Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer PSI analisaram quais regiões do mundo poderiam produzir hidrogênio de forma mais econômica para construir uma economia baseada neste transportador de energia alternativa em vez de alternativas baseadas em combustíveis fósseis. Uma de suas descobertas é que simplesmente substituir combustíveis fósseis por eletricidade e hidrogênio não acabará com as emissões de gases de efeito estufa. O estudo está sendo publicado hoje no periódico Comunicações da Natureza.
A Suíça pretende se tornar neutra em termos de clima até 2050. Isso significa que, a partir deste ano, nenhum gás de efeito estufa adicional líquido deve ser liberado na atmosfera para desacelerar as mudanças climáticas. A eletrificação do transporte, da indústria e das residências, ao mesmo tempo em que muda para fontes renováveis de eletricidade, como energia hidrelétrica, eólica e solar, é um dos principais blocos de construção para atingir essa meta. No entanto, a eletricidade não pode ser empregada em todos os lugares como fonte de energia – para aplicações específicas, sua densidade de armazenamento de energia é insuficiente. Quando demandas maiores precisam ser atendidas, o hidrogênio deve aumentar. Aviação, agricultura e indústria siderúrgica, por exemplo, representam aplicações que poderiam reduzir seus impactos climáticos em muito usando hidrogênio – às vezes convertido para produzir fertilizantes ou hidrocarbonetos sintéticos.
Os pesquisadores, liderados pelo autor principal Tom Terlouw e pelo líder do projeto Christian Bauer do Laboratório de Análise de Sistemas de Energia do PSI, coletaram dados geográficos e econômicos e previsões para descrever o desenvolvimento de uma economia de hidrogênio em quatro cenários diferentes. Dependendo do cenário, eles preveem que a demanda por hidrogênio ficará entre 111 e 614 megatoneladas por ano em 2050. No primeiro cenário, o mundo continua com os negócios como de costume, ainda dependendo de combustíveis fósseis. No quarto e mais otimista cenário, ele adota medidas rigorosas de proteção climática e é capaz de atingir a meta de 1,5 grau. No momento, aproximadamente 90 megatoneladas de hidrogênio são produzidas em todo o mundo a cada ano.
Onde há espaço suficiente para eletrólise?
O hidrogênio pode ser produzido por vários processos. A reforma do metano a vapor, na qual o elemento é extraído do gás natural, petróleo ou carvão – ou seja, combustíveis fósseis – sob condições de alta pressão e temperatura, é atualmente o método dominante. Os cenários mais otimistas assumem que os eletrolisadores PEM serão cada vez mais usados. Esses dispositivos usam eletricidade e uma membrana de eletrólito de polímero para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Se apenas eletricidade verde de fontes renováveis for usada, o processo pode ser executado sem combustíveis fósseis. Ele produz até 90% menos gases de efeito estufa do que a reforma do metano a vapor.
A questão central, no entanto, era em quais partes do mundo o hidrogênio deveria ser produzido usando essa tecnologia. “Nós aplicamos principalmente critérios econômicos”, diz Tom Terlouw, “em outras palavras, nós olhamos onde a produção seria mais barata.” Dois fatores se mostraram decisivos: Onde a enorme demanda por eletricidade verde necessária para eletrólise pode ser atendida de forma mais eficiente – graças a uma abundância de fontes alternativas de energia, como eólica e solar? E onde há terra adequada o suficiente para construir as instalações de produção necessárias?
O Canadá é ideal, a Suíça nem tanto
Grandes partes do Canadá, por exemplo, acabaram se tornando uma das melhores regiões para a futura produção de hidrogênio. “Há muitos espaços abertos que são muito ventosos e, portanto, ideais para instalar turbinas eólicas”, diz Terlouw. “Além disso, há bastante água ao redor e a situação política é estável – embora não tenhamos considerado esses dois critérios em grandes detalhes em nosso estudo. Mas, é claro, a disponibilidade de água para eletrólise também desempenha um papel, assim como a questão de se o país em questão é um do qual o hidrogênio pode ser importado de forma confiável.”
