DETERMINING FACTORS FOR THE USE OF GREEN HYDROGEN IN ELECTRICITY GENERATION TO BE ECONOMICALLY VIABLE
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/dt10202506172049
Erico Ronalth Miranda Barros1
Edvan Carneiro Almeida2
RESUMO
Hidrogênio é uma fonte de energia ideal, pois, desde a sua produção até a transformação final o impacto ambiental é baixo por ser uma fonte renovável e limpa. Em razão do seu processo de transformação ser um ciclo químico fechado que não gera gases do efeito estufa. Portanto, este trabalho tem a seguinte questão de pesquisa: Quais os fatores determinantes para que a utilização do hidrogênio verde na geração de energia elétrica seja economicamente viável? Esse trabalho contribuirá para aumentar a compreensão de como integrar o hidrogênio verde na matriz energética de maneira economicamente sustentável ao analisar os fatores determinantes. Como o objeto do estudo é identificar na literatura atual, os fatores que determinam a viabilidade econômica do uso do hidrogênio para a geração de energia elétrica, essa pesquisa é uma análise bibliográfica de caráter exploratório através de artigos publicados em revistas científicas. Para limitar a quantidade de publicações a serem pesquisadas e analisadas, os termos de pesquisa ficam limitados a “Produção de hidrogênio verde”, “Planta de hidrogênio verde”, “green hydrogen plant”, “custo do hidrogênio verde” e “amônia para transportar hidrogênio”. Através do estudo, foram identificados seis fatores determinantes para que a utilização do hidrogênio verde na geração de energia elétrica seja economicamente viável. Os fatores são a redução de custo, o aumento do uso das fontes renováveis, os incentivos para a adoção de hidrogênio verde, a melhoria tecnológica, a melhoria nas opções de transporte do hidrogênio e a melhoria nas opções de armazenagem do hidrogênio.
Palavras-Chave: Hidrogênio Verde. Energia Elétrica. Meio Ambiente.
ABSTRACT
Hydrogen is an ideal source of energy, because from its production to its final transformation, the environmental impact is low because it is a renewable and clean source. Because its transformation process is a closed chemical cycle that does not generate greenhouse gases. Therefore, this work has the following research question: What are the determining factors for the use of green hydrogen in the generation of electricity to be economically viable? This work will contribute to increasing the understanding of how to integrate green hydrogen into the energy mix in an economically sustainable way by analyzing the driving factors. As the object of the study is to identify in the current literature the factors that determine the economic feasibility of the use of hydrogen for the generation of electricity, this research is a bibliographic analysis of an exploratory character through articles published in scientific journals. To limit the number of publications to be searched and analyzed, search terms are limited to “Green hydrogen production,” “Green hydrogen plant,” “green hydrogen plant,” “cost of green hydrogen,” and “ammonia to transport hydrogen.” Through the study, six determining factors were identified for the use of green hydrogen in the generation of electricity to be economically viable. The factors are cost reduction, increased use of renewable sources, incentives for the adoption of green hydrogen, technological improvement, improvement in hydrogen transportation options, and improvement in hydrogen storage options.
Key-words: Green hydrogen. Electrical energy. Environment.
1. INTRODUÇÃO
Existe uma relação direta entre o desenvolvimento econômico e social dos países e o aumento do consumo de energia elétrica, juntamente com o aumento da utilização dos seus recursos naturais para geração de energia, inclusive quando levado em consideração os ganhos tecnológicos gerados por esse desenvolvimento (Ceretta; Cruz, 2020).
O uso de recursos naturais vem gerando uma preocupação global, pois o crescimento do consumo de energia elétrica é necessário, dado o desenvolvimento econômico e social, mas os recursos naturais são limitados e, portanto, a busca por fontes renováveis tem sido cada vez maior (Assunção; Deus, 2022).
