IFSC VERIFICA Data de Publicação: 29 ago 2023 16:00 Data de Atualização: 30 ago 2023 18:13
A cor ou ou nome “verde” costumam nos remeter a coisas benéficas ao meio ambiente e não é diferente com o hidrogênio verde, uma grande aposta para um futuro com menos uso de combustíveis fósseis e mais geração de energia limpa - portanto, melhor para o planeta.
A produção do hidrogênio verde, identificado pela sigla H2V, é feita a partir da eletrólise (reação química provocada pela passagem de uma corrente elétrica) da água, sem emissão de gás carbônico, e ele pode ser usado para vários fins, como: gerar energia elétrica; mobilidade elétrica, com veículos elétricos a célula a combustível; e produzir amônia para fabricação de fertilizantes. As fontes de energia para a produção do H2V devem ser limpas e renováveis (solar, eólica, biomassa, marés, entre outras).
“Isso significa que [o hidrogênio verde] não esgota recursos não renováveis e não contribui para a degradação ambiental associada à extração e uso de combustíveis fósseis”, destaca o professor Dachamir Hotza, da área de engenharia química e de alimentos da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e coordenador de uma rede de pesquisa sobre hidrogênio verde formada por 22 acadêmicos do Sul do Brasil, apoiada pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), a Rede Sul de Hidrogênio Verde.
Dachamir ainda ressalta que o uso do hidrogênio verde pode diversificar a matriz energética, reduzindo a dependência de fontes de energia fósseis, que são finitas e causam impactos ambientais significativos.
No post do IFSC Verifica deste mês, vamos falar sobre o que é o hidrogênio verde e por que ele pode ser um grande aliado na luta contra as mudanças climáticas.
O que é o hidrogênio?
Um aspecto positivo do uso do hidrogênio como fonte de energia é a sua disponibilidade. Ele é o elemento químico mais comum no universo e o que possui o átomo mais simples, formado apenas por um próton e um elétron (sem nêutrons) em sua variante mais comum. Foi o primeiro elemento a ser formado logo após a explosão que deu origem ao universo, de acordo com a teoria do Big Bang, e está presente na substância mais importante para a vida, a água, e em materiais orgânicos. Sua forma em estado natural é de um gás sem cor, nem cheiro, e é simbolizado pela letra H na tabela periódica, na qual é o elemento número 1.
A professora Cláudia Lira, da área de química do Câmpus Florianópolis do IFSC, explica que o hidrogênio é um combustível com alto poder calorífico, ou seja, capaz de gerar grande quantidade de energia por unidade de massa liberada na sua combustão. No entanto, por ser um gás leve e pouco denso, espalha-se com facilidade e necessita de espaços grandes para seu armazenamento ou, então, precisa ser comprimido de maneira mecânica.
O hidrogênio é usado em vários ramos da indústria, como nos processos de extração de petróleo, de produção de aço, de vidro, de minério de ferro e do combustível metanol, além de fazer parte da composição da amônia e de fertilizantes. Atualmente, mais de metade do hidrogênio produzido globalmente é usada na indústria petroquímica, de acordo com o professor Everthon Taghori Sica, da área de eletrotécnica do Câmpus Florianópolis e integrante da Rede Sul de Hidrogênio Verde, principalmente para a hidrogenação de óleos insaturados e para a produção de amônia, componente de fertilizantes. Essa produção ainda é dominada por hidrogênio obtido a partir de fontes não renováveis, como o gás natural.
Apesar de existirem depósitos de hidrogênio no subsolo, a tecnologia para sua extração ainda está em desenvolvimento. A maneira mais viável economicamente para sua obtenção é produzi-lo por métodos industriais, separando-o de outros elementos químicos.
Por que hidrogênio "verde"?
A maneira como o hidrogênio é obtido pelo ser humano leva a diferentes classificações de acordo com a forma como ele é produzido, sendo cada classificação identificada por uma cor - lembrando, mais uma vez, que o hidrogênio não tem cor e que os nomes são usados na indústria e na academia para se referir ao método como ele é obtido.
