Para nós, engenheiros de eletrónica de potência, tal como na visão de Júlio Verne, a energia do hidrogénio é obtida através da eletrólise do hidrogénio e do oxigénio, seguida da utilização de uma célula de combustível para gerar eletricidade. Na realidade, a produção global de hidrogénio por electrólise representa menos de 4%, uma vez que mais de 94% é produzido a partir de recursos fósseis, principalmente carvão e gás, sendo que a produção insignificante de biomassa e outras fontes representa apenas 2%.
70% da produção mundial total de hidrogénio é extraída do gás natural, especificamente do metano. Esta extração é realizada através de um processo denominado "remodelação a vapor", que utiliza vapor a alta temperatura (700 °C - 1.000 °C) para produzir hidrogénio. Se o CO2 não for capturado, o processo de reforma a vapor é responsável por elevados níveis de emissões de gases com efeito de estufa. Estima-se que a produção global de hidrogénio liberte aproximadamente 830 milhões de toneladas de dióxido de carbono para a atmosfera.
É neste ponto que nos encontramos hoje, com o enigma "hidrogénio verde: mito ou realidade?" alimentando o debate. Mas as coisas estão a mudar, e estamos cada vez mais perto da visão de Júlio Verne.
As nuances do hidrogénio:
Para simplificar a compreensão dos diferentes métodos de produção e do seu impacto ambiental, a indústria utiliza um código de cores para o hidrogénio. Na prática, são comummente utilizadas quatro categorias principais: castanho, cinzento, azul e verde. Ocasionalmente surgem subcategorias; por exemplo, o hidrogénio produzido por electrolisadores alimentados por centrais nucleares é por vezes chamado de "rosa", mas esta distinção é mais anedótica do que oficial.
Hidrogénio castanho:
A cor castanha foi atribuída ao hidrogénio extraído do carvão através da gaseificação. Neste processo, o material à base de carvão é convertido numa mistura de monóxido de carbono, hidrogénio e dióxido de carbono. A gaseificação é realizada a temperaturas muito elevadas (>700 °C) sem combustão, utilizando uma quantidade controlada de oxigénio e/ou vapor. O monóxido de carbono reage então com a água para formar dióxido de carbono e mais hidrogénio através de uma reação de conversão gás-água. O gás resultante deste processo é designado por gás de síntese. O hidrogénio produzido por este método é conhecido por castanho (lignito) ou preto (betuminoso), dependendo do tipo de carvão utilizado. No entanto, este processo é altamente poluente, uma vez que tanto o CO₂ como o monóxido de carbono não podem ser reutilizados e são libertados para a atmosfera.
Hidrogénio cinzento:
Atualmente, o hidrogénio cinzento representa a maior parte da produção mundial. Mais de 70% do hidrogénio produzido atualmente no mundo é classificado como hidrogénio cinzento. O processo de produção mais comum utiliza a reforma a vapor do metano (SMR). Neste processo, o vapor de alta pressão reage com o metano, resultando em hidrogénio e no gás com efeito de estufa CO2. Este processo gera cerca de 9,3 kg de CO2 por kg de hidrogénio, o que é menos do que o hidrogénio castanho, embora ainda seja uma quantidade considerável quando libertado para a atmosfera.
Hidrogénio azul:
Quando o CO2 produzido pelos métodos acima descritos é capturado e armazenado no subsolo através da captura e armazenamento industrial de carbono (ICS), o processo de fabrico torna-se menos prejudicial para o ambiente, embora seja mais dispendioso e menos eficiente do que os métodos convencionais. O hidrogénio azul é considerado um passo importante na transição energética para o hidrogénio verde, e a grande maioria das novas unidades de produção são rigorosamente controladas em termos do seu impacto ambiental. No entanto, apesar das melhorias significativas em comparação com o hidrogénio castanho e cinzento, entre 10% e 20% do CO2 não pode ser capturado e é libertado.
