Novo processo de produção de hidrogênio

(Foto: Adobe Stock)

Uma década de intensa P&D para desenvolver tecnologias robustas e eficientes usando hidrogênio como principal fonte de combustível deve gerar uma série de novas soluções de energia prontas para aplicações comerciais.

Veículos pesados de carga equipados com motores de combustão interna a hidrogênio (H2 ICEs) já estão sendo entregues aos clientes; modelos movidos a células de combustível devem estar disponíveis em um ou dois anos. Máquinas de construção que utilizam tecnologias semelhantes estão programadas para lançamento em breve. Em outros lugares, trens movidos a eletricidade gerada por células de combustível de hidrogênio já estão em operação limitada.

No entanto, à medida que essas tecnologias avançam no pipeline de desenvolvimento rumo à prontidão para o mercado, a questão sobre a origem do hidrogênio combustível permanece em grande parte sem resposta. As instalações existentes produzem apenas quantidades muito limitadas de H2 e, embora vários governos nacionais tenham lançado iniciativas de financiamento destinadas a impulsionar grandes projetos de produção de H2, ainda faltam anos para que volumes significativos sejam gerados.

A escassez de hidrogênio era tamanha que, em setembro de 2024, uma operadora ferroviária alemã teve que voltar a usar trens a diesel quando ficou impossível obter combustível para seu novo material rodante movido a hidrogênio.

Produção de hidrogênio

Existem vários métodos para liberar hidrogênio para uso como combustível, mas a maioria envolve eletrólise ou pirólise. Na eletrólise, o processo utiliza uma corrente elétrica para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. A pirólise utiliza calor para separar o H₂ de um material de origem.

Whitaker Irvin, Jr., Q Hidrogênio

Ambas apresentam desvantagens relacionadas à energia necessária para impulsionar o processo; por sua vez, a eletrólise exige eletricidade renovável "verde" para fornecer hidrogênio verde. A pirólise requer uma temperatura elevada, o que requer, no mínimo, uma fonte de ignição adequada – em um caso, o Fraunhofer IMM (Instituto de Microengenharia e Microssistemas) desenvolveu um procedimento de pirólise de amônia que, uma vez iniciado, é considerado amplamente autossustentável em termos de calor.

Whitaker Irvin Jr., presidente e CEO da Q Hydrogen, diz que a empresa desenvolveu um processo totalmente novo para produção de hidrogênio que usa muito menos energia do que qualquer um dos métodos acima, embora ele diga que a tecnologia não foi desenvolvida originalmente para produzir hidrogênio.

A tecnologia desenvolvida pelo meu pai remonta a 2007 e tinha como objetivo oferecer um novo método de aquecimento e resfriamento industrial. A ideia era criar dois fluxos de ar diferenciados, um lado quente e um lado frio, usando geometrias de forma de onda hiperbólica. Essas [geometrias] foram posicionadas em superfícies de placas fixas da turbina em um arranjo espelhado – elas se 'aninhariam' se unidas – mas com um pequeno espaço entre elas. A injeção de ar por essa configuração cria um ambiente onde as zonas de alta e baixa pressão interagem em um movimento horário e anti-horário, com o objetivo de gerar uma reação [mudança de temperatura] dentro da turbina de metal não ferroso.

Esperávamos uma diferença de temperatura entre 10 e 20 ºF. Mas o que encontramos foi muito maior, cerca de 147 ºF no lado quente e 37 ºF no lado frio. Tudo em uma unidade com cerca de 15 centímetros de largura e 30 centímetros de altura. Esse foi o primeiro indício de que algo mais poderoso estava acontecendo.

Continuando, Irvin conta que cerca de um ano depois, durante um teste do sistema em uma câmara selada, uma válvula aberta permitiu a entrada de umidade na unidade de teste. A válvula foi aberta no dia seguinte e, como Irvin relata: "Houve um estrondo! O hidrogênio havia se formado apenas pela umidade do ar interagindo com as placas da turbina; ela nem estava girando."

Um sistema foi adicionado para permitir a adição de quantidades medidas de umidade e testes subsequentes determinaram que a unidade poderia produzir gás hidrogênio. Em 2014, foi tomada a decisão de comercializar o processo, o que resultou na primeira turbina destinada a processar água e produzir hidrogênio.

Irvin afirma que fluxos no sentido horário/anti-horário dentro da unidade criam zonas de alta e baixa pressão que, por sua vez, produzem vórtices de alta velocidade. É esse ambiente essencial para a produção de gás hidrogênio.

A unidade da Q Hydrogen em Groveton, New Hampshire (Foto: Q Hydrogen)

“Basicamente, você está criando muita rotação no material que está dentro da turbina”, explica ele. “Há um pouco mais de detalhes, alguns elementos do processo que planejamos revelar em breve, mas essa é uma das chaves.”

Com a ressalva de que "isso provavelmente soará um tanto piegas", Irvin prossegue afirmando que a produção global de energia, até agora, tem se concentrado amplamente em processos relacionados ao calor. Mas ele afirma que a natureza nos deu uma série de soluções com o potencial de gerar energia sem uma reação química: "Só precisamos ter a mente aberta o suficiente para aproveitar o que já existe."

Energia da Nova Inglaterra

O processo de pesquisa e desenvolvimento foi realizado em um laboratório em Utah. Mas as primeiras unidades de produção de hidrogênio finalizadas ficarão em uma instalação em New Hampshire.

Segundo Irvin, a decisão de basear a produção na Nova Inglaterra está relacionada ao aumento dos custos de energia no norte dos Estados Unidos. Com a unidade de produção de hidrogênio, ele espera fornecer eletricidade a um preço semelhante aos PPAs (Contratos de Compra de Energia), taxas mais comuns nos estados do sul e oeste.

