Conclusões

A questão energética tem sido tema de diversas discussões em todo mundo, uma vez que possui forte correlação com o desenvolvimento social e econômico dos países. Atualmente, mais de 80% do suprimento de energia é proveniente de combustíveis fósseis, o que tem acarretado problemas de cunho ambiental, econômico e social. Com o crescimento da demanda energética aliado aos problemas decorrentes da dependência de combustíveis fósseis, a sustentabilidade no suprimento de energia é o grande desafio a ser enfrentado para a manutenção da qualidade de vida nos países desenvolvidos e para a melhoria nas condições econômicas e sociais nos países em desenvolvimento.

Diante disto, o hidrogênio apresenta-se como uma alternativa que poderá contribuir com o suprimento da demanda energética futura, uma vez que pode ser obtido a partir de uma ampla gama de fontes primárias e de forma “limpa” (poucos impactos ambientais). Além disso, o hidrogênio pode ser armazenado e sua conversão em eletricidade através de células a combustível, além de não emitir gases tóxicos, apresenta maiores eficiências, quando comparada aos sistemas térmicos convencionais, e permite a geração de eletricidade próxima ao ponto de utilização (Geração Distribuída).

Uma das formas menos impactantes de obtenção de hidrogênio é a partir da eletrólise da água, no qual o custo da eletricidade é um importante fator para a composição do custo final do hidrogênio eletrolítico produzido. Entretanto, para o caso brasileiro, o problema do custo com energia elétrica pode ser contornado através do aproveitamento da Energia Vertida Turbinável (EVT) em usinas hidrelétricas, a qual apresenta um custo bem inferior ao da energia associada a contratos de fornecimento.

Além do custo da energia elétrica, a disponibilidade e a capacidade da planta de eletrólise constituem dois importantes fatores de influência sobre o custo final do hidrogênio, sendo, portanto, necessária a associação da EVT com a energia garantida, de maneira a obter um produto economicamente viável. Contudo, o hidrogênio eletrolítico pode apresentar um custo elevado mesmo com o aproveitamento da EVT disponível em usinas hidrelétricas, sugerindo que o custo de capital associado ao processo de eletrólise é, em muitos casos, o fator mais determinante.

De fato, a partir da análise de estudos econômicos anteriores, notou-se que o custo de instalação é o fator de maior importância para estes casos, representando, em média, 58,6% do custo do hidrogênio. Tendo em vista estas questões e que o retificador é um dos equipamentos que compõem o sistema de eletrólise, o presente trabalho propôs a análise técnica e econômica de retificadores para a produção de hidrogênio eletrolítico aproveitando a EVT da UHE de Itaipu, tendo como base o trabalho desenvolvido por Godoy (2008).

Para o desenvolvimento do estudo, foi analisado o estado da arte dos eletrolisadores disponíveis comercialmente e seus principais fabricantes. Como conclusão desta análise, tem-se que, atualmente, a maioria dos eletrolisadores produzidos é do tipo alcalino bipolar e o maior módulo disponível hoje no mercado é o eletrolisador Tipo n° 5040 da Hydrogen Technologies, o qual possui capacidade de produzir 485 m3/h (43,6 kg/h) de hidrogênio. Os eletrolisadores do tipo PEM são fabricados por algumas empresas e apenas em pequeno porte, não estando disponíveis para aplicações em plantas com grande capacidade de produção de hidrogênio.

A análise técnica realizada neste trabalho permitiu determinar o tipo mais adequado de sistema de retificação a ser empregado em uma planta de produção de hidrogênio eletrolítico. Foram analisados os três tipos de sistema de retificação disponíveis para aplicação em altas correntes: sistema de retificação a diodo, sistema de retificação a tiristor e sistema de retificação chopper, sob o ponto de vista de confiabilidade operacional, eficiência, fator de potência, injeção de harmônicas e custo inicias.

