O hidrogênio será um grande ativo na economia de carbono zero que o mundo precisa. Mas precisamos entender o que ele faz e como será usado.

O hidrogênio “verde” pode ser produzido a partir da água por eletrólise usando eletricidade renovável. Ele pode então ser armazenado - em tanques ou compostos químicos. Pode ser transportado através de dutos, ou então ser liquefeito e transportado por estrada e pelo mar em caminhões e caminhões-tanque.

Quando é preciso obter energia, o hidrogênio pode ser queimado, ou por reação em células de combustível, para fornecer eletricidade. O único subproduto é a água do início.

Efetivamente, o hidrogênio é uma maneira de armazenar energia renovável. Quando você o usa, recebe de volta a eletricidade que colocou – mas, é claro, perde um pouco de energia no processo.

A eletrólise tem 80% de eficiência, mas oxidar o hidrogênio em uma célula de combustível pode devolver somente menos de 46% da energia usada na eletrólise.

Se você está apenas colocando energia e retirando-a depois, com uma viagem de ida e volta bastante ineficiente, por que se preocupar com o hidrogênio? Por duas razões.

Em primeiro lugar, a maior parte das energias renováveis é intermitente. O sol não brilha à noite e o vento não sopra o tempo todo. Se a demanda de eletricidade for baixa, uma fazenda solar terá que ser desligada, mesmo que o sol esteja brilhando.

Nos mercados desenvolvidos, mais de 1,5% da possível produção de fontes renováveis é “restringida” dessa forma. A menos que exista uma maneira de armazenar essa energia, a quantidade restringida aumentará à medida que mais fontes renováveis entrarem em operação e explodirá quando substituírem as fontes fósseis.

A Califórnia tem muitas instalações solares e eólicas e, em 2020, restringiu por volta de 5% de sua produção de energia renovável, totalizando 1,5 milhão de MWh. Para contextualizar, isso equivale a cerca de 170MW de potência.

Então precisamos de armazenamento. E se vamos armazenar energia, então o hidrogênio tem algumas vantagens importantes sobre as baterias.

O hidrogênio tem uma densidade de energia de cerca de 33 kWh por kg, que é mais de cem vezes a das baterias de íons-lítio (que têm a capacidade de 0,26 kWh/kg). Também é três vezes maior do que a gasolina e o gás natural.

É esperado que a eficiência aumente à medida que os processos evoluam, com alguns diretores afirmando que a eficiência em sua região se aproxima de 90%.

Esse é o motivo de o hidrogênio ser frequentemente considerado um substituto para várias aplicações de hidrocarbonetos, incluindo o transporte.

Primeiros usos

Por ser de fácil transporte e ter alta densidade energética, o hidrogênio será utilizado primeiro no transporte, em veículos grandes demais para serem alimentados por baterias.

Um caminhão pode ter uma carga útil de 50.000 kg, e carregar 20.000 kg de bateria reduziria substancialmente a capacidade. E o tempo para carregar a bateria a tornaria menos eficaz como parte de uma rede logística.

“A bateria leva um dia e meio para ser recarregada”, diz Mark Monroe, da Energetic Consulting. “Em vez disso, você pode simplesmente adicionar alguns tanques de combustível de hidrogênio de alta pressão, colocar caminhão de hidrogênio para andar nessa mesma rota e transportar mais carga útil, em vez de carregar baterias”.

As empresas de hidrogênio já estão fornecendo sistemas para essa aplicação. A especialista em hidrogênio Plug Power construiu uma instalação de hidrogênio verde para caminhões comerciais no sul da Califórnia, que usa dois eletrolisadores de 5 MW para fornecer duas toneladas de hidrogênio por dia, que podem servir de combustível para caminhões.

Monroe anteriormente estava na Microsoft, trabalhando em aplicações de hidrogênio para fonte de energia de data centers, mas admite que os veículos serão os primeiros a usar hidrogênio: “O transporte será muito, muito maior do que a pegada de carbono do uso de data centers durante muito, muito tempo", diz Monroe.

Mesmo para veículos menores movidos a bateria, o hidrogênio pode ser importante: “Um dos usos mais importantes para o hidrogênio pode ser em estações de carregamento rápido de veículos elétricos”.

