Hidrogénio Verde: A nova energia limpa

POR Mário Ribeiro

Aposta do futuro

A nova energia limpa

É o elemento mais abundante do Universo e lembramo-nos de o encontrar no topo da tabela periódica. Das aulas de química, recordamos que, por ter só um eletrão, junta-se com facilidade aos outros elementos. Ficámos também a saber que não é possível encontrá-lo isolado no nosso planeta, não sendo, portanto, uma fonte primária, mas sim um transportador de energia tal como a eletricidade, o que exige consumo de energia para o obter isolado. Trata-se do hidrogénio, que é um gás muito leve à temperatura e pressão normal e que tem o menor conteúdo em energia por volume mas o maior conteúdo em energia por peso, comparado com os combustíveis mais comuns.

Até há pouco tempo, na sua forma combinada com carbono, permitiu que houvesse “desenvolvimento”, ainda que à custa da transferência de quantidades maciças de hidrocarbonetos do subsolo, transformados em dióxido de carbono que foi parar à atmosfera.

Recentemente, o cenário mudou. Surgiu uma nova forma, considerada revolucionária por alguns, de utilizar o enorme potencial energético do hidrogénio, desta vez sem estar associado ao carbono. Esse potencial permite dar resposta às necessidades básicas da humanidade, produzir calor ou, aproveitando a energia resultante da separação do eletrão na molécula do hidrogénio, utilizar como eletricidade para os fins de mobilidade, aquecimento, mas também para a nova necessidade humana de conectividade, entre outras.

Trata-se de uma forma de utilização que coloca desafios bem definidos, mas perfeitamente ao alcance do conheci- mento técnico e das diversas ferramentas de que atualmente dispomos.

Formas de utilização do hidrogénio

A queima do hidrogénio é um processo bem conhecido, também por libertar principalmente vapor de água e não libertar dióxido de carbono. Contudo, devido à elevada velocidade da frente de chama na queima de hidrogénio no ar (300 cm/s para 30 cm/s para o meta- no), atingem-se temperaturas mais altas que favorecem o aparecimento local de óxidos de azoto (NOx).

Existem formas em desenvolvimento de minorar este aparecimento do NOx. Também são já bem conhecidas as condições de segurança para realizar a combustão do hidrogénio. Isto porque este elemento tem um intervalo alargado de inflama- bilidade quando misturado com ar (vai dos 4% aos 75% de mistura com o ar), ou seja, é muito fácil iniciar a combustão de hidrogénio numa mistura com ar nestas proporções. A energia a fornecer para iniciar o processo de combustão nestas condições é reduzida, portanto fácil.

Outra forma bem conhecida de utilização do hidrogénio é para obtenção de amoníaco, neste caso unindo o hidrogénio ao azoto (o ar que respiramos é composto por cerca de 79% de azoto). Este é utilizado atualmente em muitas indústrias: na farmacêutica, na agricultura como fertilizante, como fluido refrigerante em refrigeração industrial, no fabrico da pasta do papel substituindo o cálcio, nos processos de obtenção de semicondutores, entre outras.

O hidrogénio é ainda muito importante na redução da quantidade de enxofre durante a refinação do petróleo para obtenção dos combustíveis de origem fóssil que ainda utilizamos.

Percebe-se, assim, que o hidrogénio é um elemento que o engenho humano foi adaptando às suas necessidades, usando-o de muitas e variadas formas, mas sempre associado a outros elementos. Daí que os principais desafios técnicos colocados a esta nova utilização do hidrogénio como combustível sejam desafios para os quais existem já diversas metodologias, experimentadas em diferentes indústrias e aplicações. No entanto, será necessário gerir bem esta mudança.

