Hidrogênio: Vital para a transição energética?
Metas ambiciosas foram definidas para ajudar a desacelerar a mudança climática, com as organizações concordando, na COP26 do ano passado, em alinhar-se para atingir emissões líquidas zero até a metade do século1. A descarbonização está no topo das agendas e grande parte do foco está na transição energética e na captura e armazenamento de carbono (CCS).
Novas formas de produzir energia estão sendo exploradas e o hidrogênio (H2) é uma das principais áreas que estão ganhando impulso. O hidrogênio puro é obtido pela divisão de moléculas, seja por meio de reforma a vapor ou eletrólise2. Uma vez produzido, o H2 pode ser queimado diretamente ou misturado com oxigênio para criar uma célula de combustível, que é como uma bateria, em que o único resíduo é a água (H2O). Com um crescimento de 28% na demanda por hidrogênio na última década, sua popularidade está aumentando, em parte devido ao fato de ele ter uma densidade de energia excepcional (MJ/kg)3.
Mas será que o setor de energia está pronto para essa transição tão discutida? Neste artigo, exploraremos como o midstream precisaria se preparar para o hidrogênio.
- Tipos de hidrogênio
- Considerando a infraestrutura de dutos de gás natural
- Como a simulação de dutos pode facilitar a transição energética
Tipos de hidrogênio
O hidrogênio é um gás invisível. Diferentes descrições de cores são usadas para ele, para distinguir diferentes métodos de produção. Até o momento, há o hidrogênio preto ou marrom, cinza, azul, turquesa, rosa, amarelo, verde e branco.
O hidrogênio branco é de ocorrência natural, encontrado em depósitos subterrâneos e criado por meio de fracking. Atualmente, não há estratégias para explorar esse hidrogênio4.
Figura 1: Diferentes tipos de hidrogênio e seus métodos de produção
Atualmente, cerca de 95% de todo o hidrogênio é produzido a partir da reforma a vapor do gás natural5. O principal problema com o hidrogênio preto ou marrom e cinza é que ele ainda emite uma grande quantidade de gases de efeito estufa e não há CCS como parte do processo para reduzir isso. O hidrogênio preto ou marrom usa combustíveis fósseis como parte de seu processo de produção. É usado carvão preto ou lignito (carvão marrom), com emissão de dióxido de carbono (CO2) e monóxido de carbono (CO).
O hidrogênio azul, por outro lado, às vezes é chamado de neutro em carbono. A maioria das emissões capturadas por meio da CCS não é dispersa na atmosfera, apesar do fato de o processo poder usar combustíveis fósseis como fonte de energia. Há argumentos de que ele deveria ser rotulado como "baixo carbono", como uma descrição mais precisa, já que 10 a 20% do carbono gerado não pode ser capturado6.
O hidrogênio turquesa é relativamente novo. Ele se situa entre o hidrogênio azul e o verde e usa a pirólise do metano como método de produção. Os resultados desse processo são o hidrogênio e o carbono, mas, diferentemente da reforma a vapor, o carbono é sólido.7 Isso significa não haver necessidade de CCS, pois o carbono sólido pode ser usado em outras aplicações, como um melhorador de solo ou na fabricação de produtos como pneus.
O hidrogênio produzido por energia nuclear, geralmente chamado de rosa (ou às vezes roxo ou vermelho), é gerado por eletrólise. As temperaturas muito altas dos reatores nucleares também podem ser usadas em outras produções de hidrogênio, produzindo vapor para eletrólise mais eficiente ou reforma de metano a vapor com base em gás fóssil4.
O hidrogênio produzido com fontes de energia renováveis é verde ou amarelo. O hidrogênio amarelo é uma expressão relativamente nova para o hidrogênio produzido por eletrólise usando energia solar. O H2 verde pode ser produzido por qualquer fonte de energia renovável.
Considerando a infraestrutura de dutos de gás natural
Muito se fala sobre o reaproveitamento de dutos de gás natural para hidrogênio como parte de uma economia circular. Mas há algumas preocupações importantes sobre essa ideia. A fragilização por hidrogênio ocorre quando o metal se degrada. O estresse a que isso submete o gasoduto significa que é provável que ele se rompa ou vaze.
Um relatório constatou que o gás hidrogênio era capaz de se dissociar (separação dos átomos) em prótons, fazendo que a tubulação os absorvesse em sua superfície8. Defeitos como deslocamentos recentes ou rachaduras próximas à superfície interna do duto foram os culpados por essa dissociação. Portanto, é essencial que a infraestrutura tenha poucos ou nenhum defeito para transportar H2. O relatório também constatou que a análise da composição do aço precisaria ser mais refinada do que a prática atual, examinando melhor a microestrutura do aço. Limitar a análise à dureza do aço não é suficiente para reduzir o risco de fragilização8. Há também a preocupação de que o hidrogênio permeie o metal, vazando pela tubulação. Além disso, a chance de vazamento por defeitos na parede do duto ou nos encaixes é muito maior do que no caso do gás natural. Sua baixa densidade significa que os átomos são difíceis de conter.