“Temos recebido muito apoio da comunidade e do estado [de New Hampshire]. Estamos prevendo a inauguração da unidade este ano, com sorte no primeiro semestre”, diz ele.

O primeiro cliente da usina será um centro de dados móvel. No futuro, há planos para fornecer hidrogênio a clientes pagantes. Isso poderia incluir empresas marítimas que poderiam usar o hidrogênio para apoiar a descarbonização de motores e alcançar a conformidade com a IMO 3. Projetos futuros poderão incluir usinas termelétricas a carvão desativadas, adaptadas para usar hidrogênio e reativadas.

Tabela de cores do hidrogênio (gráfico cortesia do Journal of Petroleum Technology)

Voltando a New Hampshire, Irvin explica que a eletricidade virá de uma série de geradores de combustível gasoso [3016] da Caterpillar que foram adaptados para usar hidrogênio.

A Caterpillar está desenvolvendo seus próprios grupos geradores de hidrogênio, mas tivemos que fazer isso por conta própria devido ao cronograma das unidades Caterpillar. Essas unidades são um primeiro passo e não representam o uso mais eficiente do nosso combustível. Estamos trabalhando em casos de uso com laboratórios de combustão e fizemos avanços significativos em células de combustível, armazenamento de combustível e técnicas aprimoradas de transporte para o produto.

A título de explicação, Irvin continua dizendo que o produto Q Hydrogen é composto principalmente de hidrogênio, mas tem concentrações muito pequenas de outros elementos que ajudam a dar suporte a uma gama mais ampla de usos industriais.

"Sei que estou sendo um pouco nebuloso, mas divulgaremos detalhes sobre isso também", acrescenta ele com um sorriso. "Descobrimos algumas coisas muito legais que você pode fazer com hidrogênio e que podem ser usadas em muitas áreas."

Perda de energia

A energia utilizada no processo de eletrólise da água resulta em uma redução de 20 a 30% no valor energético total do produto final de hidrogênio. Questionado sobre a perda de energia relacionada ao uso do sistema desenvolvido pela Q Hydrogen, Irvin afirma que o consumo de energia é "mínimo" em comparação com os métodos de produção existentes.

“É assim que podemos produzir o combustível no local, usá-lo em um gerador altamente ineficiente e ainda esperar obter lucro.”

A IRA, ou Lei de Redução da Inflação de 2022, oferece créditos de produção para cada quilo de hidrogênio limpo "qualificado" produzido em uma unidade de produção qualificada. Irvin: "Estou feliz que a IRA exista, porque ela deu voz à tecnologia e ao setor de hidrogênio que já existem há muito tempo, mas precisavam de um impulso – como a energia solar e a eólica. Estamos passando por esse processo, mas nunca foi o foco depender de subsídios."

A eficiência do método de produção proprietário é tamanha que, embora a Q Hydrogen aceite os subsídios governamentais disponíveis para apoiar a produção de H2, a empresa pode operar lucrativamente sem qualquer assistência financeira.

Em resposta àqueles que talvez digam que um determinado tipo de energia deve ser usado em seu formato original para evitar perdas desnecessárias de energia, ele afirma que, embora a energia eólica e solar seja geralmente melhor em sua forma original e não usada para eletrolisar água, nem todas as localizações geográficas oferecem essa opção. Além disso, a tecnologia ainda está em fase inicial.

A energia potencial contida em uma gota d'água é enorme. Acredito que houve um estudo que concluiu que, se fosse possível potencializar eficientemente toda a energia de uma gota d'água, seria possível abastecer São Francisco por um período. Acredito que isso seja verdade, mas estamos apenas no início de uma jornada que pode terminar aí.

Caminho futuro

A visão geral hoje é que o hidrogênio tem um papel a desempenhar na futura matriz de combustíveis, mas apenas em conjunto com as opções existentes, incluindo gás natural, diesel, gasolina e energia elétrica. Mas Irvin acredita que o hidrogênio será um "ator de peso", com tecnologias como a desenvolvida pela Q Hydrogen alterando a trajetória atual de uso de H2.

Acabei de voltar de uma reunião governamental na Irlanda, onde eles estavam falando sobre como a demanda está gerando escassez de energia. Nos EUA, alguns data centers propostos têm datas de interconexão da rede para daqui a sete ou dez anos, porque ainda não há capacidade. Acredito que o hidrogênio pode ajudar a resolver esses problemas; acredito que há potencial para novos data centers completamente independentes da rede e alimentados por hidrogênio.

Os gasodutos de hidrogênio provavelmente farão parte de uma configuração de hub e spoke (Foto: Adobe Stock)

Existem outros concorrentes no mercado de energia "remota", incluindo reatores nucleares de baixa energia. Irvin acredita que estes terão um papel a desempenhar, influenciado em grande parte pela localização geográfica. "Haverá espaço para microusinas nucleares e hidrogênio, mas eles impactarão o mercado de maneiras diferentes."

Em relação à entrega, ele diz que há potencial para um gasoduto nacional de hidrogênio, mas um dos fatores que apoiariam isso é o estado do produto final.

O hidrogênio que produzimos poderia ser entregue por meio de um gasoduto. Mas, na realidade, acredito que a produção será baseada em um modelo de hub-and-spoke. Seria muito caro conter e transportar gás hidrogênio ou hidrogênio líquido resfriado criogenicamente por um gasoduto.

Assim como a tecnologia de produção, Irvin acrescenta que a Q Hydrogen divulgará mais detalhes sobre a possibilidade de entregar hidrogênio por meio de um gasoduto dedicado em uma data posterior.