Hidrogênio Sustentável

Confira alguns exemplos de uso de H₂ de baixo carbono na produção de amônia a partir da substituição parcial do H₂ fóssil por H₂ verde:
 

(a) O maior projeto de produção de NH₃ verde utilizando eletrolisadores é o Helios Green Fuels, em Neom (Arábia Saudita). O projeto de USD 5 bilhões prevê a implantação de 4GW de energia solar e eólica para produzir 650 t H₂/dia, a serem convertidos em 1,2 Mt NH₃ por ano, a partir de 2026. A Air Products é o offtaker exclusivo e utilizará sua oferta para atender o mercado global.
 

(b) A usina de hidrogênio verde de Puertollano (Ciudad Real, Espanha) foi comissionada em maio de 2022. O projeto opera com 100 MW instalados de energia solar fotovoltaica, cuja eletricidade é transmitida por uma linha exclusiva, e contando com baterias íon-lítio (20 MWh de capacidade, 5 MW de potência). Em torno de 3(a) mil ton H₂ verde por ano são produzidos por eletrólise tipo PEM, podendo ser armazenados 6 t de H₂ em tanques de aço especial, sob pressão de 60bar. O H₂ é destinado à produção de fertilizantes nitrogenadas, sendo reduzida em 10% a necessidade de gás natural da fábrica.
 

(c) No Brasil, a Unigel implantará uma planta de produção de H₂ voltado para NH₃ verde, no polo petroquímico de Camaçari. A fase 1 consiste no uso de três eletrolisadores da thyssenkrupp (20 MW cada, tecnologia alcalina) para obtenção de H₂ e uma unidade de separação de ar para separação do N­2. Espera-se um consumo de 60 MW de eletricidade para produção de 10 mil t H₂ por ano, sendo convertidos em 60 mil t NH­3 por ano. Ao passo que se espera a conclusão da fase 1 em 2023, planeja-se uma fase 2 que quadruplica a operação, a ser implementada até 2025. O projeto consistirá na primeira produção de H₂ verde em escala industrial no Brasil. A NH₃ pode atender diretamente a produção fertilizantes e acrílicos, contudo o pólo na Bahia possui outros setores capazes de absorver a oferta.

Confira alguns exemplos de uso de H₂ de baixo carbono na produção de amônia a partir da mitigação da emissão de CO₂ por meio de técnicas de captura, utilização e armazenagem de carbono (CCUS):
 

(a) O uso de H₂ azul pode ser exemplificado na região de Alberta (Canadá), que compreende uma refinaria e uma fábrica de fertilizante nitrogenados. A separação do CO₂ das operações é realizada e transportada por gasodutos com comprimentos de 240 km e 16 polegadas, a fim de se utilizar o gás rico em CO₂ para atividades EOR e estocagem permanente. No caso da fábrica de fertilizantes, vale destacar que o CO₂ é um insumo junto à NH₃ para se produzir ureia, um fertilizante nitrogenado granular. Assim, a corrente remanescente de CO₂ pode ser descarbonizada por meio do sistema de CCUS, Alberta Carbon Trunk Line (ACTL). O ACTL capta atualmente 1,6 Mt CO₂ por dia da refinaria e da fábrica de fertilizantes, conteúdo a capacidade máxima é de 14,6 Mt CO₂ por dia para ser aproveitada por outros clientes. Dessa maneira, o caso mostra que o mercado de H₂ azul está intrinsicamente ligado à capacidade de se escalar e atender clientes interessados em descarbonizar ou ter uso prático ao CO₂.
 

