De olho no Hidrogênio

Você, com certeza, já deve ter se deparado com alguma reportagem sobre a iniciativa de combate às mudanças climáticas Race to Zero, ou “Corrida para o Zero”, lançada pela Organização das Nações Unidades (ONU) em 2020 e que almeja a eliminação das emissões de gases de feitos estufa (GEE) até o ano de 2050. O Mundo já assistia em 2015, na COP21, em Paris, a aprovação pelas nações do famoso Acordo de Paris, tratado mundial com o objetivo de redução do aquecimento global e limitação do aumento de temperatura do planeta em até 1,5ºC, que já atualizava os compromissos dos países para um novo padrão de desenvolvimento sustentável.

A capacidade de cumprimento das metas traçadas no Acordo de Paris e na iniciativa Race to Zero traz à tona diversos aspectos ambientais, sociais e econômicos da infrene exploração humana dos recursos naturais do planeta e seus efeitos nocivos ao meio ambiente, principalmente quando tratamos da origem dos tipos de combustíveis utilizados para a geração de energia e suas respectivas emissões de GEE.

O conceito bend the curves, ou “dobrar as curvas”, já trazido há anos pelo renomado cientista Johan Rockström, nunca fez tanto sentido quanto agora com a iniciativa Race to Zero  para 2050, aonde o desenvolvimento sustentável é atrelado a uma redução drástica de vários indicadores mundiais desenfreados, como a extinção de espécies terrestres e marinhas, expansão da pecuária com o desmatamento de florestas na América do Sul, calor extremo na Europa ou os níveis de concentração de CO2 e N20 na atmosfera.

Sabemos que a transformação dos sistemas energéticos para uma realidade de baixo carbono, de fontes não renováveis para fontes renováveis com a gradual substituição dos combustíveis fósseis, está sendo construída e um dos pilares desta grande transição será a aplicação de novas tecnologias disruptivas para a descarbonização da economia. Novas alternativas seguras e eficientes de armazenamento de energia estão ganhando força ao redor do Mundo e amadurecendo especialmente no Brasil, ao atravessarmos um crítico cenário atual de crise hídrica com o enfretamento da pior seca dos últimos 91 anos.

Mas, qual seria a relação do elemento químico mais abundante no Universo, o Hidrogênio (H2), com tudo isso? Pois muito bem, é nesse contexto que o Hidrogênio se apresenta como um dos protagonistas no caminho de um desenvolvimento sustentável e seguro no combate às mudanças climáticas, se tornando prioridade na agenda estratégica de novas tecnologias energéticas limpas entre as nações.

O elemento da vez

Para o leitor que está se perguntando como o H2 poderá nos ajudar dentro da grande transição energética nos próximos anos, será fundamental elencarmos primeiramente as classificações deste elemento e a sua inserção na economia. No Mundo, o H2 é encontrado sempre em uma forma combinada com outros elementos da natureza, mas nunca em seu estado mais puro e, portanto, para ser produzido, há a necessidade de extraí-lo de determinadas fontes, como a água, biomassa, metano ou gás natural.

Atualmente, existem ainda algumas incertezas quanto à classificação do H2 por sua fonte de produção, com diferentes nomenclaturas presentes na literatura. Nesse cenário, tomaremos como base a classificação indicada por uma escala de cores divulgada pela da Empresa de Pesquisas Energéticas – EPE, em sua Nota Técnica – Bases para a Consolidação da Estratégia Brasileira do Hidrogênio, de 2021, conforme a seguir:

  • H2 Preto – Produzido por gaseificação do carvão mineral (antracito), sem CCUS*;
  • H2 Marrom – Produzido por gaseificação do carvão mineral (hulha), sem CCUS;
  • H2 Cinza – Produzido por reforma a vapor do gás natural, sem CCUS;
  • H2 Azul – Produzido por reforma a vapor do gás natural (eventualmente, também de outros combustíveis fósseis), com CCUS;
  • H2 Verde (ou H2V) – Produzido via eletrólise da água com energia de fontes renováveis (particularmente, energias eólica e solar);
  • H2 Branco – Produzido por extração de hidrogênio natural ou geológico;
  • H2 Turquesa – Produzido por pirólise do metano, sem gerar CO2;
  • H2 Musgo – Produzido por reformas catalíticas, gaseificação de plásticos residuais ou biodigestão anaeróbica de biomassa ou biocombustíveis, com ou sem CCUS e
  • H2 Rosa – Produzido com fonte de energia nuclear.

