Central de água do mar de Shandong transforma calor residual em água barata e hidrogénio verde

Um novo modelo para água e hidrogénio

A China ligou uma instalação compacta mas ambiciosa em Rizhao, cidade costeira da província de Shandong, que transforma água do mar e calor residual industrial em dois recursos estratégicos, água doce de baixo custo e hidrogénio verde. Os operadores do projeto dizem que o local produz água doce por cerca de dois yuan por metro cúbico, aproximadamente 28 cêntimos de dólar, o que fica abaixo das tarifas típicas de água da torneira municipais em muitas cidades. Produz também hidrogénio de elevada pureza como coproduto, ao mesmo tempo que concentra salmoura rica em minerais para utilização em produtos químicos marinhos. A instalação funciona continuamente há mais de três semanas, um marco importante que comprova a fiabilidade de um novo tipo de sistema integrado de água e energia.

O conceito é simples de descrever e difícil de executar. Uma entrada, água do mar, alimenta três fluxos de produtos. Por cada 800 toneladas de água do mar processadas anualmente, a central fornece cerca de 450 metros cúbicos de água ultrapura adequada para arrefecimento industrial ou uso doméstico, cerca de 192.000 metros cúbicos padrão de hidrogénio verde, e aproximadamente 350 toneladas de salmoura que pode ser vendida a produtores químicos. O hidrogénio requer, segundo os relatos, cerca de 4,2 quilowatts-hora de eletricidade por metro cúbico padrão, o que coloca o processo em linha com o desempenho dos eletrolisadores modernos. O que distingue Rizhao é a forma como reduz o custo da água ao aproveitar calor de baixa qualidade proveniente de siderurgias e fábricas petroquímicas próximas, calor que normalmente se dissipa no ar ou no oceano.

Como funciona o sistema de Rizhao

A central coloca a produção de água doce mesmo ao lado de indústria intensiva em energia que gera fluxos constantes de calor a baixa temperatura. Esse calor impulsiona uma etapa de separação que transforma água do mar em água muito limpa a limiares térmicos relativamente baixos. Entre as técnicas adequadas a este perfil estão a destilação por membranas e a humidificação-desumidificação, que são favorecidas por calor a baixa temperatura. Parte da água doce vai para os utilizadores, parte alimenta um eletrolisador que divide a água em hidrogénio e oxigénio. A salmoura concentrada que resta pode ser matéria-prima para produtos como bromo, sais de magnésio e sal industrial, o que reduz a necessidade de descarregar salmoura concentrada de volta no oceano.

Porque é que o calor de baixa qualidade importa

A indústria pesada liberta enormes quantidades de calor a média e baixa temperatura. As siderurgias e as refinarias são exemplos principais. Captar esse calor e utilizá-lo para produzir água evita consumo adicional de eletricidade para dessalinização. Nos parques industriais costeiros, a água do mar é abundante, o calor residual é abundante e a necessidade de arrefecimento é constante. Colocar a dessalinização e a eletrólise no mesmo local que grandes fontes de calor reduz tanto o custo operacional como a intensidade carbónica. Também desvia o uso de água dos abastecimentos municipais, o que alivia a pressão sobre aquíferos e rios locais.

O que significam os números da energia

O consumo de energia do hidrogénio é frequentemente discutido em termos de eletricidade por quilograma. Um metro cúbico padrão de hidrogénio contém cerca de um nono de um quilograma. A 4,2 quilowatts-hora por metro cúbico padrão, o valor é de aproximadamente 47 quilowatts-hora por quilograma de hidrogénio. Isso está dentro da gama das unidades modernas alcalinas e de membrana de troca protónica. A inovação em Rizhao não é um eletrolisador extraordinário, é a forma como a central reduz o custo e a pegada hídrica ao associar o eletrolisador a uma linha de água do mar que funciona com calor residual. A eletricidade ainda tem de ser de baixo carbono para que o produto seja chamado hidrogénio verde, mas o lado térmico fica com um desconto acentuado porque o calor, de outra forma, seria desperdiçado.