(b) No âmbito do projeto Northern Lights, uma fábrica de amônia e fertilizantes nos Países Baixos utilizará H₂ azul, capturando o CO₂ das operações para ser estocado na costa da Noruega, sob uma lâmina d’água de 2.600 km. O acerto sobre os principais termos comerciais já foi realizado entre a Yara e o Northern Lights foi estabelecido no 2º semestre de 2022. O CO₂ originado da planta já tem uso em estufas, produção de bebidas, ureia e aditivos de diesel. Essa cadeia horizontal, já estabelecida pela fábrica, veio contribuindo com redução de 3,4 milhões t CO₂ por ano desde 1990. A partir de 2025, a participação permitirá que a planta capture e escoe de 800.000 t CO₂ por ano para o projeto CCUS.

(a) Em 2020, a Aramco embarcou uma carga tímida de 40 t de amônia azul da Aramco para o Japão, em setembro de 2020. O teste de transporte estava alinhado com projetos de geração termelétricas em turbinas à hidrogênio e bicombustíveis, a serem desenvolvidos no Japão.
 

(b) A conversão de amônia em H2 vem sendo pesquisada na Europa, tanto no desenvolvimento e melhoria tecnológica (em custo e eficiência) do cracking quanto na implementação de plantas de demonstração. Estima-se uma adição de custo de USD 0,8-1,5/ kg H2, para um sistema de pequena escala. Iniciativas tecnológicas reportam a eficiência de 78% no processo de cracking, garantindo-se purezas de hidrogênio em 99,96%.
 

(c) No porto de Rotterdam (Países Baixos), pretende-se expandir a capacidade de 400 mil para 1,2 milhões de toneladas de NH3 por ano em 2023.

Conheça algumas aplicações emergentes do metanol:
 

(a) Dentre as aplicações emergentes, destaca-se o uso do metanol como combustível marítimo, de forma semelhante à amônia. Embora a amônia seja vista como uma solução mais interessante no curto prazo, o uso do metanol pode ainda ser relevante, uma vez que: ele é menos volátil e tóxico que a amônia; a maturidade tecnológica para seu transporte e manejo é superior; a densidade energética, por ser um líquido, é apropriada para aplicações auto propelidas. As desvantagens são: maior dispêndio energético e maior custo para produção descarbonizada do metanol, em relação à amônia. O alto custo deve-se à necessidades de se obter CO₂ de forma sustentável, seja diretamente do ar atmosférico, em que há baixíssimas concentrações do gás, seja a partir de biomassa.
 

(b) Outra aplicação emergente do metanol é na produção de combustíveis sintéticos ou eletrocombustíveis, combustíveis cujos insumos energéticos provêm de geração elétrica renovável. Essa classe de combustíveis é produzida por meio da conversão de metanol em moléculas de cadeias maiores, mas sendo ainda necessária a realização de seu fracionamento e hidrotratamento, de maneira similar ao processamento dos conteúdos de hidrocarbonetos em correntes de petróleo. Uma vantagem de se produzir gasolina sintética ou querosene de aviação sintética (QAV), ou mesmo apostar em um processo produtivo semelhante ao implementando na cadeia do petróleo, é justamente a disponibilização de produtos consolidados no mercado, a partir de tecnologias amadurecidas, como no caso de motores à combustão. Segundo o projeto de referência Haru Oni, a produção de 2,1 toneladas de metanol permite a obtenção de 0,7 toneladas de combustível sintético.

Confira exemplos de oportunidades de descarbonização em andamento na indústria, utilizando o hidrogênio para produzir metanol de baixa pegada de carbono:
 

(a) No Chile, o projeto Haru Oni tem a finalidade de produzir gasolina sintética e já abasteceu um primeiro tanque de carro, no final de 2022. O metanol é produzido através do CO₂ capturado por direct air capture (DAC), e de H₂ produzido por eletrólise tipo PEM, alimentada por geração eólica com 3,4 Megawatts (MW) de potência instalada. A capacidade da planta corresponde a 750 mil litros de metanol por ano, e espera-se o uso de 84% dessa vazão para a produção dedicada de 130 mil litros de gasolina sintética por ano. Vale destacar que uma linha de transmissão de 8,8 km conecta a planta ao Sistema Elétrico de Magalhães, com o objetivo de se ter um backup emergencial para a operação. A gasolina tem como destino o porto de Marones, situado a 35 km do projeto.
 

