Vantagens e Desvantagens do Hidrogênio Verde

Escrito por Levi Naldi do Espirito Santo e Ana Beatriz Pereira Santos em março de 2023

O Hidrogênio Verde (H2V) é uma das principais alternativas emergentes com características sustentáveis e potencial para substituir combustíveis fósseis em diversos setores da economia. Ele é produzido por meio da eletrólise da água, processo intensivo em energia elétrica proveniente das fontes solar e eólica. Logo, é possível obter um combustível que não emite gases de efeito estufa tanto nos processos de produção quanto de utilização, ao contrário dos combustíveis fósseis, que são responsáveis por grande parte dessas emissões.

O Hidrogênio Verde pode ser utilizado de maneira flexível em uma variedade de aplicações, como nos setores de transporte de veículos leves e pesados; geração e armazenamento de energia e nos seguimentos industriais.

Atualmente, o mundo enfrenta uma crescente necessidade de fontes de energia limpa e renovável para combater as mudanças climáticas e atender à crescente demanda por energia. O H2V tem o potencial de desempenhar um papel importante nessa transição, e esse momento é considerado o mais oportuno para investir em sua produção e uso.

É importante mencionar que o processo de produção do Hidrogênio Verde é diferente dos processos que vem sendo majoritariamente realizados até o momento pela indústria para produção de hidrogênio, pois estes utilizam fontes fósseis, como gás natural e carvão, que emitem gases de efeito estufa no seu processo de produção.

Neste sentido, é importante comparar toda a cadeia de valor do hidrogênio para que se tenha uma avaliação quanto às vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de tecnologias de produção e uso deste vetor energético.

Produção

A demanda global de hidrogênio atingiu 94 Milhões de toneladas (Mt) em 2021, apresentando um aumento de 5% na demanda do ano anterior, impulsionada principalmente pela recuperação da atividade no setor químico e refino. Além disso, a demanda de hidrogênio superou seu máximo histórico de 91Mt alcançado em 2019. Mas, a maior parte dessa demanda foi atendida pelo hidrogênio produzido a partir de combustíveis fósseis, com efeitos nocivos sobre o meio ambiente (IEA, 2022).

Atualmente a produção de hidrogênio, utilizado majoritariamente nos setores químico e petroquímico, é responsável por mais de 900Mt de emissões de CO2 (e.g. Hidrogênio Cinza e Hidrogênio Preto). Comparando-se ao H2V, que possui zero emissões de CO₂ na sua produção, nota-se que um dos primeiros passos seria sugerir uma alternativa para que esses setores utilizassem o hidrogênio limpo.

A tecnologia de produção do H2V vem evoluindo, mas ainda enfrenta a barreira da maturidade tecnológica e ganho de escala. Na Figura 1, nota-se que quando comparado aos demais processos de produção, o Hidrogênio Verde possui eficiência similar ao Hidrogênio Cinza [1][3].

Figura 1: Comparação de eficiência entre as tecnologias de obtenção de hidrogênio

Fonte: Loss of integrity of hydrogen technologies: A critical review, 2021

Investimentos em novos projetos de P&D direcionados para a evolução da tecnologia de produção do Hidrogênio Verde, é uma das soluções para superar a barreira da maturidade tecnológica. Neste sentido, segundo dados do (IEA,2022), o financiamento público para P&D em hidrogênio teve seu maior aumento anual em 2021, com um aumento de 35% em comparação com 2020. As tecnologias de hidrogênio receberam cerca de 5% do orçamento total de P&D para tecnologias de energia limpa e os países europeus foram os principais contribuintes para este aumento.

Comparando os custos de produção, o Hidrogênio Verde ainda possui um valor muito alto em relação ao cinza, por exemplo. Além dos fatores já citados de maturidade tecnológica e falta de ganho de escala, que afetam a parcela de CAPEX de produção, essa precificação alta também está associada à disponibilidade de geração das fontes renováveis e a aceitação das indústrias. No entanto, conforme observa-se na Figura 2, a médio prazo, a taxação sobre as emissões de CO₂ e os avanços na tecnologia de produção, colocam o Hidrogênio Verde em uma posição mais vantajosa economicamente em termos de custo de produção.

Figura 2: Comparação de custo entre Hidrogênio Verde x Hidrogênio Cinza

Fonte: Rethink Energy, 2022

Levando em consideração a atual eficiência de produção dos tipos de hidrogênio, podemos dizer que o Verde ainda não é tão escalável quanto o Cinza. Mas a vantagem de contribuir imensamente para descarbonização, considerando que ambos podem ser empregados para os mesmos usos finais, denota a importância de desenvolvermos o mais rápido possível as tecnologias do Hidrogênio Verde. Ressaltando a importância que essa nova forma/fonte de energia tem para amenizar as mudanças climáticas e seus efeitos.