Pode o hidrogénio vir diretamente do mar

A eletrólise direta de água do mar, em que os eletrolisadores funcionam com água do mar sem uma etapa separada de dessalinização, é uma linha ativa de investigação. O apelo é mais forte ao largo, onde parques eólicos e plataformas podem produzir hidrogénio no mar e canalizá-lo ou transportá-lo para terra. O desafio é químico. A água do mar contém níveis elevados de cloreto, sulfato e matéria orgânica. As células padrão tendem a favorecer a reação de evolução de cloro no ânodo, o que corroi componentes e gera cloro indesejado. Areia, incrustações biológicas e deposições também encurtam a vida útil dos equipamentos. Para resolver isto, as equipas estão a testar novos catalisadores que resistem ao ataque de cloreto, separadores porosos que bloqueiam iões que desencadeiam reações secundárias e conceções que mantêm o cloro fora da zona de reação. Uma demonstração flutuante ao largo da costa chinesa já mostrou que um sistema baseado em membranas pode funcionar em mar agitado ao isolar uma camada de água limpa para eletrólise, enquanto capta a alimentação do oceano.

Duas vias, um objetivo

Há duas formas principais de combinar o oceano com o hidrogénio. A primeira via é dessalinizar água do mar e depois operar um eletrolisador convencional. A segunda é adaptar o eletrolisador para funcionar com água do mar, ou com água suficientemente limpa no momento. Rizhao parece a primeira via em miniatura, mas com um toque diferente. Em vez de usar grandes bombas elétricas e osmose inversa de alta pressão para a etapa da água, utiliza calor da porta ao lado. Locais ao largo e parques eólicos remotos podem favorecer a segunda via porque o espaço e a manutenção são limitados. Parques industriais costeiros podem preferir a primeira via porque o calor residual está disponível e produz água e hidrogénio que a indústria pode absorver. Em laboratórios e instalações-piloto, catalisadores resistentes à corrosão, novas membranas e conceitos sem membrana estão a impulsionar cada abordagem.

Custo e escala da fase-piloto à indústria

Fixar o preço da água doce em dois yuan por metro cúbico chama a atenção. Esse valor fica abaixo de muitas tarifas urbanas de água da torneira, e inclui um grau de purificação que muitos utilizadores industriais teriam de acrescentar por si próprios. Um custo mais baixo da água torna a produção de hidrogénio mais atrativa em províncias com escassez de água, uma vez que a produção de hidrogénio normalmente necessita de água muito limpa para proteger os eletrolisadores. A coprodução de água e hidrogénio também reparte o custo de capital por dois produtos, enquanto as receitas de produtos químicos à base de salmoura podem compensar parte da fatura operacional.

O custo da eletricidade do hidrogénio depende da fonte de energia. A cerca de 47 quilowatts-hora por quilograma, a eletricidade a preços entre três e cinco cêntimos de dólar por quilowatt-hora dá uma fatura de energia de aproximadamente 1,40 a 2,35 dólares por quilograma. Equipamentos, manutenção e financiamento acrescem a esse número, e esses custos variam amplamente. Rizhao é uma instalação pequena, mas aponta para um modelo que a China costeira pode ampliar. O país tem corredores industriais densos onde o calor residual é abundante. Isso torna locais como os polos siderúrgicos em Shandong, Hebei e Jiangsu candidatos adequados para replicar o conceito com equipamentos maiores.

A disponibilidade de energia também está a melhorar. Um corredor de ultra-alta tensão liga agora grandes parques eólicos e solares nas províncias ocidentais aos centros de consumo no leste. Novas linhas ligam capacidade recente em Gansu à rede que alimenta Shandong. O acesso a eletricidade renovável constante permitiria a um futuro Rizhao aumentar a escala dos eletrolisadores, mantendo o hidrogénio de baixo carbono durante as horas em que o calor residual sozinho não consegue satisfazer a carga.

Porque isto é importante para regiões com escassez de água

O hidrogénio é uma molécula sedenta quando a água é escassa. Produzir um quilograma de hidrogénio exige normalmente cerca de nove litros de água limpa. Os analistas esperam que a nova procura de hidrogénio requeira milhares de milhões de metros cúbicos de água doce na próxima década. Se o aumento surgir em regiões secas, isso pressiona o abastecimento, a menos que a água do mar e as águas residuais entrem em cena. A investigação indica que associar a dessalinização à eletrólise e recuperar calor residual de pilhas de combustível e eletrolisadores pode reduzir a fatura energética total em alguns pontos percentuais. Deslocar a fonte de água para a costa e usar calor que, de outra forma, seria descartado mantém a água interior para explorações agrícolas e cidades, ao mesmo tempo que reduz os consumos de energia na margem.

O design ambiental continua a ser importante. A salmoura pode prejudicar os ecossistemas marinhos se for descarregada sem cuidado. O modelo de Rizhao reduz este risco ao vender salmoura para produção química, o que limita a descarga no oceano. A captação de água do mar também exige engenharia cuidadosa para evitar danos na vida marinha. A melhor prática é captar água a baixas velocidades através de peneiros finos e colocar as captações onde há poucos peixes e larvas. Isto não são detalhes secundários. São essenciais para obter licenças e apoio da comunidade à medida que mais parques industriais costeiros procuram associar dessalinização e eletrólise.