Estações de carregamento rápido em áreas remotas precisam armazenar energia para carregar rapidamente os veículos. Empresas como a General Motors e a Plug Power desenvolveram unidades de armazenamento de energia do tamanho de contêineres, que contêm células de combustível de hidrogênio.

O sistema da Plug tem um tanque de hidrogênio líquido de 18.000 galões e um sistema de célula de combustível em escala de megawatt que pode fornecer mais de 60 megawatts-hora (MWh) de energia rapidamente – o suficiente para carregar em pouco tempo mais de 600 veículos elétricos.

“Eles podem obter a energia DC (corrente contínua) necessária, podem obter alta tensão, podem obter as correntes altas de que precisam – sem conexão com a rede", diz Monroe.

“Colocar um posto de recarga rápida em uma loja de conveniência ou em uma parada de caminhão fica muito mais fácil. Basta deixar um contêiner no estacionamento e os carros podem carregar 80% em 15 ou 20 minutos e pagar na loja. E uma vez por semana ou a cada poucos dias, um caminhão-tanque de hidrogênio passa e reabastece o contêiner”.

Para uma minoria de veículos a hidrogênio, o mesmo sistema poderia ter uma torneira para levar hidrogênio diretamente: “Pode ser também uma maneira de começar a expandir a frota de veículos a hidrogênio. Os carregadores de veículos elétricos virão primeiro e serão depois substituídos pelos veículos a hidrogênio onde forem necessários, para quem faz longas viagens.

Além do transporte, ele acredita que a energia de hidrogênio em data centers acabará se expandindo rapidamente: "Assim que os produtos estiverem disponíveis e assim que o hidrogênio estiver disponível. As pessoas estão se esforçando para tentar fazer com que as coisas funcionem”.

Vários gerentes de data centers estão analisando o hidrogênio seriamente, ainda que substituir o diesel não seja muito simples.

O armazenamento de gás ocupa muito mais espaço do que os tanques de diesel líquido – e o hidrogênio pode ser um gás complicado de lidar. É o menor átomo do universo e as moléculas de H2 são minúsculas. Isso significa que tubulações e tanques devem ser muito específicos para evitar vazamentos.

E a distribuição de gás hidrogênio, como veremos, está engatinhando.

Apesar disso, a Microsoft lidera o caminho, testando várias maneiras de consumir hidrogênio em suas instalações (veja Box).

É possível fazer com que os data centers utilizem hidrogênio mais rapidamente, se a energia a diesel se tornar um fator de risco para novos data centers. Por exemplo, Maryland negou recentemente isenções para 504 MW de geradores a diesel solicitados pela Aligned para colocar dentro do gigantesco parque de data centers da Quantum Loophole.

Monroe acha que esse tipo de decisão significa que muitas empresas serão “forçadas” a usar algum tipo de solução limpa.

Apoio governamental

O hidrogênio pode se tornar mais barato graças ao apoio do setor público. O governo dos EUA incluiu o hidrogênio no pacote de investimentos de mais de 500 bilhões de dólares (2,5 trilhões de reais) conhecido como Lei de Infraestrutura, Investimento e Empregos. “Bilhões de dólares estão sendo aplicados em hubs de hidrogênio, sistemas de transporte de hidrogênio, pesquisa de armazenamento, geração de hidrogênio e subsídios ao hidrogênio", diz Monroe.

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) tem um “Hydrogen Shot” com o objetivo de reduzir o preço do hidrogênio verde dos atuais 10 a 15 dólares (50 a 75 reais) por quilo para 1 dólar (5 reais) por quilo.

“Por 1 dólar por quilo você começa a competir com os hidrocarbonetos em termos de energia por dólar", diz Monroe. Ele te confiança de que o DOE atingirá seu objetivo. Seu “Sun Shot” anterior, na década de 2010, visava reduzir a eletricidade solar de 6 dólares (30 reais) por watt para uma meta de 1 dólar por watt até 2020 - e atingiu a meta em 2016.

“Vejo exatamente as mesmas coisas acontecendo na indústria do hidrogênio, em relação aos projetos que estão sendo anunciados, das empresas envolvidas, dos governos que estão subsidiando, financiando e incentivando projetos”.

