MEC2027 - Armazenamento de Energia PUC-Rio Departamento de Engenharia Mecânica Turma 2o Semestre 2023 Prof. Sérgio Leal Braga CASOS REAIS DE PRODUÇÃO, ARMAZENAMENTO E TRANSPORTE DE HIDROGÊNIO VERDE: AVALIAÇÃO NA PRODUÇÃO DE SAF Janderson Honório Mazzine Afonso Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro janderson.mazzine@aluno.puc-rio.br Resumo. O presente trabalho tem como objetivo abordar um caso de produção do SAF (Sustainable Aviation Fuel) a partir de hidrogênio verde. Foi encontrado um projeto, que ainda está em fase de implementação e que está sendo financiado pelo programa H2 Global. A utilização do hidrogênio low carbon na produção de SAF faz com que o mesmo seja categorizado como e-SAF. São apresentadas as tecnologias atuais e um panorama geral do setor e das entidades associadas na produção e utilização do SAF de modo geral e do e-SAF em específico, bem como suas vantagens e desafios a fim de se tornar viavel para larga escala. Palavras-chave: Aviação, SAF, Hidrogênio Verde, H2 Global. 1. INTRODUÇÃO Visando a diminuição das emissões de gases de efeito estufa, a humanidade vem buscando soluções para descarbonização de suas economias. Soluções tecnológicas para a produção de energia através de fontes verdes vem se apresentado cada vez mais como soluções rumo ao desenvolvimento sustentável. Sendo o setor de transportes um dos maiores emissores de dióxido de carbono (em torno de 30% das emissões de um país desenvolvido (UNECE, 2023), um dos principais gases de efeito estufa, a eletrificação e hibridação dos veículos terrestres se apresenta como solução para descarbonização dos mesmos. A Fig. 1 demonstra a contribuição de cada modal de transporte em relação as emissões totais de CO2 pelo setor. Figure 1. Contribuição dos diferentes modais de transporte na poluição total causada pelo setor. Fonte: IEA (2023) adaptado. Porém, quando se trata da descarbonização de veículos aquáticos ou aéreos, o desafio se prova maior: limitações de peso e requisitos de potência e autonomia são fatores que dificultam sua transição energética. Entretanto, os veículos aéreos possuem um fator de risco significativamente maior: um veículo aquático a deriva é uma situação de risco depen- Janderson Honório Mazzine Afonso Caso Real de Produção de Hidrogênio Verde: O e-SAF dendo das condições do local, enquanto um veículo aéreo motorizado quando perde a propulsão, por mais que tenha a capacidade de planar apresenta uma situação de risco superior durante o pouso de emergência. Atualmente, alternativas para a descarbonização dos veículos aéreos vem sendo pesquisadas e desenvolvidas (EMBRAER, 2023), a mencionar a eletrificação e a hibridação. Porém, devido as limitações das baterias atuais em relação a densidade de energia, mantém esse desenvolvimento limitado à aviação não comercial de curtas distâncias. Sabendo que a aviação comercial possui uma grande parcela de relevância na emissão dos gases de efeito estufa emitidos anualmente, se faz necessário o desenvolvimento de soluções tecnicamente viáveis e seguras para que seja possível descarbonizar este meio de transporte. Tendo em vista os esforços globais na redução e compensação de emissões, a ICAO ( International Civil Aviation Organization) introduziu em 2016 o programa CORSIA que visa a redução e compensação de emissões de CO2 provenientes dos voos internacionais. O projeto consiste em 3 etapas, uma piloto (entre 2021 e 2023) e uma fase inicial (entre 2024 a 2026) na qual a adesão é voluntária e uma segunda fase (entre 2027 e 2035) na qual é obrigatória (ANSELMI, 2023). Em conjunto a ICAO, a IATA (International Air Transport Association) definiu a meta de atingir a neutralidade total de emissões de carbono na aviação até 2050. A Fig. 2 apresenta um cronograma