Produzindo hidrogênio verde sustentável

Entre os diversos métodos de produção de hidrogênio, o hidrogênio verde é o padrão sustentável. A produção de hidrogênio verde é alimentada inteiramente por fontes de energia renovável - como solar, eólica e hidrelétrica - tornando-o um combustível neutro em carbono desde a produção até a combustão. Isso o diferencia de outros tipos de hidrogênio, como o hidrogênio cinza, que é derivado de combustíveis fósseis.

A eletrólise forma a base da produção de hidrogênio verde, utilizando eletricidade para dividir moléculas de água em seus componentes constituintes: hidrogênio e oxigênio. No entanto, limitações de capacidade, eficiência e custo representam desafios para aumentar rapidamente a produção.

A eletrólise é um processo de reações eletroquímicas e transporte iônico que ocorre dentro de um eletrolisador. Os eletrolisadores são equipados com dois eletrodos - um ânodo e um cátodo - separados por um eletrólito. O eletrólito, seja uma solução líquida (para eletrólise alcalina) ou uma membrana sólida (para eletrólise por membrana de troca de prótons - PEM), facilita a passagem de íons enquanto restringe o fluxo de elétrons. Sua seleção deve ser criteriosa, considerando fatores como condutividade iônica, estabilidade química e compatibilidade com os materiais dos eletrodos.

Quando uma corrente contínua é aplicada à água líquida dentro do eletrolisador, uma diferença de potencial elétrico é estabelecida entre o ânodo e o cátodo. No ânodo, marcado por um potencial positivo, as moléculas de água (H₂O) sofrem uma reação de oxidação, resultando na perda de elétrons. Isso resulta na formação de gás oxigênio (O₂), íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons, H⁺) e na liberação de elétrons para o circuito externo, o que é representado em eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) da seguinte forma:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Os prótons H+ migram através do eletrólito em direção ao cátodo carregado negativamente, impulsionados pelo gradiente de potencial. O cátodo promove uma reação de redução, na qual os prótons aceitam prontamente elétrons do circuito externo para neutralizar sua carga e formar gás hidrogênio diatômico (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

A reação eletrolítica geral, uma soma da oxidação no ânodo e da redução no cátodo, é representada como:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

A eficiência desse processo tem implicações significativas para a viabilidade econômica da produção de hidrogênio verde. Vários fatores impactam essa eficiência, incluindo:

• A temperatura de operação, a pressão e a pureza da água mantidas no sistema, que devem ser medidas com precisão
• Sobretensão necessária para impulsionar as reações em uma taxa desejada 
• Perdas ôhmicas devido à resistência ao transporte de íons dentro do eletrólito 
• Limitações de transporte de massa que regulam a disponibilidade de reagentes nas superfícies dos eletrodos 

Otimizar essas variáveis exige uma seleção criteriosa de materiais, um design adequado da arquitetura dos eletrodos e a medição e controle de todos os parâmetros relevantes. Entre a ampla variedade de tecnologias de eletrolisadores atualmente disponíveis, os eletrolisadores PEM e alcalinos são os mais tecnologicamente maduros e amplamente utilizados.

Os eletrolisadores PEM, caracterizados pelo uso de uma membrana de polímero sólido como eletrólito, oferecem várias vantagens em comparação com tecnologias que utilizam eletrólitos líquidos, incluindo maior eficiência energética, tempos de resposta mais rápidos a flutuações na entrada de energia e um design compacto. Esses atributos tornam os eletrolisadores PEM bem adaptados para integração com fontes de energia renovável intermitentes, como a solar e a eólica, onde a produção de energia pode variar significativamente. Eles também são, tipicamente, a escolha de laboratórios e outras operações que enfatizam usos finais de alta pureza.

Os eletrolisadores alcalinos com eletrólito líquido, não são tão eficientes, mas têm menor custo, maior vida útil operacional e toleram água de menor pureza em comparação com os modelos PEM. Esses fatores os tornam atraentes para instalações maiores de produção de hidrogênio verde, onde custo e escala são os principais fatores determinantes. 

Outras tecnologias em desenvolvimento incluem a eletrólise de alta temperatura ou de óxido sólido e a eletrólise com membrana de troca de ânions. Cada uma possui dinâmicas competitivas dependentes da aplicação na corrida pelas tecnologias de produção de hidrogênio.

Apesar de sua atratividade como um combustível sustentável em toda a cadeia de valor, a produção de hidrogênio verde apresenta vários desafios.

Primeiramente, a produção por meio da eletrólise – especialmente com eletrolisadores PEM – é mais cara do que a produção de hidrogênio cinza e azul por meio de reforma a vapor de metano ou reforma autotérmica. Além disso, o hidrogênio é menos denso em energia do que o gás natural e outros combustíveis fósseis, e os custos para alimentar processos com hidrogênio superam aqueles alimentados por combustíveis fósseis por unidade de energia.

A eficiência dos eletrolisadores nos stacks é alta - aproximadamente 70% - com tecnologias mais recentes, como as células de eletrólise de óxido sólido (SOEC), espera-se uma eficiência ainda maior. No entanto, como em qualquer sistema, a eficiência geral da planta depende não apenas da tecnologia utilizada, mas também do equilíbrio do sistema para resfriar, secar, tratar e comprimir o hidrogênio. Além disso, o fornecimento de energia renovável necessário para escalar viavelmente a eletrólise é insuficiente, exigindo investimentos adicionais em infraestrutura.