O baixo fator de potência e elevado conteúdo harmônico são duas principais desvantagens do sistema a tiristor, porém são solucionados com a utilização de filtros passivos. Além disso, a

maturidade da tecnologia a tiristor e a sua alta eficiência são aspectos muito atrativos para a escolha do sistema a ser implantado no processo. Ainda mais, quando comparado aos sistemas a diodo, apresentam maior confiabilidade e simplicidade de operação, devido ao fato de não precisar de comutadores de tap para a regulação de corrente e tensão de saída. Por outro lado, os retificadores chopper apresentam reduzido conteúdo harmônico e elevado fator de potência, não necessitando de filtros. Entretanto, esta tecnologia possui um alto número de componentes, o que diminui a confiabilidade operacional e a eficiência, além de aumentar a complexidade de operação e manutenção deste sistema, tornando-a competitiva, em termos de eficiência, apenas em aplicações com grande variação de tensão, tal como ocorre no caso de utilização de uma fonte de energia intermitente. Assim sendo, para aplicações como a descrita neste trabalho, requerendo baixas tensões constantes e elevadas correntes, os sistemas de retificação a tiristor ainda são a melhor alternativa, apresentando maior confiabilidade, maiores eficiências e menores custos iniciais.

Contudo, futuros avanços tecnológicos no sistema de retificação chopper, aumentando os níveis de eficiência para aplicações em baixas tensões e a diminuição de seu custo, obtidas através de redução de custos dos componentes ou por aumento de escala, podem torná-lo uma excelente opção para aplicação em plantas de eletrólise para produção de hidrogênio. Além disso, os retificadores ativos, atualmente aplicados apenas em alguns processos com potências médias, podem ser considerados uma tecnologia promissora para aplicação em que requerem altas potências como processos de produção de hidrogênio eletrolítico, principalmente pelo fato de manter baixas correntes harmônicas e alto fator de potência, além de permitir o controle de corrente de saída de forma mais simples.

Levando em conta que o sistema mais adequado ao processo de produção de hidrogênio eletrolítico é o sistema a tiristor, realizou-se uma busca por fabricantes de retificadores tiristorizados para permitir a análise da disponibilidade destes equipamentos no mercado nacional e internacional. Como conclusão, tem-se que o mercado brasileiro de retificadores está mais voltado a atender a indústria de galvanoplastia, onde as tensões de saída se situam entre 6 e 30 V CC e as correntes atingem valores de até 30.000 A CC, enquanto o mercado internacional parece manter o foco para aplicações tais como a fabricação de alumínio e indústrias de cloro e soda,

com níveis de tensão de saída que chegam até 1.500 V CC e com correntes que podem atingir 300.000 A CC. Com isto, os retificadores fabricados no Brasil, em sua maioria, poderiam ser melhor empregados apenas em plantas de eletrólise com eletrolisadores unipolares; já os retificadores da indústria internacional poderiam ser aplicados tanto em eletrolisadores unipolares quanto em eletrolisadores bipolares. Como a maioria dos eletrolisadores atualmente disponíveis no mercado é do tipo bipolar e estes apresentam grandes vantagens sobre os unipolares quando empregados para grandes volumes de gás, os retificadores do mercado nacional precisam de algumas adaptações para atender a uma futura demanda para aplicação em plantas de eletrólise para produção de hidrogênio.

Utilizando as especificações do eletrolisador da Hydrogen Technologies Tipo n°5040 e a lista com os fabricantes de retificadores e seus produtos no mercado nacional e internacional, foi realizada uma consulta de preço do retificador junto aos potenciais fornecedores deste equipamento para aplicação no eletrolisador da Hydrogen. Das empresas consultadas, apenas quatro apresentaram propostas para o retificador e, destas, apenas uma teve grande discrepância com relação às demais propostas. Tal discrepância pode ter sido consequência do alto custo de engenharia de projeto do equipamento, uma vez que a empresa consultada não possui grandes quantidades de retificadores sendo fabricados continuamente em seu chão de fábrica.

