Hidrogénio gasoso: alavanca de desempenho industrial e de descarbonização

Este artigo analisa os principais métodos de produção (desde o steam reforming à eletrólise PEM / alcalina / SOEC), as exigências de pureza para diferentes aplicações, incluindo pilhas de combustível, eletrónica, mobilidade e combustão, bem como as estratégias de acondicionamento de alta pressão e distribuição. Descubra como a Air Liquide o acompanha através de um domínio completo da cadeia de produção de hidrogénio gasoso.

O que é o hidrogénio gasoso?

O hidrogénio gasoso (GH₂) é a molécula diatómica mais pequena e abundante do universo, embora seja bastante rara na Terra. O hidrogénio disponível no nosso planeta encontra-se geralmente combinado com outros átomos, pelo que o GH₂ deve ser extraído de moléculas como a água (H₂O) ou os hidrocarbonetos (CH₄). A descoberta de jazigos subterrâneos de hidrogénio gasoso encontra-se ainda numa fase embrionária, longe de uma exploração em escala industrial.

Historicamente, o hidrogénio tem sido utilizado em diversos setores: na refinação de petróleo, para enriquecer atmosferas redutoras em tratamentos térmicos na metalurgia, como propulsor para foguetões espaciais (como o Ariane) ou como gás vetor para análises laboratoriais. Atualmente, consolidou-se também como uma molécula energética fundamental, com capacidade para armazenar eletricidade renovável e de funcionar como uma alavanca para descarbonizar os transportes e os setores industriais do vidro, do cimento e os setores "hard-to-abate" em geral.

Características do hidrogénio gasoso

O hidrogénio molecular, também designado por di-hidrogénio (H₂), é um gás incolor, inodoro e não tóxico em condições normais de temperatura e pressão. A sua característica dominante é a sua baixa densidade: é o elemento químico mais leve (cerca de 14 vezes mais leve do que o ar), o que implica uma difusividade muito elevada (0,61 cm²/s).
No plano energético, o hidrogénio gasoso apresenta uma densidade mássica de 120 MJ/kg, a mais elevada de todos os combustíveis (o que significa que, para o mesmo peso, gera a maior quantidade de energia, cerca de três vezes a do gasóleo). Contudo, possui uma baixa densidade volúmica (o que significa que 1 kg de GH₂, a temperatura e pressão padrão, ocupa imenso espaço, ~ 11 m³, quase o volume de carga de uma carrinha pequena). Para aumentar as quantidades armazenadas no mesmo volume, deve ser comprimido, armazenado e transportado em reservatórios capazes de suportar pressões de 200 a 700 bar.

Como se produz o hidrogénio gasoso?

A produção de hidrogénio é um desafio de engenharia química que visa quebrar as ligações de diferentes moléculas (água, hidrocarbonetos, biometano) para libertar o H₂. A escolha do processo, a fonte de energia utilizada e as opções de captura de CO₂ determinam a pegada de carbono da molécula GH₂.

A eletrólise da água / eletrólise de óxidos sólidos (SOEC)

A eletrólise consiste em dissociar a molécula de água através de uma corrente elétrica. Se a eletricidade for de origem renovável (eólica, solar, hídrica), o hidrogénio é designado como "renovável" e, por vezes, chamado de "verde".

