Brasil se prepara para empezar a producir hidrógeno verde

El hidrógeno se describe a menudo como el combustible del futuro y tiene un alto poder calorífico casi tres veces mayor que el diésel, la gasolina y el gas natural. Cuando se convierte en energía, haciendo funcionar un motor de combustión u otra aplicación, no emite gases de efecto invernadero (GEI). La fuga de hidrógeno que queda en la atmósfera, al entrar en contacto con el oxígeno, produce vapor de agua.

El hidrógeno, el elemento más abundante en el universo, rara vez se encuentra aislado de la Tierra, pero se encuentra en muchos compuestos, incluidos el agua, los combustibles fósiles y varios tipos de biomasa. La adquisición de gas, en estos casos, depende de los procesos involucrados. El más común es el reformado con vapor, que es una reacción química de hidrocarburos, generalmente gas natural, con agua. El hidrógeno producido de esta manera se llama ceniza, porque el proceso de conversión libera dióxido de carbono a la atmósfera, o azul, cuando el dióxido de carbono resultante se captura durante su producción y se almacena geológicamente.

Él hidrogeno verde El producto se utilizará en la planta piloto de Ceará para reemplazar parte del carbón que alimenta la Usina Térmica de Pecém (UTE Pecém). “Es un proyecto de investigación y desarrollo. [P&D] Lo que nos permitirá entender la ganancia energética que proporciona el hidrógeno, con cuatro veces más energía producida que el carbón”, afirma Cayo Moraes, COO de EDP.

La planta piloto H2V también permitirá a la empresa monitorear la viabilidad técnica, organizativa y económica de la producción de combustible. La expectativa es que la unidad entregue los subsidios necesarios para decidir si instalar una fábrica a escala industrial en el estado. En este caso, el hidrógeno puede exportarse a empresas energéticas europeas, generar combustible para vehículos o suministrarse a empresas industriales.

Los expertos en energía creen que el proyecto es el primero de una serie de iniciativas destinadas a producir hidrógeno verde en el país. Solo el gobierno de Ceará sumó 14 memorandos de entendimiento con grupos privados interesados ​​en la producción de combustibles en el estado. “Tal vez no todos lo logren, pero si la mitad de los acuerdos están en vigor, tendremos el equivalente de Itaipu en operación en Ceará entre 2025 y 2030”, dice Rosian Medeiros, secretaria ejecutiva de industria de la Secretaría de Desarrollo Económico y Trabajo. del Estado de Ceará (Sedet). La capacidad instalada de la Usina Hidroeléctrica de Itaipú, que es la mayor del país, es de 14 gigavatios.

Rio Grande do Norte, Piauí, Pernambuco, Bahía, Minas Gerais, Rio de Janeiro y Rio Grande do Sul también informaron que firmaron memorandos con generadoras eléctricas. La carrera para atraer proyectos de producción de hidrógeno verde es global. Chile, Japón, Alemania, Holanda, Estados Unidos, Corea del Sur, Australia y China son algunos de los países que han anunciado programas nacionales para estimular el desarrollo tecnológico y la producción H2V.

En el mundo hay 520 proyectos de plantas de hidrógeno, según el Hydrogen Council, un consorcio de representantes de los mayores productores de gas. De confirmarse, requerirían inversiones por US$160 mil millones. La asociación estima que la producción de combustible superará los 600 millones de toneladas por año (toneladas métricas/año) y representará el 22 % de la demanda mundial de energía en 2050, lo que permitirá una reducción del 20 % en las emisiones globales de gases de efecto invernadero. Las previsiones de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) son más modestas. Para ella, el sector producirá 409 toneladas métricas/año en 2050, lo que, según cálculos de la entidad, supondrá el 12% de la demanda mundial de energía.

Actualmente, la contribución del hidrógeno a la matriz energética mundial es insignificante. Prácticamente todo el hidrógeno producido, poco más de 100 millones de toneladas al año, se utiliza con fines químicos en procesos industriales, como la refinación de petróleo, la producción de fertilizantes, las acerías y la industria química.

Los especialistas esperan que el proceso de producción de H2V dominante en los próximos años sea la electrólisis del agua, como se propone para la planta piloto de Ceará. Este método se obtendrá principalmente mediante plantas equipadas con electrolizadores (equipos encargados del proceso de electrólisis) alimentados a partir de fuentes de energía renovables, asegurando que todo el proceso esté libre de gases de efecto invernadero (Ve la tabla).

Una de las principales barreras para aumentar el suministro de hidrógeno verde en el mundo es la necesidad de ganancias de madurez tecnológica en la cadena de producción de hidrógeno, según el informe «La geopolítica de la transición energética: el factor hidrógeno», publicado en enero por la Agencia Internacional de Energías Renovables. (IRENA). Otro son los altos costos de producción y logística.

Según la Agencia Internacional de Energía (AIE), un kilo de hidrógeno gris cuesta poco más de 1 dólar, lo que lo hace competitivo con el gas natural. El costo promedio del hidrógeno azul es de $2.3 por kilogramo. El precio de un kilo de hidrógeno verde oscila entre $3 y $8, dependiendo de la fuente de energía utilizada y la región del mundo en la que se produce esta energía. IRENA predice que la expansión del suministro mundial de energía renovable y las ganancias en volumen de producción harán que el hidrógeno verde sea un competidor del azul en 2030, y durante la próxima década los costos de producción se acercarán a los proporcionados por el hidrógeno gris.

