Escalonando a infraestrutura para adicionar hidrogênio verde 

A pressão global por reduções nas emissões de gases de efeito estufa colocou o hidrogênio – especificamente o hidrogênio verde produzido a partir de fontes de energia renováveis – em evidência. Embora ainda esteja em seus estágios iniciais, a economia do hidrogênio apresenta uma oportunidade para um transporte, processos industriais e produção de energia mais sustentáveis. No entanto, realizar esses benefícios requer superar vários desafios de infraestrutura a montante de sua produção.

A adoção generalizada do hidrogênio verde exigirá investimentos contínuos em pesquisa e desenvolvimento, colaboração entre organizações quanto à produção e consumo, e estruturas políticas robustas.

Primeiramente, a infraestrutura existente de gás natural – incluindo gasodutos, instalações de armazenamento e redes de transporte – deve ser reformulada ou substituída para lidar com o hidrogênio de forma segura e eficaz devido às suas propriedades químicas únicas. As moléculas de gás hidrogênio são as menores de qualquer tipo, tornando-as propensas a vazamentos. Isso exige o uso de materiais especializados e técnicas de vedação para garantir o transporte e armazenamento seguros e eficientes. Além disso, o hidrogênio pode enfraquecer estruturas de pipelines e recipientes materiais incompatíveis, e a chama quase invisível ao ser acesa torna quase impossível detectá-la à luz do dia, apresentando riscos à segurança.

O armazenamento e o transporte apresentam complexidades logísticas adicionais. Quando o espaço é limitado, seja no armazenamento ou a bordo de um recipiente para transporte, a baixa densidade energética volumétrica do hidrogênio em comparação com o gás natural e os combustíveis fósseis líquidos exige condições extremas – seja compressão de até 700 bar (10.500 psi), ou liquefação a temperaturas de -253° C (-423,4° F) ou abaixo disso. Manter o hidrogênio em qualquer um desses estados é intensivo em energia, o que adiciona requisitos adicionais de equipamentos, energia e custos para o armazenamento e transporte a longo prazo.

Abordar os desafios dos gasodutos requer investimentos em materiais especializados resistentes à fragilização por hidrogênio, enquanto o dilema do armazenamento e transporte exige cálculos complicados de eficiência energética e tomada de decisões com base em diversas variáveis.

Atualmente, a maior parte da produção de hidrogênio depende da extração de combustíveis fósseis por meio de processos como reforma a vapor de metano e reforma autotérmica. Em suas formas mais simples, esses processos produzem hidrogênio cinza, assim chamado porque inclui dióxido de carbono e outros gases de efeito estufa que prejudicam os benefícios ambientais esperados do hidrogênio. Esse gás residual pode ser capturado – resultando em hidrogênio azul – mas capturá-lo, transportá-lo e armazená-lo é caro.

A produção de hidrogênio verde elimina esses problemas, mas introduz a necessidade de investimentos substanciais em capacidade de eletrolisadores – tipicamente do tipo membrana de troca de prótons ou alcalino –, infraestrutura de rede e outros investimentos no ecossistema, como o balanceamento da planta. A eletrólise usa eletricidade para dividir as moléculas de água em seus componentes constituintes de hidrogênio e oxigênio, com o hidrogênio sendo extraído e o gás oxigênio, inofensivo, sendo liberado para a atmosfera ou processado para outros usos industriais. Quando alimentado por fontes de energia renovável – como vento, solar ou hidrelétrica – o hidrogênio resultante é verde e sustentável.

Alimentar a rede elétrica com eletricidade produzida a partir de hidrogênio verde apresenta alguns desafios, pois requer uma nova infraestrutura energética e integração perfeita aos sistemas de energia existentes. Essa integração está se tornando cada vez mais necessária. As populações estão recorrendo a redes inteligentes, soluções de armazenamento de energia e sistemas sofisticados de gerenciamento de energia para equilibrar a crescente demanda por energia renovável, à medida que as demandas flutuam e ficam desalinhadas com o fornecimento intermitente.

Embora o hidrogênio esteja atrás dos combustíveis fósseis tradicionais em termos de custo por unidade de energia, espera-se que seu preço diminua nas próximas décadas. Isso pode ser atribuído à evolução das tecnologias de produção e uso, aos investimentos em infraestrutura pública e privada que estão se concretizando e à padronização generalizada das práticas de segurança.

Apesar desses desafios, a economia do hidrogênio verde é atraente devido ao seu potencial de emissões líquidas zero. Combinado com práticas de produção limpas, o vapor d'água pode ser a única emissão do hidrogênio renovável, estabelecendo o gás como um componente crucial para alcançar as metas de emissões e mitigar as mudanças climáticas.

Além disso, o hidrogênio pode ser armazenado de várias formas por longos períodos, sem os problemas de degradação de energia das baterias – à custa de uma eficiência de geração de eletricidade mais baixa no armazenamento de curto prazo – resolvendo questões de intermitência das fontes renováveis diretas de energia solar e eólica. Esse hidrogênio armazenado pode então ser utilizado para gerar eletricidade durante períodos de pico de demanda, aprimorando a estabilidade e confiabilidade da rede, ou para alimentar veículos ou processos industriais. A capacidade de armazenar e distribuir energia renovável de forma flexível é um componente chave para o funcionamento bem-sucedido de redes elétricas alimentadas por fontes renováveis.