• Alcalina: tecnologia madura que opera à temperatura ambiente com um eletrólito corrosivo à base de hidróxido de potássio (KOH). É um eletrolisador duradouro e robusto, ideal para um funcionamento em contínuo, pois adapta-se mal a variações e a paragens e arranques. Não é versátil para a intermitência das energias renováveis, mas é muito fiável para produções 24/7.
• PEM (Proton Exchange Membrane): tecnologia bem conhecida que opera à temperatura ambiente com um eletrólito de membrana polimérica e elétrodos que contêm metais raros. É muito adaptável a paragens e arranques; é ideal para a variabilidade das energias renováveis (solar, eólica) ou para capitalizar os picos de produção de eletricidade. A Air Liquide opera vários eletrolisadores no mundo, incluindo o PEM Trailblazer na Alemanha (20 MW), certificado como RFNBO (Renewable Fuels of Non-Biological Origin), e o eletrolisador PEM do projeto Normand'Hy em França (200 MW).
• AEM (Anion Exchange Membrane): tecnologia mais recente e ainda em fase de desenvolvimento, que visa combinar as vantagens dos eletrolisadores alcalinos e dos PEM. Utilizam também uma membrana, mas que "funciona ao contrário das PEM", pois deixa passar os iões hidroxilo (OH-). Os catalisadores não necessitam de metais nobres, uma vez que o meio (o eletrólito) é água ligeiramente alcalina. A sua robustez e utilização a longo prazo (10-15 anos) ainda estão em fase de estudo.
• SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell): tecnologia ainda em fase piloto e não totalmente industrializada, opera a alta temperatura (>700 °C) com vapor de água e um eletrólito sólido de cerâmica condutora a alta temperatura. A tecnologia SOEC oferece rendimentos elétricos superiores às outras soluções, especialmente se for combinada com soluções para valorizar o calor residual industrial (vapor).

A reformação a vapor (steam reforming) de gás natural ou de biogás

Entre todos os processos existentes, a reformação de metano a vapor (SMR – Steam Methane Reforming) é uma das tecnologias mais robustas e eficientes para a produção de hidrogénio em larga escala. Dependendo da natureza do gás / biometano, da eletricidade utilizada e da gestão do CO₂, o SMR pode produzir hidrogénio convencional, de baixo teor de carbono ou renovável, de acordo com a classificação legal RED II / RED III. O metano ou biometano é exposto a vapor de água a alta temperatura (700–1100 °C) para produzir um gás de síntese (Syngas), que é posteriormente purificado por PSA (Pressure Swing Adsorption). Se o metano for proveniente de biogás e o SMR funcionar com energias renováveis, o hidrogénio produzido é considerado renovável.

Além da produção de hidrogénio renovável por SMR, a Air Liquide implementou também a sua tecnologia Cryocap™ para descarbonizar a produção de H₂ convencional por SMR. A produção de H₂ é combinada com o sequestro de CO₂ por via criogénica para posterior armazenamento (CCS – Carbon Capture and Storage), produzindo assim um hidrogénio de "baixo teor de carbono". A solução Cryocap™ pode também ser aplicada a um SMR de biometano com energia renovável, permitindo obter HyBECCS (Hydrogen Bioenergy with Carbon Capture and Storage) com uma emissão de CO₂ negativa (ou seja, reduzindo o CO₂ efetivo da atmosfera).

Outros processos químicos

• Reformação de metanol: o processo é bastante semelhante à reformação de gás natural, mas utiliza o metanol como fonte. É um processo que funciona a uma temperatura mais baixa, mas emite mais CO₂.
• Gaseificação e Pirólise: consistem na transformação de biomassa ou de resíduos (CDR – Combustível Derivado de Resíduos) em gás de síntese. A pirólise do metano está também a ser estudada para produzir hidrogénio e carbono sólido (negro de carbono) sem emissão direta de CO₂.
• Craqueamento (cracking) de amoníaco: o amoníaco (NH₃) é um gás vetor eficaz para transportar o hidrogénio a longas distâncias. Uma vez chegado ao destino, é "craqueado" para restituir o hidrogénio gasoso.
• Hidrogénio Natural ou Geológico: a extração de hidrogénio nativo presente no subsolo é uma via em plena exploração, mas ainda viável para uma exploração industrial. Este hidrogénio é, por vezes, impropriamente designado como "hidrogénio branco".

O armazenamento e o transporte do hidrogénio gasoso

A logística do hidrogénio gasoso é adaptada às quantidades necessárias e à sua utilização (alta pressão, caudais elevados). Para grandes polos industriais com consumos massivos de mais de uma tonelada por dia, o transporte por pipeline é o ideal em termos económicos e de segurança (a Air Liquide opera mais de 2 000 km de canalizações em todo o mundo).

Para consumos elevados em instalações industriais afastadas de pipelines, a produção no local (on-site) por eletrólise é a solução mais adequada. Contudo, esta opção exige uma localização apropriada: área de implantação numa unidade industrial de risco sujeita a autorização ATEX, e a disponibilidade de grandes quantidades de eletricidade e água purificada no local.