Além disso, o transporte e o armazenamento de hidrogênio são logisticamente complexos devido à necessidade de infraestrutura especializada, como gasodutos e tanques de armazenamento, projetados especificamente para lidar com este composto altamente inflamável. A infraestrutura atual foi projetada principalmente para o gás natural e, infelizmente, não pode ser convertida de forma direta devido às propriedades únicas do hidrogênio. Os átomos de hidrogênio são os menores de todos os elementos, portanto, o gás hidrogênio diatômico requer sistemas sofisticados de vedação em tubulações, válvulas e gaxetas para evitar vazamentos. O hidrogênio também pode enfraquecer muitos metais, à medida que os átomos se alojam na estrutura interna do material de contenção, reduzindo o limite de resistência ao estresse e acelerando a formação de fissuras em materiais inadequados.

Abordar essas questões exige planejamento estratégico, apoio financeiro de estados nacionais e partes interessadas do setor privado, além de inovação tecnológica contínua. Apesar dos desafios econômicos, a implantação de eletrolisadores está começando a acelerar. Até o final de 2022, a capacidade global de eletrolisadores para produção de hidrogênio alcançou quase 11 GW, e espera-se que essa capacidade atinja ordens de grandeza entre 170 e 365 GW até 2030.

Além disso, os esforços de otimização de eletrolisadores devem reduzir os custos com ganhos de escala, aprendizado e eficiência ao longo das próximas décadas. Isso inclui o objetivo de aumentar a captura de energia de fontes renováveis, juntamente com a recuperação de perdas de energia intrínsecas durante a operação. Tecnologias adjacentes, como as células a combustível de hidrogênio – que são, essencialmente, eletrolisadores reversos – se beneficiarão dos avanços e do conhecimento adquiridos durante essa transição.

Além da produção, a infraestrutura dedicada ao hidrogênio também é crucial. A crescente viabilidade do hidrogênio como fonte de energia alternativa depende da ampliação dos mecanismos necessários para distribuir e converter sua energia em formatos úteis.

A demanda global por hidrogênio deve crescer nos próximos 20 a 30 anos, impulsionada por sua versatilidade como transportador de energia e seu potencial para reduzir as emissões de carbono em setores de difícil descarbonização. Em particular, as indústrias de transporte e geração de energia estão prontas para incorporar a energia de hidrogênio verde em seus portfólios como uma alternativa limpa aos combustíveis fósseis.

No setor de transporte, as células a combustível movidas a hidrogênio verde oferecem uma solução promissora para um trânsito comercial neutro em carbono, como em caminhões, ônibus e até aviões. Isso é especialmente aplicável ao transporte de longa distância, onde veículos elétricos movidos a bateria enfrentam limitações de alcance, geração de energia e peso.

Na indústria, o hidrogênio pode substituir os combustíveis fósseis em processos intensivos em energia, como a produção de aço, cimento e amônia, reduzindo a pegada de carbono. Além disso, espera-se que o setor de energia utilize cada vez mais o hidrogênio verde para armazenar energia proveniente da crescente infraestrutura de fontes renováveis, enfrentando preocupações com a intermitência da energia solar e eólica, sem os problemas de densidade energética e degradação associados às baterias.

O hidrogênio está até sendo misturado ao sistema de distribuição de gás natural para reduzir as emissões de carbono para a atmosfera. Fogões a gás, sistemas de aquecimento, secadoras de roupas e outros aparelhos podem queimar gás natural com até 20% de mistura de hidrogênio, geralmente limitado apenas pelos limites definidos pela infraestrutura de gás. Novos projetos de turbinas a gás e motores a gás agora podem misturar até 50% de hidrogênio no gás natural como fonte de combustível em usinas de energia, e algumas turbinas menores podem operar com até 100% de hidrogênio, sem necessidade de mistura com gás natural.

Com um espírito destemido, a empresa multinacional espanhola de serviços públicos Iberdrola está demonstrando sua confiança na economia do hidrogênio com mais de 60 projetos de hidrogênio verde em desenvolvimento ao redor do mundo. Esses projetos abrangem diversos setores – incluindo a produção de fertilizantes, a síntese de amônia verde e o transporte pesado – destacando a versatilidade do hidrogênio verde como uma solução de energia limpa.

Notavelmente, a Iberdrola está construindo a maior planta de hidrogênio verde da Europa, que será utilizada principalmente para a produção de amônia para fertilizantes, reduzindo o impacto ecológico dessa indústria intensiva em carbono. Este projeto emblemático destaca o potencial do hidrogênio verde para descarbonizar até mesmo os setores mais desafiadores.

As iniciativas governamentais também desempenham um papel crucial na aceleração da adoção do hidrogênio verde. A iniciativa HyBlend do Departamento de Energia dos EUA (DOE) avança o hidrogênio verde ao pesquisar como o hidrogênio pode ser misturado com segurança ao gás natural e transportado através de gasodutos existentes. Ela se concentra na compatibilidade dos gasodutos, na segurança dos materiais e na redução de custos, tornando a distribuição de hidrogênio verde mais acessível e escalável.

O hidrogênio verde é um pilar da revolução da energia limpa e desempenhará um papel cada vez mais importante à medida que a tecnologia se desenvolve. No entanto, realizar seu potencial exige enfrentar os desafios atuais de produção, armazenamento, transporte e infraestrutura. Isso exige mais investimentos em pesquisa e desenvolvimento, colaboração estratégica entre entidades públicas e privadas e políticas governamentais de apoio.

À medida que a energia renovável e a infraestrutura de hidrogênio se desenvolvem, a eficiência da eletrólise aumenta e as políticas evoluem, os custos de produção de hidrogênio verde devem diminuir, superando outra barreira primária para sua viabilidade ampla. Será necessário que mais empresas visionárias e iniciativas de alto nível pavimentem o caminho para a economia do hidrogênio com projetos ambiciosos e soluções inovadoras, reduzindo as emissões globais de carbono para um futuro mais sustentável.