Do amoníaco ao hidrogénio: como a Coreia do Sul está a construir uma cadeia de fornecimento de combustível mais limpa

Porque é que investigadores sul-coreanos apostam no amoníaco para desbloquear hidrogénio limpo

Cientistas sul-coreanos demonstraram uma forma de produzir hidrogénio sem queimar combustíveis fósseis, através da quebra do amoníaco em hidrogénio e azoto a alta temperatura. No Korea Institute of Energy Research, os engenheiros apresentam um reator que opera perto de 1.112 graus Fahrenheit (cerca de 600 °C) e fornece hidrogénio com 99,97 por cento de pureza. Essa produção é adequada para células de combustível capazes de fornecer energia a veículos ou edifícios. O projeto visa reduzir o dióxido de carbono na cadeia de fornecimento de hidrogénio, recorrendo a materiais e processos que podem ser escalados.

O hidrogénio já é utilizado em comboios, aviões em voos de teste, automóveis, autocarros e navios. Contudo, a maior parte do hidrogénio atual é produzida a partir de gás natural através da reforma a vapor do metano, processo que liberta dióxido de carbono. As vias de produção limpa estão a crescer, incluindo a eletrólise da água alimentada por energia eólica e solar. O transporte de hidrogénio é o outro desafio. O gás tem uma densidade muito baixa, pelo que tem de ser comprimido ou liquefeito a temperaturas ultrabaixas para ser transportado a longas distâncias. O amoníaco, o químico conhecido dos fertilizantes, oferece uma alternativa. É líquido em condições moderadas e transporta hidrogénio nas suas ligações moleculares. Se o amoníaco puder ser reformado no destino em hidrogénio limpo e azoto, torna-se uma ponte prática entre locais com abundante energia renovável e locais com grande procura.

Dentro do reator do KIER: transformar amoníaco em hidrogénio de grau combustível

A reforma do amoníaco é química simples. Moléculas de amoníaco, NH3, dividem-se em hidrogénio e azoto quando aquecidas na presença de um catalisador. Numa reação equilibrada, duas moléculas de amoníaco formam uma molécula de azoto e três moléculas de hidrogénio. O ruténio, um metal precioso relacionado com a platina, é uma escolha comum de catalisador porque se comporta bem a temperaturas em torno dos 600 °C. A instalação do KIER utiliza essa via catalítica e depois refina o fluxo de gás para atingir hidrogénio de grau para células de combustível.

Quando o hidrogénio sai do reformador, é misturado com azoto e vestígios de amoníaco não reagido. A adsorção por varrimento de pressão, um passo padrão de purificação nas refinarias, separa os gases. Leitos de materiais porosos captam contaminantes sob pressão e libertam hidrogénio de alta pureza quando a pressão é reduzida. Uma série de leitos cicla entre adsorção e regeneração para fornecer uma produção contínua. O KIER descreve um reator alojado num quadro metálico quadrado com tubos, mangueiras, manómetros e cilindros, e um esquema de controlo que recicla uma parte dos gases do processo para sustentar altas temperaturas sem acender um queimador de hidrocarbonetos. Essa abordagem evita dióxido de carbono direto no ponto de conversão.

Porque é que o amoníaco é um transportador de hidrogénio poderoso

O hidrogénio é complicado de armazenar e transportar. O hidrogénio líquido requer tanques criogénicos a cerca de menos 253 °C. As perdas por ebulição têm de ser geridas e o transporte é intensivo em capital. O amoníaco liquefaz a cerca de menos 33 °C ou sob pressão moderada. A indústria química já o move pelo mundo em grandes volumes. Para a energia, isso significa que os produtores podem sintetizar amoníaco onde a energia renovável é barata, enviá-lo por navio e reformá-lo perto dos utilizadores finais.

Ensaios industriais na Coreia do Sul estão a construir credibilidade para este modelo. A Syzygy Plasmonics e a Lotte Chemical testaram um sistema de reforma de amoníaco totalmente elétrico em Ulsan. A unidade atingiu 81 por cento de eficiência energética, 99 por cento de conversão e produziu cerca de 290 quilogramas de hidrogénio por dia. O consumo de energia relatado foi de cerca de 11 quilowatt-hora por quilograma de hidrogénio, com projetos a visar 8 kWh por quilograma. Os parceiros planeiam desenvolver uma pequena unidade comercial para fornecer a procura local. Resultados como estes apontam para uma via de importação que poderia servir a Coreia, o Japão e outras regiões com grande consumo de energia.