Para necessidades dispersas, pontuais ou para quantidades mais modestas, o hidrogénio gasoso é comprimido, acondicionado e transportado por via rodoviária ou ferroviária. Em resumo:

• Semirreboques: contentores adequados em metal ou material compósito a 200, 300 bar ou mais permitem transportar as quantidades requeridas e otimizar a carga útil por camião, reduzindo assim a pegada de carbono do transporte.
• Quadros de garrafas: para consumos reduzidos (laboratórios, ensaios).

As vantagens do hidrogénio gasoso

Utilização e propriedades físico-químicas

Para além da sua leveza, o hidrogénio possui uma condutividade térmica sete vezes superior à do ar, o que o torna um excelente gás de arrefecimento (ex.: para os alternadores das centrais elétricas). A sua cinética de combustão é extremamente rápida e a sua chama, invisível a olho nu, atinge temperaturas muito elevadas, ideais para processos de aquecimento e combustão (ex.: combustão para as indústrias do cimento e do vidro). Como agente redutor, é utilizado para criar atmosferas de tratamento térmico, de forma a evitar a oxidação dos metais em processos como o recozimento brilhante, a brasagem ou a sinterização.

O hidrogénio é o elemento que desempenha um papel primordial como matéria-prima no setor da química e petroquímica, onde é utilizado há décadas para a produção de amoníaco, fertilizantes e para a dessulfuração do petróleo. No setor alimentar, intervém na hidrogenação de gorduras e, na cosmética, é essencial para a produção de glicerol, por exemplo.

O hidrogénio é também amplamente utilizado como vetor energético para a eletrificação dos transportes. O hidrogénio com qualidade e pureza para pilha de combustível é injetado num sistema onde se recombina com o oxigénio numa reação exotérmica para gerar energia elétrica e vapor de água.

A sua versatilidade é única: serve simultaneamente como matéria-prima (feedstock) para a química, fluido térmico para arrefecimento, fonte de energia para combustão e também como meio de armazenamento de energia (Power-to-Gas). Esta última função permite acumular a energia produzida por fontes solares ou eólicas e, assim, compensar a intermitência destas energias renováveis.

Riscos e desvantagens do hidrogénio gasoso

Explosão e inflamabilidade

O hidrogénio apresenta um risco elevado de inflamação, pois a sua gama de combustão é muito ampla. É inflamável num intervalo de concentração compreendido entre 4 % e 75 % em contacto com o ar e possui uma energia de ativação muito baixa: uma simples descarga eletrostática é suficiente para provocar a sua ignição. A chama de hidrogénio é invisível a olho nu e emite pouca radiação infravermelha (o que significa que não há uma sensação imediata de calor ao aproximar-se). A rapidez de propagação da chama pode resultar numa explosão violenta se a combustão ocorrer num meio confinado.

A utilização de gás hidrogénio está sujeita ao cumprimento de regras de segurança extremamente rigorosas. As áreas de armazenamento e as instalações estão sujeitas a autorização ATEX (Zonagem), e os colaboradores devem estar equipados com EPI (Equipamentos de Proteção Individual) específicos, que incluem detetores de chama adaptados ao hidrogénio.

Outros riscos: fugas e fragilização dos aços

Um risco bem conhecido é a fragilização dos aços pelo hidrogénio (hydrogen embrittlement): em condições específicas de pressão e temperatura, este elemento pode infiltrar-se na rede cristalina dos aços, provocando uma redução pontual da ductilidade do metal. Isto resulta em ruturas súbitas dos equipamentos (tubagens, reservatórios, válvulas) sem qualquer sinal de aviso prévio. A seleção de materiais (aços inoxidáveis austeníticos, compósitos específicos) é crítica para garantir a integridade dos equipamentos.

Outra fonte de risco são as fugas; devido à sua pequena dimensão molecular, estas podem ser mais frequentes do que com outros gases. Mesmo uma fuga muito pequena pode causar vários riscos, incluindo incêndio, explosão ou anoxia. Os testes de estanqueidade, geralmente realizados com hélio, são obrigatórios, tal como a instalação de sistemas de ventilação forçada e detetores de anoxia, bem como a utilização de EPI (Equipamentos de Proteção Individual) específicos.