Há diversas possibilidades de nomenclatura e, num texto publicado no portal do Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea), a pesquisadora Rosana Cavalcante de Oliveira, do Subprograma de Pesquisa para o Desenvolvimento Nacional (PNPD) na Diretoria de Estudos e Relações Econômicas e Políticas Internacionais do instituto, traz algumas dessas denominações.
O hidrogênio “cinza” é o mais comum na indústria e é obtido a partir da queima do gás natural (um combustível fóssil), composto de hidrocarbonetos - substâncias orgânicas feitas apenas de moléculas que contêm átomos de hidrogênio e de carbono. Quando essas moléculas são separadas, o hidrogênio é capturado e o gás carbônico, um dos responsáveis pelo efeito estufa, é lançado na atmosfera. Por isso é considerado um método prejudicial ao meio ambiente. Se o gás carbônico for capturado e armazenado, geralmente sendo injetado no solo, o hidrogênio é chamado de “azul”.
Quando o hidrogênio é produzido a partir da queima de carvão mineral, ele pode ser chamado de “preto” (quando o carvão é do tipo antracito) ou “marrom” (quando o carvão é do tipo hulha) - em ambos os casos, também há emissão de gás carbônico.
O hidrogênio “musgo” é obtido a partir de biomassa ou de biocombustíveis com substituição do metano (formado por moléculas com quatro átomos de hidrogênio e um de carbono) de origem fóssil por biometano ou por etanol, com menor emissão de gás carbônico quando comparado ao hidrogênio cinza.
Já o hidrogênio “verde” (H2V) é formado a partir da separação dos dois átomos de hidrogênio que estavam unidos a um de oxigênio para formar a molécula da água (H2O, lembram?). A esse processo de separação, feito com o uso de uma fonte de energia elétrica, dá-se o nome de eletrólise. No caso do hidrogênio verde, para que ele possa receber essa classificação, a fonte de energia deve ser renovável - como a eólica, solar, das marés ou de biomassa - e limpa, sem emitir gases causadores do efeito estufa (gás carbônico, monóxido de carbono, dióxido de carbono, entre outros), o que faz sua produção ser “carbono zero” do início ao fim.
Para que a produção do hidrogênio seja considerada “verde”, há ainda outros aspectos técnicos e sociais que devem ser observados. A água usada no processo, por exemplo, deve ter um alto grau de pureza, evitando, assim, a contaminação do gás resultante, conforme explica a professora Cláudia Lira. Além disso, essa água não pode ser potável, pois isso poderia levar a prejuízos no abastecimento de água em comunidades, complementa o professor Everthon Sica.
Ainda existem outros tipos menos difundidos de hidrogênio, como o “rosa”, que é proveniente da eletrólise com fonte de energia nuclear, e o “turquesa”, que ocorre a partir da pirólise (processo de separação das moléculas com o uso de altas temperaturas) do metano, produzindo hidrogênio e carbono sólido. Apesar de não gerarem gás carbônico, esses métodos não são considerados “verdes” porque as fontes de energia que usam não são renováveis.
Quando o hidrogênio está em seu estado natural, na forma gasosa, em depósitos subterrâneos, dá-se a ele o nome de hidrogênio “branco”.
Onde o hidrogênio verde poderá ser usado?
Vivemos num cenário de mudanças climáticas causadas em grande parte pela emissão de gases poluentes por meio de processos como a queima de combustíveis fósseis (petróleo, gás, carvão, entre outros). Nesse contexto, o hidrogênio verde surge como uma alternativa para a produção de energia limpa por usar energias renováveis e não emitir gás carbônico em seu processo de produção - o único resíduo resultante desse processo é a água.
“O hidrogênio é um dos meios principais na transição energética e representa um papel na desfossilização, por ser um forte substituto dos combustíveis derivados do petróleo e por possuir uma complementariedade com as fontes de energia intermitentes, e, sobretudo, como possibilidade à segurança energética”, comenta o professor Everthon Sica.
