A nova turbina de hidrogénio Jupiter I da MingYang na China

A mais recente máquina energética da China parece uma turbina a gás convencional, mas está a mudar discretamente a forma como a energia limpa pode assegurar o apoio à rede elétrica.

Por trás da linguagem técnica e dos números que fazem manchete, há uma pergunta simples: como manter as luzes acesas quando o vento abranda e o sol deixa de brilhar, sem voltar a recorrer ao carvão e ao gás?

Um gigante do hidrogénio entra na rede

Na Mongólia Interior, uma região já repleta de parques eólicos e solares, o fabricante chinês MingYang Group pôs em funcionamento uma novidade: a Jupiter I, uma turbina a gás que funciona exclusivamente a hidrogénio. Com uma potência nominal de 30 megawatts, é atualmente a maior turbina do mundo alimentada a 100% por hidrogénio.

A unidade consegue queimar até 30 000 metros cúbicos de hidrogénio por hora. Para tornar o número mais fácil de imaginar, os engenheiros comparam-no a cerca de doze piscinas olímpicas de gás a passar pela máquina a cada hora, quando esta funciona à potência máxima.

A Jupiter I fornece até 48 000 quilowatt-hora de eletricidade por hora, o suficiente para satisfazer o consumo habitual de aproximadamente 5 500 agregados familiares.

Ao contrário das turbinas a gás convencionais, a Jupiter I não utiliza metano de origem fóssil. Depende apenas de hidrogénio produzido a montante e usa-o como fonte de eletricidade rápida e controlável, cuja produção os operadores da rede podem aumentar ou diminuir quase em tempo real.

Porque é importante uma turbina de hidrogénio para as renováveis

As turbinas eólicas e os parques solares multiplicaram-se rapidamente, sobretudo na China. A sua produção, porém, sobe e desce consoante as condições meteorológicas. Numa noite ventosa ou num fim de semana soalheiro, a eletricidade pode inundar o sistema quando há poucos consumidores disponíveis para a utilizar nesse preciso momento.

Em muitas regiões, os gestores da rede já recorrem a uma solução pouco subtil: a limitação da produção. Ordenam às centrais eólicas ou solares que reduzam a atividade ou parem, porque a rede não consegue absorver mais energia em segurança. Assim, perde-se eletricidade limpa antes de alguém poder beneficiar dela.

As grandes baterias prometem ajudar, mas têm limitações evidentes. Exigem quantidades consideráveis de minerais, pesam muito nos custos dos projetos e funcionam melhor durante períodos mais curtos. Cobrir vários dias de produção variável apenas com baterias exige instalações enormes, que poucos países construíram até agora.

As turbinas de hidrogénio procuram preencher uma lacuna em que as baterias têm dificuldades: fornecer, a pedido, grandes quantidades de potência controlável, sobretudo quando a rede precisa de um reforço rápido.

O hidrogénio pode servir de reserva entre períodos de excedente e de escassez. Quando as renováveis produzem mais do que a rede consegue receber, os eletrolisadores transformam o excedente em hidrogénio. Mais tarde, uma turbina como a Jupiter I queima esse gás e devolve eletricidade à rede em minutos, ou até em segundos.

O princípio básico: transformar eletricidade excedentária em hidrogénio

Uma ideia antiga ganha escala industrial

O conceito de base não é novo. A eletrólise utiliza eletricidade para separar a água em hidrogénio e oxigénio. Quando a produção renovável atinge um pico, os operadores encaminham a eletricidade excedentária para eletrolisadores, em vez de a desperdiçarem. O hidrogénio obtido pode ser armazenado em depósitos, cavernas subterrâneas ou gasodutos e depois transportado até ao local de utilização.

Até agora, grande parte da atenção dedicada ao hidrogénio concentrou-se nas células de combustível. Estes dispositivos voltam a transformar o hidrogénio em eletricidade através de uma reação química, com elevada eficiência e pouco ruído. São particularmente adequados a aplicações estáveis e prolongadas, como sistemas de reserva ou microrredes remotas.

No entanto, as células de combustível aumentam a produção mais lentamente e, em geral, têm potências menores por unidade. Uma rede nacional confrontada com um aumento súbito da procura ou com a perda abrupta de uma grande central precisa de uma solução capaz de injetar dezenas ou centenas de megawatts em pouco tempo. Nesse domínio, as turbinas a gás continuam a ser difíceis de superar.