indicando as tecnologias sugeridas para atingir esse objetivo e suas aplicações. Figure 2. Metas e previsões para a descarbonização da aviação até 2050. Fonte: ANSELMI (2023). Como pode ser verificado na Fig. 2, existe um otimismo na utilização do hidrogênio em células combustíveis para aviões híbridos e elétricos de curto alcance e capacidade de carga, porém também é indicado o uso direto da combustão do hidrogênio. Esta alternativa que está em desenvolvimento é uma das soluções possíveis, mas demanda a concepção, desenvolvimento, teste e validação de novos sistemas de propulsão movidos a hidrogênio. Porém, é possível perceber que para todos os cenários o SAF é indicado para utilização como agente para essa neutralização das emissões de carbono, e a única viável para aviação comercial de longas distâncias. O SAF, Sustainable Aviation Fuel ou Combustível Sustentável de Aviação se trata de um combustível derivado de fontes não fósseis, que pode apresentar diferentes níveis de pegada de carbono, podendo ser neutro ou mesmo negativo dependendo das matérias primas do processo. Diferentes rotas para a produção do SAF podem ser seguidas dependendo da disponibilidade da matéria prima no local, e recentemente com o forte incentivo da comunidade internacional para a produção de hidrogênio verde, uma nova rota para o SAF foi proposta, utilizando o hidrogênio verde o que resulta no combustível chamado e-SAF (e-Querosene ou e-Fuel). 1.1 Motivação Um dos maiores desafios da engenharia no que tange a transição energética vem sendo o desenvolvimento de soluções para descarbonização das aeronaves: a natureza da operação, os riscos e os custos associados demandam um estudo cuidadoso e criterioso das soluções propostas. Tendo participado do GCEME UFJF no qual era estudada a hibridação de aeronaves, o desenvolvimento do SAF, e em especial do e-SAF se mostra como alternativa mais factível no curto e médio prazo para a aviação geral, e para a comercial em especial. Portanto uma investigação mais criteriosa dessa solução se faz necessária para complementar os conhecimentos já adquiridos. Aula de Métodos Experimentais para alunos de Pós Graduação PUC-Rio Departamento de Engenharia Mecânica, Turma 2o Semestre 2014 2. SAF Os SAFs são definidos como combustíveis de aviação renováveis ou derivados de resíduos que atendem aos critérios do programa CORSIA, ou seja, possuem certificação da ICAO para serem utilizados. São combustíveis molecularmente similares ao querosene derivado do petróleo, que podem ser misturados neste a uma proporção de até 50%. É possível produzir este combustível a partir de diversas fontes de matéria prima: óleos e gorduras residuais, resíduos orgânicos, culturas não alimentares e poluição industrial. O combustível composto de querosene convencional com SAF é considera drop-in, o que significa que o mesmo pode ser utilizado nos sistemas já existentes, sem requerer modificações. Desta forma se apresenta como uma solução viável e factível para a transição energética da aviação, apesar de atualmente proporcionar uma diminuição, e não a neutralidade de carbono buscada pela aviação. Porém, este cenário tende a mudar. Fabricantes como a Boing e a Airbus indicaram o compromisso de desenvolver e produzir apenas aviões compatíveis com o uso de SAF 100% até 2030. Desta forma, dependendo da rota de produção do SAF, a meta da neutralidade em carbono da aviação pode ser atingida (BOEING, 2023; AIRBUS, 2023). Para a produção do SAF existem atualmente 7 rotas reconhecidas pela ASTM e de acordo com o CORSIA para a produção do SAF, utilizando 5 tecnologias distintas. Existem ainda outras rotas em estudo e desenvolvimento, porém que ainda não foram validadas dentro do programa • FT/SPK (Fischer-Tropsch Hydroprocessed Synthesised