(b) Na Alemanha, o projeto Carbon2Chem visa produzir H₂ por eletrólise da água e utilizar gases oriundos de uma fábrica de aço, em Duisburg, para produzir metanol, além de amônia. Esse projeto é uma integração entre a indústria do aço e a produção de metanol, o que consiste em uma oportunidade de descarbonizar produtos peculiares. Com a reciclagem de rejeitos de processos, não é necessário recorrer a fontes frescas de carbono biogênico ou CO₂ capturado diretamente do ar atmosférico, como sugerem as soluções típicas para produção de metanol sintético.

Historicamente, o setor promove a integração energética e de resíduos nas etapas da cadeia. Exemplo de integração energética é o reaproveitamento do calor e conteúdo do gás de coqueria, alto-fornos e aciaria. Desde 1960, a intensidade energética de plantas siderúrgicas foi reduzida em até 60%.
 

Um caso de integração de resíduos é a reutilização de escórias, impurezas removidas pela aplicação de calcário de alto-fornos, fornos elétricos e conversores. Para cada 1 tonelada de aço, são formados 400 kg de escória na rota BF (225 kg) - BOF (125 kg), por exemplo.
 

Elas podem atender a outros mercados, contribuindo para redução de emissões de outros setores. Na indústria de cimento, por exemplo, estima-se que a integração da escória e outros substitutos reduzem entre 40% e 50% o uso de clínquer, principal componente do cimento, na produção do material.

Estima-se um limite de uso de 30% de sucata em alto-forno, junto ao ferro fundido, ao passo que a rota de forno elétrico é capaz de admitir 100% de carga baseada em sucata. A reciclagem de 1 tonelada de sucata pode economizar o processamento de 1400 kg de minério de ferro, 740 kg de carvão e 120 kg de calcário. Em termos de emissões, 1 tonelada de aço reciclado evita a emissão de 1,5 ton CO₂.
 

A reciclagem contribui para reduzir a demanda energética e diminuir o uso de matéria-prima fresca, por já se tratar de um ferro processado. No entrando, pode conter metais indesejados, dependendo da liga constituinte, o que pode proporcionar acumulação de cobre no aço, por exemplo. Sua disponibilidade é limitada ao tempo de vida dos produtos com aço, que podem ter ciclo de vida da ordem de décadas.

Nos alto-fornos, a técnica de PCI (pulverized coal injection) é capaz de economizar 1 ton de carvão de coque para cada 1 ton de carvão pulverizado, tratando-se de um aprimoramento técnico no uso de carvão fóssil.
 

Por parte do uso de biomassa, o Brasil é líder mundial no uso de carvão vegetal (pirólise de florestas plantadas, como o eucalipto) no setor do aço: 11% da produção nacional de aço envolve carvão vegetal, consistindo de 513 mil hectares plantados. A usina Timóteo (MG, Brasil) utiliza 100% de carvão vegetal de eucalipto na produção de seu aço pela rota do alto-forno. A aplicação de PCI com fontes biológicas de carbono pode reduzir ainda em 20% as emissões em relação ao uso de uma fonte fóssil.
 

O uso de carvão vegetal ou resíduos tratados de biomassa são formas mais imediatistas de descarbonizar o processo por alto-forno, contudo deve-se considerar as mudanças na termodinâmica, fenômenos de transporte e seus efeitos sobre o dimensionamento e adequação do reator. A biomassa também tende a deter maior alcalinidade e impurezas na composição química da fonte orgânica de carbono. Além disso, a área necessária para plantio e impeditivos logísticos podem ser fatores limitantes da incorporação de carvão vegetal e semelhantes na produção de aço.