A segurança na implementação do hidrogénio

A segurança dos colaboradores e das instalações é um imperativo não negociável para a Air Liquide. Enquanto especialista em hidrogénio há mais de 60 anos, a Air Liquide desenvolveu uma série de protocolos e regras de segurança que devem ser aplicados escrupulosamente. Os especialistas da Air Liquide podem acompanhá-lo através de formações dedicadas sobre a segurança e a implementação do hidrogénio, e sensibilizar os seus colaboradores para as boas práticas e os procedimentos adequados a adotar na utilização deste gás.

Como se utiliza o gás hidrogénio atualmente?

Produção de eletricidade através de pilhas de combustível

O hidrogénio gasoso com qualidade fuel cell alimenta pilhas de combustível (especificamente pilhas de membrana de permuta protónica) que geram eletricidade para:

• Mobilidade: as pilhas alimentam os motores elétricos de veículos como empilhadores, autocarros, comboios, barcos e táxis.
• Aplicações estacionárias para substituir os geradores a diesel de reserva de hospitais ou para antenas de comunicações isoladas. Estas representam uma solução energética sem emissões locais, oferecendo uma autonomia superior às baterias convencionais.
• Setor militar e espacial, para a produção auxiliar de energia ou para a propulsão de drones, graças a um funcionamento silencioso e a uma boa autonomia em voos de longa duração (superiores a uma hora).

Geradores elétricos a hidrogénio, alimentação de reserva, Backup Power e Data Centers

Os Data Centers estão a multiplicar-se devido à democratização das inteligências artificiais; são consumidores intensivos de energia e necessitam de uma reserva energética para garantir um funcionamento contínuo. Frequentemente, para aumentar a velocidade de transferência de dados (ex.: plataformas de streaming, negociação de alta frequência, etc.), os Data Centers localizam-se muito próximos dos centros urbanos, onde o espaço disponível é limitado ou dispendioso e onde as normas sobre poluição acústica e do ar (partículas finas) são muito rigorosas. Para descarbonizar o setor da Deep Tech, as pilhas de combustível alimentadas por hidrogénio com baixo teor de carbono podem substituir os geradores de reserva, assegurando uma alimentação ininterrupta (UPS) fiável, limpa e silenciosa. Isto garante uma autonomia suficientemente longa com uma área de implantação reduzida e zero emissões locais: nem partículas, nem ruído.

Hidrogénio gasoso na agricultura e na química

O hidrogénio gasoso é essencial no processo de síntese do amoníaco (NH₃), uma vez que, a alta temperatura e alta pressão, o H₂ gasoso combina-se com o azoto (N₂) gasoso para produzir o NH₃. Os fertilizantes industriais, amplamente utilizados na agricultura moderna, são produzidos a partir de amoníaco.

O H₂ gasoso é também necessário para produzir metanol (CH₃OH) de síntese, através da metanolação do CO₂. Na presença de um catalisador e a temperatura e pressão controladas, o H₂ gasoso combina-se com o CO₂ e gera e-metanol e H₂O.

Na refinação, o hidrogénio é utilizado para a hidrodessulfurização de combustíveis (eliminação do enxofre dos combustíveis para respeitar as normas Euro) e para o hidrocraqueamento de frações petrolíferas pesadas, tais como naftas pesadas, querosene, gasóleo, fuelóleo, etc.

Hidrogénio gasoso na metalurgia

A produção de objetos metálicos é um processo que exige várias etapas, sendo os tratamentos térmicos uma das fases mais cruciais.

