Solução de produção de hidrogênio verde

Em termos gerais, o hidrogénio pode ser utilizado como combustível de duas maneiras principais. Ele pode ser queimado para produzir calor ou pode ser alimentado em uma célula de combustível de hidrogênio para gerar eletricidade. A boa notícia é que, uma vez produzido o hidrogénio azul ou verde, este tem uma variedade de aplicações diferentes:
Transporte:O hidrogénio já está a ser utilizado para abastecer autocarros e outras formas de transporte público, especialmente no Japão. Também pode ser usado para alimentar caminhões e trens de carga, enquanto combustíveis à base de hidrogênio, como a amônia, podem ser usados ​​na aviação e no transporte marítimo. Uma utilização mais generalizada do hidrogénio para alimentar veículos dependerá do preço das células de combustível de hidrogénio se tornarem mais baratos e dos postos de abastecimento de hidrogénio se tornarem mais comuns.

Geração de energia:O hidrogénio pode ser utilizado para transformar fontes de energia renováveis ​​num combustível que pode então ser armazenado e transportado por longas distâncias. O hidrogénio e o amoníaco também podem ser utilizados em turbinas a gás e centrais eléctricas a carvão para reduzir as suas emissões.

Aquecimento de edifícios:O hidrogénio tem um enorme potencial para substituir o gás natural no aquecimento de edifícios domésticos e comerciais através da infra-estrutura de gás natural existente. As caldeiras de hidrogénio e as células de combustível de hidrogénio domésticas necessitam de maior desenvolvimento, mas poderão desempenhar um papel importante no futuro.

Indústria:O hidrogênio é atualmente usado em uma ampla gama de processos industriais importantes. Isso inclui o refino de gasolina, a fabricação de aço, o tratamento de metais e a produção de uma variedade de produtos químicos.

Ao contrário do hidrogénio cinzento, o hidrogénio verde é totalmente renovável tanto na sua matéria-prima como no seu fornecimento de energia. Para o material de origem, o hidrogénio verde hoje é normalmente gerado a partir da água através de um processo conhecido como eletrólise, que utiliza uma corrente elétrica para dividir a água nas suas moléculas componentes de hidrogénio e oxigénio. Isso é feito usando um dispositivo chamado eletrolisador, que utiliza um cátodo e um ânodo (eletrodos carregados positiva e negativamente). Este processo produz apenas oxigênio – ou vapor – como subproduto. Quanto ao fornecimento de energia, para ser qualificado como “hidrogénio verde”, a fonte de electricidade utilizada para a electrólise deve derivar de energia renovável, como a energia eólica ou solar.

Existem três tipos principais de eletrolisadores:Alcalina, membrana de troca de prótons (PEM) e óxido sólido. Estes variam na natureza do material eletrolítico usado. Os eletrolisadores alcalinos utilizam uma solução aquosa com um sal alcalino para permitir a condutividade elétrica, enquanto os eletrolisadores PEM usam uma membrana de polímero sólido (eletrólito). Os eletrolisadores de óxido sólido usam material cerâmico sólido como eletrólito, o que lhes permite operar com maior eficiência elétrica e temperaturas muito mais altas. Isto permite o uso de vapor e calor externo como fontes de energia, em vez de depender de eletricidade. Assim, a eletrólise de óxido sólido permite custos operacionais significativamente mais baixos, uma vez que o calor é normalmente mais barato e às vezes é produzido naturalmente como um subproduto de certos processos industriais.

Há anos, o hidrogénio era visto apenas como uma solução para a evolução de veículos mais ecológicos. À medida que os veículos eléctricos ganham mais força, o hidrogénio é cada vez mais visto como uma solução para outras indústrias.