A China constrói um ecossistema em torno da tecnologia do hidrogénio

Por detrás de projetos como Rizhao está uma base industrial crescente e um conjunto de parceiros em preparação. Em Tianjin, uma importante fábrica de eletrolisadores, agora sob controlo total de uma empresa europeia, fornece centenas de megawatts de módulos alcalinos por ano. Essa fábrica modernizou a automação e os sistemas de qualidade e já forneceu equipamento a alguns dos maiores projetos de hidrogénio em funcionamento. O controlo total significa ajustes de conceção mais rápidos, logística mais coordenada e melhor garantia de qualidade para encomendas globais.

Jarle Dragvik, diretor executivo da HydrogenPro, enquadrou a mudança como uma forma de alinhar a capacidade com a procura de projetos muito grandes.

Trata-se de simplificar as operações e consolidar uma configuração eficiente em termos de custos, pronta para projetos de grande escala.

Operadores estrangeiros e nacionais estão a reforçar ligações em matéria de dessalinização, renováveis e hidrogénio na China. Um promotor global de água e energia abriu um centro de inovação em Xangai para trabalhar em fotovoltaica, eólica, armazenamento de energia, hidrogénio verde e dessalinização de água do mar com universidades e laboratórios. As empresas chinesas também estão a exportar conhecimentos. Uma está a construir um projeto de hidrogénio verde no Egito associado a vento e solar que visa exportações de amoníaco. Outra está a estabelecer parcerias na Arábia Saudita para conceber uma central gigante de hidrogénio para amoníaco. Estes movimentos apontam para uma cadeia de abastecimento capaz de fornecer equipamento, serviços e conhecimentos operacionais para projetos no país e no estrangeiro.

O que poderá vir a seguir

O próximo teste para Rizhao e centrais semelhantes é o tempo. Os engenheiros vão estar atentos à incrustação em membranas movidas a calor, à deposição em tubagens e à estabilidade dos eletrolisadores que arrancam e param conforme a disponibilidade de calor residual. Mais horas de funcionamento esclarecerão as verdadeiras necessidades de manutenção e as melhores janelas operacionais. Do lado empresarial, a integração de três linhas de produto, água, hidrogénio e produtos químicos a partir de salmoura, pode amortecer oscilações de receita e melhorar a bancabilidade.

As escolhas também se tornarão mais nítidas entre duas vias técnicas. A eletrólise direta de água do mar pode encontrar o seu lugar ao largo com energia eólica e das ondas, onde a simplicidade e os equipamentos compactos são valorizados. A dessalinização seguida de eletrólise pode vencer onde o calor de baixa qualidade é abundante e onde há procura constante de água de processo muito limpa. O objetivo final é o mesmo, hidrogénio verde fornecido a custo competitivo sem recorrer a fontes escassas de água doce. O projeto-piloto de Rizhao mostra uma forma prática de lá chegar, ao mesmo tempo que se produz algo útil a partir de calor que a indústria atualmente desperdiça.

Pontos-chave

• Uma central costeira em Rizhao, Shandong, produz água doce e hidrogénio verde a partir de água do mar, utilizando calor residual industrial.
• O preço da água reportado é de cerca de dois yuan por metro cúbico, com um consumo de energia para o hidrogénio de cerca de 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, 192.000 metros cúbicos padrão de hidrogénio e 350 toneladas de salmoura para produtos químicos marinhos.
• Utilizar calor de baixa qualidade para dessalinização reduz necessidades de eletricidade e alivia a pressão sobre os abastecimentos municipais de água.
• A eletrólise direta de água do mar está a avançar, mas subsistem desafios de materiais, pelo que muitos projetos continuam a preferir dessalinização seguida de eletrólise.
• A rede de ultra-alta tensão da China traz nova energia eólica e solar a Shandong, apoiando frotas maiores de eletrolisadores.
• A capacidade de fabrico em Tianjin e os novos polos de inovação em Xangai mostram um ecossistema em expansão de hidrogénio e dessalinização.
• Projetos de exportação no Egito e na Arábia Saudita destacam o alcance global do conhecimento chinês em hidrogénio e dessalinização.
• Um design cuidadoso da captação e a gestão da salmoura são essenciais para proteger a vida marinha à medida que os projetos costeiros aumentam de escala.