(a) O projeto Hybrit (Lulea, Suécia) é um exemplo de planta de demonstração greenfield que produzirá aço, utilizando eletricidade renovável para produzir H₂ verde. Além do foco do H₂, ressalta-se que atualmente se utiliza bio-óleo no tratamento térmico e pelotização do minério de ferro, pretende-se mitigar a intermitência da geração elétrica através do armazenamento de hidrogênio em cavernas. Ressalta-se que o teor de carbono no aço pode ser ajustado através de fontes de biomassa na etapa do EAF. O setor automotivo deve absorver as primeiras bateladas de aço derivados deste projeto.
 

(b) O H₂GS (Boden, Suécia) possui também a proposta de fazer aço de H₂ verde. Destaca-se que o carbono deve entrar no EAF, pois ele contribui para redução do consumo de eletricidade devido a propriedades da camada de escória que se forma. O uso do material fundido nas etapas seguintes de conformação mecânica é fundamental para se economizar energia no processo. O acabamento do processo é realizado por processos eletrificados.
 

(c) O projeto SALCOS (Alemanha) possui proposta similar em utilizar H₂ verde; contudo considera o uso de gás natural como agente redutor antes da progressiva substituição por H₂ verde, para fins de redução da intensidade de carbono no produto mediante atributos de flexibilidade técnica e operacional. Outro projeto em Hamburg destaca que a rota do DRI com H₂ cinza, usando gás natural e pressure swing adsorption (PSA) para concentrar o H₂ do gás natural reformado, é uma transição fundamental para se avaliar as particularidades de se reduzir minério com maiores teores de hidrogênio como agente redutor.

Para que o hidrogênio possa entrar na lista de agentes complementar, é preciso avançar nas pesquisas para responder às seguintes questões:
 

• A redução de aço com hidrogênio é endotérmica (com absorção de calor), enquanto sua redução com fontes de carbono é exotérmica (com liberação de calor. Logo, a introdução de hidrogênio no processo implica um maior consumo energético, o que deve ser contornado de forma eficiente.
   
• Há a competição cinética entre a reação do hidrogênio com óxido de ferro e outras reações químicas, além dos efeitos proporcionados pelos fenômenos de interface e de transporte de massa que ocorrem no alto-forno.
   
• O coque do carvão contribui para formação de uma coluna permeável e apropriada para fluxo de gases, escória e ferro-gusa. A redução do uso de coque em prol da adição de hidrogênio ou gás de coque afeta essa estrutura interna do alto-forno.

(a) Em 2021, em Duisburg (Alemanha), houve um teste bem-sucedido de injeção de H2 em 1 dos 28 tuyères (bico de injeção) de um alto-forno. O H2 foi provido através de caminhões. No final de 2022, foi concluída a construção de um duto para transporte de hidrogênio derivado de eletrólise. Esse caso é um exemplo de descarbonização de curto prazo viável ao setor, enquanto que em paralelo é construída uma planta para produção de 2,5 milhões toneladas de aço pela rota DRI, junto a unidades de fusão com eletricidade de fontes renováveis à jusante para obter o metal quente, prevista para 2026.
 

(b) Neste mesmo projeto do âmbito do programa tkH2steel, uma oportunidade de descarbonização da rota do alto-forno decorre pelo projeto Carbon2Chem. Os gases do alto-forno, da coqueria e do conversor de oxigênio (BOF). Essas correntes de gás quente, além de poderem ser utilizadas para recuperação de energia térmica e geração elétrica, possuem uma composição química rica em CO2, CO e H2, sendo favorável à produção de amônia e metanol. Esse exemplo não se trata diretamente de um uso de H2 verde ou azul, mas serve como proposta de promoção de projetos de transição que descarbonizem a rota dos alto-fornos existente ou sob planos de readequação. Ou ainda, demonstram um potencial de integração com a cadeia do H2 azul e de práticas CCUS.
 

