O que é hidrogênio verde e por que precisamos dele

É o momento certo para explorar o potencial do hidrogênio para desempenhar um papel fundamental no enfrentamento dos desafios energéticos críticos. Os sucessos recentes das tecnologias de energia renovável e dos veículos elétricos mostraram que a política e a inovação tecnológica têm o poder de construir indústrias globais de energia limpa.

O hidrogênio está surgindo como uma das principais opções para armazenar energia de fontes renováveis ​​com combustíveis à base de hidrogênio, potencialmente transportando energia de fontes renováveis ​​por longas distâncias – de regiões com recursos energéticos abundantes a áreas com fome de energia a milhares de quilômetros de distância.

O hidrogênio verde foi destaque em várias promessas de redução de emissões na Conferência do Clima da ONU, COP26, como um meio de descarbonizar a indústria pesada, frete de longa distância, transporte e aviação. Os governos e a indústria reconheceram o hidrogênio como um importante pilar de uma economia líquida zero.

A Catapulta de Hidrogênio Verde, uma iniciativa das Nações Unidas para reduzir o custo do hidrogênio verde anunciou que está quase dobrando sua meta para eletrolisadores verdes de 25 gigawatts definidos no ano passado para 45 gigawatts até 2027. A Comissão Europeia adotou um conjunto de medidas legislativas propostas para descarbonizar o mercado de gás da UE, facilitando a absorção de gases renováveis ​​e com baixo teor de carbono, incluindo o hidrogénio, e para garantir a segurança energética de todos os cidadãos da Europa. Os Emirados Árabes Unidos também estão aumentando a ambição, com a nova estratégia de hidrogênio do país visando manter um quarto do mercado global de hidrogênio de baixo carbono até 2030 e o Japão anunciou recentemente que investirá US$ 3,4 bilhões de seu fundo de inovação verde para acelerar pesquisa e desenvolvimento e promoção do uso do hidrogênio nos próximos 10 anos.

Você pode encontrar os termos 'cinza', 'azul', 'verde' associados ao descrever tecnologias de hidrogênio. Tudo se resume à forma como é produzido. O hidrogênio emite apenas água quando queimado, mas criá-lo pode ser intensivo em carbono. Dependendo dos métodos de produção, o hidrogênio pode ser cinza, azul ou verde – e às vezes até rosa, amarelo ou turquesa. No entanto, o hidrogênio verde é o único tipo produzido de maneira neutra em relação ao clima, tornando fundamental atingir o zero líquido até 2050.

Pedimos ao Dr. Emanuele Taibi, Head of Power Sector Transformation Strategies, International Renewable Energy Agency (IRENA), que explicasse o que é o hidrogênio verde e como ele pode abrir caminho para as emissões líquidas zero. Ele está atualmente baseado no Centro de Inovação e Tecnologia IRENA em Bonn, Alemanha, onde é responsável por auxiliar os Países Membros na elaboração de estratégias para a transformação do setor de energia, e atualmente gerencia o trabalho de flexibilidade do sistema de energia, hidrogênio e armazenamento como chave facilitadores da transição energética. O Dr. Taibi também é co-curador da plataforma de Inteligência Estratégica do Fórum Econômico Mundial, onde sua equipe desenvolveu o mapa de transformação do hidrogênio.

Tecnologias de hidrogênio verde

O que o motivou a desenvolver sua expertise em tecnologias de energia e como seu trabalho na IRENA contribui para isso?

Foi durante a minha tese de mestrado. Fiz um estágio na Agência Nacional Italiana de Energia e Meio Ambiente (ENEA), onde aprendi sobre desenvolvimento sustentável e energia, e o nexo entre os dois. Escrevi minha tese em engenharia de gestão sobre isso e decidi que essa era a área onde eu queria focar minha vida profissional. Com quase 20 anos de experiência em energia e cooperação internacional, doutorado em Tecnologia da Energia e tempo gasto no setor privado, pesquisa e agências intergovernamentais, atualmente lidero a equipe de transformação do setor de energia na IRENA desde 2017.

