chama de primeira plataforma blockchain para verificar o transporte de hidrogênio verde.

Desenvolvimento de infraestrutura de hidrogênio

Análise geoespacial — A inteligência de localização e a tecnologia de sistemas de informação geográfica ajudam a identificar locais ideais para a infraestrutura de hidrogênio, como postos de abastecimento ou centros de distribuição, com base na demanda e na acessibilidade.
Permissões digitais e conformidade regulatória — Plataformas digitais simplificam o processo de obtenção de permissões para o desenvolvimento de infraestrutura de hidrogênio, reduzindo atrasos e encargos administrativos.

Integração à rede e gerenciamento de energia

Balanceamento da rede — Sistemas de gerenciamento de energia baseados em IA podem integrar a produção de hidrogênio com a rede elétrica, equilibrando o fornecimento e a demanda, reduzindo a instabilidade da rede causada por fontes de energia renovável intermitentes.
Previsão de demanda — Algoritmos de aprendizado de máquina podem prever a demanda por hidrogênio, permitindo um planejamento de produção mais preciso e otimização de custos.
Produção descentralizada

Eletrólise em pequena escala — Unidades de eletrólise compactas e controladas digitalmente permitem a produção descentralizada de hidrogênio no ponto de uso. Isso reduz os custos de transporte e as perdas de energia.
Negociação peer-to-peer — Contratos inteligentes facilitam a negociação de produção excedente de hidrogênio entre produtores e consumidores.

Análise de dados e insights

Análise de big data — A análise de conjuntos de dados grandes de sensores e dispositivos fornece insights sobre a eficiência operacional, permitindo uma melhoria contínua na cadeia de valor do hidrogênio.
Avaliação do ciclo de vida — Ferramentas digitais avaliam o impacto ambiental da produção de hidrogênio, ajudando as partes interessadas a tomar decisões informadas sobre origens e uso.
Tanto os defensores quanto os céticos do hidrogênio como fonte de energia reconhecem que ele deve desempenhar um papel significativo na transição energética mundial. O gás é necessário para uma variedade de usos e muitas vezes não pode ser substituído. E em nosso caminho atual, ele é um grande contribuinte para as emissões de gases de efeito estufa. Previsivelmente, estamos presos ao elemento mais abundante do universo.
Agora cabe aos cientistas, governos, universidades e empresas determinar como desembaraçar a complexa cadeia de valor do hidrogênio. Como em qualquer grande mudança na economia mundial, a revolução do hidrogênio exigirá inovações científicas e de engenharia, investimentos maciços e uma abordagem analítica e prática para o papel que o hidrogênio desempenha globalmente.

*Tarcisio Dias - Profissional e técnico em Mecânica, além de Engenheiro Mecânico com habilitação em Mecatrônica e Radialista. Desenvolve o site Mecânica Online® (mecanicaonline.com.br) e sua exclusiva área de cursos sobre mecânica na internet (cursosmecanicaonline.com.br), uma oportunidade para entender como as novas tecnologias são úteis para os automóveis cada vez mais eficientes.
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