De acordo com os dados da International Energy Agency (IEA), em uma comparação feita sobre a utilização das fontes primárias em 1971 e em 2019, observou-se que houve uma grande redução na utilização do petróleo como fonte primária de energia, apesar de um pequeno crescimento do carvão e do gás natural. Além disso, ficou claro que houve um grande crescimento nas denominadas “outras fontes renováveis”, apesar de ainda terem uma baixa representatividade no panorama geral. Contraditoriamente, os dados também mostram que houve uma redução de utilização de “biocombustíveis” como fonte primária (IEA, 2021).
As fontes primárias de geração, quanto à origem, podem ser classificadas em dois grupos: fontes renováveis e fontes não renováveis. Onde, as fontes renováveis são aquelas que têm impacto ambiental mínimo, são elas: hidráulica, solar, eólica, biomassa, biogás, geotérmica e oceânica (Presotto; Talamini, 2021).
Em contrapartida, as fontes não renováveis são aquelas provenientes da utilização de recursos naturais finitos, portanto, apresentam um elevado impacto ambiental, são elas: gás natural, petróleo (e seus derivados), nuclear e carvão (Fogaça, 2022).
Ao mesmo tempo, com relação ao impacto ambiental as fontes primárias podem ser limpas ou sujas. Onde, as fontes limpas são aquelas que não geram gases do efeito estufa em sua utilização, são elas: eólicas, solar, oceânica, geotérmica, hidráulica e nuclear (Prates; Rodrigues, 2020).
Ambientalmente, o Hidrogênio é uma fonte de energia ideal, pois, desde a sua produção até a transformação final o impacto ambiental é baixo por ser uma fonte renovável e limpa. Em razão do seu processo de transformação ser um ciclo químico fechado que não gera gases do efeito estufa (Hosseini; Wahid, 2019).
A técnica mais utilizada para produzir o hidrogênio é a eletrólise da água e a energia utilizada nesse processo, classificará o hidrogênio em cinza, azul e verde. Diferente do hidrogênio cinza e azul que usam o gás natural com e sem sequestro de carbono da atmosfera, respectivamente, o hidrogênio verde utiliza apenas fontes renováveis na sua produção.
Tecnicamente um dos usos possíveis para o hidrogênio verde é a geração de energia elétrica, entretanto, para essa aplicação é necessário que haja justificativa econômica, pois existem várias outras fontes concorrentes. Para essa última, a literatura atual não é clara (Hosseini; Wahid, 2019). Portanto, este trabalho tem a seguinte questão de pesquisa: Quais os fatores determinantes para que a utilização do hidrogênio verde na geração de energia elétrica seja economicamente viável?
Para responder essa questão, é necessário observarmos alguns aspectos como: o panorama atual da produção do hidrogênio verde; os fatores limitantes para utilização do hidrogênio verde como fonte geradora de energia elétrica; e os possíveis usos do hidrogênio verde que contribuirão para a oferta de energia elétrica.
Por conseguinte, nesse artigo é realizado uma análise na literatura atual com vistas a explorar o tema proposto. Vale ressaltar que, para esse trabalho, entende-se por fatores determinantes toda condição que viabilize economicamente a aplicação do hidrogênio verde como fonte primária para geração de energia elétrica. Esses fatores podem ser logísticos, econômicos ou técnicos.
Esse trabalho contribuirá para aumentar a compreensão de como integrar o hidrogênio verde na matriz energética de maneira economicamente sustentável ao analisar os fatores determinantes.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste, está detalhada a fundamentação teórica para os termos utilizados no trabalho. Para facilitar a compreensão, a fundamentação será subdividida em duas partes como segue: 2.1 Fontes primárias de energia, onde são demonstrados os fundamentos relacionados às fontes primárias para geração de energia e as suas classificações. 2.2 Hidrogênio, onde é apresentado os fundamentos teóricos para justificar a utilização do hidrogênio, mais especificamente o verde, para a geração de energia elétrica.