Armazenamento/Transporte

O hidrogênio pode ser armazenado e transportado utilizando tanques carregados por caminhões, porém, além de ser um procedimento perigoso, por se tratar de um produto altamente volátil e inflamável, apresenta uma eficiência baixíssima quando comparado ao transporte de outros energéticos. Isso acontece pois o hidrogênio tem uma densidade de energia volumétrica específica muito baixa. Por exemplo, para transportar o equivalente energético de 10 mil Litros de Diesel, presente em um caminhão, são necessários 11 caminhões de 300 kg de H2 comprimido.

Por isso, entre outros fatores, é interessante que haja produção renovável de hidrogênio perto do local de utilização. Porém, é factível dizer que haveria dificuldade de difundir esse tipo de modelo para maioria dos usos finais. Dessa forma, são apresentadas algumas alternativas ao armazenamento em tanques, são elas: liquefação, diluição em gás natural e agregação à amônia.

A opção de armazenamento e transporte do hidrogênio em sua forma líquida não é muito eficiente por ser uma técnica relativamente complexa e que pode gerar altos custos de instalação, além de se fazerem necessários processos adicionais para liquefazer o hidrogênio. Porém, ainda é um campo de estudo que apresenta potencial de melhorias significativas nas tecnologias utilizadas, o que pode vir a aumentar a eficiência dessa forma de armazenamento e diminuir os custos do processo.

Outra opção de transporte do hidrogênio é por gasodutos, dentro da qual a indicação é a construção de uma estrutura nova e exclusiva para o H2, como está sendo implementado, ainda em fase inicial, nos EUA, Alemanha, Holanda, França e Bélgica. Contudo, essa é uma alternativa considerada de alto custo, logo sugere-se viabilizar o transporte do hidrogênio através do reaproveitamento da rede existente de transporte de gás natural. Em sua fase de estudos inicial, pode-se afirmar que a mistura de hidrogênio com gás natural é segura, e a concentração de cada substância depende da aplicação, sendo considerada segura a concentração de 10% de hidrogênio no volume total, conforme indicado na Figura 3.

Figura 3. Tolerância admissível de alguns componentes da infraestrutura de gás

Fonte: IRENA. Elaboração Gas Energy

Já a agregação do hidrogênio à amônia é vista como mais uma opção viável, por ser capaz de preservar grandes volumes de energia por bastante tempo, o que torna essa forma de transporte uma alternativa interessante para longas distâncias, além de já existir infraestrutura consolidada para esse tipo de transporte.

Utilização

Uma das principais aplicações do hidrogênio seria no setor de mobilidade, onde é utilizado como combustível desde o começo do século XIX em diversos meios de transporte, como carros, dirigíveis e naves espaciais. Atualmente, as células combustíveis a hidrogênio (FVECs) podem ser usadas em carros, caminhões, e ônibus para alimentar motores elétricos, sendo uma alternativa aos combustíveis fósseis. Porém, no transporte rodoviário, os veículos elétricos à bateria ainda são mais eficientes e desenvolvidos do que os à FCEVs. Por outro lado, é possível notar a implantação acelerada de FCEVs, principalmente em caminhões pesados. Além disso, ele é uma fonte versátil de energia, podendo ser utilizado com finalidades industriais e armazenamento de energia. [6]

Na indústria uma das principais aplicações do hidrogênio seria na produção de amônia, metanol e outros produtos químicos. Nesse cenário, ao utilizar o hidrogênio verde estas indústrias podem reduzir significativamente suas emissões de carbono. Essa utilização apresenta desafios técnicos relativamente baixos quando comparados a substituição de combustíveis, pois não altera o processo que já é realizado, apenas a fonte de produção do hidrogênio utilizado.

Outra utilização do hidrogênio verde é o armazenamento de energia. Isso é possível pois o hidrogênio pode ser facilmente comprimido e armazenado e assim ser utilizado para estocar o excesso de energia renovável gerado durante períodos de baixa demanda. A energia armazenada pode ser usada para complementar a produção de energia durante períodos de alta demanda, reduzindo a necessidade de fontes de energia baseadas em combustíveis fósseis, que atualmente desempenham esse papel.

Vantagens do H2 Verde em relação aos demais tipos:

1. Não emite gases de efeito estufa durante sua produção ou uso, diferente dos combustíveis fósseis.
2. Pode ser produzido a partir de fontes de energia renováveis, por meio de eletrólise da água utilizando energia solar ou eólica.
3. Pode ser utilizado de maneira flexível em uma variedade de aplicações, incluindo transporte, geração e armazenamento de energia.
4. Pode ser utilizado em veículos movidos a hidrogênio, como trens, navios e aviões, eliminando emissões de poluentes atmosféricos no transporte.
5. Pode ser usado em células de combustível para gerar eletricidade e ser armazenado para uso futuro.
6. Pode ser utilizado como matéria-prima para a indústria química, petroquímica e farmacêutica, de cimento e aço substituindo os combustíveis fósseis e reduzindo as emissões de gases de efeito estufa.