Meu trabalho na IRENA é contribuir, com minha equipe e em estreita cooperação com colegas de toda a agência e parceiros externos, como o Fórum Econômico Mundial, no apoio aos nossos 166 países membros na transição energética, com foco no fornecimento de eletricidade renovável e seus usam para descarbonizar o setor de energia por meio de elétrons verdes e moléculas verdes como o hidrogênio e seus derivados.

O que é hidrogênio verde? Como ele difere do hidrogênio 'cinza' e do hidrogênio azul com emissões intensivas tradicionais?

O hidrogênio é o elemento mais simples e menor da tabela periódica. Não importa como é produzido, acaba com a mesma molécula livre de carbono. No entanto, os caminhos para produzi-lo são muito diversos, assim como as emissões de gases de efeito estufa, como dióxido de carbono (CO2) e metano (CH4).

O hidrogênio verde é definido como o hidrogênio produzido pela divisão da água em hidrogênio e oxigênio usando eletricidade renovável. Este é um caminho muito diferente em comparação com o cinza e o azul.

O hidrogênio cinza é tradicionalmente produzido a partir de metano (CH4), dividido com vapor em CO2 – o principal culpado pelas mudanças climáticas – e H2, hidrogênio. O hidrogênio cinza tem sido cada vez mais produzido também a partir do carvão, com emissões de CO2 significativamente mais altas por unidade de hidrogênio produzida, tanto que muitas vezes é chamado de hidrogênio marrom ou preto em vez de cinza. Hoje é produzido em escala industrial, com emissões associadas comparáveis ​​às emissões combinadas do Reino Unido e da Indonésia. Não tem valor de transição de energia, muito pelo contrário.

O hidrogênio azul segue o mesmo processo do cinza, com as tecnologias adicionais necessárias para capturar o CO2 produzido quando o hidrogênio é separado do metano (ou do carvão) e armazená-lo por longo prazo. Não é uma cor, mas sim uma gradação muito ampla, pois nem 100% do CO2 produzido pode ser capturado e nem todos os meios de armazenamento são igualmente eficazes a longo prazo. O ponto principal é que capturando grande parte do CO2, o impacto climático da produção de hidrogênio pode ser reduzido significativamente.

Existem tecnologias (ou seja, pirólise de metano) que prometem altas taxas de captura (90-95 por cento) e armazenamento eficaz a longo prazo do CO2 na forma sólida, potencialmente muito melhor do que o azul que merecem sua própria cor no " arco-íris taxonomia de hidrogênio", hidrogênio turquesa. No entanto, a pirólise do metano ainda está em fase piloto, enquanto o hidrogênio verde está aumentando rapidamente com base em duas tecnologias-chave - energia renovável (em particular de energia solar fotovoltaica e eólica, mas não apenas) e eletrólise.

Ao contrário da energia renovável, que é a fonte de eletricidade mais barata na maioria dos países e regiões hoje, a eletrólise para a produção de hidrogênio verde precisa aumentar significativamente e reduzir seu custo em pelo menos três vezes na próxima década ou duas. No entanto, ao contrário do CCS e da pirólise de metano, a eletrólise está comercialmente disponível hoje e pode ser adquirida emvários fornecedores internacionais agora.

Soluções de energia de hidrogênio verde

Quais são os méritos das soluções de transição energética para uma economia de hidrogênio 'verde'? Como poderíamos fazer a transição para uma economia de hidrogênio verde de onde estamos atualmente com hidrogênio cinza?

O hidrogênio verde é uma peça importante da transição energética. Não é o próximo passo imediato, pois primeiro precisamos acelerar ainda mais a implantação de eletricidade renovável para descarbonizar os sistemas de energia existentes, acelerar a eletrificação do setor de energia para alavancar a eletricidade renovável de baixo custo, antes de finalmente descarbonizar setores difíceis de eletrificar – como indústria pesada, transporte e aviação – através do hidrogênio verde.