Hidrogénio e gás natural numa turbina

As turbinas a gás convencionais queimam gás natural, composto sobretudo por metano. Substituir esse combustível por hidrogénio puro não é tão simples como trocar um injetor. Os dois gases comportam-se de forma muito diferente na chama.

• O hidrogénio inflama-se mais facilmente e arde mais depressa do que o metano.
• A temperatura da chama pode aumentar significativamente, submetendo metais e revestimentos a maior esforço.
• As moléculas de hidrogénio são minúsculas e podem escapar por vedantes concebidos para gás natural.
• As chamas rápidas podem tornar-se instáveis, incluindo o risco de um perigoso retorno da chama para o queimador.

Estas características obrigam os projetistas a rever toda a “secção quente” da turbina. Os engenheiros da MingYang reformularam as câmaras de combustão, o fluxo de ar interno, os equipamentos de injeção de combustível e o sistema de controlo digital que acompanha a pressão e a temperatura em tempo real.

O resultado é uma turbina de 30 MW que funciona continuamente a hidrogénio, mantém uma chama estável e se integra num ambiente industrial já ligado às renováveis.

Os desafios de engenharia por trás do recorde

Controlar uma chama instável

As chamas de hidrogénio tendem a oscilar. Isso pode provocar vibrações e grandes variações de temperatura, encurtando a vida útil dos componentes da turbina. Para contrariar o problema, os projetistas dão à câmara de combustão uma forma que estabiliza a frente de chama e utilizam sensores sofisticados para acompanhar os seus movimentos.

Parte deste trabalho assemelha-se à afinação de um instrumento musical. Se as ondas de pressão no interior da câmara coincidirem com frequências naturais de ressonância, amplificam-se mutuamente e originam pulsações prejudiciais. A geometria da turbina e a forma como o combustível é introduzido procuram interromper essas ressonâncias antes de se intensificarem.

A Jupiter I também precisa de evitar a produção de níveis elevados de óxidos de azoto, ou NOx. Embora o hidrogénio não emita dióxido de carbono no ponto de utilização, uma combustão a temperaturas muito elevadas pode ainda gerar NOx a partir do azoto e do oxigénio presentes no ar. Queimadores de baixas emissões de NOx, combustão faseada e controlo preciso da temperatura ajudam a limitar essas emissões.

Elevar as exigências dos materiais e vedantes

O hidrogénio pode penetrar nos metais e alterar a sua estrutura ao longo do tempo, fenómeno frequentemente designado por fragilização pelo hidrogénio. Este risco leva os fabricantes de turbinas a aperfeiçoar ligas, revestimentos e materiais de vedação, especialmente nas zonas de alta pressão.

A máquina da Mongólia Interior funciona, por isso, também como uma bancada de ensaio. Cada ano de operação revelará mais sobre o envelhecimento dos componentes em contacto com hidrogénio puro, a frequência com que precisam de ser substituídos e as alterações de projeto que podem melhorar ainda mais a fiabilidade e os custos.

Impacto climático e benefícios para o sistema

Segundo as estimativas do projeto, a Jupiter I evita mais de 200 000 toneladas de emissões de dióxido de carbono por ano, em comparação com uma central a carvão ou a gás com produção semelhante. Esse valor pressupõe que o hidrogénio provém de fontes de baixo carbono, como a eletrólise alimentada por energia eólica e solar.

*Excluindo as emissões da produção de hidrogénio a montante.

Para além do número mais divulgado, o projeto também altera o valor que o sistema elétrico consegue retirar da capacidade eólica e solar instalada. Ao fornecer apoio flexível, a turbina permite que mais centrais renováveis funcionem sem limitações de produção, aumentando, na prática, a proporção efetiva de eletricidade limpa na rede.

As turbinas de hidrogénio não se limitam a gerar eletricidade de baixo carbono; também ajudam a aproveitar produção renovável que, de outra forma, seria desperdiçada nas horas de menor consumo.

Para um país como a China, confrontado com uma procura de eletricidade a crescer acentuadamente e com compromissos climáticos, esta combinação de flexibilidade e descarbonização tem importância estratégica. Também favorece o desenvolvimento de uma economia do hidrogénio mais abrangente, desde gasodutos a locais de armazenamento, que poderá mais tarde servir a indústria, os transportes e o aquecimento.

