Da amônia ao hidrogênio: como a Coreia do Sul está construindo uma cadeia de abastecimento de combustíveis mais limpa

Por que pesquisadores sul-coreanos apostam na amônia para viabilizar o hidrogênio limpo

Cientistas sul-coreanos demonstraram uma forma de produzir hidrogênio sem queimar combustíveis fósseis, decompondo a amônia em hidrogênio e nitrogênio em alta temperatura. No Instituto de Pesquisa Energética da Coreia (KIER), engenheiros relatam o desenvolvimento de um reator que opera perto de 1.112 graus Fahrenheit (cerca de 600 C) e fornece hidrogênio com pureza de 99,97 por cento. Esse produto é adequado para células a combustível que podem abastecer veículos ou edifícios. O projeto busca reduzir as emissões de dióxido de carbono da cadeia de fornecimento de hidrogênio, usando materiais e processos que possam ser ampliados.

O hidrogênio já é usado em trens, aviões em voos de teste, carros, ônibus e navios. No entanto, hoje a maior parte do hidrogênio é produzida a partir do gás natural por meio da reforma a vapor do metano, que libera dióxido de carbono. As rotas de produção limpa estão se expandindo, entre elas a eletrólise da água alimentada por energia eólica e solar. O transporte do hidrogênio é outro desafio. O gás tem densidade muito baixa, por isso precisa ser comprimido ou liquefeito em temperaturas ultrabaixas para percorrer longas distâncias. A amônia, substância conhecida por seu uso em fertilizantes, oferece uma alternativa. Ela é líquida em condições moderadas e transporta hidrogênio em suas ligações moleculares. Se a amônia puder ser decomposta no destino em hidrogênio limpo e nitrogênio, ela se torna uma ponte prática entre regiões com energia renovável abundante e regiões com grande demanda.

Por dentro do reator do KIER: transformando amônia em hidrogênio próprio para células a combustível

A decomposição da amônia é uma reação química simples. As moléculas de amônia, NH3, se dividem em hidrogênio e nitrogênio quando aquecidas na presença de um catalisador. Em uma reação balanceada, duas moléculas de amônia formam uma molécula de nitrogênio e três moléculas de hidrogênio. O rutênio, um metal precioso relacionado à platina, é uma escolha comum de catalisador porque apresenta bom desempenho em temperaturas em torno de 600 C. O sistema do KIER usa essa rota catalítica e, em seguida, purifica a corrente gasosa para obter hidrogênio próprio para células a combustível.

Ao sair do reator de decomposição, o hidrogênio está misturado com nitrogênio e traços de amônia que não reagiu. A adsorção por oscilação de pressão, uma etapa de purificação padrão em refinarias, separa os gases. Leitos de materiais porosos capturam contaminantes sob pressão e liberam hidrogênio de alta pureza quando a pressão é reduzida. Uma série de leitos alterna entre adsorção e regeneração para manter a produção contínua. O KIER descreve um reator instalado em uma estrutura metálica quadrada, com tubos, mangueiras, medidores e cilindros, além de um sistema de controle que recircula parte dos gases do processo para manter altas temperaturas sem queimar combustíveis de hidrocarbonetos. Essa abordagem evita a emissão direta de dióxido de carbono no ponto de conversão.

Por que a amônia é um poderoso vetor de hidrogênio

É difícil armazenar e transportar hidrogênio. O hidrogênio líquido exige tanques criogênicos a cerca de 253 C negativos. É preciso controlar as perdas por evaporação, e o transporte exige grandes investimentos. A amônia se liquefaz a cerca de 33 C negativos ou sob pressão moderada. A indústria química já a transporta pelo mundo em grandes volumes. No setor de energia, isso significa que os produtores podem sintetizar amônia onde a energia renovável é barata, enviá-la por navio e decompô-la perto dos consumidores finais.

Testes industriais na Coreia do Sul estão dando credibilidade a esse modelo. A Syzygy Plasmonics e a Lotte Chemical testaram em Ulsan um sistema de decomposição de amônia totalmente elétrico. A unidade alcançou eficiência energética de 81 por cento, conversão de 99 por cento e produziu cerca de 290 quilos de hidrogênio por dia. O consumo de energia informado foi de cerca de 11 quilowatts-hora por quilo de hidrogênio, com projetos que têm como meta chegar a 8 kWh por quilo. As empresas planejam desenvolver uma pequena unidade comercial para atender à demanda local. Resultados como esses apontam para uma rota de importação que poderia abastecer a Coreia, o Japão e outras regiões com alta demanda de energia.