(c) Projetos envolvendo a captura de gás de alto-fornos para e sua mitigação de suas emissões através CCUS podem ser citados, como o projeto Athos (Países Baixos) e Course 50 (Japão). Em especial, os projetos Longship com o Northern Lights, previstos para 2024, visam capturar emissões de CO2 de diversos agentes na Europa (incluindo produção de aço de alto-forno), sendo prevista uma capacidade de captura de 1,5 milhões ton CO2 por ano. O CO2 será liquefeito na costa, transportado por navios, armazenado temporariamente em uma estação terrestre na Noruega, e então será estocado permanentemente em aquíferos salinos à 2600 km de profundida no offshore.
 

(d) Oportunidades de CCUS acopladas ao aço do processo DRI podem ser exemplificadas pelo projeto Al-Reyadah (Emirados Árabes), que já opera em escala comercial com uma capacidade de 800.000 ton CO2 por ano . O projeto consiste na primeira fábrica de aço, onde o CO2 é capturado do gás efluente da redução do aço, através de absorção por aminas, sendo transportado por gasoduto (43 km, 230 bar) e injetado em campos terrestres maduros. O projeto alia a injeção de CO2 com a recuperação avançada de petróleo (enhanced oil recovery – EOR) em campos maduros. Embora o H2 azul não é diretamente utilizando no momento, pois o foco da captura está em gases efluentes, a empresa pretende integra o conceito com empreendimentos envolvendo o hidrogênio.

Conheça aplicações de engenharia que precisam de materiais especiais, em que o vidro pode ser usado:
 

(a) Um painel solar fotovoltaico tem em média 60% de vidro em seu peso.
 

(b) Fibras de vidro são um material essencial em componentes de turbinas eólicas.
 

(c) De maneira indireta, o uso de materiais de vidro adequados em edificações também é uma medida de eficiência energética, pois promove o isolamento térmico e exposição à luminosidade adequados, evitando-se, por exemplo, gastos com refrigeração ou iluminação.

(a) Em Mainz, Alemanha, a empresa Schott testa em larga em escala o uso de até 35% de H₂ junto a gás natural em fornos de fusão de vidro. A iniciativa foi anunciada no início de 2022, sob uma parceria com diferentes instâncias do governo alemão e área de P&D da empresa. Os testes passaram a ser noticiados em dezembro de 2022.
 

(b) Em St. Helens (Reino Unido), o grupo Nippon Sheet Glass (NSG) realizou testes em fornos de fusão com H₂, 20% misturado com gás natural, ou mesmo puro, para produção de vidro arquitetônico. Houve sucesso nas especificações técnicas do vidro obtido, mas com dificuldades técnicas por parte da chama gerada pela combustão de H₂ puro. A empresa destacou que outros testes, com 100% de biocombustíveis, com uma pegada 80% inferior ao gás natural, foram também bem-sucedidos. Esta alternativa parece mais propensa no curto prazo, pelo menos, enquanto o mercado de hidrogênio ainda cresce em escala. De qualquer modo, o uso de biocombustíveis ainda apresenta desvantagens, como competitividade econômica, problemas de disponibilidade e heterogeneidade em sua qualidade.

(a) O projeto GreenH₂ker visa substituir o gás natural em até 50% por H₂ verde em um forno de cerâmica, em Vila-real (Espanha), além de introduzir uma bomba de calor para aproveitar com mais eficiência os calores residuais de processos da fábrica. O H₂ será produzido internamente na planta, por meio de eletrolisadores e de energia solar fotovoltaica. Uma fábrica em Castellarano (Itália) possui uma proposta similar, de se instalar 2,5 megawatts (MW) de energia solar nos telhados, junto a um sistema de estocagem, para utilizar H₂ sustentável como combustível. Pesquisas devem ser ainda conduzidas, visando à autossuficiência energética com o H₂.
 

