GREEN HYDROGEN PRODUCTION FOR THE REPLACEMENT OF FOSSIL FUELS
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/fa10202506061555
Sérgio Moreira Moura1, Lucas Garcia da Silva2, Felipe Nunes Moreira3, Maria Elisa Martins Souza4, Karine de Souza Ferreira5, Orientador: Adriano Machado dos Santos6, Orientadora: Bruna Morais de Melo7
RESUMO
Diante dos desafios globais relacionados à poluição e ao aquecimento global, o hidrogênio verde desponta como uma alternativa energética limpa e sustentável. Este artigo apresenta o desenvolvimento e a análise de um protótipo destinado à produção e combustão de hidrogênio verde, com base na eletrólise da água utilizando energia solar. O trabalho contempla a fundamentação teórica sobre o processo eletroquímico, detalhamento técnico do protótipo e avaliação de sua eficiência energética comparada aos combustíveis fósseis, como diesel e GLP. Também são discutidos os aspectos normativos e regulatórios aplicáveis à produção e comercialização do hidrogênio no Brasil, incluindo as exigências do INMETRO e as diretrizes da Política Nacional de Biocombustíveis (RenovaBio). Com base em testes experimentais e dados coletados, o estudo demonstra a viabilidade técnica e econômica da substituição parcial de combustíveis fósseis em caldeiras por hidrogênio verde, destacando o potencial do Brasil nesse setor devido à sua abundância em fontes renováveis, como energia solar e eólica. Os resultados evidenciam a contribuição significativa dessa tecnologia para a descarbonização do setor energético nacional.
Palavras-chave: Hidrogênio verde; eletrólise da água; energia renovável; combustíveis alternativos; sustentabilidade energética.
1 INTRODUÇÃO
Com a poluição e o aquecimento global que vem se desenvolvendo no planeta, medidas sustentáveis tornam-se cada dia mais necessárias para a preservação de um ambiente limpo, junto disso a busca por combustíveis limpos e renováveis tomaram suas posições de destaque, nessa busca, o hidrogênio gasoso surge como uma alternativa promissora, já que sua combustão gera mais energia do que outros combustíveis. O hidrogênio verde produzido com fontes renováveis é considerado uma opção eficaz na busca por uma solução que amenize as mudanças climáticas, no entanto, existem limitações e desafios, principalmente relacionados ao custo de produção, que ainda é elevado em comparação com combustíveis fósseis, bem como a metodologia de produção, sendo crucial identificar para cada caso, a que seja viável ambientalmente. O Brasil possui vantagens para a produção de hidrogênio verde, devido ao alto potencial de energia solar e eólica no país, levantando uma viabilidade econômica para indústrias de médio e grande porte, considerando, além da necessidade ambiental, os benefícios financeiros relacionados principalmente às diferenças de tarifas elétricas.
Com base nesse contexto, o presente artigo tem como objetivo apresentar um projeto para a geração de hidrogênio verde e sua combustão. Para tanto, será detalhado o processo de construção do protótipo, seu funcionamento, além de fornecer a fundamentação teórica necessária para comprovar sua eficácia. Também será abordada a viabilidade de substituir os combustíveis fósseis atualmente utilizados em caldeiras, bem como a possibilidade de comercialização dessa tecnologia no mercado brasileiro.
A origem da produção do hidrogênio se baseia na eletrólise da água por meio de descargas elétricas na mesma, a energia necessária para esse processo será derivada de fontes renováveis, como energia solar através da adaptação de placas solares. A água é conduzida para um compartimento em que é injetada a corrente elétrica, separando as moléculas de “H₂” e “O”, produzindo assim o hidrogênio verde.
Conforme descreve BRAGA, 2015, para produzir 1 kg de hidrogênio verde são necessários 58 kWh – o equivalente a um terço do consumo médio mensal de uma residência, que fica em torno de 150kWh.