A IMPORTÂNCIA DE ARMAZENAR HIDROGÉNIO

A capacidade de armazenar energia é um fator da maior relevância para a sustentabilidade de um sistema energético, tornando-o mais eficiente. Só desta forma conseguimos anular a intermitência e a imprevisibilidade das fontes de energia renovável. Poderemos dizer que está ao mesmo nível de importância da própria geração.
Existem, neste momento, várias tecnologias para o executar (ver gráfico, Joakim Andersson/ Stefan Grönkvist).

Este armazenamento pode ser feito pela liquefação do hidrogénio, pelo arrefecimento, pela compressão, adsorção ou armazenagem química (hidretos). Além disso, o hidrogénio pode ser armazenado por longos períodos, existindo assim a possibilidade de termos grandes quantidades de energia disponíveis nas fases de maior necessidade.
A investigação em tecnologias menos comuns (adsorção e hidretos) é de grande importância para o sucesso na utilização das renováveis e para se poder atingir os objetivos “verdes” pretendidos.

Rodrigo Cunha

Engenharia ao serviço da nova utilização do hidrogénio

As formas de utilização do hidrogénio no futuro próximo recorrerão a tecnologia conhecida, pelo que irão ser necessárias adaptações, mudanças e avaliações quanto à sua sustentabilidade a médio prazo.

O ISQ participou já em projetos de investigação para a utilização do hidrogénio, como o projeto Naturalhy e o projeto SyM. Além disso, o ISQ integra o laboratório colaborativo para o hidrogénio verde (HyLAB), em que participam os principais players nacionais neste tema. Tem também experiência na realização de diversos serviços de inspeção e de engenharia com vista à avaliação da integridade nos equipamentos que utilizam, armazenam e transportam hidrogénio ou os seus compostos mais comuns antes referidos em ambiente industrial.

AVALIAÇÃO DA MISTURA DE HIDROGÉNIO E GÁS NATURAL NA REDE EUROPEIA

A possibilidade de transportar uma mistura de hidrogénio com gás natural através da própria rede de gás natural foi posta em prática, assumindo-se desde logo como um projeto pioneiro em Portugal e na Europa. Esta é uma forma de disponibilizar aos consumidores europeus um combustível competitivo que, a longo prazo, irá garantir uma menor dependência dos países da Europa em relação ao petróleo e ao gás natural.

O ISQ participou no projeto NaturalHY, que investigou os efeitos da introdução de misturas de hidrogénio com gás natural para transporte na rede europeia de gás natural. Este programa teve especial incidência nas componentes de avaliação de materiais, metodologias de inspeção, de análise de risco na sua utilização, de avaliação do ciclo de vida e da adequação das instalações existentes à introdução de misturas de gás natural com hidrogénio. Tendo decorrido entre 2004 e 2009, contou com 39 entidades, importantes operadores energéticos (Gasunie, Gaz de France, Total) e diversos parceiros tecnológicos europeus.

Para contribuir para as soluções que será necessário colocar ao dispor dos operadores e utilizadores em condições adequadas e seguras, promovendo e explorando as sinergias existentes ou a desenvolver pelas diferentes entidades, o ISQ dispõe de competências e conhecimento adquiridos ao longo dos anos no apoio aos diversos players na indústria da energia. Estes passam pelo know-how em matéria de sustentabilidade, materiais e fiabilidade, sensorização e algoritmos, tratamento de dados, metodologias de garantia de qualidade para a enorme quantidade de dados que os novos sistemas irão gerar e que terão de ser analisados.

O ISQ dispõe também de competências em avaliação de risco e segurança, formação e qualificação, garantia e controlo de qualidade, suporte regulamentar e aos licenciamentos, entre outras áreas técnicas de engenharia, como a aplicação de metodologias de fiabilidade (por exemplo, a gestão da mudança), que permitem maximizar a disponibilidade das instalações e dos sistemas na abordagem às alterações necessárias que terão de ocorrer nas mais diversas instalações.