(b) Em Castellón, na Espanha, concentra-se 95% da indústria cerâmica do país. O projeto ORANGE.BAT visa implantar uma escala de 100 MW de eletrolisadores alcalinos, atendendo a 26 indústrias dentro do cluster de produtores cerâmicos. O H₂ sustentável vai substituir o gás natural como combustível, e sua entrega poderá ser realizada por gasodutos dedicados ao H₂; por cilindros com H₂ comprimido e armazenado sob alta pressão transportados em cilindros, e pela possibilidade de injeção de H₂ na rede de gás. A entrada em operação da fase 1 é esperada para 2025, com planos de uma fase 2, para expansão da capacidade para 800 MW.
 

(c) No Brasil, já houve iniciativas da Anfacer, em 2022, de visitas a empresas na Espanha e Dinamarca para buscar experiência de incorporação de energia solar fotovoltaica e produção de H₂ como alternativa de substituição do gás natural.

Em um panorama geral, o Brasil possui uma tendência de redução da intensidade de carbono específica do cimento. Entre 1990 e 2014, o consumo térmico específico do cimento reduziu 17%; o uso de combustíveis alternativos passou de 5% para 19%, e a participação de substitutos ao clínquer aumentaram de 20% para 33%. O resultado foi a redução do fator de emissão de 700 kg de CO₂ por tonelada de cimento para 564 kg de CO₂ por tonelada de cimento. Estima-se que o parque industrial brasileiro consome em média 3,5 gigajoules (GJ) térmicos por tonelada de clínquer e 113 quilowatts-hora (kWh) elétricos por tonelada de cimento.

Um resíduo que tem sido usado de maneira emergente são pás de usinas eólicas, constituídas significativamente de fibras de vidro. É possível recuperar 90% do peso de uma pá, dos quais, 28% são usados para prover energia térmica e 65% são acrescentados ao cimento para conferir características específicas. Considerando que usinas eólicas têm uma vida útil pequena dentre as renováveis (20 anos), a integração entre os setores, se bem-sucedida, pode contribuir para a redução de encargos ambientais e de emissões de CO₂.
 

Além disso, são adotadas medidas de eficiência energética, como melhoramento no consumo térmico e elétrico de equipamentos; integração energética, com recuperação térmica ou geração elétrica a partir de gases efluentes quentes; além de adoção de práticas de captura, utilização e armazenagem (CCUS) do gases de exaustão ricos em CO₂ dos fornos das cimenteiras.

(a) O projeto Hanson (Clitheroe, Reino Unido) realizou testes, em 2019, sobre o uso de H₂ em fornos de cimenteiras. Foi reportado o comprometimento da formação de clínquer no forno de cimento, devido a diferenças técnicas verificadas na chama proporcionada pela combustão do H₂. Teoricamente, o problema pode ser contornado utilizando-se uma combinação de 70% biomassa, 20% H₂ e 10% de energia de plasma, no intuito de zerar as emissões oriundas de combustíveis fósseis.
 

(b) Na França, em Montalieu-Vercieu, o projeto Hynovi pretende capturar 40% das emissões de CO₂ da fabricação de cimento, realizada por oxicombustão (uso preferencial de oxigênio como comburente, em vez de ar atmosférico), e produzir 200 mil toneladas de metanol por ano, utilizando 57 mil toneladas de H₂ verde por ano, produzido de uma capacidade instalada de eletrólise de 330 MW. Projeta-se a implementação do projeto para 2025.
 

(c) Em Mannesdorf, Áustria, o projeto C2PAT (Carbon to Product Austria) visa capturar em torno de 700 mil toneladas de CO₂ por ano, produzidos da fabricação de cimento, e utilizar 2 mil toneladas de H₂ verde por ano para produção de combustíveis sintéticos, plásticos e outros derivados químicos. O projeto ainda se encontra em prova de conceito, previsto para 2030. É um exemplo de utilização do H₂ como matéria-prima para se gerar valor sobre as emissões de CO₂, ao entregar produtos que deslocam impactos primários, caso fossem produzidos por rotas convencionais.