* CCUS – Carbon Capture Utilisation and Storage, ou, utilização e sequestro de carbono.

A produção mundial do H2 puro (que já em 2018 era 96% oriunda de fontes fósseis, segundo a International Renewable Energy Agency – IRENA) está voltada atualmente para usos não energéticos, principalmente para a fabricação de fertilizantes derivados de amônia, refino de petróleo e para alguns segmentos da indústria de alimentos (gorduras hidrogenadas), conforme o gráfico 1 a seguir:

Gráfico 1 – Uso do Hidrogênio mundial (Elaboração própria com fonte: IEA, 2019)

Como a maior parte da produção é direcionada para fertilizantes e refino de petróleo, um dos processos mais empregados usualmente é o de fabricação por unidades de reforma a vapor do metano, tendo diversas empresas internacionais com ampla capacidade e conhecimento técnico desta produção. Já o restante da produção mundial, na faixa de 4%, é gerado através da conversão da água em H2, pelo processo da eletrólise, tecnologia atual extremamente cara e que só possui vapor de água como liberação, sem nenhum poluente.

Vale destacarmos, já que será o objeto deste breve estudo, que para a obtenção do H2V, a eletricidade que alimenta os eletrolisadores (equipamentos ainda caros e que são importados pelo Brasil) no processo da eletrólise deve ser de origem renovável, obtendo-se o H2 com reduzido, ou até zero, teor de carbono. A origem da água que é utilizada também é relevante para tal processo, com possibilidades de uso da água dos reservatórios de piscinões oriundos da água da chuva, de estações de saneamento ou, principalmente, do próprio resíduo do processo da eletrólise.

Mas o que podemos certamente afirmar é que a relevância de certas propriedades do H2, diante de outros elementos, faz jus ao seu comportamento de alta eficiência quando empregado para fins energéticos, por exemplo. Vejamos algumas de suas propriedades expostas na tabela 1 a seguir, da International Energy Agency – IEA:

Tabela 1 – Propriedades físicas do Hidrogênio (Elaboração própria com fonte: IEA, 2019)
Propriedades Hidrogênio Comparação
Densidade gasosa 0,089 kg/m3 (0°C, 1 bar de pressão) 10x menor do gás natural
Densidade líquida 70,79 kg/m3 (-253°C, 1 bar de pressão) 6x menor do que o gás natural
Energia por unidade de massa 120,1 MJ/kg 3x maior do que a gasolina
Velocidade da chama 346 cm/s 8x maior do que o metano

O H2 contém mais energia por unidade de massa do que o gás natural ou a gasolina (o que o torna atraente para uma célula à combustível de transporte, CaC, visto que há a necessidade de menos combustível para alcançar o mesmo resultado) e pode ser comprimido, liquefeito ou transformado em combustíveis à base de H2, que possuem uma densidade de energia mais elevada.

Já quando olhamos a cadeia completa de produção e distribuição do H2, não podemos esquecer que algumas de suas características também o configuram como um gás desafiador para o seu armazenamento e transporte. Por possuir a menor densidade no estado gasoso e o segundo menor ponto de ebulição de todas as substâncias (-252,76°C), existem dificuldades específicas para o armazenamento no estado gasoso ou no líquido. Assim, no estado gasoso, é necessário um sistema de armazenamento robusto e caro de grande pressão e volume, e no estado líquido, seu armazenamento utiliza sistemas, também caros, que operam em temperatura extremamente baixa, de -253°C.