A procura de hidrogénio continua a aumentar à medida que a sua utilização se expande nas indústrias industriais e de produção para uma variedade de fins, incluindo a refinação de petróleo, a siderurgia e a produção de cimento. No entanto, à medida que a popularidade do hidrogénio cresce, a importância do hidrogénio verde não pode ser exagerada. De forma alarmante, 98% do hidrogénio é produzido a partir de combustíveis fósseis, sem controlos ou regulamentos em vigor sobre as emissões de dióxido de carbono. Mas o hidrogénio verde tem potencial para mudar isso – para sempre.

Desde a fumaça da produção comercial até a fumaça dos escapamentos de carros movidos a gasolina e diesel, a produção de hidrogênio verde reduz ou elimina a necessidade de fontes de energia de combustíveis fósseis que liberam grandes quantidades de dióxido de carbono no ar. Na indústria de data centers, à medida que os sistemas de armazenamento desenvolvem hidrogênio, ele pode ser usado em vez de geradores de backup movidos a diesel para energizar futuros data centers. Como resultado, os benefícios do hidrogénio verde são abundantes, permitindo que governos e organizações reforcem a segurança energética nacional, economizem combustível, reduzam as emissões globais e diversifiquem as opções energéticas de transporte, desde automóveis até sistemas de transporte público expansivos.

A tecnologia do hidrogénio verde não poderia ter sido introduzida em melhor altura. A Administração de Informação sobre Energia dos EUA prevê que a procura global de energia aumentará 47% até 2050. A única forma de compensar essa procura sob a forma de produção de energia a partir de petróleo e carvão é através da adopção de métodos mais ecológicos, como o hidrogénio verde.

E graças aos avanços tecnológicos que essencialmente descarbonizaram a produção de hidrogénio, muitas empresas estão a recorrer a compensações de carbono que aproveitam o hidrogénio verde para reduzir a sua pegada de carbono e cumprir metas agressivas de ESG.

O processo de geração de hidrogênio verde traz vantagens. A Agência Internacional de Energia (AIE) afirma que o hidrogénio verde poupa aproximadamente 830 milhões de toneladas de dióxido de carbono emitidas anualmente em comparação com quando o gás é produzido utilizando métodos tradicionais de combustíveis fósseis. Isso equivale a um ano inteiro de emissões do Reino Unido e da Indonésia juntas!

Tal como acontece com qualquer nova tecnologia, existem alguns desafios a superar à medida que o boom do hidrogénio verde se consolida. Algumas questões a serem consideradas incluem a eficiência do processo e os custos de produção em larga escala, além do estabelecimento de soluções de armazenamento pressurizado de longo prazo. Deixando de lado os desafios, o hidrogénio verde é uma tecnologia nova e estimulante que poderá ajudar a equilibrar a tão necessária produção em larga escala de energia verde.

Uma grande parte do abandono dos combustíveis fósseis envolve a electrificação de algumas das máquinas que utilizamos diariamente e que são movidas a petróleo e gás – carros e transportes locais, e aquecimento de casas em alguns países, por exemplo. Para aqueles que já estão electrificados, como computadores e eletrodomésticos, a electricidade proveniente da energia nuclear e de fontes renováveis ​​como a eólica e a solar estão a substituir o carvão.

Mas há algumas indústrias que necessitam de tanta energia que as energias renováveis ​​tradicionais não conseguem satisfazer a sua procura. Isso é um problema, porque essas indústrias estão entre os principais emissores de gases com efeito de estufa.

É aqui que os especialistas dizem que o hidrogénio verde tem um enorme potencial.
“A electricidade proveniente de fontes como a eólica, solar e nuclear é essencial para a descarbonização do nosso sistema energético – mas não pode fazê-lo sozinha, e os transportes de longa distância e as indústrias pesadas são o lar das emissões mais difíceis de reduzir”, disse um analista de energia do Agência Internacional de Energia.

“O hidrogénio é versátil o suficiente para preencher algumas destas lacunas críticas – no fornecimento de matérias-primas vitais para as indústrias química e siderúrgica ou ingredientes cruciais para combustíveis de baixo carbono para aviões e navios”, disse Remme à CNN.