Os EUA têm atualmente um subsídio de 3 dólares (15 reais) por quilo para o hidrogênio verde, diz ele: “Você só precisa reduzir o custo para quatro dólares (20 reais) por quilo e verá como a economia do hidrogênio começará a se desenvolver”.

Transporte de hidrogênio

Mas se a indústria vai usar hidrogênio, ele deve estar disponível onde faz sentido. A eletricidade é fornecida por uma rede, enquanto água e gás são canalizados onde são necessários.

O hidrogênio será produzido onde existir excedente de eletricidade verde disponível para ser utilizado para operar usinas de eletrólise. Na Dinamarca, por exemplo, a H2 Energy encomendou 1 GW de eletrolisadores da Plug Power para produzir hidrogênio a partir da eletricidade gerada em um gigantesco parque eólico offshore.

Levar isso às indústrias que desejam usar hidrogênio exigirá uma nova infraestrutura. Monroe diz que isso terá que começar do básico: "No início, o hidrogênio será transportado principalmente por caminhão".

Isso não é uma surpresa, diz ele, porque o perfil físico do hidrogênio e suas primeiras aplicações são muito semelhantes ao petróleo.

“No local em que moro perto de Denver, há muitos locais de perfuração de petróleo espalhados, e eu penso no sistema de transporte de hidrogênio se desenvolvendo da maneira como o sistema de transporte de petróleo se desenvolveu nos últimos 30 ou 40 anos”, diz ele.

“Eles começam com um poço promissor, fazem dele um local de produção e depois começam a retirar o produto por caminhões”, explica. “Quando há tráfego suficiente, e os lucros são altos o suficiente, podemos ter um ramal ferroviário que vai para uma área central, e então transportar por ferrovia o máximo possível porque é mais barato”.

Por fim, ele diz que “durante décadas decidiram que essa é um local em que precisamos de um gasoduto para uma área mais ampla. Isso pode tornar o transporte do petróleo muito, muito mais barato. Acho que veremos uma progressão como essa na indústria do hidrogênio. Mas, por enquanto, quase todos os planos de transporte que vi para hubs de hidrogênio são baseados em caminhões”.

A indústria do hidrogênio, afinal, terá que enviar seu produto para onde é necessário, assim como outras indústrias: "Se você se lembra do começo da fabricação da Tesla nos EUA, eles sabiam que um dos maiores problemas era a falta de estações de carregamento. Então, junto com o lançamento dos veículos, eles pagaram por estações de carregamento. Eles sabiam que precisavam difundir a rede de distribuição o suficiente para que fosse possível viajar da Califórnia a Nova York, nos EUA, usando um carro elétrico”.

Ele diz: “Acho que você veremos a mesma coisa no hidrogênio. Esses hubs serão pontos centrais à criação de hidrogênio verde e transporte de hidrogênio verde. E então, à medida que a demanda aumentar em torno desses hubs, os planos serão expandidos”.

E, finalmente, será transportado por gasodutos.

A confiabilidade da tubulação

Se o hidrogênio estiver disponível em uma rede de tubulações, ele pode se tornar um sério candidato a suporte confiável e até mesmo energia primária para data centers. Alguns data centers já olha ao gás natural dessa forma, apesar do alto valor de sua emissão de carbono. Hidrogênio trazido por uma tubulação pode ser uma fonte de energia verde confiável:

“A rede de gás natural é 10 vezes mais disponível do que a rede elétrica”, diz Monroe. Isso pode ser contraintuitivo, mas se baseia no fato de que o gás é fisicamente bombeado ao sistema sob pressão, e o sistema de tubulação atua efetivamente como um sistema de armazenamento de energia.

“No caso de falha na rede de gás natural, você ainda tem pressão no sistema, e os sistemas continuarão funcionando por algum tempo, até que a pressão baixe muito”, explica.

Mas há um problema: quando o hidrogênio começa a entrar nos gasodutos, a política também entra na jogada.

Política de gasodutos

Já existe uma ampla rede de gasodutos que distribui gás natural. Infelizmente, eles não podem ser completamente voltados ao hidrogênio porque, como observamos anteriormente, o hidrogênio tem propriedades diferentes.