Diversas pesquisas vêm sendo realizadas para uma evolução em larga escala no armazenamento seguro do Hidrogênio, inclusive no Brasil, sendo as mais relevantes através de hidretos metálicos (o H2 é absorvido por metais), tanques subterrâneos e por compressão em cilindros que suportem as pressões elevadas com alto nível de segurança. O preço desta tecnologia para tal armazenagem em veículos leves ainda se encontra em patamares elevados no setor de transportes e uma evolução tecnológica será fundamental para a competitividade frente aos combustíveis fósseis.

Salienta-se aqui que o H2 é altamente inflamável e, mesmo sendo um gás não-tóxico e com alta dispersão, é considerado perigoso em um vazamento e por isso, além do cuidado com o seu armazenamento, transportá-lo com segurança também é uma questão-chave. Ao pensarmos na rede de transporte interna dos países, muito já se tem consolidado sobre a logística, medição, padronização e arcabouço regulatório do gás natural, que poderá servir como futura base para a infraestrutura do H2, com as devidas adaptações necessárias.

Visto que a armazenagem do H2 não estará necessariamente perto de grandes polos industriais ou das metrópoles, a necessidade de deslocamento do H2, seja gasoso ou líquido, será crucial no preço final do combustível. Países como

Estados Unidos, Austrália, Japão e Alemanha lideram os testes de implantação de infraestrutura do H2, já pensando em uma futura rota de estradas e postos que suportem o abastecimento de veículos movidos a esse combustível.

Ponto importante será, também, a regulamentação e diretrizes para as rotas de comercialização entre países, pois a segurança do transporte marítimo será determinante para a consolidação deste combustível. A opção futura que mais tem sido divulgada, ainda com estudos iniciais, seria o transporte marítimo via conversão do H2 em amônia (ou até em metanol) na origem de fabricação e a partir do momento de chegada ao destino, um novo processo de conversão seria realizado da amônia (ou metanol) de volta para o H2.

O Brasil, sem dúvida, terá condições para liderar a evolução nas pesquisas sobre a cadeia do H2, tanto na esfera de produção quanto na de transporte. Com os devidos incentivos relacionados ao aprimoramento desta infraestrutura e aliado ao que o país já detém de conhecimento tecnológico sobre energias renováveis, a alavancagem do papel do Brasil diante do cenário mundial será promissora, como veremos a seguir.

Hidrogênio verde: complementariedade entre fontes

Como vimos, o H2 pode ser instantaneamente convertido em energia elétrica, com uma alta eficiência, contribuindo para uma normalização da energia produzida por fontes intermitentes ou sendo uma ótima alternativa para as chamadas células à combustível. As já amplamente conhecidas usinas solares e eólicas ganham um aliado renovável para a diversificação da matriz e para uma maior confiabilidade ao atendimento do sistema, com o devido armazenamento do H2 e uma gradual redução da dependência das hidrelétricas e térmicas, por exemplo.

Sabemos que o Brasil atualmente passa por um severo período de seca e, por sermos dependentes das usinas hidrelétricas, há vários meses com os reservatórios em níveis críticos mínimos observamos o acionamento de usinas térmicas caras movidas à combustíveis fósseis, para o suprimento da carga. No futuro, o armazenamento de energia temporal (horário, diário, mensal e até anual), usufruindo de excedentes oriundos de fontes renováveis, especialmente da eólica em períodos noturnos à preços de energia mais baixos, poderá ser uma grande oportunidade para a estabilidade do sistema, sem o acionamento de fontes poluentes em horários de pico diurnos. Além do suporte ao sistema, e com o devido planejamento energético, técnico e econômico, o Brasil também poderá ser um grande player no mercado internacional.

Claro, tudo isso dependerá, e muito, de como a pesquisa, o investimento e o custo de produção de H2V em células à combustível no setor elétrico se desenvolverá nos próximos anos, dentro e fora do Brasil. Para termos uma breve noção do potencial, vejamos a seguir o exemplo da complementariedade com a geração eólica, quando falamos de uma possível exportação da produção de H2V.