O hidrogênio verde é então transferido para um compartimento denominado “Fuel Cell Stack”, dispositivo este adaptado para armazenar o hidrogênio produzido. tendo como princípio a reação anódica: H₂ → 2H+ + 2e, essa equação representa uma reação de oxidação conhecida como reação anódica. Ela descreve o processo no qual o hidrogênio (H₂) é oxidado para formar íons hidrogênio (H+) e liberar elétrons (e-). E do lado direito a reação Catódica: 1/2O₂ + 2H+ + 2e- → H₂O onde nessa reação, íons de hidrogênio (H+) e elétrons (e-) são reduzidos, combinando-se com oxigênio (O) para formar água (H₂O), as duas partes são ligadas por um catalisador de base platina ou níquel em que será energizado através de um eletrodo.
Para o processo de combustão serão necessários duas moléculas de hidrogênio (H₂) que se combinarão com uma molécula de oxigênio (O), associados a um agente ignitor(ignitor elétrico), que basicamente converte energia elétrica em calor para sensibilizar o produto químico, acelerar a reação e dar início à combustão, que produzirá luz e liberará calor na faixa de 2400°C, mais do que se obtém na queima da gasolina, e para cada 1g de hidrogênio queimado pode ser obtido uma quantidade de energia de 120000 Joules, cerca de 3 vezes mais que a gasolina, além disso, como resultado dessa combustão os elementos são combinados formando duas moléculas de água (H₂O), em estado de vapor, que serão reutilizadas no processo de eletrólise citado acima, a energia gerada por sua vez terá potencial para alimentar uma caldeira. O processo de substituição do Combustível Fóssil para o uso do Hidrogênio Verde deve ser feito de forma que seja possível garantir o projeto e as manutenções preventivas e corretivas adequadas, para garantir a segurança durante o funcionamento, incluindo sistemas de ventilação, detecção de gás, armazenamento e consumo imediato seguro do hidrogênio, em tanques projetados para essa finalidade, com medidas de mitigação de riscos e sistemas de alívio de tensão.
Inicialmente, utilizando cálculos básicos de equivalência e considerando taxa de fluxo, poder calorífico e consumo de energia do Diesel, GLP e do Hidrogênio Verde, é possível estimar a quantidade de Hidrogênio Verde que será necessária para substituir o uso dos combustíveis fósseis relacionados da seguinte forma: O consumo de energia do diesel pode ser calculado multiplicando a taxa de fluxo de diesel pelo poder calorífico do diesel.
(Kcal/h)=(Kg/h)*(Kcal/Kg)
Considerando os valores encontrados na tabela do fabricante da caldeira, temos:
〖Consumo〗_diesel=(144)*(10260)
〖Consumo〗_diesel=1478640 Kcal/h
Gráfico 1 – Gráfico Combustível foosil X Hidrogênio
Tabela 1 – Consumo de Combustível da caldeira PMTA 170
Para ilustrar o que foi descrito acima foi criado um fluxograma do processo conforme imagem abaixo:
Figura 1 – Fluxograma do Processo
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
2.1 Contextualização do Hidrogênio na Matriz Energética
O hidrogênio, embora seja o elemento químico mais abundante no universo, não se encontra livre em condições naturais; deve ser obtido a partir de outras fontes, como a água (H₂O). A classificação “verde” refere-se à rota de produção que utiliza exclusivamente fontes renováveis, sem emissões de gases de efeito estufa no processo. Amoroso da Silva (s.d.) descreve o hidrogênio como “combustível do futuro”, destacando sua elevada densidade energética e potencial de redução das emissões de carbono.
Segundo Gomes (2022), a definição e o interesse pelo hidrogênio verde têm crescido em resposta à necessidade de diversificar a matriz energética global e diminuir a dependência de combustíveis fósseis. No entanto, é importante ressaltar que nem todas as rotas de produção de H₂ são consideradas “verdes”: a rota tradicional via reforma de gás natural (hidrogênio cinza ou azul, dependendo da captura de CO₂) ainda predomina na indústria (Gomes, 2022). Assim, o foco do presente trabalho concentra-se na eletrólise da água alimentada por fontes renováveis.
