Os desafios da armazenagem e transporte de hidrogênio em larga escala

Contextualização

A pauta da transição energética é global. A ampliação do senso de urgência apresentado pelos organismos e instituições multilaterais tem orientado políticas governamentais e rotas de desenvolvimento de tecnologias, com os consumidores cada vez mais interessados em produtos e empresas que contribuem para a redução de emissão de gases de efeito estufa. A médio e longo prazos, a expectativa é que as energias renováveis apresentem ganho ainda mais relevante de share na matriz energética mundial para os diversos segmentos [1].

A disponibilidade de novas tecnologias, aliado ao ganho de escala dos últimos anos, vêm permitindo o avanço de fontes como a eólica e a solar. Para o futuro, o hidrogênio “limpo” poderá se somar a essas fontes de energia e desempenhar um papel fundamental para a transição a um mundo descarbonizado. Segundo o cenário apresentado pela IEA (2020a) [2], o mercado de hidrogênio apresenta uma configuração que tende a mudar nas próximas décadas. Espera-se um aumento no uso de hidrogênio no transporte, geração de energia e produção de combustíveis sintéticos. Em contrapartida, há uma redução no uso de hidrogênio em refinarias, segmento que continuará, no entanto, representando quase 50% do mercado global até o final da década.

Figura 1. Projeção da demanda global de hidrogênio puro.
Fonte: IEA [2]. Elaboração Gas Energy.

Para que esta transformação avance ainda mais rapidamente, o armazenamento e transporte de hidrogênio são pontos-chave para a consolidação de um mercado global do combustível.

Tecnologias para a armazenagem de Hidrogênio

Há diversas opções possíveis para o armazenamento do hidrogênio. Porém, os processos não deixam de ser desafiadores, principalmente pela densidade do combustível, que é muito baixa. O armazenamento em estado gasoso já tem escala comercial quando feito em cavernas de sal, o que requer condições geológicas adequadas. As características físico-químicas do hidrogênio gasoso obrigam os produtores a usarem processos para reduzirem o volume do gás e dar mais segurança ao transporte e seu manuseio, o que envolverá o aumento de sua densidade [3].

Existem diversos processos para permitir que o hidrogênio possa ser armazenado e/ou transportado e estar pronto para ser consumido comercialmente. Conforme pode ser visto na Figura 2, os métodos apresentados são a combinação do hidrogênio com hidretos metálicos, através de aditivos ou com hidretos químicos, através de um catalisador. A adsorção, a liquefação ou a compressão do hidrogênio também são alternativas [3].

Figura 2. Processo para obter o hidrogênio comercial.
Fonte: Anderson & Grönkvist [3].

A armazenagem na forma gasosa ou líquida são atualmente as únicas categorias empregadas em escalas mais significativas. Abaixo apresentamos as várias possibilidades descritas na figura acima:

Hidretos Metálicos

A ligação química do hidrogênio aos hidretos metálicos é mais forte do que as ligações envolvidas na adsorção de hidrogênio, o que permite a sua armazenagem. A liberação do hidrogênio em hidretos metálicos pode ocorrer via termólise (aquecimento) ou hidrólise (reação com água), sendo que o segundo apresentou pouco sucesso nos testes já realizados e apresenta o desafio de captação de água [3]. A alternativa de hidretos metálicos consiste em armazenar o hidrogênio no estado sólido, tecnologia que foi inicialmente desenvolvida nos Estados Unidos. Esta rota incentivou o desenvolvimento de baterias em que o hidrogênio é absorvido em uma liga, como as baterias de níquel-hidretos metálicos, que são utilizadas em eletrônicos como celulares e câmeras digitais [8] [9]. Atualmente, os hidretos metálicos estão sendo foco de estudos e desenvolvimentos em um projeto da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), com a finalidade de otimizar a tecnologia [10].

