Usina de água do mar em Shandong transforma calor residual em água barata e hidrogênio verde

Um novo modelo para água e hidrogênio

A China colocou em operação uma instalação compacta, mas ambiciosa, em Rizhao, cidade litorânea da província de Shandong, que transforma água do mar e calor residual industrial em dois recursos estratégicos: água doce de baixo custo e hidrogênio verde. Segundo os operadores do projeto, a usina produz água doce por cerca de dois yuans por metro cúbico, aproximadamente 28 centavos de dólar, valor inferior às tarifas municipais de água em muitas cidades. A instalação também produz hidrogênio de alta pureza como coproduto e concentra a salmoura rica em minerais para uso na indústria química marinha. A unidade opera continuamente há mais de três semanas, um marco importante para comprovar a confiabilidade de um novo tipo de sistema integrado de água e energia.

O conceito é simples de descrever e difícil de executar. Uma única matéria-prima, a água do mar, alimenta três linhas de produtos. A cada 800 toneladas de água do mar processadas por ano, a usina fornece cerca de 450 metros cúbicos de água ultrapura, adequada para refrigeração industrial ou uso doméstico, aproximadamente 192 mil metros cúbicos padrão de hidrogênio verde e cerca de 350 toneladas de salmoura que podem ser vendidas a produtores químicos. Segundo os dados divulgados, são necessários cerca de 4,2 quilowatts-hora de eletricidade por metro cúbico padrão de hidrogênio, desempenho compatível com o de eletrolisadores modernos. O diferencial de Rizhao é reduzir o custo da água aproveitando o calor de baixa temperatura de siderúrgicas e petroquímicas próximas, que normalmente se dissipa no ar ou no oceano.

Como funciona o sistema de Rizhao

A usina fica ao lado de indústrias de alto consumo de energia que geram fluxos constantes de calor de baixa temperatura. Esse calor alimenta uma etapa de separação que transforma água do mar em água muito limpa sem exigir temperaturas elevadas. Entre as técnicas adequadas a esse perfil estão a destilação por membrana e a umidificação-desumidificação, que aproveitam calor de baixa temperatura. Parte da água doce é distribuída aos usuários; outra parte alimenta um eletrolisador que separa a água em hidrogênio e oxigênio. A salmoura concentrada restante pode servir de matéria-prima para produtos como bromo, sais de magnésio e sal industrial, reduzindo a necessidade de despejá-la novamente no oceano.

Por que o calor de baixa temperatura é importante

As indústrias pesadas liberam enormes quantidades de calor de média e baixa temperatura. Siderúrgicas e refinarias são exemplos importantes. Capturar esse calor e usá-lo para produzir água evita o consumo adicional de eletricidade na dessalinização. Em parques industriais litorâneos, há água do mar em abundância, calor residual em abundância e demanda constante por refrigeração. Instalar dessalinização e eletrólise junto a grandes fontes de calor reduz os custos operacionais e a intensidade de carbono. Também transfere parte do consumo de água para longe dos sistemas municipais, aliviando a pressão sobre aquíferos e rios locais.

O que significam os números de energia

O consumo de energia do hidrogênio costuma ser discutido em termos de eletricidade por quilograma. Um metro cúbico padrão de hidrogênio contém cerca de um nono de quilograma. Com 4,2 quilowatts-hora por metro cúbico padrão, o valor equivale a aproximadamente 47 quilowatts-hora por quilograma de hidrogênio. Isso está dentro da faixa dos modernos eletrolisadores alcalinos e de membrana de troca de prótons. A inovação em Rizhao não é um eletrolisador extraordinário, mas a forma como a usina reduz o custo e a pegada hídrica ao combinar o eletrolisador com uma linha de dessalinização que funciona com calor residual. A eletricidade ainda precisa ter baixa emissão de carbono para que o produto seja considerado hidrogênio verde, mas o calor custa muito menos porque, de outro modo, seria desperdiçado.

É possível produzir hidrogênio diretamente do mar?

A eletrólise direta da água do mar, na qual os eletrolisadores funcionam com água marinha sem uma etapa separada de dessalinização, é uma área ativa de pesquisa. A ideia é especialmente atraente em alto-mar, onde parques eólicos e plataformas podem produzir hidrogênio e transportá-lo por dutos ou navios até a costa. O desafio está na química. A água do mar contém altas concentrações de cloreto, sulfato e matéria orgânica. As células convencionais tendem a favorecer a reação de formação de cloro no ânodo, o que corrói componentes e gera cloro indesejado. Areia, incrustação biológica e formação de depósitos minerais também reduzem a vida útil dos equipamentos. Para enfrentar esses problemas, equipes testam novos catalisadores resistentes ao ataque do cloreto, separadores porosos que bloqueiam íons causadores de reações secundárias e projetos que mantêm o cloro fora da zona de reação. Uma demonstração flutuante na costa chinesa já mostrou que um sistema baseado em membrana pode operar em mar agitado, isolando uma camada de água limpa para a eletrólise enquanto capta água do oceano.

