Produção de hidrogênio azul para atender à demanda da indústria

Como as mudanças climáticas e as metas globais de redução de carbono estimulam a exploração da energia do hidrogênio, muitas metodologias de produção estão surgindo, cada uma com benefícios e desafios distintos. Embora o hidrogênio verde, produzido inteiramente a partir de fontes renováveis, represente o ideal de um futuro sustentável, suas atuais limitações econômicas, tecnológicas e de escalabilidade exigem um aumento significativo da produção de hidrogênio de outras cores para que a viabilidade desse combustível seja estimulada.

Os hidrogênios cinza e azul compõem atualmente a maior parte do hidrogênio produzido globalmente, ambos criados através das acessíveis reforma a vapor de metano (SMR) ou reforma autotérmica (ATR), normalmente aproveitando o gás natural como matéria-prima. Embora ambas as cores se baseiem nessas mesmas metodologias de produção, o hidrogênio azul vai um passo além do cinza ao capturar e armazenar as emissões de carbono geradas juntamente com o hidrogênio produzido para evitar a liberação desse carbono na atmosfera. Por esse motivo, ele é considerado um hidrogênio de baixo carbono.

A SMR é um processo termoquímico maduro, no qual uma fonte de metano, como o gás natural, é reagida com vapor de alta temperatura a 3-25 bar (43,5-363 psi) na presença de um catalisador. Ela tem uma longa história em indústrias como refinarias, fabricação de fertilizantes e produção de metanol.

Essa reação produz syngas, uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono. Uma reação subsequente de deslocamento água-gás (WGS) converte o monóxido de carbono em hidrogênio adicional, gerando dióxido de carbono e uma pequena quantidade de monóxido de carbono como subprodutos.

A ATR é um método mais recente, particularmente adequado para a produção de hidrogênio em larga escala. Embora o equipamento para induzir as reações necessárias exija maior investimento de capital, esse método promove uma captura de carbono mais eficiente. Isso é resultado da dosagem controlada de gás oxigênio no reformador, que reduz a produção de monóxido de carbono, produzindo assim um fluxo mais puro de dióxido de carbono do que a SMR.

Além disso, como a ATR oxida parcialmente o metano com oxigênio para produzir syngas, ela não requer uma fonte de calor externa. Assim como na SMR, uma reação WGS maximiza o rendimento de hidrogênio.

A escolha entre SMR ou ATR para a produção de hidrogênio azul se resume a uma avaliação abrangente de diversos fatores, incluindo, entre outros, os seguintes:

• Escala de produção desejada
• Pureza do hidrogênio necessária
• Composição da matéria-prima de gás natural disponível
• Acesso ao capital
• Custos operacionais projetados
• Cenário econômico global ou regional

A SMR de hidrogênio azul requer três reações principais e uma quarta etapa opcional.

1. Reforma do metano
Nessa reação primária, o metano (CH₄) — normalmente proveniente do gás natural — reage com vapor (H₂O) em alta temperatura (700-1.100 °C/1.300-2.000 °F) e pressão (3-25 bar/43,5-363 psi) na presença de um catalisador à base de níquel. Essa reação produz syngas, uma mistura de hidrogênio (H₂) e monóxido de carbono (CO). Ela é endotérmica, o que significa que precisa de calor externo.

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)

2. Reação de deslocamento água-gás
O syngas passa então por uma reação WGS, em que o monóxido de carbono reage ainda mais com o vapor na presença de um catalisador, geralmente à base de cobre ou óxido de ferro, para produzir mais hidrogênio e dióxido de carbono (CO₂). Essa reação é exotérmica, ou seja, libera calor.

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

3. Remoção de dióxido de carbono
A mistura de gás resultante nesse estágio é composta principalmente de hidrogênio, dióxido de carbono e um pouco de metano que não reagiu. O dióxido de carbono é removido principalmente por meio do tratamento de gás com amina, que envolve a dissolução do dióxido de carbono em soluções de amina, deixando para trás um fluxo de hidrogênio purificado.

CO₂ + Solução de Amina ⇌ Complexo Amina-CO₂ (representação química simplificada)

4. Purificação de hidrogênio (opcional)
Dependendo do nível de pureza desejado, outras etapas de purificação podem ser empregadas. A adsorção por variação de pressão (PSA) — que utiliza materiais adsorventes para capturar seletivamente o dióxido de carbono — e a separação por membrana, que emprega membranas especializadas que permitem a passagem apenas do hidrogênio, são os dois métodos mais comuns.

Os catalisadores são essenciais para a SMR para acelerar as reações, mas eles se esgotam com o tempo e precisam ser regenerados ou substituídos. O processo endotérmico de reforma do metano e a reação exotérmica de WGS exigem um gerenciamento cuidadoso do calor para uma operação eficiente.

A principal vantagem da ATR em relação à SMR é a redução das emissões de monóxido de carbono e, portanto, a maior eficiência na captura de dióxido de carbono - 95%, em vez de apenas 60%. A ATR de hidrogênio azul exige as seguintes etapas críticas.

1. Pré-aquecimento e mistura da matéria-prima
O gás natural — primariamente metano — e o vapor são pré-aquecidos e quantidades controladas de oxigênio (O₂) são adicionadas à mistura.

2. Combustão
Uma parte do metano reage com o oxigênio adicionado em uma reação de combustão altamente exotérmica, gerando calor para a reação de reforma subsequente.