Paraffinic Kerosine) - Feito a partir de resíduos florestais e sólidos urbanos. Aprovado em 2009 para blends no máximo 50%, porém ainda não está disponivel comercialmente em larga escala. • HEFA (Synthesised Paraffinic Kerosine from Hydroprocessed Esters & Fatty Acids ou HEFA SPK) - Feito a partir de óleos e graxas vegetais. Aprovado em 2011 para uma mistura de até 50%. Representa a maior parte do SAF global produzido. • SIP (Synthesised Iso-Paraffins from Hydroprocessed Fermented Sugars ou Farnesane) - Feito da cana de açúcar. Foi aprovado em 2014 para blends de até 10%. • FT/SPK-A (Fischer-Tropsch Synthesised Kerosine with Aromatics derived by Alkylation of Light Aromatics from Non-Petroleum sources) - Semelhante ao combustível Fischer-Tropsch original. Pode ser produzido a partir de uma ampla variedade de matérias-primas, com a adição de moléculas aromáticas. Aprovado em 2015 para uma mistura de até 50%. • ATJ (Alcohol-To Jet Synthetic Paraffinic Kerosene ou ATJ-SPK) - Utilização de matéria prima que pode ser fermentada para obter alcois, que são então convertidos em combustível de aviação. Aprovado em 2016 para uma mistura de até 30%. Em 2018 após uma revisão foi permitindo o aumento da proporção de mistura para 50%. • CHJ (Synthesised Kerosine from Hydrothermal conversion of Fatty Acid Esters & Fatty Acids) - Utiliza a mesma base do processo HEFA. Aprovado em 2020 para uma mistura de até 50 • HHC SPK (Synthesised Paraffinic Kerosine from Hydroprocessed Hydrocarbons, Esters Fatty Acids ou HC-HEFA SPK) - Variação do processo HEFA que cria um querosene parafínico sintetizado a partir de ésteres hidrocarbonados e ácidos graxos. Aprovado em 2020 para blends de até 10%. Atualmente a rota HEFA é a única capaz de fornecer SAF em escala comercial relevante atualmente. Porém os processos FT e ATJ são as apostas para ganhar o mercado nos próximos anos. No presente trabalho, será aprofundado um pouco mais a tecnologia relacionada ao processo FT devido a mesma ser utilizada para produção do e-Fuels no caso em estudo. 3. PROCESSO FISCHER-TROPSCH O processo Fischer-Tropsch é uma tecnologia de síntese química que converte gás de síntese, uma mistura de monóxido de carbono e hidrogênio, em hidrocarbonetos mais complexos, como parafinas e olefinas. Este processo foi desenvolvido por Franz Fischer e Hans Tropsch na década de 1920, e desempenha um papel crucial na produção de combustíveis líquidos a partir de fontes não petrolíferas, como carvão, gás natural ou biomassa. O processo envolve uma série de reações catalíticas complexas em que o gás de síntese reage com um catalisador metálico para formar uma ampla gama de hidrocarbonetos. Esses hidrocarbonetos resultantes podem ser refinados para produzir combustíveis, lubrificantes e outros produtos petroquímicos. O processo de Fischer-Tropsch tem a vantagem de ser invariável à fonte do gás de síntese, ou seja, através desse processo é possível obter um combustível de características semelhantes mesmo utilizando matérias primas de fontes Janderson Honório Mazzine Afonso Caso Real de Produção de Hidrogênio Verde: O e-SAF Figure 3. Esquema da obtenção de querosene a partir de um processo de síntese de Fischer-Tropsch. Fonte: Autor. distintas na produção do gás de síntese. O gás de síntese por sua vez pode ser obtido a partir de diferentes fontes. Como pode ser verificado na Fig. 3, se faz necessária para a obtenção do gás de síntese uma fonte de carbono e de hidrogênio. Para a obtenção do carbono as fontes mais convencionais são o carvão e o gás natural. Porém, algumas fontes se apresentam como soluções que concorrem para a meta de carbono zero: utilização de biomassas variadas como resíduos urbanos, florestais ou óleos vegetais. Uma fonte alternativa que é capaz de transformar