Operar um avião ou um grande navio, por exemplo, requer tanta energia que qualquer bateria usada para armazenar eletricidade solar ou eólica provavelmente seria muito grande e pesada para a embarcação. O hidrogênio verde, por outro lado, pode vir na forma líquida e é mais leve. De acordo com a Airbus, que está a desenvolver uma aeronave comercial com emissões zero, a densidade energética do hidrogénio verde é três vezes superior à dos combustíveis de aviação que utilizamos hoje.

Embora o hidrogénio verde líquido emita zero carbono, tem algumas limitações. Quando queimado ao ar livre, libera uma pequena quantidade de óxido nitroso, que é um potente gás de efeito estufa. Porém, se o hidrogênio for alimentado através de uma célula de combustível, ele emitirá apenas água e ar quente.

Alguns aviões pequenos conseguiram voar com células de combustível alimentadas a hidrogénio, embora a tecnologia ainda não tenha sido ampliada comercialmente.

Atualmente, todos estão empenhados em alcançar as metas climáticas. A transição energética precisa realmente de um grande impulso. O hidrogénio pode dar um contributo importante para isso. A colaboração é essencial para poder utilizar o hidrogénio com sucesso, por exemplo, para contribuir para a redução de CO2 na indústria, nos combustíveis eletrónicos para aeronaves e na utilização no ambiente construído. Mas são necessários investimentos e há dúvidas.

O que é hidrogênio?
O hidrogênio é o elemento mais comum em nosso universo. Em circunstâncias normais é gasoso e falamos de gás hidrogénio (H2). O hidrogênio também é o gás mais leve que conhecemos e, portanto, tem baixa densidade de energia por unidade de volume (em m3). Por peso (em kg), o hidrogênio tem uma alta densidade energética de 120 megajoules (MJ) por kg. Isso é quase três vezes mais que o gás natural (45 MJ por kg). O hidrogênio é frequentemente pressurizado. A pressurização (compressão) do gás hidrogênio, entretanto, também requer a energia necessária (cerca de 10%).

O que é hidrogênio cinza e azul?
Quase todo o hidrogénio produzido atualmente em todo o mundo é o chamado «hidrogénio cinzento». A produção atualmente ocorre via Steam Methane Reforming (SMR). Aqui o vapor de alta pressão (H2O) reage com o gás natural (CH4), resultando em hidrogênio (H2) e no gás de efeito estufa CO2. Nos Países Baixos, aproximadamente 0,8 milhões de toneladas de H2 são produzidas desta forma, utilizando quatro mil milhões de metros cúbicos de gás natural e gerando emissões de CO2 de 12,5 milhões de toneladas.
O termo 'hidrogênio azul' ou 'hidrogênio de baixo carbono' é usado quando o CO2 liberado no processo de produção de hidrogênio cinza é em grande parte (80-90%) capturado e armazenado. Isso também é chamado de CCS: Captura e Armazenamento de Carbono. Isto poderia acontecer em campos de gás vazios no Mar do Norte. Em nenhum outro lugar do mundo o hidrogénio azul é produzido em grande escala.

O que é hidrogênio verde?
O hidrogénio verde, também conhecido como “hidrogénio renovável”, é o hidrogénio produzido com energia sustentável. A mais conhecida é a eletrólise, na qual a água (H2O) é dividida em hidrogênio (H2) e oxigênio (O2) por meio da eletricidade verde. Um grande número de partidos nos Países Baixos está a experimentar estes electrolisadores à escala de megawatts. O hidrogênio também é liberado durante a gaseificação da biomassa em alta temperatura.

O que é hidrogênio turquesa?
O hidrogênio produzido a partir do gás natural usando a chamada tecnologia de pirólise de metal fundido é chamado de 'hidrogênio turquesa' ou 'hidrogênio de baixo carbono'. O gás natural passa através de um metal fundido que libera gás hidrogênio e também carbono sólido. Este último pode encontrar uma aplicação útil, por exemplo, em pneus de automóveis. Esta tecnologia ainda está em fase de laboratório e serão necessários pelo menos dez anos para que a primeira planta piloto seja realizada.