As minúsculas moléculas de hidrogênio podem escapar pelo metal de tubos e recipientes. Isso pode potencialmente causar vazamentos, mas há uma preocupação mais séria. Os átomos de hidrogênio podem penetrar na estrutura metálica e afetar as propriedades de resistência à fadiga e à fratura dos tubos de aço, tornando-os mais suscetíveis a fissuras.

O hidrogênio também tem uma energia por unidade de volume menor do que o gás natural (nota para alertar os leitores: como dissemos anteriormente, o hidrogênio tem mais densidade energética em peso do que o gás natural, mas é muito mais leve).

Isso significa que, se ele for colocado em um sistema de tubulação atualmente usado para gás natural, os usuários desse sistema receberão menos energia do que a recebida pelo gás – a menos que a pressão seja aumentada para dar um fluxo mais rápido, o que cria outros problemas ao operador do gasoduto.

Testes como a iniciativa norte-americana Hyblend sugerem que é possível misturar hidrogênio com gás natural em gasodutos existentes, em concentrações de até 20%.

A política da UE sugere que a porcentagem deve ser mantida entre 5% e 10%, aumentando para 15% a 20% “até o final da década”.

No Reino Unido, a Energy Networks Association (ENA) disse que pode inserir 20% de hidrogênio na rede de gás a partir de 2023.

Os que são favoráveis, incluindo a “campeã do hidrogênio” nomeada pelo governo do Reino Unido, Jane Toogood, dizem que isso ajudará a construir massa crítica ao uso de hidrogênio e reduzir a intensidade de carbono causada pelo uso do gás no país.

“A mistura deve estar disponível até 2025 para desbloquear o investimento na produção de hidrogênio”, disse Toogood, que é presidente-executiva de tecnologias de catalisadores da empresa química Johnson Matthey. “A mistura pode potencialmente ajudar o investimento, reduzir as emissões, permitir que a oferta e a demanda sejam equilibradas e facilitar a experiência inicial com hidrogênio, inclusive no Sistema Nacional de Transmissão de Gás (NTS), sujeito à demonstração satisfatória em segurança”.

Mas a ideia enfrentou oposição significativa. Um grupo que inclui a concessionária Octopus Energy, o think tank E3G, o Greenpeace e a Friends of the Earth disse em uma carta ao Governo que o esquema faria um “greenwash” na indústria de gás fóssil e aumentaria as contas dos consumidores em troca de um nível insignificante de descarbonização.

“Aumentar as contas de energia durante uma crise de custo de vida é a maneira errada de desenvolver a demanda industrial por H2", disse o grupo. O hidrogênio disponível no início será uma mistura, incluindo hidrogênio verde, mas também muito hidrogênio “cinza” produzido a partir de gás natural e petróleo, que não irá diminuir a emissão de carbono como se imagina.

Argumentos semelhantes foram feitos no Parlamento Europeu, mas os defensores do hidrogênio dizem que é preciso adotar uma opção que melhore o que temos, em vez de esperar pela perfeição.

Não espere pela perfeição

“Eu tenho um problema com pessoas que descartam uma boa solução porque não é perfeita, certo?”, diz Monroe. “Eu não desvalorizaria uma economia de 10% a 20% de carbono baseada em hidrogênio misturado, se estivesse disponível”.

Parte desse argumento é sobre os usos do hidrogênio. Se for para redes de consumo, será usado para aquecimento de casa e escritório, aplicações que são melhor atendidas por bombas de calor elétricas.

Por outro lado, indústrias pesadas, como a siderúrgica, têm uma enorme necessidade de calor que não pode ser fornecido eletricamente, e sua intensidade de carbono será reduzida pelo hidrogênio em qualquer porcentagem:

“O consumo nas indústrias de geração de calor é tão grande que, mesmo que eliminemos apenas de 5% a 10% das emissões por meio do hidrogênio misturado, é uma enorme quantidade de carbono que deixará de ser gerada”, diz Monroe.

“Uma siderúrgica pode diminuir de 10% s 20% de sua pegada de carbono adotando uma solução de hidrogênio e gás natural misturados para criar o calor necessário aos seus processos”, diz Monroe.