O hidrogênio verde ainda é minoria na indústria, dominada pelo cinza, mas sua produção em larga escala tem crescido rapidamente, segundo Everthon. Ele acredita que, no curto prazo, é pouco provável que o H2V torne-se dominante na indústria, mas produtos elaborados com o seu uso vão ser vistos como de maior valor agregado por causa da preocupação com o meio ambiente.
“A avaliação da performance do hidrogênio como vetor energético ainda não é pacífica. Por um lado, a produção de hidrogênio por fontes renováveis ainda é um processo caro e a tecnologia para sua utilização em larga escala ainda está em desenvolvimento em comparação com a produção a partir de combustíveis fósseis”, ressalta o professor. No entanto, ele lembra que os recursos energéticos provenientes de fontes eólica e solar têm se mostrado cada vez mais competitivos em termos de custo e eficiência.
Os principais usos potenciais para o hidrogênio verde hoje são nos processos industriais e como combustível. No caso dos veículos, o hidrogênio é usado como combustível para geração, por meio de reações eletroquímicas em um dispositivo chamado célula de combustível, de energia elétrica que vai alimentar as baterias de veículos elétricos. Já existem alguns carros assim sendo comercializados no mercado.
Na indústria, o hidrogênio verde pode substituir os de outros tipos - cinza, preto, marrom etc. - e tornar os processos produtivos mais sustentáveis, com menor emissão de poluentes. “Você pode descarbonizar vários setores da indústria com o hidrogênio verde”, diz a professora Cláudia Lira. Além dos usos como combustível e gerador de energia, ela crê que, com o tempo, o hidrogênio usado em fertilizantes possa ser produzido em maior quantidade pelo método verde. O hidrogênio é um componente da produção de amônia, um importante fertilizante agrícola.
Para que isso ocorra, porém, a professora do IFSC pondera que os setores produtivos precisam não só fazer a conta de qual método é mais barato para produção do hidrogênio, mas também enxergar os impactos econômicos e sociais das mudanças climáticas - com aumento de temperaturas extremas, secas, queimadas e inundações. “Se forem contabilizados os prejuízos que esses fenômenos causam, o custo do hidrogênio verde não vai parecer tão alto”, comenta. A criação de custos ambientais, como taxas sobre a produção de hidrogênio não verde, podem fazer valer mais a pena a produção mais limpa e sustentável dele, na visão de Cláudia.
O hidrogênio verde pode ser usado, ainda, para armazenar energia excedente de fontes intermitentes, como solar e eólica, para ser usada quando necessário, de acordo com o professor Dachamir Hotza. “Seu uso como gerador de energia elétrica pode ocorrer tanto em veículos para transporte rodoviário, marítimo ou ferroviário, quanto em aplicações estacionárias, como residências ou edifícios comerciais”, explica.
O Brasil tem potencial para produzir hidrogênio verde?
O Brasil é visto hoje como um país com grande potencial para produzir hidrogênio verde, por possuir grandes reservas hídricas e potencial para exploração das energias eólica e solar - aproximadamente 83% da energia elétrica do país é obtida por meio de fontes renováveis (hídrica, solar e eólica, principalmente), bem acima da média mundial (29%), de acordo com a Empresa de Pesquisa Energética (EPE), do governo federal.
A professora Cláudia Lira avalia que o país “até demorou” para descobrir o potencial do hidrogênio verde e considera que a tecnologia para sua fabricação deve ser desenvolvida aqui mesmo. Opinião parecida tem o professor Everthon Sica, para quem o hidrogênio verde não pode ser apenas mais uma “commodity” (produto básico não industrializado que funciona como matéria-prima para outros) brasileira, mas como um meio de agregar valor aos setores econômicos produtivos brasileiros. “Acho que está na hora de agregar valor às nossas exportações. Ou seja, deve-se prospectar a exportação de commodities ou de bens e serviços com valor agregado pelo H2V como meio de produção”, afirma.