Hidrogénio verde:
Globalmente, a produção de hidrogénio por eletrólise da água é muito pequena, inferior a 4%, mas é a técnica mais conhecida, aquela que alguns de nós talvez se lembrem das aulas de química da escola. Utilizando a eletricidade, o hidrogénio é produzido pela separação das moléculas de H₂O em hidrogénio e oxigénio. No caso do hidrogénio verde, a eletricidade é gerada a partir de fontes de energia renováveis (menos de 1%). Neste processo, os eletrolisadores são a "obra-prima" e são utilizados há décadas com uma eficiência média de 73% (comparada com os 65% para a reforma a vapor). Em relação ao fornecimento de energia, é evidente que a melhoria da sua eficiência é vital para a redução do consumo e dos custos de energia. Pesquisas intensivas em todo o mundo visam alcançar uma eficiência de conversão de 95%, meta que, de facto, não estamos longe de atingir.
O Hidrogénio na Europa: Situação Atual.
Todos estamos conscientes dos desafios climáticos e do Acordo de Paris, adotado a 12 de dezembro de 2015 por 196 Partes na COP21 em Paris. O acordo ratificado entrou em vigor a 4 de novembro de 2016. O Acordo de Paris abrange a visão de utilizar plenamente o desenvolvimento e a transferência de tecnologia tanto para aumentar a resiliência às alterações climáticas como para reduzir as emissões de gases com efeito de estufa.
Em resposta aos desafios relacionados com as alterações climáticas, a Comissão Europeia anunciou o chamado "Pacto Ecológico Europeu" em dezembro de 2019, com o objetivo de transformar a UE numa sociedade justa e próspera, com uma economia moderna, eficiente em termos de recursos e competitiva, que atinja emissões líquidas zero de gases com efeito de estufa até 2050 (Figura 01). O Pacto Ecológico Europeu é também uma tábua de salvação face à pandemia de COVID-19. Um terço do investimento de 1,8 biliões de euros do plano de recuperação "NextGenerationEU" e do orçamento de sete anos da UE financiará o "Pacto Ecológico Europeu".
Para atingir este objectivo, foram iniciadas várias actividades, entre as quais o desenvolvimento e a implementação de uma estratégia europeia para o hidrogénio. Esta estratégia, publicada em julho de 2020, define uma visão de como a UE pode tornar o hidrogénio limpo numa solução viável para a descarbonização de vários setores ao longo do tempo, instalando pelo menos 6 GW de eletrolisadores de hidrogénio renovável na UE até 2024 e 40 GW até 2030.
A coordenação abrangente entre as autoridades públicas, a indústria, a sociedade civil e a comunidade científica é crucial para apoiar esta estratégia. Foram formadas várias parcerias para facilitar sinergias e a implementação das estratégias.
A Aliança Europeia para o Hidrogénio Limpo:
No âmbito da Nova Estratégia Industrial para a Europa, a Aliança Europeia para o Hidrogénio Limpo (ECH2A) foi lançada em julho de 2020 no âmbito da estratégia do hidrogénio para uma Europa neutra em termos climáticos. A Aliança Europeia para o Hidrogénio Limpo
tem como objectivo desenvolver e implementar o hidrogénio como um vector energético viável e competitivo na Europa. A Aliança apoia a implementação da estratégia do hidrogénio para uma Europa neutra em termos climáticos, trabalhando para desenvolver uma cadeia de valor do hidrogénio completa e acessível em toda a UE. Isto será conseguido, entre outras coisas, através de uma agenda de investimento e de um conjunto de projetos, bem como pela mobilização de recursos e ações para instalar eletrolisadores de hidrogénio renovável, de forma a atingir as metas de 6 GW e 40 GW mencionadas anteriormente.