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (ΔH = -890 kJ/mol)

3. Reforma
O calor gerado durante a combustão desencadeia as reações endotérmicas de reforma.

Reforma a vapor: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH = +206 kJ/mol)
Oxidação parcial: 2CH₄ + O₂ ⇌ 2CO + 4H₂ (ΔH = -36 kJ/mol)

4. Reação de deslocamento água-gás
Como na SMR, o monóxido de carbono produzido nas reações de reforma reage ainda mais com o vapor na presença de um catalisador para produzir mais hidrogênio e dióxido de carbono:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH = -41 kJ/mol)

5. Remoção de dióxido de carbono
Como na SMR, o dióxido de carbono é removido da mistura de gás, na maioria das vezes usando o tratamento de gás com amina, que deixa como resultado um fluxo de hidrogênio purificado.

6. Purificação de hidrogênio (opcional)
Outras etapas de purificação, como PSA ou separação por membrana, podem ser implementadas para obter maior pureza do hidrogênio, quando necessário.

A implementação da SMR é mais simples e mais barata do que a ATR porque a primeira não requer uma fonte de oxigênio constante. No entanto, a ATR é autossustentável em termos de calor devido à reação de combustão integrada e, portanto, não precisa de uma fonte de calor externa uma vez iniciada, o que a torna mais eficiente em termos de energia do que a SMR.

Além disso, a ATR normalmente produz uma proporção maior de hidrogênio em relação ao monóxido de carbono no syngas, o que pode ser vantajoso para algumas aplicações posteriores. Os sistemas de ATR também costumam ser capazes de responder mais rapidamente às mudanças nas demandas de produção. Por essas e outras razões, novas instalações de hidrogênio azul normalmente usam a ATR.

Uma discussão sobre o hidrogênio azul não está completa se não abordar a captura, uso e armazenamento de carbono (CCUS). Esses processos complexos começam com a separação do dióxido de carbono de outros gases presentes em um fluxo de exaustão, o que geralmente depende de tecnologias baseadas em absorção usando, por exemplo, aminas que capturam seletivamente o carbono.

Uma vez capturado, o dióxido de carbono passa por compressão e liquefação até chegar a um estado supercrítico, o que permite o transporte eficiente (normalmente através de dutos) para formações geológicas adequadas para armazenamento a longo prazo. Entre os locais de armazenamento em potencial estão reservatórios de petróleo e gás natural esgotados, aquíferos salinos profundos e domos de sal.

Embora os locais de captura e armazenamento de carbono (CCS) ofereçam uma maneira de gerenciar as emissões, existem preocupações sobre sua segurança a longo prazo. Mesmo pequenos vazamentos podem afetar ecossistemas e lençóis freáticos próximos.

Há uma discussão contínua sobre o impacto ambiental do hidrogênio azul em comparação com o hidrogênio verde, que é produzido usando energia renovável. Algumas pessoas sugerem que o foco no hidrogênio azul pode atrasar a transição para a energia renovável e o hidrogênio verde.

Do ponto de vista financeiro, os custos associados à CCS podem tornar o hidrogênio azul mais caro do que o hidrogênio cinza. No entanto, esses custos estão diminuindo gradualmente. Além disso, fatores como impostos sobre o carbono no hidrogênio cinza, incentivos governamentais para o hidrogênio azul e sistemas de "cap-and-trade" podem tornar o hidrogênio azul — ou até mesmo o verde — mais viável economicamente.

Além das considerações ambientais e econômicas, a implantação bem-sucedida da produção de hidrogênio azul depende de uma rede sofisticada de sistemas de instrumentação e controle que trabalhem em conjunto para garantir a confiabilidade, eficiência e segurança do processo. A SMR e a ATR exigem vastos conjuntos de sensores para monitorar constantemente os parâmetros do processo e fornecer dados em tempo real para sistemas de controle sofisticados para otimizar a produção, minimizar o desperdício e reduzir os riscos.

Sensores de temperatura, essenciais para manter as condições ideais de reação e evitar a degradação do catalisador, operam em conjunto com sensores de pressão que garantem condições seguras dentro de reatores e tubulações. Medidores de vazão documentam de forma confiável o movimento de gases e líquidos em todo o processo, permitindo o controle preciso das proporções de reagente e fluxos de produto. Os medidores de vazão também são essenciais em todos os pontos de transferência de custódia.

Enquanto isso, os analisadores de gás, como espectroscopia Raman e espectroscopia de absorção de laser de diodo sintonizável (TDLAS), fornecem a composição do fluxo e outros monitoramentos em diversos pontos, permitindo que os operadores validem a eficiência do processo, detectem problemas à medida que eles se desenvolvem e garantam a pureza do hidrogênio.

À medida que a infraestrutura de hidrogênio continua a se desenvolver, o hidrogênio azul tem um papel fundamental a cumprir, possibilitando mais pesquisas e melhor eficiência, enquanto aguardamos que o hidrogênio verde atinja os níveis necessários. A SMR e a ATR são geralmente consideradas como os métodos mais viáveis para a produção de hidrogênio em geral, ocupando um meio termo entre as considerações econômicas e ambientais e demonstrando maturidade tecnológica. Embora os avanços nas tecnologias de CCUS estejam melhorando as taxas de captura e a segurança do armazenamento a longo prazo, ainda há um longo caminho a ser percorrido até que a produção de hidrogênio azul possa realisticamente superar a cinza.

À medida que o mundo se depara com as complexidades de um quadro energético em evolução, uma abordagem equilibrada que considere as diversas variantes disponíveis —que leve em consideração os diversos dilemas de cada cor de hidrogênio e priorize a sustentabilidade de longo prazo — é essencial para o progresso. Isso exigirá várias cores diferentes de hidrogênio, fontes de energia renováveis, maior eletrificação e até mesmo meios eficientes de usar combustíveis fósseis, embora com medidas de mitigação de emissões. Para sairmos vitoriosos da revolução energética, precisamos aproveitar ao máximo todas as armas em nosso arsenal metafórico, aplicando as soluções que fazem mais sentido para cada aplicação.