O professor Dachamir Hotza, da UFSC, lembra que o Brasil possui uma das maiores produções agrícolas do mundo, o que significa disponibilidade de biomassa residual, como bagaço de cana-de-açúcar e resíduos agrícolas, que podem ser usados para produzir hidrogênio através de processos de gaseificação ou reforma a vapor. “O Brasil já possui uma indústria estabelecida de biocombustíveis, como o etanol produzido a partir da cana-de-açúcar. Essa expertise pode ser transferida para a produção de hidrogênio verde a partir de fontes renováveis”, destaca.
Além dos benefícios ambientais, o hidrogênio verde também tem o potencial de trazer vantagens econômicas, complementa Dachamir. Para ele, a expansão da indústria do hidrogênio verde pode criar empregos em áreas como pesquisa, desenvolvimento, produção, infraestrutura e manutenção. O hidrogênio verde pode dar origem a novos setores econômicos, como a produção de células de combustível, tecnologias de eletrólise avançada e sistemas de armazenamento.
“Países com capacidade de produção de hidrogênio verde podem se tornar exportadores desse recurso, criando oportunidades de comércio internacional e geração de receitas. O uso de hidrogênio verde pode aumentar a resiliência energética, especialmente em locais que dependem muito das importações de combustíveis fósseis. Por fim, regiões com recursos renováveis abundantes, como é o caso do Brasil, podem se beneficiar economicamente ao se tornarem centros de produção de hidrogênio verde”, diz.
O potencial brasileiro tem chamado a atenção de outros países, e o resultado é visto no apoio à pesquisa brasileira sobre hidrogênio verde. Na última sexta-feira, 25 de agosto, entrou em operação a primeira usina de hidrogênio verde de Santa Catarina, localizada no Laboratório Fotovoltaica da UFSC, no Sapiens Parque, em Florianópolis. O hidrogênio está sendo produzido no novo bloco do laboratório, que recebeu investimentos de R$ 14 milhões.
A usina é resultado da Cooperação Brasil-Alemanha para o Desenvolvimento Sustentável, apoiada pela empresa alemã Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ), que implementa os projetos da Cooperação no Brasil. Essa cooperação faz parte do Projeto H2Brasil, implementado pela GIZ em parceria com o Ministério de Minas e Energia (MME) brasileiro.
A mesma GIZ apoia um curso de capacitação sobre hidrogênio verde voltado a pesquisadores brasileiros, do qual 8 professores do IFSC - entre eles, Cláudia Lira e Everthon Sica - estão participando.
Quais são as principais adptações que o uso do hidrogênio verde vai exigir?
A adoção do hidrogênio como combustível e fonte de energia requer adaptações em veículos, indústrias e residências, pois o hidrogênio tem propriedades diferentes das fontes de energia convencionais, conforme explica o professor Dachamir Hotza. “O tempo necessário para essas adaptações pode variar dependendo de vários fatores, como a disponibilidade de tecnologias, investimentos, regulamentações e aceitação pública”, destaca.
Para veículos movidos a hidrogênio, é necessário instalar células de combustível, que convertem o hidrogênio em eletricidade para alimentar os motores elétricos, o que requer modificações nos sistemas de propulsão dos veículos. Além disso, o hidrogênio é armazenado em tanques pressurizados ou criogênicos (que fazem armazenamento em baixas temperaturas) nos veículos. “Isso exige o desenvolvimento de sistemas de armazenamento seguros e eficientes”, lembra Dachamir. Por fim, uma rede de locais abastecimento de hidrogênio deve ser construída para reabastecer os veículos.
Na indústria, há necessidade de ajuste dos processos de produção para incorporar o uso de hidrogênio como matéria-prima ou fonte de energia, o que pode envolver a substituição de hidrogênio derivado de combustíveis fósseis pelo hidrogênio verde. “Alguns setores industriais podem exigir equipamentos específicos para utilizar o hidrogênio em vez de outras fontes de energia”, diz Dachamir.