Quando se é analisado os recordes brasileiros do ano de 2021 da geração eólica no Nordeste (e, também, o perfil da geração em 2020), nos meses do Inverno no país, vemos que a complementariedade entre fontes poderia se tornar extremamente viável para a exportação à Europa durante vários meses, baseado no cenário de projeção para 2050 da sazonalidade anual da produção de H2V na Europa, feito pelo IRENA.

Nota-se que nos meses de recordes brasileiros de geração eólica (julho, agosto, setembro e outubro, de acordo com o Operador Nacional do Sistema – ONS) poderíamos explorar o mercado de exportação de H2V para a Europa (meses com baixa produção na região, projetados para 2050), se bem planejado o nosso suprimento interno, já que justamente nesses meses passamos pelo período climático seco brasileiro, no qual as eólicas possuem papel fundamental para o suprimento do sistema. Os gráficos a seguir detalham o cenário:

Ao falarmos mais especificamente da chamada “rota verde” do H2, fato interessante de se observar é justamente o quanto o Brasil poderia ser pioneiro, ou comumente chamado de hub na produção de H2. A possibilidade de se integrar a tecnologia de armazenamento do H2 com a geração a partir de uma fonte limpa de energia (H2V) seria ainda mais vantajoso para o cenário projetado brasileiro, já que uma combinação com o crescimento das usinas hidrelétricas reversíveis, fotovoltaicas, eólicas onshore e offshore poderia viabilizar ainda mais a produção de H2V, principalmente na região Nordeste do país.

O mapa a seguir, da IEA, revela a projeção para 2050 do custo para a produção do H2 a partir da eletrólise da água, em dólar por quilograma de H2, evidenciando o potencial de custos mais baixos nas regiões do Nordeste em que atualmente já concentram a maior parte do portfólio eólico do Brasil:

 

                                
Figura 2 – Custo nivelado da produção de hidrogênio via eletrólise alimentada por sistema solar híbrido e eólico onshore, América Latina, 2050
(Fonte: IEA, 2021)

Importante recordar, também, que diversas regiões costeiras do Nordeste já possuem vasta experiência no setor portuário e no tráfego marítimo, corroborando para o investimento da produção e exportação da região. Iniciativas recentes como a do Complexo de Pecém, região portuária no Ceará, para a atração de investimentos nacionais e internacionais na produção e exportação de H2V, reforçam o caminho para o amadurecimento de novos projetos de energia limpa combinadas na região, em Estados que há anos já colhem frutos do desenvolvimento das tecnologias renováveis.

Quando falamos de desenvolvimento é oportuno notar que não é somente sobre o atendimento completo ao consumo de energia dos Estados, mas algo muito mais abrangente e impactante. Estamos falando de efeitos positivos socioeconômicos para seus habitantes: estudo do final de 2020 da GO Associados para a Associação Brasileira de Energia Eólica – Abeeólica, revelou que os empreendimentos eólicos contribuíram para a elevação do PIB (Produto Interno Bruto) e do IDHM (Índice de Desenvolvimento Humano Médio) nos municípios.

De acordo com a pesquisa, nas cidades que receberam os parques eólicos, o IDHM cresceu 20,19% (2000 a 2010) em relação aos que não receberam e o PIB real aumentou 21,15% (de 1999 a 2017), na mesma comparação de cidades. Aumento de renda, maior acesso à água potável, redução da desigualdade social e geração de novos empregos são apenas alguns dos diversos impactos positivos observados nessa pesquisa. Perante os desafios de uma transição energética limpa em conjunto com o crescimento da economia brasileira, a relevância de políticas governamentais de subsídios, atrelada ao investimento privado em pesquisa e ao compartilhamento de conhecimento, incentiva o desenvolvimento destas novas tecnologias, tornando o Brasil um país promissor no uso do H2V em grande escala até 2050, podendo trazer amplos benefícios sociais, econômicos e ambientais, assim como a evolução da energia solar e da eólica já trouxeram ao país.