Quais são as outras diferenças fundamentais entre o azul e o verde?
Além do método de produção, existem várias outras diferenças importantes:
Só o hidrogénio verde produzido por eletrólise garante que grandes quantidades de eletricidade sustentável produzida no mar e em terra possam ser devidamente integradas no nosso sistema energético. Somente a eletrólise pode converter eletricidade em hidrogênio de forma flexível (sob demanda) e depois armazená-la.
Além disso, o desenvolvimento da electrólise em grande escala ajudará a satisfazer a crescente procura de electricidade e, assim, estimulará o crescimento da energia sustentável.
Há também uma diferença de qualidade. O hidrogénio verde tem um maior grau de pureza e pode ser utilizado imediatamente, por exemplo, na célula de combustível de um veículo. O hidrogênio azul possui nível de pureza inferior, suficiente para aplicação industrial.
A produção de hidrogénio azul é uma forma de «descarbonizar» a indústria, ou seja, reduzir o CO2, em grande escala e a custos relativamente baixos.

O hidrogénio branco do solo é a fonte de energia limpa do futuro?
Já conhecemos o hidrogénio cinzento, azul e verde, mas agora parece que o hidrogénio branco ou natural também está disponível. Isso vem do solo, assim como o gás natural. Quando o hidrogênio é queimado com oxigênio, apenas água é liberada. O hidrogênio branco é um hidrogênio natural do subsolo que tem potencial para se tornar uma importante fonte de energia do futuro se for feito por eletrólise da água com energia eólica ou solar (verde).
Não é então feito de cinza natural ou carvão (cinza), nem mesmo capturando primeiro o CO2 (azul). O gás é utilizado principalmente para aquecer processos na indústria química e na produção de aço e fertilizantes. Na transição da energia fóssil para a energia verde, pode servir como reserva de armazenamento de eletricidade durante períodos sem sol e vento.

Qual o papel do hidrogénio na transição energética?
No nosso mix energético atual, aproximadamente 20% é fornecido sob a forma de eletricidade e 80% sob a forma de gás natural ou combustível fóssil líquido (gasolina, diesel). As nossas metas climáticas vão mudar consideravelmente esta situação num futuro próximo. A parcela da eletricidade gerada pela energia eólica e solar aumentará acentuadamente. Para uma série de aplicações, como o transporte pesado, os processos de alta temperatura na indústria e na aviação, ainda falta uma boa solução elétrica e ainda há necessidade de um gás sustentável. O hidrogênio pode desempenhar um papel útil aqui. Além disso, o hidrogênio é importante na forma de armazenamento em larga escala para aqueles momentos em que não há vento e está nublado.

Que países também estão a trabalhar no hidrogénio?
Países como a Noruega, a Austrália, Marrocos, o Chile, a Arábia Saudita, a China e o Japão são muito activos no domínio do hidrogénio verde, principalmente porque existe uma disponibilidade considerável (potencial) de energia renovável barata proveniente da energia eólica, solar ou hidroeléctrica para produzir hidrogénio verde. Uma excepção a isto é o Japão, que depende em grande parte das importações para o seu abastecimento energético e desenvolveu uma estratégia para importar hidrogénio (verde) em grande escala. Seu papel fundamental reside no desenvolvimento tecnológico. Os Países Baixos estão numa boa posição graças, em parte, ao nosso conhecimento da tecnologia de gás e eletrólise, ao grande potencial da energia eólica no Mar do Norte e à indústria de utilização intensiva de energia que necessita de assumir um forte compromisso com a sustentabilidade.

Para que vamos usar o hidrogênio?
O hidrogênio é particularmente importante para a indústria de processo. Atualmente é utilizado principalmente para a produção de fertilizantes, mas no futuro também poderá ser utilizado para processos de alta temperatura, como a produção de aço, para a qual é agora utilizado gás natural ou carvão. Além disso, o hidrogénio desempenhará um papel na mobilidade, por exemplo, para os autocarros interurbanos que têm de percorrer distâncias mais longas e onde a condução elétrica não é uma solução.