os combustíveis produzidos a partir desse processo em produtos com pegada negativa é a utilização da captura de dióxido de carbono atmosférico, ou a utilização de gases poluentes gerados na indústria (Fig. 5). Figure 4. Esquema da obtenção de querosene a partir de um processo de síntese de Fischer-Tropsch, com fontes de carbono renováveis. Fonte: Autor. Para o hidrogênio, devido a invariabilidade do gás produzido em relação a fonte produtora, é possível utilizar qualquer classificação de hidrogênio, o que abre portas para a utilização do hidrogênio verde e obtenção do e-SAF. Desta forma, podemos obter um SAF de pegada neutra de carbono quando utilizada biomassa, óleos vegetas ou resíduos ou até mesmo negativa caso se utilize captura de carbono, seja ela atmosférica ou pelo uso de gases rejeitados pela indústria (Fig. ??). Figure 5. Esquema da obtenção de querosene a partir de um processo de síntese de Fischer-Tropsch, com fontes de carbono renováveis e hidrogênio verde. Fonte: Autor. 4. CASO: CONSÓRCIO HYSHIFT Dentro do contexto de uma série de incentivos à economia verde na África do Sul, a Sasol Limited, uma empresa petroquímica sediada em Johanesburgo e com atuação global firmou parceria com a Linde, Enertrag e Hydregen no que ficou nomeado como Consórcio HyShiFT. O objetivo do consócio e a produção do SAF a partir da rota Power-to-Liquid com base no hidrogênio verde, resultando assim no e-SAF. Cada uma das empresas do consórcio representa uma etapa da cadeia produtiva em sua linha de especialidade. A Enertrag produz energia renovável a partir de recursos eólicos e solares, a Linde produz hidrogênio verde, a Sasol converte esses dois insumos em combustível de aviação verde através de seu reator FT enquanto a Hydregen Energy (Pty) Ltd. é uma empresa sul africana que visa desenvolver e investir em infraestrutura de hidrogênio verde. A meta do consórcio HyShiFT é produzir 50.000 toneladas por dia e-SAF, que poderia seria suficientes para alimentar 2 voos entre a Alemanha e a África do Sul por dia (https://www.hyshift.org/). Em especial, a Sasol comprometeu-se com a redução de suas emissões de carbono para 30% até 2030, visando a neutralidade em 2050. Como a mesma domina a tecnologia do processo de síntese de Fischer Tropsch (FT), o investimento neste biocombustível se mostra uma escolha sensata pois utiliza uma tecnologia que ela possui e domina e que é independente de matéria-prima. Ou seja, a tecnologia tem a flexibilidade de mudar sua fonte de hidrogênio de com Aula de Métodos Experimentais para alunos de Pós Graduação PUC-Rio Departamento de Engenharia Mecânica, Turma 2o Semestre 2014 alto carbono para hidrogênio proveniente de fontes de baixo carbono. Somado ao fato de que carbono pode vir de fontes de matéria-prima sustentáveis como biomassa, rejeitos de processos industriais e captura de CO2 atmosférico e que na África do Sul existem mapeadas as fontes possíveis das matérias primas, o e-SAF produzido pela HyShiFT pode produzir um combustível de aviação a partir de um processo neutro em emissões (RSB, 2023). Vale ressaltar que atualmente a utilização de rejeitos gasosos industriais não é vista como uma fonte sustentável, entretanto na cadeia global da Sasol a captura e reciclagem desses poluentes é estrategicamente importante, dado o fato que a empresa é a maior poluidora da África do Sul e sua planta em Secunda é considerada o maior ponto de emissão unitária do planeta (SASOL, 2023). O consórcio HyShiFT foi contemplado no projeto H2 Global com um financiamento de 15 milhões de euros para a construção de um eletrolisador de 200 MW, o qual fornecerá hidrogênio verde parte para a importação pelo governo Alemão, parte para a produção do e-SAF nas plantas já existentes da Sasol (HYSHIFT, 2023). 