Hidretos Químicos

As propriedades dos hidretos químicos são extremamente diferentes das dos hidretos metálicos, sendo a principal que, em casos de condições normais, os hidretos químicos se encontram em estado líquido. A associação do hidrogênio aos hidretos químicos também se encontra em estado líquido, o que simplifica o seu transporte e a sua armazenagem. Portanto, os hidretos químicos sugeridos para a armazenagem de hidrogênio são produtos químicos frequentemente sintetizados a partir do gás natural, como o metanol e a amônia. A circunstância de já existir uma infraestrutura, ajuda na viabilização da produção e utilização desses produtos químicos [3].

Adsorção

O processo de adsorção envolve a ligação entre o hidrogênio molecular e um outro material, comumente o nitrogênio líquido. Esta rota ainda está em fase de desenvolvimento e estudos preliminares. Até o momento, os adsorventes mais bem sucedidos foram alguns carvões ativados e estruturas metal-orgânicas [3].

Liquefação

A liquefação do hidrogênio apresenta vantagens substanciais, pois, nesse caso, o hidrogênio tem a sua densidade aumentada fortemente (em cerca de 833 vezes – ver Figura 3). No entanto, esse processo consome muita energia para chegar ao ponto de ebulição (extremamente baixo) do hidrogênio. Com o hidrogênio liquefeito, o armazenamento deve ser realizado em tanques criogênicos de estrutura complexa para minimizar a sua evaporação [3].

Compressão

O sistema de armazenagem de gás hidrogênio comprimido exige um alto capital investido, devido à necessidade de aumentar a sua densidade e o comprimir a pressão suficiente para armazená-lo em cilindros ou em depósitos subterrâneos de forma segura [3]. A alternativa de compressão apresenta as mesmas características já conhecidas para o gás natural, sendo o uso de cilindros interessantes para o transporte rodoviário e como tanque de veículos. Já os depósitos subterrâneos seguem racional já conhecido da estocagem subterrânea de gás natural, sendo uma saída para armazenar o combustível em elevadas proporções.

Outra forma de comprimir o hidrogênio e que é muito relevante no armazenamento e transporte de grandes quantidades do combustível é o uso de compressores para injeção em gasodutos. Para se ter uma dimensão, pode-se armazenar até 12 toneladas de hidrogênio por km de gasodutos. Entretanto, a construção de infraestrutura dedicada ao hidrogênio é mais dispendiosa do que outros gases (como o gás natural) por necessitar de processos que aumentem a margem de segurança da armazenagem [3].

Principais alternativas para o transporte transoceânico do Hidrogênio

A aplicação de certas tecnologias de armazenamento, como hidrogênio líquido, metanol e amônia são considerados vantajosos em termos de densidade e custo de armazenamento e segurança.

Conforme já destacado anteriormente, o processo de liquefação (condensação) do hidrogênio puro aumenta muitas vezes a sua densidade. A densidade do hidrogênio líquido saturado é de 70 kg/m³, mantendo-se a 1 bar (pressão atmosférica), conforme é apresentado na Figura 3. A redução substancial do volume original é uma vantagem para o seu armazenamento. Já o transporte tem que ser mantido em condições criogênicas (-253°C). Estuda-se o compartilhamento das instalações de GNL, terminais e navios adaptados a essas condições [3] em países como Alemanha e Inglaterra [11] [12].

Figura 3. Processo de Liquefação do Hidrogênio.
Fonte: Anderson & Grönkvist [3]. Elaboração Gas Energy.

O metanol (CH3OH) é o álcool mais simples com capacidades de armazenamento de hidrogênio de 12,5% (do peso) e 99 kg/m³, respectivamente, apresentado na Figura 4. A forma mais comum para produzir metanol a partir de energia renovável é por meio da hidrogenação do dióxido de carbono (CO2). O metanol tem ampla utilização nas indústrias, como de combustível, tinta, olefinas, MDF, silicones, biodiesel, entre muitas outras. É considerado um intermediário químico altamente versátil, porém é uma substância corrosiva e tóxica [3].