2.1 Fontes primárias de energia
As fontes primárias de energia e seu uso tem se modificado ao longo dos anos (IEA, 2021). De acordo com os dados da International Energy Agency (IEA), em 1971 as fontes tinham a seguinte divisão representativa: carvão 26,1%, petróleo 44,3%, gás natural 16,2%, nuclear 0,5%, hidro 1,9%, biocombustível 10,8% e outras fontes renováveis 0,2% do total da matriz energética (IEA, 2021). Para essa mesma agência, em 2019 a composição da matriz energética mundial (fig.1), em relação a suas fontes primárias, estava com a seguinte composição: carvão 26,8%, petróleo 30,9%, gás natural 23,2%, nuclear 5,0%, hidro 2,5%, biocombustível 9,4% e outras fontes renováveis 2,2% (IEA, 2021).
Fig. 1: Matriz Energética Mundial
Com base nos dados conclui-se que houve uma grande redução na utilização do petróleo como fonte primária de energia, apesar de um pequeno crescimento do carvão e do gás natural (IEA, 2021). Também, houve um grande crescimento nas denominadas “outras fontes renováveis”, apesar de ainda terem uma baixa representatividade no panorama em geral (IEA, 2021). De outro modo, os dados também mostram que houve uma redução de utilização de “biocombustíveis” como fonte primária (IEA, 2021).
Quanto à sua origem, as fontes primárias de geração podem ser classificadas em dois grupos: fontes renováveis e fontes não renováveis (Mauad et al, 2017). Fontes renováveis são aquelas provenientes de ciclos de renovação naturais onde essa recuperação ocorre em tempo reduzido resultando em um impacto ambiental mínimo (Lavezzo, 2016). Nesta categoria estão classificadas as seguintes fontes: hidráulica, solar, eólica, biomassa, biogás, geotérmica e oceânica (Dupont et al, 2015).
Por outro lado, as fontes não renováveis são aquelas provenientes da utilização de recursos naturais finitos ou de renovação de longo prazo, portanto, apresentam um elevado impacto ambiental, são elas: gás natural, petróleo (e seus derivados), nuclear e carvão (Mauad et al, 2017).
No mesmo assunto, outra classificação importante que encontramos na literatura atual é a relacionada ao impacto ambiental na geração de energia, se essa energia é limpa ou não. Entende-se por energia limpa aquela que em sua produção não gera gases do efeito estufa. Estão contidas nessa classificação as seguintes fontes primárias: eólicas, solar, oceânica, geotérmica, hidro e nuclear (FOGAÇA, 2022). Deste modo, o impacto ambiental da energia limpa é limitado ao local onde a planta de geração está instalada (Prates; Rodrigues, 2020).
2.2 Hidrogênio
Do ponto de vista do impacto ambiental, o Hidrogênio é uma fonte de geração de energia ideal, pois, desde a sua produção até a transformação final, tem baixo impacto ambiental, por ser uma fonte renovável e limpa (Brandon; Kurban, 2017). A produção do hidrogênio, em sua maioria, é realizada através da técnica de eletrólise da água (H2O), gerando o hidrogênio (H2) e oxigênio (O) (HOSSEINI; WAHID, 2019). Já na transformação, o resultado da queima do hidrogênio (H2) gera vapor de água (H2O), sendo assim, este é um ciclo químico fechado que não gera gases do efeito estufa (Brandon; Kurban, 2017).
Não obstante, a técnica de eletrólise requer uma quantidade elevada de energia elétrica para que possa ocorrer e de acordo com essa fonte primária de geração de energia, o hidrogênio pode ser classificado em cinza, azul e verde. Entende-se por hidrogênio cinza o que foi produzido por energia elétrica utilizando o gás natural, sem sequestro de carbono, em usinas termoelétricas. No caso do hidrogênio azul o gás natural também é utilizado como fonte primária, porém, neste caso há sequestro de carbono da atmosfera. Contudo, para que o hidrogênio possa ser considerado verde, a fonte primária de energia para eletrólise tem que ser renovável (Hosseini; Wahid, 2019).
O hidrogênio verde tem diversos usos tecnicamente possíveis, dentre eles, a geração de energia elétrica. Todavia, como existem diversas fontes geradoras de energia elétrica é necessário que está aplicação seja, além de viável tecnicamente, tem que ser viável economicamente (Brandon; Kurban, 2017).