2.2 Eletrólise da Água
A eletrólise consiste na passagem de corrente elétrica por água para separar moléculas de H₂O em hidrogênio e oxigênio. Conforme Gomes (2022), os dois tipos principais de tecnologias de eletrólise atualmente disponíveis são:
Eletrólise Alcalina (AEA): tecnologia madura, com custo de implantação relativamente baixo. Eletrólise por Membrana de Troca de Prótons (PEM): apresenta maior densidade de corrente e melhor resposta a variações de carga, porém com custos ainda elevados (Gomes, 2022). No que tange ao estado da técnica, Santos (s.d.) evidencia que, embora o custo unitário do hidrogênio verde tenha diminuído nos últimos anos, os fatores limitantes continuam sendo o consumo elevado de energia elétrica e a necessidade de água com altos índices de pureza. Além disso, a eficiência energética dos sistemas de eletrólise ainda apresenta variações consideráveis dependendo da tecnologia empregada (Santos, s.d.).
2.3 Integração com Fontes Renováveis
A principal vantagem do hidrogênio verde está em sua produção quando a eletrólise é alimentada por energia solar, eólica ou hidrelétrica. Manyika et al. (2013) indicam que a queda nos custos de painéis fotovoltaicos e turbinas eólicas, bem como o aumento da capacidade instalada global, configuram uma condição favorável para expandir a produção de H₂ verde. Bosch (s.d.) complementa que a integração de eletrólise a sistemas fotovoltaicos ou eólicos exige estratégias de gerenciamento de variabilidade e armazenamento de excesso de geração, sendo o hidrogênio uma alternativa promissora de armazenamento de longa duração (Bosch, s.d.).
Entretanto, a literatura aponta que a maior parte dos projetos-piloto e instalações comerciais de eletrólise ainda são de pequena escala (até alguns megawatts), especialmente no Brasil, em função dos desafios regulatórios e da necessidade de investimentos em infraestrutura de transmissão e distribuição de energia renovável (Agência Senado, 2023).
2.4 Queima Direta em Processos Térmicos
Uma das principais aplicações industriais do hidrogênio verde é na substituição de combustíveis fósseis em caldeiras e fornos de alta temperatura. Diniz Bezerra (s.d.) ressalta que, em caldeiras industriais, o H₂ pode ser utilizado diretamente no lugar de óleo combustível ou gás natural, desde que haja adaptações nos queimadores e sistemas de controle de combustão (Diniz Bezerra, s.d.).
A tecnologia de células a combustível, por sua vez, oferece outra rota para geração de energia elétrica e térmica. Ferreira (2021) demonstra que sistemas híbridos, compostos por eletrólise para produção de H₂ e células a combustível para reconversão em energia, podem proporcionar maior eficiência energética quando comparados a ciclos termodinâmicos convencionais. No entanto, a viabilidade econômica depende de fatores como preço do eletrolisador, custo da energia renovável e escala de produção (Ferreira, 2021).
2.5 Recursos Renováveis e Matriz Elétrica
O Brasil possui vantagens comparativas expressivas para produção de hidrogênio verde. Conforme Petrobras (2022, apud Agência Senado, 2023), a matriz elétrica brasileira já é composta por cerca de 85% de fontes renováveis, sendo grande parte hidrelétrica, seguida de representativos parques eólicos e solares. Essa característica, aliada ao potencial hídrico e territorial, torna o país atrativo para investimentos em projetos de eletrólise em escala (Agência Senado, 2023).
2.6 Iniciativas Governamentais e Legislação
Em dezembro de 2017, a Lei nº 13.576 instituiu o RenovaBio, focado em biocombustíveis, mas servindo de referência para políticas de incentivo a combustíveis de baixa emissão (BRASIL, 2017). Andrade Eliziário e Lopes (s.d.) assinalam que, embora ainda não haja uma lei específica para o hidrogênio verde, o movimento de normalização técnica (ABNT) e a formulação de políticas de subsídio e leilões de energia limpa indicam avanços importantes (Andrade Eliziário; Lopes, s.d.).
Outras iniciativas, como programas de pesquisa conjunta entre universidades, centros tecnológicos e empresas do setor elétrico, têm sido publicadas recentemente (Alves Vasconcelos, Marafon & Miyashiro Junior, s.d.), dando indícios de um ambiente regulatório e de mercado em formação, mas ainda carecendo de maior definição, principalmente quanto a incentivos fiscais, certificação de origem renovável e exigências de conteúdo local.