Em abril de 2021, a Comissão Europeia enviou um convite aos mais de 1.000 membros da Aliança Europeia para o Hidrogénio Limpo, convidando-os a apresentar projetos para tecnologias e soluções de hidrogénio renovável e de baixo carbono. O segundo Fórum Europeu do Hidrogénio foi realizado em junho de 2021, registando um número impressionante de 1.052 projetos, dos quais 997 cumpriram os critérios de elegibilidade. Este número reflecte o forte empenho da indústria europeia em acelerar o desenvolvimento do hidrogénio na Europa.
A Parceria Europeia para as Células de Combustível e Hidrogénio.
Reconhecendo a importância do desenvolvimento de electrolisadores eficientes, a Comissão Europeia facilitou a criação da Plataforma Europeia de Tecnologia de Hidrogénio e Células de Combustível em 2003. O seu objectivo era ligar a investigação pública e privada e criar iniciativas para acelerar o desenvolvimento de tecnologias eficientes de células de combustível e hidrogénio. Com base
nesta iniciativa, em Maio de 2008, o Conselho da União Europeia estabeleceu a Parceria Europeia para as Células de Combustível e Hidrogénio (Parceria Europeia FCH) para contribuir para a implementação do Sétimo Programa-Quadro e, em particular, para os temas programáticos específicos de "Cooperação" para a "Energia", "Nanociência, Nanotecnologias, Materiais e Novas Tecnologias de Produção", "Ambiente (incluindo Alterações Climáticas)" e "Transportes (incluindo Aeronáutica)".
Entre os projetos e iniciativas, destaca-se um estudo particularmente interessante encomendado pelas parcerias Clean Sky 2 e Fuel Cells & Hydrogen 2, com foco no potencial de utilização do hidrogénio na aviação. A utilização do hidrogénio na aeronáutica exigirá uma inovação técnica significativa e novas infra-estruturas, mas é considerada um grande passo em frente na redução das emissões de CO2 do sector da aviação. A fabricante de aeronaves Airbus participou no estudo, sendo de salientar a ambição da empresa em desenvolver a primeira aeronave comercial com emissões zero do mundo até 2035 (Figura 02).
De pequena a grande escala, o hidrogénio está a ganhar espaço.
Passo a passo, de forma constante e segura, o hidrogénio verde está a tornar-se uma realidade, e o número de eletrolisadores instalados está a aumentar rapidamente. Obviamente, seria difícil enumerar todos os projetos, mas vale a pena mencionar alguns para ilustrar a situação atual.
Suécia - Mariestad ElectriVillage.
Localizada no sul da Suécia, nas margens do Lago Vänern, a municipalidade de Mariestad desenvolveu um conceito para criar um ecossistema energético sustentável baseado em energias renováveis e hidrogénio. O projeto original incluía uma grande rede de painéis solares para alimentar eletrolisadores que gerariam hidrogénio para um posto de abastecimento autossuficiente para automóveis e veículos utilitários. Explorando a vasta gama de possibilidades oferecidas por esta tecnologia, o posto poderia também utilizar o hidrogénio armazenado para alimentar uma célula de combustível e gerar eletricidade. O oxigénio resultante do processo de eletrólise nos eletrolisadores é capturado e armazenado para aplicações médicas, industriais ou agrícolas. Este posto auto-suficiente é um bom exemplo do que poderia ser implementado em maior escala e até para gerar hidrogénio para outros veículos, como os comboios urbanos (ilustração 03).
Alemanha - Wesseling: O maior eletrolisador PEM da UE.
Sob a égide do consórcio europeu REFHYNE e com financiamento da UE através da Parceria Conjunta de Células de Combustível e Hidrogénio (FCH Joint Undertaking), os maiores eletrolisadores de água com membrana de eletrólito polimérico (PEM) da Europa começaram a operar no Parque Energético e Químico da Shell, na Renânia, perto de Colónia. Os eletrolisadores da Renânia utilizarão eletricidade renovável para produzir até 1.300 toneladas de hidrogénio verde por ano, existindo planos para expandir a capacidade dos eletrolisadores de 10 para 100 megawatts (Figura 4).