3. METODOLOGIA
Como o objeto do estudo é identificar na literatura atual, os fatores que determinam a viabilidade econômica do uso do hidrogênio para a geração de energia elétrica, essa pesquisa é uma análise bibliográfica de caráter exploratório (Soares et al, 2018). A população de estudo são artigos publicados em revistas científicas com classificação Qualis A1, A2, B1 e B2, livros e outras publicações relevantes sobre o assunto dessa pesquisa disponibilizados na internet, a critério do pesquisador.
Para a coleta de dados foram utilizados o Google Acadêmico como ferramenta de localização das fontes. Os instrumentos de coleta de dados adotados neste trabalho são descritos no quadro a seguir.
Quadro 1- Instrumento de coleta de dados.
| Instrumento de coleta de dados | Universo pesquisado | Finalidade do Instrumento |
| Documentos e Publicações | Artigos científicos com classificação qualis A1, A2, B1, B2, livros e outras publicações relevantes a critério do pesquisador. | Identificar, em estudos relevantes, os fatores determinantes para viabilidade econômica do uso do hidrogênio verde para geração de energia elétrica. |
Fonte: elaborado pelo autor, 2024
Para limitar a quantidade de publicações a serem pesquisadas e analisadas, os termos de pesquisa ficam limitados a “Produção de hidrogênio verde”, “Planta de hidrogênio verde”, “green hydrogen plant”, “custo do hidrogênio verde” e “amônia para transportar hidrogênio”.
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Sobre o panorama atual da produção de Hidrogênio verde, segundo a Defiance Etfs (2022) a produção de hidrogênio verde é algo ainda muito recente não só no Brasil, mas no mundo. Poucas são as empresas que atualmente produzem ou estão em vias de produzir em larga escala esse produto. As três empresas, no mundo, mais avançadas são a Linde, Shell e Air Products and Chemicals.
Linde, empresa inglesa, é a mais avançada de todas as três empresas e o maior produtor de hidrogênio cinza, azul e verde do mundo. A empresa tem oitenta plantas de eletrólise espalhadas no mundo todo e está aumentando significativamente os investimentos em produção de hidrogênio. A Linde pretende até 2028 triplicar a sua produção de hidrogênio verde. Além disso, eles estão trabalhando em uma nova planta de 24MW de hidrogênio verde na Noruega (Defiance Etfs, 2022).
A Shell também é um investidor inovador (earlier investor) em hidrogênio verde. Eles têm uma parceria com a startup ITM Power em sua planta de produção. A planta começou a produzir em julho de 2021 com aproximadamente 1300 toneladas de hidrogênio por ano. Não obstante, planeja aumentar a sua produção de 10MW para 100MW, ou seja, um crescimento de dez vezes maior (Defiance Etfs, 2022).
Por último, a empresa Air Products and Chemicals semelhantemente a Linde também é um grande produtor de hidrogênio. Todavia, eles ainda não produzem hidrogênio verde, mas já estão construindo, na Arábia Saudita, uma planta com capacidade de 650 toneladas de hidrogênio verde por dia, com início de operação a partir de 2026 (Defiance Etfs, 2022).
No Brasil, a situação é um pouco diferente. O hidrogênio verde, ainda está em seus passos iniciais, não tendo nenhuma empresa que o produza em larga escala. As melhores previsões dizem que as primeiras unidades de produção de hidrogênio verde em larga escala no Brasil comecem a operar entre o final de 2023 e meados de 2024, segundo o portal Hidrogênio Verde.
Não obstante, o Brasil tem boas perspectivas de se tornar um polo de produção do “combustível do futuro” devido à disponibilidade de fontes renováveis e limpas de energia para o processo de eletrólise da água e geração do hidrogênio verde através de outros meios como a biomassa, que é o refugo do processo de produção de etanol a base de cana-de-açúcar (Abrainc, 2022).