Figura 4. Proceso de Produção do Metanol.
Fonte: Anderson & Grönkvist. [3]. Elaboração Gas Energy.

A amônia (NH3) é um meio de armazenamento de hidrogênio vantajoso em vários aspectos: tem uma densidade de armazenamento de hidrogênio muito alta 123 kg/m³ na forma líquida a 10 bar, e sua síntese, manuseio, e transporte são largamente difundidos. Projetos de conversão do hidrogênio e da amônia vêm sendo estudados e desenvolvidos em diversos países, como na Alemanha, país que apresenta uma infraestrutura com recursos suficientes para auxiliar no aumento da utilização do energético [13].

Para o transporte intercontinental, o método menos dispendioso é, de fato, converter o hidrogênio em amônia e optar pelo modal marítimo [7].

Figura 5. Processo de Síntese da Amônia.
Fonte: Anderson & Grönkvist [3]. Elaboração Gas Energy.

Transporte de Hidrogênio por gasodutos

A opção mais indicada, tecnicamente, para o transporte do hidrogênio em dutos é a construção de uma infraestrutura nova e exclusiva para o H2 puro, como já existe – ainda que de forma bastante limitada – nos EUA, Alemanha, Holanda, França e Bélgica. Entretanto, essa é uma opção que exige altos investimentos [5].

Uma alternativa para viabilizar o transporte do hidrogênio por dutos para as regiões demandantes é o reaproveitamento da rede de transporte de gás natural, processo que ainda está em fase inicial de estudos. Até então, o que já foi possível confirmar é que é segura a injeção de hidrogênio para uma mistura com o gás natural. Os níveis indicados, porém, podem variar a depender da aplicação. Em princípio, uma concentração segura é de 10% de hidrogênio no volume total, conforme pode ser visualizado abaixo na Figura 6 [4]. Os principais projetos pilotos estão sendo realizados na Europa.

Figura 6. Tolêrancia admissível de alguns componentes da infraestrutura de gás.
Fonte: IRENA [4]. Elaboração Gas Energy.

O reaproveitamento da estrutura de gás natural existente tem o viés de acelerar a utilização e, consequentemente. os ganhos que virão com a maior escala na sua utilização. Entretanto, ainda são muitas as dúvidas: não estão claros os efeitos a longo prazo na estrutura e as questões regulatórias também são incertas [5] [6]. Pensando em grandes volumes, trata-se do modal mais competitivo [7].

O que podemos concluir sobre a armazenagem e transporte de H2?

A escolha da melhor tecnologia para a armazenagem depende do tipo de aplicação e do contexto específico de cada situação. Diversas maneiras já se apresentaram viáveis tecnicamente para armazenar o hidrogênio, mas poucas são as opções que atingiram maturidade técnica e, consequentemente, maturidade comercial para utilização em grande escala.

A maioria das opções ainda se encontra em fase de estudos e desenvolvimento. O espaço para progressos, no entanto, é imenso. É importante salientar que uma determinada aplicação do hidrogênio pode influenciar regionalmente no método de armazenagem, de modo a se atingir economia de escala.

O transporte do hidrogênio, por sua vez, é dependente do seu modo de armazenagem e apresenta diversas opções de modais que serão mais ou menos aderentes de acordo com o contexto específico e o volume a ser transportado.  O avanço das pesquisas em armazenagem e transporte seguirão sendo ponto central para a confirmação do hidrogênio como alternativa global e/ou local para a transição a uma economia descarbonizada.

Referências

[1] BP ENERGY. Energy Outlook 2020 edition. 2020. Disponível em: https://www.bp.com/content/dam/bp/business-sites/en/global/corporate/pdfs/energy-economics/energy-outlook/bp-energy-outlook-2020.pdf. Acesso em: 06 ago. 2021.

[2] IEA. Energy Technology Perspectives 2020 – Analysis – IEA. 2020. Disponível em: https://iea.blob.core.windows.net/assets/7f8aed40-89af-4348-be19-c8a67df0b9ea/Energy_Technology_Perspectives_2020_PDF.pdf. Acesso em: 06 ago. 2021.