É importante notar que hoje produzimos uma quantidade significativa de hidrogênio cinza, com altas emissões de CO2 (e metano): a prioridade seria começar a descarbonizar a demanda de hidrogênio existente, por exemplo, substituindo a amônia do gás natural por amônia verde.

Estudos recentes provocaram um debate sobre o conceito de hidrogênio azul como combustível de transição até que o hidrogênio verde se torne competitivo em termos de custos. Como o hidrogênio verde se tornaria competitivo em termos de custo em relação ao hidrogênio azul? Que tipo de investimentos estratégicos precisam ocorrer no processo de desenvolvimento de tecnologia?

O primeiro passo é fornecer um sinal para que o hidrogênio azul substitua o cinza, pois sem um preço para a emissão de CO2, não há viabilidade de negócios para as empresas investirem em sistemas complexos e caros de captura de carbono (CCS) e armazenamentos geológicos de CO2. Uma vez que a estrutura seja tal que o hidrogênio de baixo carbono (azul, verde, turquesa) seja competitivo com o hidrogênio cinza, então a questão é: devemos investir em CCS se o risco é ter ativos ociosos e em quanto tempo o verde se tornará mais barato do que azul.

É claro que a resposta será diferente dependendo da região. Em um mundo net zero, um objetivo com o qual cada vez mais países estão se comprometendo, as emissões restantes do hidrogênio azul teriam que ser compensadas com emissões negativas. Isso terá um custo. Paralelamente, os preços do gás têm estado muito voláteis ultimamente, deixando o preço do hidrogênio azul altamente correlacionado ao preço do gás e exposto não apenas à incerteza do preço do CO2, mas também à volatilidade do preço do gás natural.

Para o hidrogênio verde, no entanto, podemos testemunhar uma história semelhante à da energia solar fotovoltaica. É intensivo em capital, portanto, precisamos reduzir o custo de investimento, bem como o custo do investimento, por meio da ampliação da fabricação de tecnologias renováveis ​​e eletrolisadores, ao mesmo tempo em que criamos uma saída de baixo risco para reduzir o custo de capital para investimentos em hidrogênio verde. Isso levará a um custo estável e decrescente do hidrogênio verde, em oposição a um custo volátil e potencialmente crescente do hidrogênio azul.

As tecnologias de energia renovável atingiram um nível de maturidade já hoje que permite a geração competitiva de eletricidade renovável em todo o mundo, um pré-requisito para a produção competitiva de hidrogênio verde. Os eletrolisadores, no entanto, ainda são implantados em escala muito pequena, precisando de uma escala de três ordens de magnitude nas próximas três décadas para reduzir seu custo em três vezes.

Hoje, o pipeline de projetos de hidrogênio verde está a caminho de reduzir pela metade o custo do eletrolisador antes de 2030. Isso, combinado com grandes projetos localizados onde estão os melhores recursos renováveis, pode levar o hidrogênio verde competitivo a estar disponível em escala no próximo {{1 }} anos. Isso não deixa muito tempo para o hidrogênio azul – ainda em estágio piloto hoje – escalar de piloto para escala comercial, implantar projetos complexos (por exemplo, armazenamento geológico de CO2 de longo prazo) em escala comercial e custo competitivo e recuperar os investimentos feitos na próximos 10-15 anos.

Vários governos já incluíram tecnologias de combustível de hidrogênio em suas estratégias nacionais. Dadas as crescentes demandas de transição para a descarbonização da economia e tecnologias de habilitação com taxas mais altas de captura de carbono, qual seria seu conselho para os formuladores de políticas e tomadores de decisão que estão avaliando os prós e contras do hidrogênio verde?