Uma visão diferente da eletricidade “firme”

Durante décadas, a eletricidade firme ou “despachável” - isto é, a energia que pode ser produzida quando se pretende - veio sobretudo de combustíveis fósseis ou de reatores nucleares. A Jupiter I aponta para uma arquitetura diferente: máquinas flexíveis a gás, associadas a moléculas verdes em vez de hidrocarbonetos.

O hidrogénio continua longe de ser um vetor energético perfeito. A sua produção por eletrólise consome muita eletricidade. A compressão, a liquefação ou o transporte acrescentam perdas e custos. Construir uma cadeia completa de hidrogénio exige capital, regulamentação e aceitação pública em matéria de segurança.

Ainda assim, projetos como este sugerem que as peças começam a encaixar. Os eletrolisadores convertem em gás a eletricidade renovável excedentária. As instalações de armazenamento guardam-no até ser necessário. As turbinas voltam a transformá-lo em eletricidade quando lhes é solicitado. Programas informáticos acompanham as previsões meteorológicas, os preços de mercado e as cargas da rede para coordenar todo o ciclo.

O significado para lá da China

A Europa, os Estados Unidos, o Japão e o Médio Oriente estão a desenvolver projetos-piloto com turbinas capazes de funcionar a hidrogénio. Muitas máquinas atuais ainda queimam misturas de gás natural e hidrogénio, normalmente com uma proporção de hidrogénio de até 30–50% em volume, antes de avançarem gradualmente para percentagens superiores.

A decisão da China de avançar diretamente para uma turbina industrial dedicada a 100% ao hidrogénio aumenta a pressão sobre os concorrentes internacionais. Revela confiança não só no projeto da turbina, mas também na capacidade de fornecer e armazenar hidrogénio suficiente para manter uma unidade deste tipo em funcionamento fiável.

Para os responsáveis pelo planeamento energético noutros países, o projeto da Mongólia Interior oferece uma referência em funcionamento. Mostra a dimensão aproximada das infraestruturas necessárias, a capacidade que uma única turbina de 30 MW acrescenta à rede e o tipo de redução de emissões que poderá resultar da sua replicação em vários locais.

Questões centrais para a próxima década

Continuam em aberto várias questões sobre as turbinas de hidrogénio. Uma diz respeito à economia: a que preço do hidrogénio conseguem igualar ou superar as centrais tradicionais a gás usadas nos picos de consumo, tendo em conta os custos do combustível, o preço do carbono e as limitações da rede? Outra prende-se com a origem do combustível: com que rapidez poderá o hidrogénio “verde” produzido a partir de renováveis substituir o hidrogénio obtido a partir de gás fóssil com elevadas emissões?

A fiabilidade da rede também entra na equação. À medida que os sistemas dependem mais de renováveis variáveis combinadas com hidrogénio, os operadores acompanharão de perto a frequência da manutenção de turbinas como a Jupiter I, a rapidez com que arrancam a frio e a forma como lidam com condições meteorológicas extremas.

Para quem procura perceber a escala, um breve exercício ajuda. Imagine-se uma rede regional a enfrentar um pico de procura de 150 MW ao fim do dia, quando a produção solar cai abruptamente. Cinco máquinas comparáveis à Jupiter I, abastecidas com hidrogénio produzido mais cedo nesse dia, poderiam, em princípio, responder a esse aumento sem queimar um único metro cúbico de gás fóssil.

Outro aspeto é o risco. O hidrogénio escapa mais facilmente do que o metano e inflama-se com maior facilidade, pelo que as instalações têm de seguir protocolos rigorosos de conceção e segurança. Ao mesmo tempo, dispersa-se rapidamente ao ar livre, reduzindo a duração das nuvens inflamáveis. Reguladores e engenheiros continuam a aperfeiçoar regras e boas práticas para concentrações densas de instalações de hidrogénio perto de zonas habitadas.

Entre as vantagens, a mesma tecnologia pode servir vários setores. Zonas industriais com siderurgias ou fábricas químicas poderiam recorrer à mesma rede de hidrogénio utilizada pelas turbinas. O planeamento conjunto da produção elétrica e da indústria pesada poderá reduzir custos e atenuar as variações da procura, uma vez que as fábricas e as redes apresentam frequentemente perfis de carga diferentes ao longo do dia.