[3] ANDERSSON, Joakim; GRÖNKVIST, Stefan. Large-scale storage of hydrogen. International journal of hydrogen energy, v. 44, n. 23, p. 11901-11919, 2019. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319919310195. Acesso em: 06 ago. 2021.

[4] TAIBI, Emanuele et al. Hydrogen from renewable power: Technology outlook for the energy transition. 2018. Disponível em: https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf. Acesso em: 06 ago. 2021.

[5] TAVARES, Amanda. Ensaio Energético: O papel do transporte de gás natural na transição energética. 2021. Disponível em: https://ensaioenergetico.com.br/o-papel-do-transporte-de-gas-natural-na-transicao-energetica/?utm_source=mailpoet&utm_medium=email&utm_campaign=newsletter-post-title_1. Acesso em: 06 ago. 2021.

[6] GAZ, Reseau Distribution France-GRDF et al. Technical and economic conditions for injecting hydrogen into natural gas networks – Final report June 2019. 2019. Disponível em: https://www.elengy.com/images/Technical-economic-conditions-for-injecting-hydrogen-into-natural-gas-networks-report2019.pdf. Acesso em: 06 ago. 2021.

[7] BLOOMBERGNEF. Hydrogen Economy Outlook, Key messages 2020. 2020. Disponível em: https://data.bloomberglp.com/professional/sites/24/BNEF-Hydrogen-Economy-Outlook-Key-Messages-30-Mar-2020.pdf. Acesso em: 06 ago. 2021.

[8] SCIENTIFIC AMERICAN BRASIL. Abastecendo com hidrogênio: O desafio de armazenar hidrogênio em veículos com célula a combustível numa quantidade que permita viagens longas. Disponível em: https://sciam.com.br/abastecendo-com-hidrogenio/. Acesso em: 06 ago. 2021.

[9] AMBROSIO, Renato Canha; TICIANELLI, Edson Antonio. Baterias de níquel-hidreto metálico, uma alternativa para as baterias de níquel-cádmio. Química Nova, v. 24, n. 2, p. 243-246, 2001. Disponível em: https://www.scielo.br/j/qn/a/NcSrLNz7h6fbmySd3Lfchzz/?format=pdf&lang=pt. Acesso em: 06 ago. 2021.

[10] CENTRO DE INFORMAÇÃO METAL MECÂNICA. UFSCar pesquisa novos materiais para armazenagem de hidrogênio. 2019. Disponível em: https://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/18272-ufscar-pesquisa-novos-materiais-para-armazenagem-de-hidrogenio. Acesso em: 06 ago. 2021.

[11] MATALUCCI, Sergio. PV Magazine, LNG and hydrogen – untangling a complex relationship. 2021. Disponível em: https://www.pv-magazine.com/2021/07/02/lng-and-hydrogen-untangling-a-complex-relationship/. Acesso em: 06 ago. 2021.

[12] SHIRYAEVSKAYA, Anna. Hydrogen’s future may follow path blazed by natural gas. 2020. Disponível em: https://www.japantimes.co.jp/news/2020/07/31/business/hydrogen-natural-gas/. Acesso em: 06 ago. 2021.

[13] BRASILIEN. Um transporte mais limpo e acessível: A transformação de hidrogênio em amônia e vice-versa. 2020. Disponível em: https://brasilien.rio.ahk.de/pt/news/news-details/um-transporte-mais-limpo-e-acessivel-a-transformacao-de-hidrogenio-em-amonia-e-vice-versa. Acesso em: 06 ago. 2021.

1 comentário em “Os desafios da armazenagem e transporte de hidrogênio em larga escala”

  1. Muito bom. Irretocável. Se eu tivesse que agregar alguma coisa, diria (com humildade) que não apenas os consumidores estão atentos, mas os eleitores estão de olho no comportamento das lideranças políticas com relação à velocidade de implementação das medidas de contenção das mudanças climáticas.

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