O recozimento dos aços (bobinas, chapas ou tubos obtidos por laminagem ou estiragem a frio) é efetuado numa atmosfera redutora. Esta etapa é necessária para tornar o metal dúctil, permitindo que seja trabalhado até à sua forma final (ex.: uma porta de automóvel, uma panela ou um bisturi). O recozimento é realizado numa atmosfera de hidrogénio (adicionado ao azoto gasoso), visto que o hidrogénio capta as moléculas de oxigénio e garante a ausência de óxidos na superfície dos aços (evitando a formação de carepa). Em peças acabadas, pequenas quantidades de H₂ são também adicionadas às atmosferas para o endurecimento superficial ou para a galvanização. Na cutelaria, por exemplo, para obter superfícies brilhantes, de cor uniforme e limpas, as peças passam por atmosferas redutoras que contêm hidrogénio.

O hidrogénio é também utilizado para descarbonizar a produção de aços, ou seja, para a produção de aços verdes ou descarbonizados. No processo de DRI (direct reduced iron), o hidrogénio é utilizado como elemento redutor e substitui o carbono para transformar o minério de ferro (as rochas que contêm óxido de ferro) em metal. Se o hidrogénio utilizado for descarbonizado, o aço assim produzido poderá ser designado como descarbonizado ou verde.

Hidrogénio gasoso na combustão

O hidrogénio tem uma temperatura de combustão na ordem dos 2200 °C no ar e de quase 3000 °C em oxigénio puro. Esta última não produz CO₂, pelo que é o gás ideal para os processos que requerem altas temperaturas sem emissão de CO₂. O hidrogénio é a alavanca da descarbonização de setores industriais como o vidro e o cimento. A sua utilização em grandes quantidades (> 15-20%) exige queimadores adaptados, uma vez que a dinâmica da combustão e os aspetos de segurança são muito diferentes dos do gás natural.

Para as indústrias do cimento, a combustão com pequenas quantidades de hidrogénio em vez de gás natural permite aumentar de forma considerável a quantidade de combustível alternativo económico (composto por diferentes tipologias de resíduos) no clinker e reduzir a quantidade de petcoke, muito dispendioso, necessário ao processo. A sua utilização permite reduzir a quantidade de CO₂ emitido (petcoke e gás natural utilizados), ao mesmo tempo que elimina resíduos poluentes e permite economias para os industriais.

Hidrogénio gasoso nos laboratórios

Na cromatografia em fase gasosa (GC), o hidrogénio é um gás vetor eficaz, permitindo realizar análises mais rapidamente do que o hélio. É também utilizado como gás combustível para os detetores de ionização de chama (FID).

Hidrogénio gasoso na eletrónica

A indústria dos semicondutores exige uma pureza extrema (frequentemente > 99,9999 % ou grau 6.0). O hidrogénio é aqui utilizado como gás transportador para a epitaxia, para o recozimento de wafers ou para criar atmosferas redutoras que impedem a oxidação dos circuitos microscópicos. A Air Liquide garante estas especificações através de análises certificadas.

Importância da pureza do hidrogénio gasoso para as diferentes aplicações

A gestão das impurezas é crucial consoante as aplicações. Quer o H₂ seja produzido por reformação a vapor ou por eletrólise, poderá ser necessário adicionar uma etapa de purificação e de eliminação do vapor de água residual, de acordo com os graus de pureza pretendidos:

• Indústria - Combustão: bastante tolerante, pode aceitar impurezas na ordem dos milhares de ppm e hidrogénio do tipo grau B.
• Indústria - Química, Tratamento Térmico: processo menos tolerante, as impurezas devem situar-se frequentemente na ordem das dezenas de ppm (impurezas críticas: H₂O, O₂).
• Mobilidade (ISO 14687:2025): tolerância zero para os compostos sulfurados, que devem ser inferiores a algumas partes por mil milhões (ppb), e para o CO (monóxido de carbono), que deve ser muito inferior a uma parte por milhão (ppm), uma vez que envenenam os catalisadores das pilhas de combustível. Devem também evitar-se os compostos halogenados à base de cloro, flúor e bromo, por serem corrosivos.
• Eletrónica e análise: controlo rigoroso de partículas e de vestígios metálicos, trata-se de um elemento de pureza ultra elevada.