Estes dois exemplos reflectem a dimensão das iniciativas de hidrogénio na Europa e, sobretudo, considerando o grande número de projectos, posicionam a Europa como protagonista na transição energética e na descarbonização da indústria.
Em conclusão,
após décadas de interesse pelo hidrogénio, entrámos finalmente numa nova era. A Europa iniciou o seu compromisso com o hidrogénio há mais de 20 anos, e o Pacto Ecológico Europeu impulsionou a investigação, a cooperação e a implementação. Não há dúvida de que a Europa fez grandes progressos para atingir a meta de 2050, e outros países também estão a acelerar as suas estratégias para o hidrogénio. Nos Estados Unidos, sob a liderança de Joe Biden, está em curso uma actividade significativa. Conforme anunciado pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), uma verba de 52,5 milhões de dólares irá financiar 31 projetos para o avanço das tecnologias de hidrogénio limpo de próxima geração e apoiará a iniciativa Hydrogen Energy Earthshot, recentemente anunciada pelo DOE, para reduzir os custos e acelerar o progresso no setor do hidrogénio limpo. Estes são claros indícios de que o hidrogénio é uma peça-chave na estratégia de transição energética dos Estados Unidos.
O hidrogénio deixou de ser um mito ou a visão de Júlio Verne: "Um dia a água será utilizada como combustível, o hidrogénio e o oxigénio que a constituem, utilizados sozinhos ou em conjunto, fornecerão uma fonte inesgotável de calor e luz, de uma intensidade que o carvão não é capaz de atingir" e isso tornar-se-á realidade.
Referências:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/
Pacto Ecológico Europeu:
https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en
Hidrogénio na UE:
https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-system-integration/hydrogen_en
Aliança Europeia para o Hidrogénio Limpo
https://www.ech2a.eu/
Iniciativa Conjunta da UE para as Células de Combustível e Hidrogénio
https://www.fch.europa.eu/
Mariestad ElectriVillage (vídeo YouTube)
https://youtu.be/ryfOEIqQTco?list=PLT-QkyUkOkuuT_PZU-QBx40juY6jmWva1
AIRBUS ZEROe
https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen/zeroe.html
Alemanha – Central de eletrolisador PEM REFHYNE em Wesseling
https://www.shell.com/energy-and-innovation/new-energies/hydrogen.html
Sobre a Powerbox:
Fundada em 1974, com sede na Suécia e operação em 15 países de quatro continentes, a Powerbox serve clientes em todo o mundo. A empresa concentra-se em quatro grandes mercados — industrial, médico, transportes/ferroviário e defesa — para os quais concebe e comercializa sistemas de conversão de energia premium para aplicações exigentes. A missão da Powerbox é alavancar a sua expertise para aumentar a competitividade dos seus clientes, atendendo a todas as suas necessidades energéticas. Todos os aspetos do negócio da empresa estão focados neste objetivo, desde o design dos componentes avançados que compõem os seus produtos até ao fornecimento de elevados níveis de serviço ao cliente. A Powerbox é reconhecida pelas suas inovações técnicas que reduzem o consumo de energia e pela sua capacidade de gerir todo o ciclo de vida do produto, minimizando o impacto ambiental. A Powerbox é uma empresa do Grupo Cosel.
Sobre o autor:
Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicação da Powerbox, é um engenheiro altamente experiente e qualificado, com 35 anos de percurso de sucesso na eletrónica de potência. Foi pioneiro na comercialização de novas tecnologias, como a energia digital, e em iniciativas técnicas para reduzir o consumo de energia. Le Fèvre é autor e apresentador de numerosos artigos e documentos técnicos nas principais conferências internacionais de electrónica de potência. Estes trabalhos foram publicados mais de 350 vezes em órgãos de comunicação social de todo o mundo. Participa também em diversos fóruns ambientais, partilhando a sua experiência e conhecimento em energia limpa.
Patrick Le Fèvre,
Diretor de Marketing e Comunicação da Powerbox
