A economia do hidrogênio é essencial para os esforços de descarbonização.

A economia do hidrogênio não é uma perspectiva imaginária de um futuro utópico distante, mas sim uma realidade cada vez mais concreta, afirmou um painel de engenheiros em um webinar recente. Em resposta a isso, a indústria de compressão tem observado um aumento significativo nos pedidos de compressores de hidrogênio nos últimos meses.

“A economia do hidrogênio não é mais algo para o futuro . Estamos testemunhando isso neste momento”, disse Lennert Buijs, gerente de projetos da TNO, que falou em um webinar recente organizado pelo Fórum Europeu de Compressores Alternativos.

O EFRC publicou recentemente um relatório técnico, "Compressão de Hidrogênio: Impulsionando a Economia do Hidrogênio", para discutir o crescimento da compressão de hidrogênio na Europa. Seu webinar recente foi realizado para apresentar os principais conteúdos desse relatório.

O documento da EFRC apresentou uma visão geral das vantagens e desvantagens relativas de diferentes sistemas de compressão utilizados na economia do hidrogênio. A organização destaca a tecnologia de compressão de hidrogênio existente e os desenvolvimentos na Europa que apoiam a transição para uma economia de hidrogênio verde .

O relatório técnico e o seminário descreveram os vários tipos de compressores disponíveis para compressão de hidrogênio, bem como as vantagens e limitações relativas de cada um. A cadeia de valor do hidrogênio pode ser dividida em três partes: produção, transporte e armazenamento, e uso final. A compressão é necessária em cada uma dessas etapas.

Uma vez produzido, o hidrogênio é comprimido e inserido em um sistema de transporte. Ele pode ser transportado por um gasoduto, o que também exigiria compressão para levar as moléculas a outro local. Também pode ser transportado por caminhão, mas nesse caso também é necessária compressão – e geralmente a pressões ainda maiores do que as exigidas pelos gasodutos.

A indústria precisa de compressão para armazenamento em tanques ou em depósitos subterrâneos de gás. Em ambos os casos, o armazenamento pode compensar a natureza intermitente da produção e do consumo de hidrogênio , segundo o artigo.

O consumo de hidrogênio, o terceiro elo da cadeia de valor, também pode exigir compressão que atenda a critérios específicos, dependendo da aplicação. O hidrogênio pode ser usado para geração de energia, como matéria-prima ou como combustível para veículos.

A Europa está avançando com diversos projetos de hidrogênio concebidos para reduzir a dependência de hidrocarbonetos. "Vemos muitos projetos em desenvolvimento neste momento", afirmou René Peters, um dos palestrantes do recente webinar.

A União Europeia, em seu Pacto Ecológico Europeu, prevê um papel significativo para o hidrogênio e a eletricidade em seu futuro sistema energético. Nos Países Baixos, por exemplo, existem cerca de 160 projetos que, em última análise, produzirão 12 GW de hidrogênio verde até 2030, afirmou ele.

Os Países Baixos também se comprometeram a construir uma rede de gasodutos de hidrogênio que se conectaria a uma rede semelhante na Alemanha e na Bélgica, bem como a locais offshore. A compressão seria necessária em toda a extensão da rede de gasodutos, afirmou ele.

A Europa também precisará de compressão para um número crescente de postos de abastecimento de hidrogênio, que precisam fornecer hidrogênio de alta pureza a uma pressão de 350 a 700 bar para abastecer veículos particulares ou caminhões pesados. Na Alemanha, existem 93 postos em operação e outros 50 estão em desenvolvimento. Holanda, Bélgica, Dinamarca, Noruega e Suíça também possuem um número crescente de postos de abastecimento.

“Estamos vendo uma grande expansão de postos de abastecimento de hidrogênio na Europa”, disse Buijs. “Estamos testemunhando rapidamente uma cobertura completa do noroeste da Europa para veículos com células de combustível de hidrogênio e caminhões pesados.”

Algumas empresas do setor de infraestrutura de gás natural estão tentando usar cavernas de sal e campos de gás esgotados para o armazenamento em larga escala de hidrogênio. Até 250 GW de hidrogênio poderiam ser armazenados em cavernas de sal. "O armazenamento é vital para garantir o mercado. As cavernas são necessárias para garantir a segurança do abastecimento", afirmou.

Vários tipos de compressores

O artigo e o webinar observaram que vários tipos de compressores podem ser usados para hidrogênio e que alguns são mais adequados do que outros, dependendo da aplicação. O estudo comparou diversos tipos de compressores em termos de capacidade, confiabilidade, pressão final, pureza do gás, eficiência, potencial para taxas de redução de carga, pulsações, vibrações e ruído.

Os compressores alternativos estão entre os mais comuns porque podem fornecer uma ampla gama de pressões e capacidades. Possuem um histórico robusto após décadas de uso em refinarias. São máquinas geralmente versáteis que lidam bem com mudanças nas condições do processo e podem ser reduzidas com grande eficiência. Os compressores alternativos podem ser lubrificados ou não lubrificados.