Uma vez liberado no ar, o hidrogênio torna-se inflamável. Como é cerca de 57 vezes mais leve que o vapor de gasolina e 14 vezes mais leve que o ar, ele se dispersa muito rapidamente em um ambiente aberto9. A inflamabilidade do H2 varia entre 4% e 75% no ar, uma faixa mais ampla quando comparada a outros fumos9. A chama do hidrogênio é quase invisível à luz do dia e quase visível à noite, o que dificulta a detecção apenas pelos sentidos humanos. Portanto, a detecção automática de vazamento e queima de hidrogênio é fundamental.
Figura 2: Queima de hidrogênio durante o dia e à noite9
A necessidade de um sistema confiável de detecção de vazamentos
Figura 2: Queima de hidrogênio durante o dia e à noite9
A necessidade de um sistema confiável de detecção de vazamentos
Um sistema de detecção de vazamento em dutos (LDS) é uma consideração vital para que o midstream se prepare para o hidrogênio. Os operadores de dutos precisarão de um sistema que seja sensível e preciso para reduzir os riscos de ruptura ou vazamento.
Soluções como o Atmos Simulation (SIM) Suite podem detectar e localizar vazamentos eficazmente. Ele usa o modelo hidráulico e o algoritmo de análise estatística para detectar vazamentos de forma confiável e localizá-los com precisão.
Para áreas como o hidrogênio, no qual os operadores de tubulação são relativamente inexperientes, é importante ter um LDS confiável. A aplicação do Atmos SIM ajuda a aumentar a confiança dos controladores de tubulação que precisam decidir sobre uma suspeita de vazamento.
Como a simulação de tubulação pode facilitar a transição energética
Há muitas incógnitas em torno das iniciativas de descarbonização, como a mudança para a energia do hidrogênio. A simulação de dutos pode ser uma ferramenta útil para facilitar a transição do gás natural para o hidrogênio. Com a discussão sobre o uso da infraestrutura existente, os operadores de dutos precisam entender completamente as restrições de capacidade.
Simuladores de dutos, como o Atmos SIM, podem ser usados para modelar misturas de hidrogênio. Quando usada off-line, a simulação pode auxiliar as empresas de dutos a entender se o reforço da rede é necessário.
Há três considerações principais para entender como a rede lidará com a demanda futura e como o H2 afetará a capacidade da rede. Os três são:
- Locais de fornecimento
- Topologia da rede
- Requisitos de pressão da demanda
Para responder às perguntas relacionadas a essas considerações centrais, um caso básico para 100% de gás natural é construído usando a quantidade máxima diária (MDQ) atual em todas as demandas. Os resultados mostram uma demanda total de 345 Tj/d (Terajoule por dia).
Figura 3: Um caso básico usando a quantidade máxima diária (MDQ)
A MDQ é um ponto de partida para a análise. A demanda total é aumentada a cada 24 horas, dividida conforme o estado inicial. O Atmos SIM facilita essa tarefa com os grupos de demanda. Quando a restrição de pressão mínima é violada, a demanda é reduzida para manter a pressão. O ponto em que isso acontece é considerado como capacidade máxima.
A Figura 3 demonstra que a capacidade máxima é reduzida à medida que a concentração de hidrogênio aumenta, calculando as capacidades como:
- 100 gás natural 900 Tj/dia
- 10% de hidrogênio 850 Tj/dia
- 25% de hidrogênio 750 Tj/dia
- 50% de hidrogênio 700 Tj/dia
Figura 4: Capacidade máxima da mistura de hidrogênio calculada pelo Atmos SIM (vermelho 0%, verde 10%, azul 25% e laranja 50%)
Preparando o midstream para o hidrogênio
A transição para o hidrogênio apresenta alguns desafios e incógnitas importantes para os operadores de dutos. Há dúvidas sobre como o H2 afetará a infraestrutura, sendo a fragilização por hidrogênio uma das principais áreas de preocupação. Isso significa que um LDS confiável e preciso será crucial para o midstream. O LDS ajuda a reduzir os riscos que as rupturas e os vazamentos representam, detectando-os e localizando-os com precisão. Isso significa que os operadores de dutos podem enviar engenheiros ao local o mais rápido possível para isolar o vazamento.
As ferramentas de simulação de dutos também podem ajudar reduzindo as áreas de incerteza. Ajudam os operadores de dutos a saber como sua infraestrutura lidará com diferentes misturas de hidrogênio. Esse processo é facilitado e automatizado no Atmos SIM Offline.
Referências
1https://ukcop26.org/cop26-goals/
2https://www.youtube.com/watch?v=fkX-H24Chfw
3https://www.woodmac.com/market-insights/topics/hydrogen-guide/
4https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/hydrogen-colour-spectrum
5https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-fuel-basics
6https://www.weforum.org/agenda/2021/07/clean-energy-green-hydrogen/
7https://fsr.eui.eu/between-green-and-blue-a-debate-on-turquoise-hydrogen/
8https://www.advisian.com/en/global-perspectives/in-the-pipeline--an-analysis-of-hydrogen-embrittlement-in-australias-pipeline-networks
9https://h2tools.org/bestpractices/hydrogen-compared-other-fuels