Sobre os fatores limitantes para utilização do hidrogênio verde como fonte geradora de energia elétrica. O hidrogênio, independentemente de ser cinza, azul ou verde, como uma alternativa aos combustíveis fósseis, vem se mostrando muito promissor. Entretanto, fatores como preço, eficiência de produção, distribuição e armazenamento são um desafio para o crescimento desta fonte de energia (Engie, 2020).
O hidrogênio verde é o mais caro de todos os existentes. Cerca de quatro vezes mais caro que o hidrogênio cinza e de duas a três vezes mais caro que o hidrogênio azul (Savenhago, 2022).
Por conseguinte, atualmente esse é o principal fator que limita a adoção dessa tecnologia. Segundo especialistas do setor, é necessário trabalhar em novas tecnologias com o objetivo de reduzir o custo da produção do hidrogênio verde a fim de igualar com o custo do hidrogênio cinza (Silva, 2022). Visto que igualando os preços, esse combustível poderá alcançar definitivamente o posto de substituto dos combustíveis fósseis (Verde, 2022).
Visando a redução de custo de produção, já há estudos e testes de obtenção do hidrogênio verde advindo do biometano. O biometano é proveniente do biogás, mistura de gases resultante de decomposição de materiais orgânicos, como lixo, fezes animais, palhas e restos de vegetais, como o bagaço (World, 2020).
Outro ponto relacionado ao preço é a eficiência de produção, atualmente o processo de eletrólise da água tem uma eficiência de 80%. Portanto, a cada 100kW de energia elétrica aplicada no processo, temos 80kW de energia em hidrogênio verde. A melhoria da eficiência do processo redundará em uma redução de custo do produto final (Engie, 2020).
O portal do hidrogênio Verde (2022), identificou também a distribuição e o armazenamento como fatores limitantes à adoção do hidrogênio verde em larga escala. Isso resulta do fato que o hidrogênio é um gás altamente volátil e inflamável, portanto, armazená-lo ou transportá-lo em altas quantidades é uma operação de grande risco, e, portanto, faz-se necessário tomar ações que dependam de custos extras, reduzindo assim a competitividade do produto final.
Uma forma de se reduzir os perigos quanto a distribuição e o armazenamento, é a diluição do hidrogênio com nitrogênio para formar a amônia verde. A amônia verde (NH3) é o resultado da ligação química de três hidrogênios e um nitrogênio, gerando assim um composto menos inflamável e volátil que o hidrogênio concentrado. Só que nesse ponto, a redução do perigo está ligada ao aumento de custo de produção, visto que, adiciona passos a mais ao processo produtivo (Atilhan et al, 2022).
Por último, sobre os possíveis usos do hidrogênio verde que contribuirão para a oferta de energia elétrica. Nesse quesito identificou-se que o hidrogênio verde é um produto muito novo no mercado, logo, pouco explorado quanto a todas as possibilidades de uso. Não obstante a tecnologia que permite o uso do hidrogênio (em geral) como combustível ser amplamente conhecida. Na atualidade, encontramos na literatura acadêmica e/ou comercial apenas duas formas de uso relacionados ao impacto na oferta de energia elétrica (Chiappini, 2022).
O primeiro e mais interessante é o uso do hidrogênio verde como uma bateria para as fontes renováveis. Como é sabido, as fontes de geração de energia renováveis como solar e eólicas tem muita instabilidade em sua produção, dado que, dependem de fatores naturais que são imprevisíveis. No caso da energia solar, a produção diminui quando uma nuvem passa sobre o parque solar ou então a noite. Por sua vez a energia eólica, tem na variação da velocidade do vento a sua instabilidade (Engie, 2020).
Sendo assim, a ideia da bateria de hidrogênio consiste em colocar uma planta de eletrólise ligada ao parque de geração solar ou eólico, aproveitando os excedentes de energia para gerar hidrogênio verde. O hidrogênio gerado poderá ser usado nos momentos de instabilidade da fonte primária para gerar uma saída constante de energia elétrica para os consumidores (Silva, 2022).