Precisaremos de hidrogênio verde para atingir emissões líquidas zero, em particular para a indústria, transporte e aviação. No entanto, o que precisamos com mais urgência é:

1) eficiência energética;

2) eletrificação;

3) crescimento acelerado da geração de energia renovável.

Uma vez que isso é alcançado, ficamos com ca. 40% da demanda seja descarbonizada, e é aí que precisamos de hidrogênio verde, bioenergia moderna e uso direto de energias renováveis. Assim que ampliarmos ainda mais a energia renovável para descarbonizar a eletricidade, estaremos em posição de expandir ainda mais a capacidade de energia renovável para produzir hidrogênio verde competitivo e descarbonizar setores difíceis de reduzir a um custo extra mínimo.

Onde você vê as tecnologias de energia relacionadas ao hidrogênio evoluindo até 2030? Poderíamos antecipar veículos comerciais movidos a hidrogênio?

Vemos a oportunidade de rápida absorção de hidrogênio verde na próxima década, onde a demanda por hidrogênio já existe: amônia descarbonizada, ferro e outras commodities existentes. Muitos processos industriais que usam hidrogênio podem substituir o cinza por verde ou azul, desde que o CO2 tenha um preço adequado ou outros mecanismos para a descarbonização desses setores sejam implementados.

Para transporte e aviação, a situação é um pouco diferente. Combustíveis drop-in, baseados em hidrogênio verde, mas essencialmente idênticos ao combustível de aviação e ao metanol produzido a partir do petróleo, podem ser usados ​​em aviões e navios existentes, com o mínimo ou nenhum ajuste. No entanto, esses combustíveis contêm CO2, que deve ser capturado de algum lugar e adicionado ao hidrogênio, para ser liberado novamente durante a combustão: isso reduz, mas não resolve o problema das emissões de CO2. Os combustíveis sintéticos podem ser implantados antes de 2030, se os incentivos certos estiverem em vigor para justificar o custo extra de emissões reduzidas (não eliminadas).

Nos próximos anos, os navios poderão mudar para a amônia verde, combustível produzido a partir de hidrogênio verde e nitrogênio do ar, que não contém CO2, mas serão necessários investimentos para substituir motores e tanques, e a amônia verde é atualmente muito mais cara do que óleo combustível.

Os aviões de hidrogênio (ou amônia) estão mais distantes, e serão essencialmente aviões novos que terão de ser projetados, construídos e vendidos às companhias aéreas para substituir os aviões a jato existentes – claramente inviáveis ​​até 2030: nesse sentido, jatos verdes combustível – produzido com uma combinação de hidrogênio verde e bioenergia sustentável – é uma solução que pode ser implantada no curto prazo.

Em conclusão, as principais ações para acelerar a descarbonização entre agora e 2030 são 1) eficiência energética 2) eletrificação com energias renováveis ​​3) rápida aceleração da geração de energia renovável (que reduzirá ainda mais o já baixo custo da eletricidade renovável) 4) expansão de energia sustentável , bioenergia moderna, precisava - entre outros - produzir combustíveis verdes que requerem CO2 5) descarbonização do hidrogênio cinza com hidrogênio verde, o que traria escala e reduziria o custo da eletrólise, tornando o hidrogênio verde competitivo e pronto para mais aumentar na década de 2030, em direção ao objetivo de atingir zero emissões líquidas até 2050.

O Fórum Econômico Mundial é um defensor de longa data da agenda do hidrogênio limpo desde 2017, tendo ajudado, entre outros, com a criação do Conselho de Hidrogênio, o estabelecimento de um Hydrogen Innovation Challenge em parceria com a Mission Innovation e a criação, juntamente com o Comissão de Transições de Energia, da plataforma Missão Possível para ajudar na transição de setores difíceis de reduzir para emissões líquidas zero até 2050. Leia mais sobre a Iniciativa de Aceleração do Hidrogênio Limpo aqui.