Desvantagens do H2 Verde:

A seguir são apresentadas desvantagens do hidrogênio verde quando comparado com outras fontes de energia.

1. Ainda possui custo de produção elevado quando comprado com outras fontes de energia, principalmente devido à baixa maturidade tecnológica envolvida na sua produção.
2. Para sua utilização como substituto de combustíveis fósseis, como gasolina ou diesel, a indústria automobilística precisaria se adaptar para usar o hidrogênio, além de existir outras opções, como o carro elétrico, que poderiam ser utilizados como alternativa.
3. A baixa densidade do hidrogênio, seja no estado líquido ou no estado gasoso, também resulta numa baixa densidade de energia. Evidenciando que o hidrogênio, na sua forma pura, não é um bom meio transportador de energia.

Desafios

Além das desvantagens listadas anteriormente, há também desafios na implementação do Hidrogênio Verde que não estão necessariamente atreladas a uma comparação entre fontes de energia, são eles:

1. A infraestrutura atual para o armazenamento e distribuição do hidrogênio é limitada.
2. A produção de Hidrogênio Verde requer fontes de energia elétrica renováveis, que ainda são menos disponíveis em algumas regiões do mundo.
3. Ainda existem desafios técnicos para aumentar a eficiência da produção e armazenamento do hidrogênio.
4. Ainda existe o receio da sociedade com relação ao uso do hidrogênio devido a sua associação com bombas nucleares e explosões.
5. A produção de hidrogênio verde ainda não é escalável o suficiente para atender à demanda mundial de energia.

6 motivos do porquê agora é o momento de investir em Hidrogênio Verde:

1. A crescente necessidade de fontes de energia limpa e renovável para combater as mudanças climáticas e atender à crescente demanda global de energia.
2. O Hidrogênio Verde tem o potencial de desempenhar um papel importante na transição para uma economia de baixo carbono, como um substituto para os combustíveis fósseis.
3. A tecnologia de produção de Hidrogênio Verde tem se desenvolvido significativamente nos últimos anos, com perspectivas de se tornar mais acessível e economicamente viável.
4. A crescente pressão dos governos e da sociedade para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e atender às metas climáticas.
5. A necessidade de fontes de energia flexíveis e escaláveis para suprir a demanda de energia, especialmente para aplicações de transporte e armazenamento de energia.
6. A demanda crescente por soluções de transporte limpo e eficiente, devido ao aumento da conscientização sobre a importância da sustentabilidade e da saúde pública.

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[1] SANTOS, Ana e ESPIRITO SANTO, Levi. As formas de produção de hidrogênio. Mitsidi. 2023. Disponível em: https://mitsidi.com/as-formas-de-producao-de-hidrogenio/

[2] SCHROTENBOER, Albert H. et al. A Green Hydrogen Energy System: Optimal control strategies for integrated hydrogen storage and power generation with wind energy. 2022. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122006323

[3] USTOLIN, Federico. Loss of integrity of hydrogen technologies: A critical review. International Journal of Hydrogen Energy, vl 45, 10.1016 June 2021. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319920321583?ref=pdf_download&fr=RR-2&rr=7b648398ff7ca5d3

[4] Rethink Energy. Disponível em: https://rethinkresearch.biz/product/rethink-energy/

[5] MORGAN, Harry. Why market dynamics will reduce the average price of green hydrogen do $1.50/kg by 2023. RECHARGE. 2022. Disponível em: https://www.rechargenews.com/energy-transition/opinion-why-market-dynamics-will-reduce-the-average-price-of-green-hydrogen-to-1-50-kg-by-2030/2-1-1292801

[6] Hydrogen. IEA. 2022. Disponível em: https://www.iea.org/reports/hydrogen

[7] Hydrogen. IEA. 2021. Disponível em: https://www.iea.org/fuels-and-technologies/hydrogen

[8] LACERDA, Naylil. Os desafios da armazenagem e transporte de hidrogênio em larga escala. Gas Energy. 2021. Disponível em https://gasenergy.com.br/os-desafios-da-armazenagem-e-transporte-de-hidrogenio-em-larga-escala/

[9] IBERDOLA. O hidrogênio verde: uma alternativa para reduzir as emissões e cuidar do nosso planeta. Disponível em: https://www.iberdrola.com/sustentabilidade/hidrogenio-verde