2.7 Consumo de Água e Impactos Ambientais
O consumo de água para eletrólise, embora comparativamente menor que para geração termelétrica convencional, ainda é relevante. Santos (s.d.) aponta que, em regiões com escassez hídrica, a produção de H₂ pode conflitar com demandas de abastecimento humano e agrícola. A otimização do uso de água (por exemplo, aproveitamento de efluentes tratados) ainda é tema pouco explorado na literatura brasileira (Santos, s.d.), abrindo espaço para estudos que avaliem ciclos integrados de água e energia.
2.8 Custos e Competitividade
Apesar da queda no preço dos eletrolisadores e das renováveis, o custo de produção de hidrogênio verde ainda é superior ao do hidrogênio cinza. De acordo com Diniz Bezerra (s.d.), a competitividade econômica só será alcançada se houver, simultaneamente:
- Redução adicional nos custos de eletrolisadores (escala industrial, novas tecnologias).
- Tarifas de energia renovável mais atrativas ou contratos de longo prazo (PPA).
- Incentivos governamentais, como subsídios ou créditos de carbono (Diniz Bezerra, s.d.). Nesse sentido, Alves Vasconcelos, Marafon e Miyashiro Junior (s.d.) enfatizam que estudos de viabilidade econômica detalhados que considerem desde o CAPEX até o OPEX, além de análises de sensibilidade, são essenciais para orientar decisões de investimento (Alves Vasconcelos et al., s.d.).
3 METODOLOGIA
Com base no fluxograma apresentado e no método a ser aplicado para a melhoria, foi desenvolvido o projeto de um protótipo com o objetivo de confirmar a eficiência real do sistema e realizar a coleta de dados para análise da viabilidade de sua aplicação em caldeiras. No projeto, foi elaborado um esquema com pilhas, utilizando barras de grafite (cátodo), que são excelentes condutores de eletricidade. Essas pilhas serão conectadas em série e inseridas em um recipiente contendo uma mistura de água e hidróxido de potássio, o que facilita a passagem da corrente elétrica e a eletrólise da água, além de prevenir a geração de gás cloro, que é tóxico para os seres humanos. Em seguida, o sistema será conectado externamente a uma mini placa solar, permitindo que a corrente flua e a molécula de água seja quebrada. Esse processo gerará moléculas separadas de oxigênio e hidrogênio, sendo o hidrogênio inflamável e disponível para combustão, conforme ilustrado na imagem abaixo:
Figura 2 – Projeto em Visão Isométrica da fonte geradora de Hidrogênio.
Figura 3 – Projeto em Visão Isométrica dos tanques de água e hidrogênio.
Nessas imagens, fica demonstrado o protótipo para geração e queima de hidrogênio em escala menor feita para testes de resultados a priori, onde podemos observar um pequeno quadrado na parte superior onde o gás é captado e é liberado em pequenas quantidades por um local para queima gerando uma chama.
Para construção do protótipo são necessários os seguintes materiais e suas respectivas quantidades:
o 08 unidades de barra de grafite de pilhas (Cátodo).
o 02 barras de metal.
o 01 metro de fio de cobre.
o 01Suporte metálico.
o Um litro de água.
o Duas caixas transparente de polímero
o 100 gramas Hidróxido de potássio
o Tubo plástico
o Um Isqueiro
o Conectores macho e fêmea
o Mini painel solar.
Com o protótipo desenvolvido e os testes de desempenho realizados, foram coletados dados para analisar e avaliar o comportamento do hidrogênio verde, bem como seu poder calorífico. Adicionalmente, será analisado o cenário atual de comercialização do hidrogênio verde, assim como a viabilidade da criação e comercialização de um protótipo capaz de produzi-lo e gerar combustão. Toda essa análise será apresentada na seção de resultados e discussão.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES OU ANÁLISE DOS DADOS
A partir do desenvolvimento e implementação do protótipo de geração de hidrogênio verde via eletrólise da água utilizando energia solar, foi possível avaliar a viabilidade técnica e energética do sistema. O processo experimental evidenciou que a utilização de barras de grafite, combinadas com uma solução eletrolítica de hidróxido de potássio (KOH), promove uma eficiente dissociação das moléculas de água (H₂O), gerando hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂), conforme descrito nas reações de oxidação e redução envolvidas no sistema da célula a combustível.