Em residências, o hidrogênio pode ser utilizado para aquecimento e geração de eletricidade. “Isso exigiria a instalação de equipamentos compatíveis, como células de combustível residenciais ou sistemas de geração de calor a partir de hidrogênio. As residências precisariam de infraestrutura para armazenar e utilizar o hidrogênio de maneira segura, incluindo sistemas de armazenamento e dispositivos de uso”, avalia.
Quais são os principais desafios para a produção e o uso do hidrogênio verde?
A produção do hidrogênio verde em larga escala ainda precisa superar alguns desafios econômicos e, hoje, nem tudo em sua cadeia produtiva pode ser considerado “verde”.
Quanto ao tempo necessário, a adoção em larga escala do hidrogênio como combustível e fonte de energia pode ser um processo gradual, na visão de Dachamir Hotza. A velocidade da transição, afirma, dependerá de vários fatores, incluindo a disponibilidade de tecnologias maduras, investimentos financeiros, políticas governamentais de incentivo, infraestrutura de suporte, aceitação pública e competitividade com outras fontes de energia.
A baixa densidade do hidrogênio torna seu armazenamento e transporte mais difíceis. Se fosse armazenado em seu estado natural, sem qualquer compressão, exigiria reservatórios muito grandes para que fosse estocado em quantidade suficiente para a produção de energia, seja numa indústria ou dentro de um veículo elétrico. Por esse motivo, a professora Cláudia Lira acredita que o uso do hidrogênio como combustível será mais viável economicamente em veículos maiores e que façam longos deslocamentos, como navios e no transporte coletivo.
Segundo o professor Everthon Sica, para liberar a mesma quantidade de Joules (unidade de medida da energia mecânica) gerada por um tanque de combustível de um carro movido a gasolina, seriam necessários aproximadamente cinco tanques do mesmo tamanho de hidrogênio, caso ele não fosse comprimido. O processo de compressão demanda gasto de energia, assim como a própria fabricação do compressor. “Aí você começa a computar tudo o que precisa de energia e começa a ter algumas dúvidas. Não adianta eletrificar uma frota que vai usar outras fontes de energia poluentes”, alerta Everthon.
Ele destaca, ainda, que os veículos elétricos usam baterias de lítio e níquel, metais que precisam ser minerados. O descarte dessas baterias é outra preocupação para o meio ambiente.
No quesito segurança, o principal complicador do hidrogênio é o fato de sua chama espalhar-se rapidamente e não ter cor: o fogo gerado quando ele queima é invisível aos nossos olhos. Isso traz preocupações quanto ao seu armazenamento, pois um incêndio de hidrogênio pode demorar a ser detectado, especialmente fora do ambiente industrial.
O processo de purificação da água a ser usada na eletrólise ainda é caro, de acordo com a professora Cláudia Lira, e para realizar a eletrólise é necessário um dispositivo chamado eletrolisador, feito de metais que precisam ser minerados. “Isso tem implicações sociais e ambientais”, lembra.
Falando especificamente sobre o Brasil, o professor Dachamir Hotza, da UFSC, destaca que infraestrutura de transporte, armazenamento e distribuição, desenvolvimento tecnológico e investimentos significativos em pesquisa, desenvolvimento e inovação são pontos em que o país precisa avançar para ser um grande produtor de hidrogênio verde. “O Brasil precisará adotar uma abordagem estratégica abrangente que envolva governo, indústria, pesquisa e sociedade para aproveitar plenamente o seu potencial como produtor de hidrogênio verde em escala mundial”, avalia.
Para o professor, a combinação estratégica de várias fontes de energia renovável pode permitir uma produção de hidrogênio verde “mais resiliente e equilibrada, contribuindo para a transição global para uma matriz energética mais sustentável e de baixo carbono”. “A complementaridade entre a geração eólica e solar pode ser vantajosa para garantir uma produção de hidrogênio mais estável, já que as condições climáticas podem variar”, afirma.