Deixando de lado esses critérios, o centro dos Estados Unidos também oferece boas condições, assim como partes da Austrália, do Saara, do norte da China e do noroeste da Europa. Seja porque há muito sol para energia solar ou muito vento e espaços abertos para a construção de turbinas eólicas – e fábricas de hidrogênio. Os países industrializados da Europa Central, como a Suíça ou a Alemanha, são menos adequados para a produção de hidrogênio porque quase nenhuma terra está disponível para turbinas eólicas, e os níveis de radiação solar são relativamente baixos. Outras regiões e países densamente povoados, como o Japão ou grandes áreas costeiras dos EUA e da China, só poderiam produzir hidrogênio a um custo comparativamente alto. “Identificamos uma certa discrepância entre regiões com alta demanda por hidrogênio e regiões com alta capacidade de produzi-lo eficientemente”, conclui Terlouw. Uma economia de hidrogênio teria que superar essa discrepância por meio do comércio global, mas isso requer energia adicional – bem como cooperação política. Em última análise, os requisitos de energia surgem porque o hidrogênio é geralmente transportado como um composto – por exemplo, na forma de amônia ou metanol. O volume do gás puro é muito grande, enquanto a forma líquida, muito mais compacta, requer resfriamento intenso.
As desvantagens ecológicas do hidrogênio verde
O estudo também analisa outros efeitos colaterais ambientais de uma potencial economia de hidrogênio, que são frequentemente ignorados pelo público. “Primeiramente, é importante enfatizar que mesmo uma economia de hidrogênio funcional continuará a produzir emissões residuais de gases de efeito estufa”, diz Terlouw. O estudo coloca essas emissões residuais em quase uma gigatonelada de CO2 equivalentes por ano. As emissões totais estão atualmente em torno de 40 gigatoneladas. “Não será possível reduzir o impacto climático a zero”, confirma Christian Bauer.
Isso ocorre principalmente porque a produção e a distribuição de hidrogênio estão associadas a emissões. Por um lado, estima-se que 2,5% do hidrogênio seja liberado na atmosfera por meio de vazamentos, por meio dos quais o próprio hidrogênio atua indiretamente como um gás de efeito estufa, promovendo a formação de gases de efeito estufa potentes, como metano e ozônio. Por outro lado, os sistemas de eletrólise exibem as chamadas emissões incorporadas, que ocorrem durante a produção e o transporte dos materiais necessários, mesmo que os sistemas finais funcionem com eletricidade verde. “Muitos dos sistemas e máquinas usados em uma economia de hidrogênio são fabricados em países onde, no futuro previsível, sua produção dependerá amplamente de combustíveis fósseis”, relata Terlouw. “A maioria dos painéis solares vem da China hoje em dia, por exemplo, onde a maior parte da eletricidade ainda é produzida por usinas de energia a carvão.”
Qualquer pessoa que leve a sério a ideia de se tornar neutra em termos de clima precisa compensar essas emissões residuais capturando e removendo quantidades equivalentes de dióxido de carbono da atmosfera. Tecnologias como a captura direta de ar, na qual equipamentos especiais removem CO2 do ar, poderia ser usado para esse propósito. Ou reflorestamento, onde plantar árvores adicionais prende certas quantidades de carbono do ar.
Materiais críticos
De acordo com Terlouw e Bauer, outros efeitos ambientais de uma economia de hidrogênio também precisam ser levados em consideração além do seu impacto em nosso clima. As máquinas e sistemas usam uma variedade de materiais que são prejudiciais ao próprio meio ambiente ou cuja produção é prejudicial ao meio ambiente. As turbinas eólicas, por exemplo, contêm ímãs permanentes baseados em terras raras, metais cuja extração na China não atende aos padrões ambientais europeus. O catalisador usado na eletrólise PEM é o irídio, um metal que é considerado problemático simplesmente porque é muito raro. E as grandes quantidades de terra e água necessárias para produzir hidrogênio também podem constituir um fator ambiental negativo.
“Por último, mas não menos importante, há a grande questão da aceitação social”, como Tom Terlouw aponta. “As pessoas aceitarão que paisagens costeiras sejam ocupadas por grandes usinas de produção de hidrogênio, por exemplo?” Em áreas com escassez de água, antes de ser eletrolisada, a água do mar teria que ser dessalinizada, o que requer energia e terra adicionais. “No estudo atual, ainda não levamos esses fatores em consideração”, admite Christian Bauer. “Mais estudos estão por vir. Queremos apontar possíveis meios de alcançar a transição energética. Se vamos prosseguir com eles, e quão rigorosamente o faremos, é, em última análise, uma questão sociopolítica.”