É claro que a utilização em larga escala e para variadas aplicações do hidrogénio exige que sejam testadas e experimentadas todas as novas condições em que este vai ser usado. Será também necessário antecipar todas as situações mais perigosas que possam surgir, prevenindo-as, e desenvolver soluções para mitigar os efeitos e as potenciais consequências da sua operação e utilização. Será um campo de aplicação por excelência das metodologias de melho- ria contínua e de gestão da mudança, de forma que se defina inequivocamente as condições rigorosas que a mudança terá de respeitar, para que todo o processo decorra com normalidade, segurança e com o envolvimento de todos os intervenientes e de todas as partes interessadas.

SINES COMO POSSÍVEL UNIDADE DE PRODUÇÃO DE HIDROGÉNIO

Sendo praticamente certa a desativação da central termoelétrica a carvão de Sines, abre-se a possibilidade de aproveitar o espaço e as respetivas instalações para criar uma unidade de produção de hidrogénio em grande escala. Embora não tenham sido divulgadas indicações claras quanto a esta possibilidade, é, contudo, certo que Sines poderá ser um ponto privilegiado para a instalação de um cluster de hidrogénio, sendo a localização de um dos pilares propostos no Hylab. No entanto, com a tecnologia atual, a utilização da água do mar não será a forma mais eficiente para obtenção de hidrogénio.

Esforço à escala global

Existe um grande esforço internacional na Europa, na América do Norte e na Oceânia para aproveitar os conhecimentos sobre materiais e processos operacionais adquiridos ao longo das últimas décadas e desenvolvê-los, es- tendendo-os às aplicações do hidrogénio no curto e médio prazo. É um esforço que se pretende rápido e para o qual se juntam os conhecimentos de diver- sos especialistas de todo o mundo.

Em Portugal, conta-se com a participação do ISQ, através da Comissão Técnica do IPQ n.º 203 — “Gás natural, biometano, hidrogénio, outros gases de origem renovável e suas misturas”, cujo âmbito é a qualidade do gás natural, as suas misturas com os gases renováveis e as tecnologias associadas, para a gestão da integridade e segurança nas diferentes infraestruturas, tendo como objetivo a adaptação às alterações climáticas”.

HIDROGÉNIO

ISQ NO CONSÓRCIO H2 CoLAB GREEN HYDROGEN

COMPOSTO POR INSTITUIÇÕES ACADÉMICAS, CIENTÍFICAS E GRANDES PLAYERS TECNOLÓGICOS, ESTE CONSÓRCIO VISA SER UM CENTRO DE REFERÊNCIA CIENTÍFICA E TECNOLÓGICA

O ISQ integra o consórcio do H2 CoLAB Green Hydrogen, que visa o desenvolvimento de soluções de conteúdo científico e tecnológico relevante, bem como a promoção da economia do hidrogénio, permitindo a sua disseminação e uso generalizado, em segurança e a custos eficientes. O consórcio H2 CoLAB Green Hydrogen é composto por instituições académicas, científicas e grandes players tecnológicos que, globalmente, reúnem de forma articulada as competências mais relevantes e transversais na cadeia de valor do H2. Desta forma, será possível assegurar o sucesso do H2 CoLAB Green Hydrogen e torná-lo um centro de referência científica e tecnológica para desenvolver as soluções mais adequadas atuais, e garantir a sua liderança tecnológica.

Na Europa, existem diversos grupos de trabalho que interessa acompanhar, pois reúnem muito conhecimento e determinarão alguns dos principais requisitos para as infraestruturas do hidrogénio. Destacam-se o “CEN/CLC/ JTC 6 — Hydrogen in energy systems” e o “CEN/TC 234 — Gas infrastrtucture”, embora existam outros que, de forma mais discreta, adicionam conhecimento e experiência sobre a utilização do hidrogénio nas infraestruturas existentes.

É possível que o principal desafio seja orientar e congregar todo o conhecimento existente para que seja disponibilizado à comunidade e utilizado exaustivamente para rapidamente podermos utilizar o hidrogénio e melhorar o ambiente na nossa casa comum.