Según el Plan Nacional de Expansión Energética (PDE 2031), elaborado por la Fundación de Pesquisa Energética (EPE), organismo dependiente del Ministerio de Minas y Energía, Brasil está en condiciones de producir hidrógeno verde a un precio más económico que el promedio internacional . un promedio. El costo estimado del H2V -debido a la falta de producción efectiva- oscila entre US$2,2 y US$5,2 por kilogramo en el país.

«La popularización del hidrógeno será por necesidad. Estamos frente a una emergencia ambiental y el mundo ya se dio cuenta de que ya no es posible depender de los combustibles fósiles para generar electricidad y propulsar vehículos», dice el ingeniero Paulo Emilio Valadao de Miranda, director del laboratorio de hidrógeno en Alberto Luis Coimbra. Es investigador en ingeniería de la Universidad Federal de Rio de Janeiro (Coppe/UFRJ) y presidente de la Asociación Brasileña de Hidrógeno (ABH2).

Una oportunidad para reducir los costos de producción de hidrógeno es aumentar la eficiencia del electrolizador. Investigadores del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales de la Universidad Federal de São Carlos (CDMF-UFSCar), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) financiados por la FAPESP, estudian materiales capaces de reducir el consumo de energía en la industria química proceso de hidrólisis de una molécula de agua. Como explicó la química Lúcia Helena Mascaro Sales, directora de investigación del proyecto, uno de los mejores catalizadores -sustancias que aceleran las reacciones químicas en la electrólisis- son los metales nobles, especialmente el platino. También se puede utilizar níquel, cobalto o molibdeno con aleaciones de hierro o sulfuros de gran rendimiento.

El equipo de la UFSCar investiga el uso de materiales como el óxido de titanio modificado con sulfuro de molibdeno o diversas aleaciones de níquel, cobre, molibdeno y hierro. “A nivel de laboratorio, hemos demostrado que es posible reducir significativamente el consumo de energía en la electrólisis del agua”, dice Mascaro. La petrolera anglo-holandesa Shell, copatrocinadora con la FAPESP de otro proyecto de investigación de Mascaro, sobre petroleros de gran consumo energético, está interesada en probar catalizadores desarrollados en plantas piloto en Ámsterdam, Holanda y Houston, EE.UU.

En la Universidad Federal de Ceará (UFC), la profesora Adriana Nunes Correa, del Departamento de Química Analítica y Química Física, estudia materiales metálicos capaces de aumentar la eficiencia del electrolizador y reducir sus costos. La propuesta de investigación, que aún se encuentra en su etapa inicial, es utilizar celdas de electrólisis microbiana, empleando microorganismos como biocatalizadores, para producir hidrógeno a partir de aguas residuales domésticas o efluentes industriales. La idea es convertir la energía química de las aguas residuales en corriente eléctrica, lo que posibilita la obtención de gas. “Este proceso permitirá la producción de hidrógeno y el procesamiento de residuos orgánicos al mismo tiempo”, dice Correa.

En la Universidad Federal de Paraná (UFPR) también se están realizando investigaciones centradas en el hidrógeno verde. El químico Helton José Alves, coordinador del Laboratorio de Materiales y Energías Renovables, se dedica a estudiar nuevos enfoques tecnológicos para la producción de combustibles. Uno de ellos utiliza bacterias ácidas para destruir la biomasa restante de los efluentes industriales.

La investigación resultó en la publicación de dos artículos en la revista Revista internacional de energía de hidrógeno. El negocio se ocupa de la producción de hidrógeno a partir de aguas residuales en cervecerías. “La gran ventaja es reducir los costos de producción y ahorrar recursos hídricos”, dice Alves. Se hará referencia al proceso de producción de hidrógeno como una solución energética en la misma industria en la que se genera el efluente.

Otro método considerado de producción de hidrógeno es utilizar el método conocido como reformado en seco de biogás. Alves explica que el sistema espera utilizar el metano y el dióxido de carbono presentes en el biogás para generar gas de síntesis, que es una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono. El proceso ocurre en reactores con catalizadores metálicos a base de níquel, a una temperatura de 700-800 °C. Luego, el gas de síntesis se purifica para obtener hidrógeno. Alves predice: «En cooperación con los socios, pretendemos instalar una unidad piloto capaz de producir 1 kg de hidrógeno por hora en 2022». A diferencia del sistema tradicional de reformado con vapor de gas natural, el sistema de secado no necesita agua.

El estudio de los métodos de producción de hidrógeno que no dependen del agua pura para su funcionamiento es de gran interés y es seguido de cerca por profesionales en este campo. Según IRENA, para producir 409 millones de toneladas de hidrógeno verde al año y proporcionar el 12% de la demanda mundial de energía para 2050, será necesario consumir entre 7.000 y 9.000 millones de metros cúbicos de agua al año. El total es menos del 0,25% del consumo actual de agua dulce. Puede parecer pequeño, pero es un tamaño impresionante en un mundo donde ese recurso es escaso.