Dois caminhos, um objetivo

Há duas principais formas de combinar o oceano com o hidrogênio. A primeira é dessalinizar a água do mar e depois usar um eletrolisador convencional. A segunda é adaptar o eletrolisador para funcionar com água do mar ou com água purificada durante o processo. Rizhao parece uma versão compacta do primeiro caminho, mas com uma particularidade: em vez de usar grandes bombas elétricas e osmose reversa de alta pressão para tratar a água, aproveita o calor de instalações vizinhas. Parques eólicos em alto-mar ou em locais remotos podem preferir o segundo caminho, devido às limitações de espaço e manutenção. Parques industriais costeiros podem optar pelo primeiro, já que contam com calor residual e produzem tanto água quanto hidrogênio que a indústria pode consumir. Em laboratórios e usinas-piloto, catalisadores resistentes à corrosão, novas membranas e conceitos sem membrana estão impulsionando as duas abordagens.

Custos e expansão: do projeto-piloto à indústria

O preço de dois yuans por metro cúbico de água doce chama a atenção. O valor fica abaixo das tarifas de água encanada de muitas cidades e inclui um nível de purificação que muitos usuários industriais teriam de providenciar por conta própria. A redução do custo da água torna a produção de hidrogênio mais atraente em províncias com escassez hídrica, já que normalmente é necessária água muito limpa para proteger os eletrolisadores. A produção conjunta de água e hidrogênio também distribui o investimento de capital entre dois produtos, enquanto a receita de produtos químicos derivados da salmoura pode cobrir parte dos custos operacionais.

O custo da eletricidade para produzir hidrogênio depende da fonte de energia. Com um consumo de cerca de 47 quilowatts-hora por quilograma, eletricidade a três a cinco centavos de dólar por quilowatt-hora resulta em uma conta de energia de aproximadamente 1,40 a 2,35 dólares por quilograma. Equipamentos, manutenção e financiamento elevam esse valor, e os custos variam bastante. Rizhao é uma instalação pequena, mas aponta para um modelo que pode ser ampliado nas regiões costeiras da China. O país tem corredores industriais densos onde há muito calor residual. Isso torna locais como os polos siderúrgicos de Shandong, Hebei e Jiangsu candidatos adequados para reproduzir o conceito com equipamentos maiores.

A disponibilidade de energia também está melhorando. Um corredor de ultra-alta tensão já conecta grandes áreas de geração eólica e solar nas províncias ocidentais aos centros de consumo no leste. Novas linhas conectam a capacidade recém-instalada em Gansu à rede que abastece Shandong. O acesso constante à eletricidade renovável permitiria que uma futura expansão de Rizhao ampliasse os eletrolisadores e mantivesse baixo o carbono do hidrogênio nas horas em que o calor residual, sozinho, não fosse suficiente para atender à demanda.

Por que isso importa para regiões com escassez de água

O hidrogênio exige muita água quando esse recurso é escasso. A produção de um quilograma de hidrogênio normalmente requer cerca de nove litros de água limpa. Analistas esperam que a nova demanda por hidrogênio exija bilhões de metros cúbicos de água doce na próxima década. Se essa expansão ocorrer em regiões áridas, os abastecimentos ficarão sob pressão, a menos que a água do mar e as águas residuais sejam aproveitadas. Pesquisas indicam que combinar dessalinização e eletrólise e recuperar o calor residual de células a combustível e eletrolisadores pode reduzir em alguns pontos percentuais a conta total de energia. Transferir a captação de água para o litoral e usar calor que, de outro modo, seria descartado preserva a água do interior para cidades e lavouras, além de reduzir marginalmente o consumo de energia.

O planejamento ambiental continua sendo importante. A salmoura pode prejudicar os ecossistemas marinhos se for descartada sem os devidos cuidados. O modelo de Rizhao reduz esse risco ao vender a salmoura para a produção química, limitando o despejo no oceano. A captação de água do mar também exige engenharia cuidadosa para evitar danos à vida marinha. A prática recomendada é captar a água em baixa velocidade, por telas finas, e instalar as tomadas em locais com poucos peixes e larvas. Esses cuidados não são secundários: são essenciais para obter licenças e apoio das comunidades à medida que mais parques industriais costeiros buscam combinar dessalinização e eletrólise.