Do laboratório às estradas e aos navios: como isto pode mudar o transporte

Veículos a célula de combustível requerem hidrogénio muito limpo porque os catalisadores nas pilhas de membrana de eletrólito de polímero são sensíveis a impurezas. Os 99,97 por cento de pureza relatados pelo KIER alinham-se com essas necessidades. Uma provável via de implementação são hubs regionais que recebem amoníaco, reformam-no no local e distribuem hidrogénio purificado a estações de abastecimento. Estaleiros navais, portos e parques logísticos são localizações naturais para os primeiros sistemas, já que lidam com materiais perigosos e grandes fluxos de energia.

Motores que funcionam diretamente com amoníaco

Engenheiros na Coreia estão também a explorar a utilização direta do amoníaco como combustível. Uma coligação liderada pelo Korea Institute of Machinery and Materials, com a Hyundai Motor e a Kia, apresentou um motor de alta pressão que injeta amoníaco puro diretamente na câmara de combustão. A equipa melhorou a estabilidade e a potência ao sincronizar a injeção de combustível em múltiplas fases com a sincronização variável de válvulas e um sistema de ignição reforçado. Um pacote proprietário de pós-tratamento reduz os óxidos de azoto e o amoníaco não queimado para garantir a qualidade do ar. O design elimina a necessidade de um reformador de amoníaco gasoso, o que simplifica algumas aplicações. Está a ser posicionado para propulsão marítima, energia fora da rede e veículos pesados, com planos de implementação em revisão para 2027.

Construção da cadeia de fornecimento: navios, tanques e fábricas

O comércio de hidrogénio à grande escala dependerá de embarcações e armazenamento especializados. A HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering obteve o Aprovação de Princípio do American Bureau of Shipping para um tanque de transportador de hidrogénio que utiliza isolamento a vácuo para manter temperaturas criogénicas perto de menos 253 °C. A empresa e parceiros estão a estudar um transportador de hidrogénio liquefeito de 80.000 metros cúbicos. O progresso nos tanques de hidrogénio liquefeito acompanha a frota existente de transportadores de amoníaco, que pode suportar embarques energéticos em paralelo.

A capacidade de fabrico em terra também está a aumentar. A Hyundai Motor começou a construir uma nova instalação em Ulsan para produzir células de combustível de hidrogénio de nova geração e eletrólitos de membrana de eletrólito de polímero. O projeto representa um investimento de mais de 644 milhões de dólares. A fábrica está prevista para estar concluída em 2027 e produzir cerca de 30.000 unidades de célula de combustível por ano. O plano é melhorar o desempenho e o custo, e localizar tecnologias-chave para a produção de hidrogénio dentro da Coreia.

O que os líderes da indústria estão a dizer

Os executivos da HD KSOE consideram o marco do tanque parte de um esforço mais amplo para descarbonizar o transporte energético.

Continuaremos a colaborar com as principais empresas mundiais para impulsionar a transição energética e alcançar os objetivos líquidos zero.

A combinação de novos tanques, motores e fabrico de células de combustível aponta para um esforço coordenado para transformar projetos piloto em cadeias de fornecimento completas.

A produção de hidrogénio limpo está a diversificar-se na Coreia

Os laboratórios coreanos estão a avançar múltiplas vias de hidrogénio limpo. O Korea Institute of Machinery and Materials desenvolveu um sistema de eletrólise de óxido sólido de 20 quilowatts que produziu hidrogénio com eficiência durante mais de 3.000 horas. A eletrólise de óxido sólido funciona a quente, o que lhe permite usar calor de processos industriais para reduzir o consumo de eletricidade. Essa abordagem pode combinar bem com siderúrgicas e plantas químicas.

Outras equipas prosseguem química complementar. Cientistas do KIER apresentaram um catalisador que converte dióxido de carbono em monóxido de carbono, um ingrediente-chave para combustíveis sintéticos. Grupos académicos demonstraram vias à temperatura ambiente para amoníaco verde usando células eletroquímicas. Países como o Japão e a Coreia manifestaram interesse em importar amoníaco verde ligado a projetos eólicos e solares, já que a molécula é mais fácil de armazenar e transportar do que o hidrogénio.