4.1 Vantagens O e-SAF possui as vantagens do SAF convencional, de ser do tipo drop in, ou seja, não necessitar de alterações para funcionar nos motores já existentes quando em misturas de até 50% com o querosene convencional. Além disto, os novos motores já são projetados para serem capazes de operar apenas com e-SAF puro, o que ocasionará uma descarbonização da aviação superior a atingida atualmente com o uso em conjunto com querosene convencional, tão logo os motores antigos sejam aposentados. Agrega-se a isso a possibilidade de se utilizar fontes de hidrogênio de baixo carbono e biomassa ou captura de carbono o que possibilita a obtenção de um combustível neutro ou mesmo negativo na pegada de carbono ao longo de toda sua cadeia produtiva. Quando limitamos o e-SAF ao produzido especificamente a partir de hidrogênio verde e captura de carbono, a pegada total de carbono de toda a cadeia de da produção ao uso pode se tornar neutra ou negativa em carbono. Como não demanda matéria prima agrícola como alguns processos de produção de SAF, o e-SAF pode ser produzido localmente, próximos aos grandes aeroportos que são os locais de abastecimento das aeronaves, eliminando desta forma as emissões associadas ao transporte do mesmo até o local de uso. 5. Perspectivas técnicas e econômicas Apesar das vantagens do e-SAF, principalmente do gerado a partir de hidrogênio verde, um dos seus maiores entraves é o custo atual. O SAF convencional já possui um custo 4 vezes superior ao custo do combustível fóssil. Aliado a isso, existe o custo do hidrogênio verde que é superior ao custo dos demais hidrogênios. Para se tornar economicamente viável, o valor do quilograma de hidrogênio verde gerado deve se tornar também um quarto do valor atual. Como ainda não foi alcançada esta marca, verifica-se certo grau de desconfiança na viabilidade do uso da rota de e-SAF frente às demais, que já apresentam uma baixa pegada de carbono. 6. CONCLUSÕES Apesar de ser uma alternativa muito interessante do ponto de vista de resultado na promoção da descarbonização da aviação. A produção do e-SAF com base no hidrogênio verde ainda apresenta desafios significativos para que possa ser considerado viável e sua utilização em larga escala seja possível. Estes desafios passam pela diminuição do custo da produção do H2 verde. Dentro da perspectiva de diminuição de custos relativos a produção do H2 verde, projetos como o H2 Global podem representar um avanço significativo no desenvolvimento e consequentemente diminuição dos custos de produção do eSAF, para que o mesmo possa ser amplamente utilizado. E neste contexto, o caso apresentado apesar de ainda estar em fase de implementação apresenta um futuro promissor, ao passo que já possui investimento, atores governamentais e empresas privadas com conhecimento e maturidade no uso das tecnologias utilizadas no processo. 7. ACKNOWLEDGEMENTS This optional section must be placed before the list of references. 8. REFERENCES AIRBUS, 2023. “Sustainable aviation fuel advancing the ecosystem for a proven alternative fuel”. Disponível em: <https://www.airbus.com/en/sustainability/respecting-the-planet/decarbonisation/sustainable-aviation-fuel>. ANSELMI, M.B., 2023. “Introdução de combustíveis sustentáveis de aviação (saf) na matriz energética do brasil”. Disponível em: <https://www2.camara.leg.br/atividade-legislativa/comissoes/comissoes- Janderson Honório Mazzine Afonso Caso Real de Produção de Hidrogênio Verde: O e-SAF permanentes/cme/apresentacoes-em-eventos/apresentacoes-em-eventos-2021/08-12-2021-agenda-de-combustiveldo-setor-aereo/ANAC.pdf>. BOEING, 2023. “Boeing doubles sustainable aviation fuel purchase for commercial operations, buying 5.6 million gallons for 2023”. 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