Os novos caminhos

A inserção do H2V no planejamento a longo prazo para o país já se destaca nas projeções da EPE, sendo que no Plano Nacional Diretor – PNE, de 2050, o uso do gás como base para a transformação do setor energético está inserido como uma alternativa para as questões de armazenamento de energia, segurança do sistema e descarbonização da matriz brasileira. Seja na base da eletrificação do país com células à combustível, no setor de transportes, para as indústrias de refino ou como vetor para a expansão da Geração Distribuída, o H2V se revela um forte protagonista para a consolidação das fontes renováveis de energia, como complemento à solar ou à eólica, e, também, para a futura descarbonização da frota de veículos leves.

Como vimos, diante da projeção do crescimento do H2 para fins energéticos frente às mudanças climáticas, assume-se, também, um relevante aumento da comercialização internacional desse recurso e o compartilhamento de conhecimento técnico e científico de novas tecnologias entre as nações, e o Brasil pode se beneficiar amplamente desta evolução com preços competitivos. Com uma perspectiva de amadurecimento, a Hydrogen Council, associação global que reúne CEOs de diversas empresas, por exemplo, projeta que em 2050 o H2V será responsável por cerca de 18% da demanda final de energia no mundo e criará um mercado anual já avaliado em US$ 2,5 trilhões.

A certeza é de que o Brasil está avançando rumo a inserção desta nova fonte de combustível, aliado às práticas já amplamente difundidas no país como a biomassa, solar e eólica. O caminho do H2V terá singulares desafios, mas principalmente se seu preço seguir os mesmos perfis de barateamento que observamos nos últimos anos de outras fontes renováveis, seu potencial de penetração para uso energético será enorme até 2050.

Toda esta viabilização econômica e técnica do H2, principalmente a do Verde, tem sido pauta de diversos debates mundiais há alguns anos, principalmente nas conferências climáticas, e se espera que não seja diferente em novembro deste ano, quando 197 nações se reunirão em Glasgow, Escócia, na renomada 26ª Conferência das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas de 2021, a COP26. O Brasil já levará à roda de debate diretrizes mais maduras sobre o tema, visto que o ano de 2021 foi marcado por diversos eventos e publicações relevantes nessa esfera no país. Especialmente no início de agosto deste ano, com a apresentação da proposta de diretrizes no Programa Nacional do Hidrogênio – PNH2 (do Ministério de Minas e Energia – MME) o país já deixa claro os campos de ações para a promoção deste novo setor e os pilares que sustentarão seu desenvolvimento, conforme figura 3 a seguir:

Figura 3 – Eixos temáticos do PNH2 (Fonte: PNH2, 2021)

A geração de novos empregos, a capacitação de trabalhadores, linhas de estudos nas universidades e o engajamento entre parcerias público-privadas será nossa base para o fomento à economia verde do H2 e seguirá em desenvolvimento contínuo. Em diversos países, inclusive no Brasil, vários projetos de Pesquisa de Desenvolvimento (P&D) estão sendo estruturados e já colocados em prática, para que cada vez mais o conhecimento sobre essa tecnologia disruptiva possa evoluir, ao inovar com uma nova pegada sustentável.

Assim, os desafios tecnológicos de fontes de geração de H2 de baixo carbono, os custos de produção, os custos dos equipamentos para a eletrólise, a segurança de seu armazenamento, as técnicas viáveis de transporte, a modelagem computacional do armazenamento dentro do sistema para suprimento à carga, o desenvolvimento de subsídios, o amadurecimento de leis governamentais e a criação de agências que possam monitorar os marcos legais e regulatórios, serão apenas alguns pontos chaves entre tantos outros aprimoramentos neste cenário mundial de combate às mudanças climáticas.

Artigo redigido por: Luisa Markman Ferraz