Do laboratório às estradas e aos navios: como isso pode transformar o transporte

Veículos com células a combustível exigem hidrogênio muito puro, pois os catalisadores usados em conjuntos com membrana de troca de prótons são sensíveis a impurezas. A pureza de 99,97 por cento informada pelo KIER atende a essas necessidades. Uma provável rota de implantação são polos regionais que recebem amônia, fazem sua decomposição no local e distribuem hidrogênio purificado aos postos de abastecimento. Estaleiros, portos e parques logísticos são locais naturais para os primeiros sistemas, pois já lidam com materiais perigosos e grandes fluxos de energia.

Motores que funcionam diretamente com amônia

Engenheiros da Coreia também estão explorando o uso direto da amônia como combustível. Uma coalizão liderada pelo Instituto de Máquinas e Materiais da Coreia (KIMM), com a Hyundai Motor e a Kia, apresentou um motor de alta pressão que injeta amônia pura diretamente na câmara de combustão. A equipe melhorou a estabilidade e a potência ao sincronizar a injeção de combustível em vários estágios com o comando variável de válvulas e um sistema de ignição reforçado. Um sistema de pós-tratamento proprietário reduz os óxidos de nitrogênio e a amônia não queimada para enfrentar os problemas de qualidade do ar. O projeto elimina a necessidade de um reformador de amônia gasosa, simplificando algumas aplicações. Ele está sendo desenvolvido para propulsão marítima, geração de energia fora da rede e veículos pesados, com planos de implantação para 2027 ainda em análise.

Construção da cadeia de abastecimento: navios, tanques e fábricas

O comércio de hidrogênio em larga escala dependerá de embarcações e instalações de armazenamento especializadas. A HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering recebeu da American Bureau of Shipping a Aprovação em Princípio para um tanque de transporte de hidrogênio que usa isolamento a vácuo para manter temperaturas criogênicas próximas de 253 C negativos. A empresa e seus parceiros estudam um navio para transportar 80.000 metros cúbicos de hidrogênio liquefeito. O avanço em tanques para hidrogênio liquefeito complementa a frota atual de navios transportadores de amônia, que pode apoiar o transporte de energia em paralelo.

A capacidade de fabricação em terra também está aumentando. A Hyundai Motor começou a construir uma nova unidade em Ulsan para produzir células a combustível de hidrogênio de próxima geração e eletrolisadores com membrana de troca de prótons. O projeto representa um investimento superior a 644 milhões de dólares. A fábrica tem conclusão prevista para 2027 e deverá produzir cerca de 30.000 unidades de células a combustível por ano. O plano é melhorar o desempenho e reduzir os custos, além de concentrar na Coreia tecnologias essenciais para a produção de hidrogênio.

O que dizem os líderes do setor

Executivos da HD KSOE consideram o marco alcançado com o tanque parte de um esforço mais amplo para descarbonizar o transporte marítimo de energia.

Continuaremos colaborando com empresas globais líderes para impulsionar a transição energética e alcançar as metas de emissões líquidas zero.

A combinação de novos tanques, motores e capacidade de fabricação de células a combustível aponta para um esforço coordenado para transformar projetos-piloto em cadeias de abastecimento completas.

A produção de hidrogênio limpo está se diversificando na Coreia

Laboratórios coreanos estão avançando em várias rotas de produção de hidrogênio limpo. O Instituto de Máquinas e Materiais da Coreia desenvolveu um sistema de eletrólise por óxido sólido de 20 quilowatts que produziu hidrogênio com eficiência por mais de 3.000 horas. A eletrólise por óxido sólido opera em altas temperaturas, o que permite aproveitar o calor de processos industriais para reduzir o consumo de eletricidade. Essa abordagem pode ser combinada com siderúrgicas e fábricas de produtos químicos.

Outras equipes estão pesquisando processos químicos complementares. Cientistas do KIER relataram o desenvolvimento de um catalisador que converte dióxido de carbono em monóxido de carbono, um ingrediente essencial para combustíveis sintéticos. Grupos acadêmicos demonstraram rotas eletroquímicas para produzir amônia verde à temperatura ambiente. Países como Japão e Coreia manifestaram interesse em importar amônia verde vinculada a projetos de energia eólica e solar, já que é mais fácil armazenar e transportar essa molécula do que o hidrogênio.