A China constrói um ecossistema em torno da tecnologia do hidrogênio

Por trás de projetos como o de Rizhao há uma base industrial em expansão e uma rede crescente de parceiros. Em Tianjin, uma grande fábrica de eletrolisadores, agora sob controle total de uma empresa europeia, fornece centenas de megawatts de módulos alcalinos por ano. A unidade modernizou a automação e os sistemas de qualidade e já forneceu equipamentos para alguns dos maiores projetos de hidrogênio em operação. O controle total permite ajustes de projeto mais rápidos, logística mais eficiente e melhor garantia de qualidade para encomendas globais.

Jarle Dragvik, diretor-executivo da HydrogenPro, descreveu a mudança como uma forma de alinhar a capacidade à demanda de projetos de grande porte.

Trata-se de otimizar as operações e consolidar uma estrutura de baixo custo, pronta para projetos de grande escala.

Empresas estrangeiras e chinesas estão estreitando os laços entre dessalinização, energias renováveis e hidrogênio na China. Uma empresa global de desenvolvimento de projetos de água e energia abriu um centro de inovação em Xangai para trabalhar com universidades e laboratórios em energia fotovoltaica, eólica, armazenamento de energia, hidrogênio verde e dessalinização da água do mar. Empresas chinesas também estão exportando conhecimento. Uma delas está construindo no Egito um projeto de hidrogênio verde ligado à energia eólica e solar, com foco na exportação de amônia. Outra é parceira na Arábia Saudita no projeto de uma gigantesca usina de hidrogênio e amônia. Essas iniciativas apontam para uma cadeia de suprimentos capaz de fornecer equipamentos, serviços e conhecimento operacional para projetos no país e no exterior.

O que pode acontecer a seguir

O próximo teste para Rizhao e usinas semelhantes é o tempo. Engenheiros vão monitorar a incrustação nas membranas acionadas por calor, a formação de depósitos nas tubulações e a estabilidade dos eletrolisadores, que ligam e desligam conforme a disponibilidade de calor residual. Mais horas de operação ajudarão a esclarecer as necessidades reais de manutenção e os melhores períodos de funcionamento. Do ponto de vista comercial, integrar três linhas de produtos — água, hidrogênio e produtos químicos derivados da salmoura — pode amortecer as oscilações de receita e melhorar a capacidade de obter financiamento.

As escolhas entre dois caminhos técnicos também devem ficar mais claras. A eletrólise direta da água do mar pode encontrar espaço em alto-mar, junto a fontes de energia eólica e das ondas, onde simplicidade e equipamentos compactos são valorizados. A dessalinização seguida de eletrólise pode prevalecer onde há calor de baixa temperatura em abundância e demanda constante por água de processo muito limpa. O objetivo final é o mesmo: fornecer hidrogênio verde a preços competitivos sem recorrer a fontes escassas de água doce. O projeto-piloto de Rizhao mostra uma maneira prática de chegar lá, aproveitando o calor que hoje a indústria simplesmente descarta.

Principais pontos

• Uma usina costeira em Rizhao, Shandong, produz água doce e hidrogênio verde a partir da água do mar, aproveitando o calor residual industrial.
• O preço informado da água é de cerca de dois yuans por metro cúbico, e o consumo de energia para produzir hidrogênio é de aproximadamente 4,2 quilowatts-hora por metro cúbico padrão.
• A produção anual por 800 toneladas de água do mar inclui 450 metros cúbicos de água ultrapura, 192 mil metros cúbicos padrão de hidrogênio e 350 toneladas de salmoura para a indústria química marinha.
• O uso de calor de baixa temperatura na dessalinização reduz a necessidade de eletricidade e alivia a pressão sobre os sistemas municipais de abastecimento de água.
• A eletrólise direta da água do mar avança, mas os desafios relacionados aos materiais persistem; por isso, muitos projetos ainda preferem dessalinizar a água antes da eletrólise.
• A rede chinesa de ultra-alta tensão leva nova energia eólica e solar a Shandong, apoiando a expansão dos parques de eletrolisadores.
• A capacidade de fabricação em Tianjin e os novos centros de inovação em Xangai mostram que o ecossistema de hidrogênio e dessalinização está se expandindo.
• Projetos de exportação no Egito e na Arábia Saudita destacam o alcance global do conhecimento chinês em hidrogênio e dessalinização.
• Projetos cuidadosos de captação e gestão da salmoura são essenciais para proteger a vida marinha à medida que as instalações costeiras crescem.