Além de gerar eletricidade, o hidrogênio tem uma ampla gama de outros usos, desde alimentar veículos pesados e processos industriais até aquecer residências e outros edifícios. No setor de transporte, os veículos a célula de combustível de hidrogênio oferecem uma alternativa sem emissões aos caminhões e ônibus a diesel, proporcionando maior alcance e tempos de reabastecimento mais rápidos em comparação com veículos elétricos equipados com baterias. Particularmente para o transporte de longa distância, o peso das baterias e os longos tempos de carregamento representam barreiras logísticas e econômicas.

Na indústria, o hidrogênio pode ser utilizado como uma matéria-prima limpa para a produção de amônia e outros produtos químicos, reduzindo a dependência de processos baseados em combustíveis fósseis em setores como a fabricação de aço, cimento e produção de fertilizantes.

Governos ao redor do mundo estão reconhecendo o potencial transformador do hidrogênio e, como resultado, estão implementando políticas e incentivos para acelerar sua adoção. Exemplos incluem financiamento direto para pesquisa e desenvolvimento, créditos fiscais para a produção e uso de hidrogênio, e mandatos para a mistura de hidrogênio nas redes de gás natural existentes, sempre que possível, como medida de transição.

Por exemplo, a União Europeia revelou sua Estratégia para o Hidrogênio , que visa estabelecer uma cadeia de valor completa para o hidrogênio, incluindo um plano para instalar 40 gigawatts de capacidade de eletrolisadores até 2030. Enquanto isso, o Japão e a Coreia do Sul anunciaram planos ambiciosos para se tornarem sociedades movidas a hidrogênio . Colaborações internacionais também estão surgindo para harmonizar normas e regulamentações, facilitando o comércio transfronteiriço de hidrogênio.

Embora o cronograma para realizar totalmente a economia do hidrogênio ainda seja incerto, a maioria dos especialistas prevê um crescimento significativo nas próximas décadas. O Hydrogen Council, uma iniciativa global liderada por CEOs, projeta que o hidrogênio pode atender até 24% da demanda global de energia até 2050 , com o mercado alcançando $2,5 trilhões anualmente. Esse crescimento deve ser impulsionado por uma confluência de fatores, incluindo avanços tecnológicos na produção e armazenamento de hidrogênio, a queda nos custos de energia renovável e políticas climáticas governamentais cada vez mais rigorosas.

A viabilidade da economia do hidrogênio verde também depende da disponibilidade de fontes de energia renovável e do desenvolvimento de uma infraestrutura eficiente. Embora a produção de hidrogênio verde seja atualmente amplamente apoiada por incentivos governamentais, os custos devem diminuir à medida que a tecnologia melhore, as economias de escala sejam alcançadas e a demanda global por hidrogênio aumente. O governo dos EUA, por exemplo, está estabelecendo como meta custos de $2 USD/kg até 2026 e $1 USD/kg até 2031 .

Semelhante ao avanço das baterias e painéis solares nas duas últimas décadas, as tecnologias de energia a hidrogênio apresentam uma oportunidade em grande parte inexplorada para eficiências e crescimento no curto prazo. À medida que os custos de produção diminuem e a infraestrutura se expande, espera-se que o hidrogênio penetre gradualmente em outros setores, reduzindo, por fim, as emissões de carbono do sistema energético.

Escalar com sucesso o mercado de energia do hidrogênio depende da colaboração entre instituições de pesquisa, governos e partes interessadas da indústria. Estruturas políticas claras e consistentes que proporcionem certeza a longo prazo são essenciais para atrair investimentos e fomentar a inovação de baixo carbono, enquanto a cooperação internacional é crucial para estabelecer normas e regulamentações globais, facilitando o comércio transfronteiriço de hidrogênio.

Além de esforços contínuos e incentivados de pesquisa e desenvolvimento, superar barreiras técnicas – como melhorar a eficiência e reduzir o custo dos eletrolisadores, criar tecnologias mais eficientes de pressurização e liquefação de hidrogênio e desenvolver gasodutos suficientes – será necessário para a adoção generalizada do hidrogênio ao lado dos combustíveis fósseis existentes.

Por fim, a continuidade de normas, políticas e educação sobre a produção, armazenamento e manuseio seguros de hidrogênio ajudará a construir a confiança pública essencial e a fomentar uma percepção positiva do potencial de energia limpa do combustível. Embora permaneçam desafios significativos para a adoção, as perspectivas para a economia do hidrogênio são promissoras. Ao enfrentar as limitações de infraestrutura, fomentar avanços tecnológicos e implementar estruturas políticas de apoio, o hidrogênio verde pode desempenhar um papel fundamental na redução das emissões de carbono nas próximas décadas.