Com base nos cálculos realizados, considerando uma caldeira com consumo de 144 kg/h de diesel e um poder calorífico de 10.260 kcal/kg, obtém-se um consumo energético total de aproximadamente 1.478.640 kcal/h. Ao se comparar esse valor com o poder calorífico do hidrogênio, que pode atingir cerca de 120.000 joules por grama (ou aproximadamente 28.700 kcal/kg), verifica-se que a substituição energética seria possível com uma quantidade bem menor de massa de hidrogênio, embora o armazenamento e o transporte apresentem desafios logísticos e técnicos adicionais.
Os testes realizados com o protótipo, que utiliza barras de grafite como eletrodos e uma mistura de água com hidróxido de potássio para facilitar a eletrólise, demonstraram a produção efetiva de hidrogênio em pequenas quantidades, capazes de sustentar uma reação de combustão com temperatura próxima a 2.400°C. Essa temperatura é superior à combustão de muitos combustíveis fósseis, evidenciando o potencial energético do hidrogênio verde.
Outro ponto analisado foi a reutilização do vapor de água gerado na combustão, o qual pode retornar ao sistema para um novo ciclo de eletrólise, promovendo economia no consumo de água e aumentando a eficiência geral do sistema. A aplicação em caldeiras industriais se mostra promissora, desde que haja investimentos em tecnologias de armazenamento seguro, ventilação adequada, sensores de detecção de vazamentos e sistemas de ignição apropriados.
Além dos aspectos técnicos, foram também considerados os aspectos normativos e regulatórios para viabilização comercial da tecnologia no Brasil. O país dispõe de diretrizes estabelecidas pela Política Nacional de Biocombustíveis (RenovaBio), conforme a Lei nº 13.576/2017, que institui metas compulsórias para a redução de emissões de gases de efeito estufa no setor de combustíveis, promovendo incentivos à produção de combustíveis alternativos e sustentáveis. O INMETRO, em parceria com a ABNT, é o responsável pela certificação e homologação de produtos energéticos, e segue as diretrizes internacionais da ISO e da IEC para assegurar a segurança, qualidade e padronização dos sistemas de produção e armazenamento de hidrogênio. Considerando o potencial solar do Brasil e a abundância de recursos naturais, o país possui uma vantagem competitiva na produção de hidrogênio verde. A adaptação de tecnologias simples, como a utilização de placas solares associadas a pequenos reatores de eletrólise, apresenta-se como uma solução acessível para indústrias de médio porte que buscam reduzir sua pegada de carbono e os custos com energia.
Portanto, os resultados obtidos reforçam a viabilidade técnica da substituição parcial de combustíveis fósseis por hidrogênio verde, apontando para um futuro promissor na geração de energia limpa, especialmente no cenário brasileiro, que dispõe de condições naturais favoráveis para o desenvolvimento desta tecnologia.
5 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Embora o custo energético para a geração do hidrogênio verde seja elevado até o presente momento, se comparado com combustíveis fósseis atualmente utilizados, a utilização de fontes renováveis para a produção do hidrogênio verde, torna o processo mais atrativo do ponto de vista econômico a médio e longo prazo, além de contribuir para a redução das emissões de gás carbônico, como já dizia MANYIKA (et al., 2013, p. 138) “A energia renovável é energia que é derivada de uma fonte que é reabastecida continuamente, como o sol, o rio, o vento ou a energia térmica dos oceanos do mundo”.
O estudo também aponta que, apesar da inovação e desafios técnicos, principalmente no armazenamento e forma de utilização do hidrogênio verde, a proposta apresenta grande potencial no Brasil, devido a sua abundância de recursos fonte de geração de energias renováveis. Adicionalmente, o Brasil apresenta programas e certificações que incentiva o desenvolvimento de novas tecnologias e soluções com foco na sustentabilidade como o programa RenovaBio e as certificações do INMETRO.