Uma das desvantagens dos compressores alternativos é a grande quantidade de peças sujeitas a desgaste, que necessitam de manutenção e substituição periódica. A taxa de compressão por estágio é relativamente limitada, o que frequentemente exige múltiplos estágios para elevar a pressão do gás. Além disso, os compressores alternativos geram um fluxo pulsante de gás que pode causar vibrações que precisam ser controladas.

Os compressores alternativos são a opção mais comum para o transporte de hidrogênio por dutos . Eles também são comumente usados em aplicações de armazenamento subterrâneo de hidrogênio , que normalmente exigem entre 200 e 300 bar. As condições para essa aplicação podem variar e injeções e retiradas podem ocorrer várias vezes ao dia.

Os compressores de diafragma e hidráulicos são máquinas de deslocamento positivo com um histórico comprovado em aplicações de hidrogênio. São particularmente adequados para postos de abastecimento de hidrogênio, pois garantem alta pureza do gás e podem atingir maiores taxas de compressão por estágio. Apresentam, no entanto, algumas limitações: geralmente possuem capacidade inferior à dos compressores de pistão. Além disso, exigem operação cuidadosa e manutenção regular para garantir confiabilidade ideal. A substituição da membrana em um compressor de diafragma é um processo relativamente demorado quando comparada à substituição de peças em compressores hidráulicos.

Os compressores de parafuso são máquinas de deslocamento positivo que reduzem o volume de gás através de um conjunto formado por dois rotores giratórios. Uma das vantagens é que geralmente operam em velocidades mais altas do que os compressores de pistão, o que lhes confere maior capacidade no mesmo espaço ocupado. Os compressores de parafuso possuem poucas peças sujeitas a desgaste, o que significa menos manutenção programada do que as máquinas de pistão.

No entanto, os compressores de parafuso têm menor capacidade do que os compressores de pistão e um histórico limitado para hidrogênio devido à sua pressão de descarga relativamente baixa, que geralmente fica entre 30 e 40 bar. Os compressores de parafuso também geram pulsações no lado da saída, frequentemente em uma frequência mais alta do que os compressores de pistão.

Os compressores centrífugos utilizam um impulsor para acelerar e comprimir gases. São considerados uma tecnologia consolidada para aplicações com alto teor de hidrogênio, como unidades de hidrocracking em refinarias. No entanto, o estudo constatou que não são adequados para aplicações com hidrogênio puro.

Os compressores centrífugos podem operar em alta velocidade e ter alta capacidade, frequentemente superior à dos compressores de pistão com a mesma área de ocupação. Eles não possuem peças sujeitas a desgaste e suas pulsações são muito menores do que as dos compressores de pistão.

No entanto, a sua relação de pressão por estágio é muito baixa e possuem um ponto de eficiência limitado. São projetados para operar em um conjunto específico de circunstâncias. Se essas circunstâncias mudarem, a eficiência cai.

“Os compressores centrífugos ainda têm um histórico muito limitado em aplicações com hidrogênio puro”, disse ele.

Por fim, também foram discutidos alguns conceitos mais inovadores para a compressão de hidrogênio, utilizando princípios não mecânicos. Estes incluem, por exemplo, a compressão eletroquímica e a compressão por hidreto metálico. Embora ainda não tenham atingido o nível de maturidade e capacidade dos compressores clássicos (mecânicos) convencionais, essas tecnologias estão evoluindo rapidamente e são de claro interesse para aplicações específicas de hidrogênio.

Tendências de P&D

A EFRC observou que muitos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) estão investindo fortemente em pesquisa e desenvolvimento para aplicações de hidrogênio . Há uma tendência, por exemplo, de aumentar a pressão de saída, especialmente para compressores não lubrificados necessários para hidrogênio puro.

Outra tendência na pesquisa é a confiabilidade após partidas e paradas intermitentes. Os fabricantes estão tentando melhorar a confiabilidade das máquinas que não são usadas de forma constante. Os postos de abastecimento de hidrogênio são um excelente exemplo, onde um compressor opera enquanto um veículo é abastecido e desliga quando o tanque está cheio.

Outro tópico de pesquisa é a possibilidade de técnicas de compressão híbridas para combinar as vantagens relativas de cada tipo de compressor. Por exemplo, algumas indústrias estão estudando a combinação de um compressor de parafuso em baixa pressão com um compressor alternativo em alta pressão. Em outros casos, pesquisa-se o uso de um compressor alternativo em baixa pressão e um compressor de diafragma em alta pressão. Essa combinação de tecnologias pode, muitas vezes, ser alcançada em um único eixo.

Os fabricantes também estão pesquisando como os diferentes equipamentos usados em sistemas de hidrogênio interagem entre si. Por exemplo, querem saber se um eletrolisador pode ser danificado pelas pulsações causadas por um compressor alternativo. "Essas são questões que ainda não estão claras", disse Leonard van Lier, da TNO Energy Transition.

O estudo chegou a algumas conclusões. O hidrogênio é um elemento crucial no processo de descarbonização . Uma compressão eficiente e confiável será necessária em toda a cadeia de valor do hidrogênio.

Em resposta a esse aumento na demanda, os fabricantes estão buscando melhorar as capacidades e suportar pressões mais elevadas. Além disso, estão pesquisando maneiras de manter os equipamentos operando com eficiência em múltiplas velocidades e de forma confiável, mesmo com partidas e paradas intermitentes.