O que o hidrogénio significa para o cidadão?
No curto prazo, pouco será evidente. O uso de hidrogênio em residências, por exemplo, já deveria ter sido feito há muito tempo, se isso acontecer. Para a maioria das casas, uma rede de calor colectiva ou uma bomba de calor eléctrica oferecem uma solução melhor. No trânsito, o número de carros a hidrogénio (atualmente menos de uma centena) e o número de postos de abastecimento de hidrogénio (em 2018: 3) aumentarão lentamente.

Quais são os riscos?
O hidrogênio é um gás muito leve, altamente inflamável e é utilizado em mobilidade sob pressões de até 700 bar. Assim como qualquer outro gás, é importante manuseá-lo com cuidado durante a produção, transporte e utilização, e deixá-lo exclusivamente para empresas profissionais. Se o hidrogénio for utilizado em gasodutos existentes, é importante investigar mais aprofundadamente como o hidrogénio realmente “se comporta” na prática. O hidrogênio é mais leve que o gás natural e pode escapar mais facilmente das válvulas e vedações.

O que está a TNO a fazer em termos de investigação sobre hidrogénio?
A TNO é uma organização independente que conduz pesquisas aplicadas de ponta. A sua investigação sobre hidrogénio centra-se na produção, infraestruturas e aplicações (conversão e utilização final). Em 2020, a TNO realizou mais de 50 projetos relacionados com estes temas. Links para uma seleção desses projetos podem ser encontrados abaixo (item 15).

Até que ponto está o desenvolvimento do hidrogénio verde?
Cerca de 230 projetos de eletrólise entraram em operação entre 2000 e 2018, com uma capacidade total de cerca de 100 MW (fonte: IEA 2019, The Future of Hydrogen). Em 2020, a capacidade instalada global era de 200 MW e de aproximadamente 2.400 MW no final de 2023. Estes números mostram que estamos apenas a começar e que precisamos de desenvolver uma cadeia de abastecimento inteiramente nova.
Precisamos de novas empresas, novos fornecedores e novos fabricantes para desenvolver materiais e componentes para sistemas de eletrólise maiores e de próxima geração. Esta é uma oportunidade de ouro para a indústria holandesa de alta tecnologia. O objetivo da União Europeia é instalar 40 GW de capacidade de eletrólise na União até 2030 e outros 40 GW no Norte de África. Atingir este objectivo exigirá que aceleremos o ritmo da inovação tecnológica e dos projectos reais.

Quais são os maiores desafios técnicos colocados pela eletrólise?
Em termos de eletrólise da água, existem atualmente quatro tecnologias disponíveis (AEM, SOE, PEM e Alcalina), cada uma com as suas vantagens, desvantagens e nível de maturidade específicos. Dê uma olhada em nosso vídeo sobre a produção de hidrogênio por eletrólise(abre em uma nova janela ou guia) (refere-se a um site diferente). Para todas as quatro tecnologias, os três principais desafios de investigação são:
para reduzir as despesas de capital associadas ao sistema
para melhorar a eficiência do sistema
superar barreiras à produção em grande escala para que uma capacidade anual de produção mundial de eletrolisadores de 30 GW possa ser alcançada até 2030.

Os produtos são vendidos em todas as regiões da China e exportados para países ao redor do mundo. Eles foram vendidos em mais de 20 países e regiões, incluindo Estados Unidos, Alemanha, Marrocos, Quênia, Arábia Saudita, Vietnã, Argélia, Índia, Tanzânia e Taiwan. Forneceu com sucesso empresas conhecidas, como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Speciality, Tony Electronics, Zheng Energy Group e outras empresas conhecidas. Existem muitas estações de hidrogenação de hidrogênio verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que fornecem projetos verdes e de produção de hidrogênio.