Por fim, este trabalho além de comprovar a viabilidade técnica da utilização do hidrogênio advinda de fontes renováveis, destaca a sua relevância e os motivos do novo potencial de fonte energética baseado no cenário global atual, buscando sustentabilidade e renovação aliado ao desenvolvimento industrial e preservação ambiental. Futuramente o hidrogênio verde pode desempenhar um papel importante na matriz energética brasileira, contribuindo para diminuição do Quilowatt-hora a ser pago, descarbonização das indústrias e contribuição para um futuro sustentável.
REFERÊNCIAS
1 AMOROSO DA SILVA, I. Hidrogênio: Combustível do Futuro.
2 SANTOS.ANDREA, Produção de Hidrogênio Verde tem Alto Consumo de Energia e Água. Disponível em: Produção de H2V tem alto consumo de água e energia | Hidrogênio verde | Valor Econômico
3 TOYOTA; TECNOLOGIA CONTENDO CÉLULAS DE COMBUSTÍVEL A HIDROGÊNIO NO TOYOTA MIRAI. https://repositorio.animaeducacao.com.br/bitstreams/304b87d0-c8a9-459e-99cf31e0bf35a58a/download
4 DINIZ BEZERRA, F. Hidrogênio Verde: Nasce um Gigante no Setor de Energia.
5 FABRÍCIO PALHAVAM FERREIRA, P. Análise da Viabilidade de Sistemas de Armazenamento de Energia Elétrica na Forma de Hidrogênio Utilizando Células a Combustível.
6 GOMES, J. Eletrólise da água na obtenção de hidrogénio. Revista de Ciência Elementar, v. 10, n. 2, 2022. Disponível em: https://rce.casadasciencias.org/rceapp/art/2022/025/.
7 AGENCIA SENADO, Brasil tem grande potencial de produção de hidrogênio verde, dizem especialistas https://www12.senado.leg.br/noticias/materias/2023/05/17/brasil-temgrande-potencial-de-producao-de-hidrogenio-verde-dizem-especialistas
8 MANYIKA (et al., 2013, p. 138); Energias renováveis e seu potencial de mudar nossa sociedade https://faberhaus.com.br/energias;renovaveis/#:~:text=%E2%80%9CA%20energia%20renov%C3%A1vel%20%C3%A9%20energia,138
9 BOSH; Energias renováveis; https://www.bosch-industrial.com/pt/pt/comercial-eindustrial/solucoes/energias-renovaveis/#:~:text=A%20sua%20utiliza%C3%A7%C3%A3o%20como%20combust%C3%ADvel,log%C3%ADstica%20e%20gest%C3%A3o%20de%20res%C3%ADduos
10 ALFALAVAL; Catálogo Caldeiras Aalborg; http://montercal.com.br/wp-content/uploads/2013/03/Catalogo-de-Caldeiras-Aalborg.pdf
11 ANDRADE ELIZIÁRIO, S.; LOPES, D. G. Legislação e normas de segurança, para produção e usos do hidrogênio não convencionais. Coleção 2: APLICAÇÃO DO H2VERDE NO MERCADO ed. [s.l: s.n.]. v. VOLUME 3
12 ALVES VASCONCELOS, P. E.; MARAFON, R.; MIYASHIRO JUNIOR, R. Hidrogênio verde como alternativa para a transição energética e a importância do Brasil neste cenário. REVISTA DIREITO DAS POLÍTICAS PÚBLICAS LAW AND PUBLIC POLICY REVIEW, v. 5, n. 1, [s.d.].
13 BRASIL. Lei nº 13.576, de 26 de dezembro de 2017. Dispõe sobre a Política Nacional de Biocombustíveis (RenovaBio) e dá outras providências. Diário Oficial da União, Brasília, DF, 26 dez. 2017.
1Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA. sergio33240258@gmail.com
2Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA. lucasgarciadasilva261@gmail.com
3Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA. felipelipemoreira@gmail.com
4Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA. mariaelisamems@gmail.com
5Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA, Karineferreira10@icloud.com
6Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA
7Universidade Evangélica de Goiás – UniEVANGÉLICA