Mas o uso de hidrogênio no gasoduto pode se tornar mais sofisticado porque existem filtros que podem remover o hidrogênio puro de uma mistura de gases – uma vez que, como observamos anteriormente, as moléculas de hidrogênio são muito menores as dos outros gases envolvidos.

“Há demanda de ambos os lados”, diz Monroe. “Algumas pessoas querem hidrogênio puro para células de combustível, mas também há pessoas que querem gás natural puro porque precisam do maior teor de calor. Acho que você terá benefícios nos dois lados se conseguir separar o hidrogênio em escala”.

O hidrogênio misturado também se beneficia da função de armazenamento das redes de gás. “A pesquisa na UCI mostrou que não podemos atingir um alto uso de energia renovável sem as características do hidrogênio”, diz Jack Brouwer, professor de engenharia mecânica e aeroespacial da Universidade da Califórnia em Irvine e diretor do Centro Nacional de Pesquisa de Células de Combustível da UCI.

Brouwer lidera um projeto para injetar hidrogênio em gasodutos e diz: “O armazenamento maciço e a transmissão e distribuição subterrânea resiliente de energia renovável possibilitada pela transformação do sistema de gás para uso de hidrogênio renovável e limpo serão investigados e avançarão nesse importante esforço”.

Monroe concorda: “Se você pegar 100 quilômetros de gasoduto com 5% de hidrogênio misturado, é muito hidrogênio. E se você usar dessa forma, o sistema de gás natural tem armazenamento e transporte. Isso fará com que o uso do hidrogênio avance rapidamente!”.

Escavação de hidrogênio

O hidrogênio natural, conhecido como “hidrogênio branco”, pode aumentar a disponibilidade. “A visão otimista é que está lá em quantidades que podem ser grandes. Nunca foi procurado antes, porque estamos sempre à procura de petróleo”, diz Monroe.

A indústria de petróleo e gás tende a ridicularizar a ideia, dizendo que se as pessoas estão cavando hidrogênio do solo, “é assim que obtemos petróleo, então por que não nos concentramos apenas no petróleo do solo?”.

Na visão de Monroe, isso é progresso – “se eles irritaram a indústria de petróleo e gás o suficiente para que prestem atenção e tentem ridicularizá-la, talvez a indústria de mineração de hidrogênio seja algo real”.

Se estiver lá, pode ser barato de se extrair usando técnicas existentes para o gás natural: “É possível que uma transferência de tecnologia aconteça muito rapidamente”.

“Pode ser até mais barato do que gerar hidrogênio por eletrólise, porque acho que você não terá a quantidade de equipamentos necessários que existem em um parque eólico e em uma grande fábrica de energia solar. Mas, como qualquer outra parte da indústria do hidrogênio, levará algum tempo para chegar à produção em escala – e então teremos os mesmos problemas de transporte”.

Hidrogênio geopolítico

Uma vez que o mundo pode criar e distribuir hidrogênio facilmente, ele pode mudar o equilíbrio de poder à medida que novas nações se tornam ricas em energia.

“Com a disponibilidade de energia eólica e solar e a capacidade de produzir hidrogênio como meio de armazenamento de energia, pode ocorrer uma mudança significativa nos países que serão os verdadeiros produtores de energia no mundo nos próximos 50 anos”, diz Monroe.

A australiana Woodside Energy se associou à Keppel de Cingapura para enviar hidrogênio liquefeito de sua usina H2Perth para alimentar os data centers da Keppel dado que Cingapura tem muito pouca energia verde própria.

Outros países podem fazer coisas semelhantes: “Talvez essa seja uma oportunidade à África Subsaariana se tornar dominante em um modo de produção de energia. Os países equatoriais terão uma vantagem porque têm mais luz solar do que qualquer outro ponto da Terra, de forma mais confiável e mais consistente ao longo do ano”.

Existiram experiências com painéis fotovoltaicos flutuantes: “Até as nações insulares podem entrar na produção de hidrogênio”.

“Os próximos 50 anos serão muito interessantes. Se o hidrogênio se tornar um combustível dominante, quais serão os fornecedores de energia em todo o mundo? Pode ser uma mudança significativa em relação à situação atual”.