O amoníaco tem de ser limpo para desbloquear ganhos climáticos

Existe uma ressalva importante. O amoníaco produzido a partir de hidrogénio fóssil tem uma grande pegada de carbono. Reformar esse amoníaco no destino não remove essas emissões a montante. Analistas alertam também que a cocombustão de amoníaco ou hidrogénio em centrais a carvão ou a gás produz pequenos benefícios climáticos depois de contados todos os custos energéticos e logísticos. Os casos de uso mais fortes para o hidrogénio estão em setores difíceis de eletrificar, como siderurgia, química, transporte marítimo de longo curso e armazenamento energético sazonal. Os planeadores coreanos estão a avaliar esses compromissos enquanto definem metas e normas.

Riscos, eficiências e o que observar a seguir

O consumo de energia é uma métrica-chave. O ensaio do reformador de Ulsan relatou cerca de 11 quilowatt-hora por quilograma de hidrogénio, com projetos a visar 8 kWh por quilograma. O valor mais baixo baixaria os custos. Para referência, o poder calorífico inferior do hidrogénio é de cerca de 33 quilowatt-hora por quilograma. Melhorar catalisadores, integração térmica e aquecimento elétrico pode reduzir a penalização energética da reforma.

Segurança e emissões requerem um projeto cuidadoso. O amoníaco é tóxico e tem um cheiro forte, pelo que os operadores precisarão de monitorização, ventilação e planos de emergência. Quando usado em motores, é necessário pós-tratamento para controlar os óxidos de azoto. Os operadores vão acompanhar a durabilidade dos catalisadores e membranas, e os calendários de manutenção de compressores e bombas. Empresas estão a projetar sistemas de reforma que funcionam inteiramente com eletricidade, o que torna mais fácil alimentá-los com energia eólica e solar. O KIER está também a estudar células de combustível de hidrogénio para edifícios, sinal de que o transporte e a energia estacionária podem crescer em conjunto.

Pontos-chave

• O KIER demonstrou reforma de amoníaco perto de 600 °C que fornece hidrogénio com 99,97 por cento de pureza sem queimar combustíveis fósseis no ponto de conversão.
• O processo utiliza um catalisador de ruténio e adsorção por varrimento de pressão para purificar o hidrogénio para células de combustível.
• A Syzygy e a Lotte testaram um reformador totalmente elétrico em Ulsan com 81 por cento de eficiência, 99 por cento de conversão, cerca de 290 quilogramas por dia de produção e consumo de energia perto de 11 kWh por quilograma, com projetos a visar 8.
• O amoníaco serve como transportador prático de hidrogénio porque liquefaz em condições moderadas e tem uma infraestrutura global de transporte marítimo madura.
• A KIMM, a Hyundai e a Kia apresentaram um motor de alta pressão que funciona com amoníaco puro e pós-tratamento para conter emissões, destinado a usos marítimos, fora da rede e pesados até 2027.
• A HD KSOE recebeu Aprovação de Princípio para um grande tanque de hidrogénio líquido e está a estudar um conceito de transportador de 80.000 metros cúbicos.
• A Hyundai está a construir uma fábrica de 644 milhões de dólares em Ulsan para produzir células de combustível e eletrólitos de membrana de eletrólito de polímero, com o objetivo de 30.000 unidades de célula de combustível por ano até 2027.
• A Coreia está também a avançar com a eletrólise de óxido sólido para hidrogénio verde e catalisadores que transformam dióxido de carbono em matérias-primas para combustíveis limpos.
• Os analistas alertam que a cocombustão de hidrogénio ou amoníaco em centrais a combustíveis fósseis oferece benefícios climáticos limitados quando se contabiliza a energia da cadeia de fornecimento, pelo que os usos prioritários incluem siderurgia, química, transporte marítimo e armazenamento sazonal.
• Os principais pontos de observação incluem a energia de reforma por quilograma, o controlo de óxidos de azoto, as práticas de segurança na manuseamento de amoníaco, a obtenção de amoníaco verde e demonstrações à grande escala.