Aplicando a metodologia proposta no trabalho, foi possível estimar o custo do hidrogênio eletrolítico produzido, o qual foi de 2,66 US$/kg para uma planta com potência instalada igual a 20,7 MW e capacidade de produção de 4.365 m3/h (392,4 kg/h) de hidrogênio com disponibilidade de operar 8.600 h/ano. Analisando a composição do custo do hidrogênio, observou-se que o custo de instalação é o componente de maior influência, correspondendo a 58,7% do custo de produção do hidrogênio eletrolítico, concordando com a análise desenvolvida em estudos econômicos anteriores. Além disso, nota-se que o custo associado ao sistema de eletrólise representa 57,6% do custo de instalação e que o custo do retificador representa 13,7% do custo associado ao sistema de eletrólise. Entretanto, o retificador exerce influência não apenas no custo associado ao sistema de eletrólise, mas também sobre o custo anual de operação e manutenção e sobre os demais custos que compõem o custo anual de capital. Assim, a influência total do custo do retificador sobre o custo final do hidrogênio eletrolítico, para o estudo desenvolvido, é de 10,8%.

Dessa forma, para a redução de 50%, 20% e 5% no custo do retificador tem-se uma diminuição no custo do hidrogênio eletrolítico de apenas 5,4%, 2,6% e 0,54%, respectivamente, e, portanto, o custo do retificador possui uma influência pequena no custo final do hidrogênio eletrolítico produzido e a sua diminuição, de maneira isolada, não contribuirá de forma significativa para tornar o hidrogênio eletrolítico mais barato.

Contudo, em muitos casos, mesmo essa pequena redução no custo pode ser determinante para a decisão de investir ou não em uma planta para produção de hidrogênio eletrolítico. Por exemplo, para o caso de postos de abastecimento de uma frota de veículos a hidrogênio e célula a combustível, qualquer redução no custo de instalação é considerada essencial, já que o aporte de recursos será feito pelo proprietário do posto.

Conforme observado na análise técnica, o Brasil possui competência para desenvolver retificadores para aplicação em plantas de produção de hidrogênio eletrolítico, tendo como empecilho o mercado nacional escasso para esse tipo de retificador e a grande concorrência no mercado externo. Assim, possíveis incentivos à produção e utilização de hidrogênio eletrolítico no Brasil poderiam estimular os fabricantes nacionais a produzir retificadores adequados ao processo, elevando o grau de nacionalização dos componentes do sistema de eletrólise. Além disso, o incentivo para a produção e utilização do hidrogênio pode proporcionar o aumento de volume de produção, levando à queda dos preços com o ganho de escala.

A produção e utilização do hidrogênio eletrolítico proporcionariam, além de todos os benefícios ambientais e para a saúde pública, ganhos com relação à estabilidade do preço do combustível e energia elétrica e menores tensões políticas. A criação de um parque nacional para o desenvolvimento de retificadores, com a participação do governo e da iniciativa privada, além de contribuir para a redução dos custos de investimento em uma planta de eletrólise, significaria um retorno tecnológico. Além disso, sob o ponto de vista econômico, o desenvolvimento destes retificadores no Brasil representaria uma oportunidade de crescimento da economia e aumento de postos de emprego.

É certo que uma transição está por vir, onde as fontes renováveis terão maior participação na matriz energética mundial e o hidrogênio poderá atuar como um facilitador para a inserção de fontes intermitentes, tais como a solar e a eólica. Os países que acompanharem esta transição serão inseridos facilmente na economia de forma competitiva, enquanto aqueles que persistirem na dependência por combustíveis fósseis correm o risco de sofrer uma crise energética, abalando sua economia. Dessa forma, considerando o enorme potencial brasileiro de geração de energia a partir de fontes renováveis, a inserção do hidrogênio e o desenvolvimento de parques industriais para o desenvolvimento desta tecnologia pode ser uma oportunidade para colocar o Brasil em destaque, de maneira positiva, nos cenários energético e econômico mundiais.