Redes de distribuição e estruturas de hidrogénio gasoso

A Air Liquide estrutura a sua oferta em torno da fiabilidade do fornecimento:

• Produção no local (Floxal™): instalação de geradores SMR compactos ou de eletrolisadores diretamente no cliente, eliminando a logística rodoviária.
• Pipelines: ligação direta às grandes redes nos polos industriais (Benelux, Fos-sur-Mer).
• Semirreboques e quadros: o hidrogénio é transportado em fase gasosa em recipientes dedicados, de acordo com o nível de pureza exigido, diretamente para a unidade de produção industrial.

Estratégia de descarbonização: a oferta ECO ORIGIN™

Para as indústrias e os setores da mobilidade que pretendem ser atores da transição energética, o desafio é garantir um abastecimento fiável, a custos controlados, de grandes volumes de hidrogénio de baixo carbono.

A oferta ECO ORIGIN™ responde a estas necessidades.

As soluções de hidrogénio de baixo carbono propostas pela Air Liquide

Na Air Liquide, garantimos o fornecimento da quantidade e qualidade de hidrogénio gasoso em conformidade com as definições em matéria de redução das emissões de CO₂ ao longo de todo o seu ciclo de vida, tal como estabelecido pela Comissão Europeia.

Este desempenho assenta em dois pilares tecnológicos que dominamos internamente:

1. Eletrólise alimentada por energias renováveis: os nossos eletrolisadores são alimentados por eletricidade renovável (PPA) eólica, solar ou hídrica, certificados por contratos de aquisição.
2. Captura de Carbono (CCS) através da Cryocap™: para os polos industriais existentes, instalamos a nossa tecnologia proprietária Cryocap™ nas unidades de produção de hidrogénio. Este sistema criogénico capta até 98 % do CO₂ emitido durante o processo, que é depois liquefeito para ser sequestrado (projetos como Porthos ou Kairos@C) ou valorizado, impedindo a sua libertação para a atmosfera. Isto permite produzir hidrogénio com baixo teor de carbono em quantidades significativas e a preços competitivos para os setores da química, da combustão ou da siderurgia.

ECO ORIGIN™: transforme as suas emissões de scope 3

A oferta ECO ORIGIN™ é a nossa resposta contratual para lhe permitir reduzir as suas emissões indiretas (scope 3). Ao optar pelo hidrogénio ECO ORIGIN™, adquire muito mais do que apenas a molécula.

• Rastreabilidade e Auditoria: o carácter de baixo teor de carbono é comprovado através de um sistema rigoroso de Garantias de Origem (GO) e de certificados baseados no esquema voluntário CertifHy NGC, auditados anualmente por entidades independentes.
• Simplicidade operacional: descarboniza a sua atividade de forma "drop-in", sem CAPEX adicional nos seus ativos industriais e sem necessidade de investir em infraestruturas, mantendo uma segurança de abastecimento fiável e segura.
• Valorização: o hidrogénio ECO ORIGIN™ contribui para que possa aceder a certificações nos seus próprios produtos ("Aço Verde", "Transporte Zero Emissões") e para cumprir os requisitos de projetos da UE com elevado valor ambiental.

A oferta ECO ORIGIN™ está disponível em dois níveis:

• Opção ECO ORIGIN™ H₂: através de SMR (reformação de metano com vapor) alimentada com biogás com Garantias de Origem; a energia elétrica para a compressão e o enchimento é renovável.
• Opção ECO ORIGIN™ H₂ "Premium": produção de hidrogénio por eletrólise da água, alimentada com energia renovável (contratos de aquisição de energia elétrica renovável (PPA) e Garantias de Origem (GO)).

Air Liquide, um parceiro para o acompanhar nas suas aplicações de hidrogénio

Quer necessite de algumas garrafas para uma bancada de ensaio de I&D ou de uma ligação por pipeline para uma unidade de produção, a Air Liquide adapta a sua logística às suas necessidades. Além do gás hidrogénio, a Air Liquide oferece especialização em segurança (análise de riscos, implementação ATEX), fiabilidade operacional (serviço OPTIMAL) e uma garantia certificada de descarbonização.

Planeia realizar testes industriais com hidrogénio, assegurar o seu fornecimento ou avançar para uma produção em larga escala? Contacte os nossos especialistas para um estudo de viabilidade técnica e uma análise do seu TCO (Total Cost of Ownership).