A amônia precisa ser limpa para gerar benefícios climáticos

Há uma ressalva importante. A amônia produzida a partir de hidrogênio fóssil tem uma grande pegada de carbono. Decompor essa amônia no destino não elimina as emissões geradas nas etapas anteriores. Analistas também alertam que a queima conjunta de amônia ou hidrogênio em usinas a carvão ou gás proporciona benefícios climáticos limitados quando se contabilizam todos os custos energéticos e logísticos. Os usos iniciais mais promissores para o hidrogênio estão em setores difíceis de eletrificar, como siderurgia, indústria química, transporte marítimo e armazenamento sazonal de energia. Autoridades coreanas estão avaliando essas compensações ao definir metas e padrões.

Riscos, eficiência e próximos passos

O consumo de energia é um indicador fundamental. O teste do sistema de decomposição em Ulsan registrou cerca de 11 quilowatts-hora por quilo de hidrogênio, com projetos que têm como meta chegar a 8 kWh por quilo. O valor menor reduziria os custos. Para comparação, o poder calorífico inferior do hidrogênio é de cerca de 33 quilowatts-hora por quilo. Melhorias nos catalisadores, na integração térmica e no aquecimento elétrico podem reduzir o custo energético da decomposição.

A segurança e as emissões exigem um projeto cuidadoso. A amônia é tóxica e tem odor forte, por isso os operadores precisarão de monitoramento, ventilação e planos de emergência. Quando usada em motores, é necessário o pós-tratamento para controlar os óxidos de nitrogênio. Os operadores acompanharão a durabilidade dos catalisadores e das membranas, além dos cronogramas de manutenção de compressores e bombas. As empresas estão projetando sistemas de decomposição que funcionam inteiramente com eletricidade, o que facilita alimentá-los com energia eólica e solar. O KIER também estuda células a combustível de hidrogênio para edifícios, sinal de que os usos no transporte e na geração estacionária de energia podem crescer juntos.

Principais pontos

• O KIER demonstrou a decomposição de amônia perto de 600 C, produzindo hidrogênio com pureza de 99,97 por cento sem queimar combustíveis fósseis no ponto de conversão.
• O processo usa um catalisador de rutênio e adsorção por oscilação de pressão para purificar o hidrogênio para células a combustível.
• A Syzygy e a Lotte testaram em Ulsan um sistema de decomposição totalmente elétrico, com eficiência de 81 por cento, conversão de 99 por cento, produção de cerca de 290 quilos por dia e consumo de energia próximo de 11 kWh por quilo, com projetos que têm como meta chegar a 8.
• A amônia é um vetor prático de hidrogênio porque se liquefaz em condições moderadas e conta com uma infraestrutura global de transporte marítimo já consolidada.
• O KIMM, a Hyundai e a Kia apresentaram um motor de alta pressão que funciona com amônia pura e conta com pós-tratamento para reduzir as emissões. O motor é voltado a aplicações marítimas, geração fora da rede e veículos pesados, com previsão de uso a partir de 2027.
• A HD KSOE recebeu a Aprovação em Princípio para um grande tanque de hidrogênio líquido e estuda o conceito de um navio transportador de 80.000 metros cúbicos.
• A Hyundai está construindo em Ulsan uma fábrica de 644 milhões de dólares para produzir células a combustível e eletrolisadores com membrana de troca de prótons, com a meta de fabricar 30.000 unidades de células a combustível por ano até 2027.
• A Coreia também avança na eletrólise por óxido sólido para produzir hidrogênio verde e em catalisadores para transformar dióxido de carbono em insumos para combustíveis limpos.
• Analistas alertam que a queima conjunta de hidrogênio ou amônia em usinas de combustíveis fósseis oferece benefícios climáticos limitados quando se contabiliza a energia usada na cadeia de abastecimento. Por isso, os usos prioritários incluem siderurgia, indústria química, transporte marítimo e armazenamento sazonal.
• Os principais pontos a acompanhar incluem o consumo de energia por quilo na decomposição, o controle de óxidos de nitrogênio, as práticas de segurança no manuseio de amônia, a origem da amônia verde e as demonstrações em larga escala.