A segunda forma de uso que encontramos é usar o hidrogênio verde como combustível de gerador de energia remoto. Isso é possível nos casos onde o hidrogênio verde é produzido com um custo menor e transportado para uma outra cidade ou até mesmo outro país onde o custo para gerar energia é maior. Assim sendo, o hidrogênio verde é utilizado como combustível que alimenta o gerador de energia elétrica, reduzindo o custo total da energia elétrica (Savenhago, 2022).
Somando as informações anteriores, a literatura traz como o principal fator de sucesso do hidrogênio verde o fato de ser uma fonte limpa e renovável de energia, deste modo, de baixíssimo impacto ambiental. Sendo assim, seus investimentos para aprimorar toda a sua cadeia produtiva e seu uso, está sendo e tende a continuar assim, fortemente incentivado. (Abrainc, 2022).
Retomando o objetivo da pesquisa que é identificar os fatores determinantes para que a utilização do hidrogênio verde na geração de energia elétrica seja economicamente viável. Com base no anteriormente exposto, foram identificados os seguintes fatores determinantes: redução de custo; aumento do uso das fontes renováveis; incentivos para a adoção de hidrogênio verde; melhoria tecnológica; melhoria nas opções de transporte do hidrogênio; melhoria nas opções de armazenagem do hidrogênio.
O primeiro fator é a redução de custo. Esse é o mais importante de todos, pois sem a viabilização econômica do hidrogênio verde fica muito difícil uma adoção em larga escala. O segundo fator está relacionado ao uso das fontes renováveis, principalmente a solar e a eólica, pois conforme dito essas podem ser complementadas por baterias de hidrogênio verde.
Visando a redução global da emissão de carbono, o terceiro fator é igualmente importante, pois pode ajudar muito nos investimentos e promoção do hidrogênio verde e viabilizar financeiramente suas aplicações. Continuando, o quarto fator que pode colaborar com a redução de custo através do aumento da eficiência do processo produtivo é a melhoria tecnológica.
Finalmente, os fatores cinco e seis estão relacionados ao desenvolvimento dos métodos e processos de armazenagem do hidrogênio verde. Essas melhorias têm por objetivo reduzir os riscos das operações com hidrogênio sem aumento de custo, melhorando assim a competitividade das aplicações com esse combustível.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conforme demonstrado na pesquisa, o hidrogênio verde apesar de novo tem uma grande expectativa quanto ao futuro. Visto que, é um combustível limpo e renovável tendo um impacto ambiental muito baixo. No caso das aplicações relacionadas a energia elétrica foram identificadas duas formas, primeiro como bateria para as fontes renováveis e também como combustível para geradores de energia elétrica em locais remotos.
Como pontos de limitação para adoção do hidrogênio em larga escala na atualidade, foram identificadas o preço, eficiência de produção, distribuição e armazenamento. Finalmente, respondendo à questão de pesquisa, “Quais fatores determinantes para que a utilização do hidrogênio verde na geração de energia elétrica seja economicamente viável?” Foram identificados seis fatores determinantes para que a utilização do hidrogênio verde na geração de energia elétrica seja economicamente viável.
Os fatores são: 1- redução de custo; 2- aumento do uso das fontes renováveis; 3- incentivos para a adoção de hidrogênio verde; 4- melhoria tecnológica; 5- melhoria nas opções de transporte do hidrogênio; 6- melhoria nas opções de armazenagem do hidrogênio.
Apesar da utilização do hidrogênio como energia ser amplamente conhecida, porém, nesse momento a sua utilização em larga escala ainda é economicamente inviável.
REFERÊNCIAS
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1Graduando em Engenharia Elétrica pelo Centro Universitário Santo Agostinho, Teresina – Piauí. E-mail: ericoronalth@yahoo.com.br;
2Graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Ceará. Especializado em Gestão de Energia pelo Centro Universitário Dr. Leão Sampaio (2007). Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Piauí. Docente do Centro Universitário Santo Agostinho, Teresina – Piauí. E-mail: edvancarneiro@unifsa.com.br.