Jupiter I: a turbina a hidrogénio da China que apoia a rede elétrica

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

Por trás do jargão técnico e dos números que fazem manchetes está uma questão simples: como manter as luzes acesas quando o vento abranda e o sol desaparece, sem regressar ao carvão e ao gás?

Uma gigante do hidrogénio entra na rede elétrica

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

A unidade consegue consumir até 30 000 metros cúbicos de hidrogénio por hora. Os engenheiros traduzem este volume numa imagem mais fácil de visualizar: quando opera à capacidade máxima, a máquina recebe a cada hora uma quantidade de gás equivalente a cerca de doze piscinas olímpicas.

A Jupiter I fornece até 48 000 quilowatt-hora de eletricidade por hora, quantidade suficiente para cobrir o consumo típico de cerca de 5 500 habitações.

Ao contrário das turbinas a gás tradicionais, a Jupiter I não utiliza metano de origem fóssil. Funciona apenas com hidrogénio produzido a montante e serve como uma fonte de eletricidade rápida e controlável, cuja potência pode ser aumentada ou reduzida pelos operadores da rede quase em tempo real.

Porque é que uma turbina a hidrogénio é relevante para as renováveis

A expansão dos aerogeradores e das centrais solares tem sido rápida, sobretudo na China. No entanto, a produção destas instalações varia consoante as condições meteorológicas. Numa noite ventosa ou num fim de semana com muito sol, a eletricidade pode inundar o sistema numa altura em que há poucos consumidores prontos para a utilizar.

Em muitas regiões, os gestores das redes já recorrem a uma medida pouco sofisticada: a limitação de produção. Ordenam que as centrais eólicas ou solares reduzam a potência ou parem, porque a rede não consegue absorver mais eletricidade em segurança. Assim, energia limpa perde-se antes de poder beneficiar alguém.

As grandes baterias oferecem uma possível solução, mas enfrentam limitações claras. Exigem quantidades consideráveis de minerais, têm um peso importante nos custos dos projetos e são mais eficazes em períodos de menor duração. Cobrir apenas com baterias vários dias de produção variável exigiria instalações enormes, que poucos países construíram até agora.

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

O hidrogénio pode funcionar como uma reserva entre períodos de abundância e de escassez. Quando as fontes renováveis geram mais do que a rede consegue receber, os eletrolisadores convertem esse excedente em hidrogénio. Mais tarde, uma turbina como a Jupiter I queima o gás para devolver eletricidade à rede em minutos, ou até em segundos.

O princípio essencial: converter eletricidade excedentária em hidrogénio

Uma ideia antiga a ganhar escala industrial

O conceito de base não é novo. A eletrólise separa a água em hidrogénio e oxigénio através de eletricidade. Quando a produção renovável atinge picos, os operadores encaminham os eletrões excedentários para eletrolisadores, em vez de os desperdiçarem. O hidrogénio obtido pode ser guardado em depósitos, cavidades subterrâneas ou gasodutos, sendo depois transportado para o local de utilização.

Até agora, grande parte da atenção dada ao hidrogénio centrou-se nas células de combustível. Estes dispositivos reconvertem hidrogénio em eletricidade através de uma reação química, com elevada eficiência e pouco ruído. Destacam-se em aplicações estáveis e de longa duração, como sistemas de emergência ou microrredes remotas.

Contudo, as células de combustível aumentam a potência mais lentamente e, em geral, têm potências inferiores por unidade. Uma rede nacional confrontada com um aumento súbito da procura, ou com a perda abrupta de uma grande central elétrica, precisa de uma ferramenta capaz de injetar dezenas ou centenas de megawatts num curto espaço de tempo. É neste segmento que 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 se resume a trocar um injetor. Os dois gases comportam-se de formas muito distintas na chama.

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

Estas características obrigam os projetistas a repensar 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 digital de controlo que acompanha em tempo real a pressão e a temperatura.

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

Desafios de engenharia por detrás do recorde

Controlar uma chama volátil

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 este efeito, os projetistas definem a geometria da câmara de combustão para estabilizar a frente da chama e utilizam sensores avançados 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, reforçam-se mutuamente e provocam pulsações prejudiciais. A geometria da turbina e o padrão de alimentação de combustível foram concebidos para interromper essas ressonâncias antes de se intensificarem.

A Jupiter I também tem de evitar níveis elevados de óxidos de azoto, ou NOx. Embora o hidrogénio não emita dióxido de carbono no ponto de utilização, uma combustão muito quente pode ainda gerar NOx a partir do azoto e do oxigénio presentes no ar. Queimadores de baixo NOx, combustão por fases e um controlo rigoroso da temperatura ajudam a manter estas emissões sob controlo.

Elevar os requisitos para materiais e vedantes

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

Por isso, a máquina instalada na Mongólia Interior funciona também como uma plataforma de ensaio. Cada ano de operação revelará mais sobre o envelhecimento dos componentes sob hidrogénio puro, a frequência com que terão de ser substituídos e os ajustes de conceção capazes de melhorar ainda mais a fiabilidade e o custo.

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 que produza uma potência semelhante. Este valor pressupõe que o hidrogénio provém de fontes de baixo carbono, como a eletrólise alimentada por energia eólica e solar.

*Excluem-se as emissões associadas à produção de hidrogénio a montante.

Para além do número mais mediático, o projeto altera também a quantidade de valor que o sistema elétrico consegue retirar da capacidade eólica e solar já instalada. Ao assegurar reserva flexível, a turbina permite que mais instalações renováveis operem sem limitação, aumentando, na prática, a percentagem efetiva de eletricidade limpa na rede.

As turbinas a hidrogénio não se limitam a gerar eletricidade de baixo carbono; ajudam a aproveitar produção renovável que, de outro modo, seria desperdiçada durante as horas de menor consumo.

Para um país como a China, que enfrenta um crescimento acentuado da procura de eletricidade e, simultaneamente, compromissos climáticos, esta combinação de flexibilidade e descarbonização tem importância estratégica. Também apoia o desenvolvimento de uma economia do hidrogénio mais ampla, desde gasodutos a locais de armazenamento, que mais tarde poderá servir a indústria, os transportes e o aquecimento.

Uma visão diferente da eletricidade «firme»

Durante décadas, a eletricidade firme ou «despachável» - ou seja, energia que pode ser ativada quando é necessária - foi maioritariamente fornecida por combustíveis fósseis ou reatores nucleares. A Jupiter I aponta para uma arquitetura diferente: maquinaria flexível baseada em gás, mas ligada a moléculas verdes em vez de hidrocarbonetos.

O hidrogénio continua longe de ser um vetor energético perfeito. A sua produção através de eletrólise consome muita eletricidade. A compressão, liquefação ou transporte introduz perdas e custos adicionais. Construir uma cadeia completa de hidrogénio exige investimento, regulamentação e aceitação pública quanto à segurança.

Ainda assim, projetos como este indicam que as diferentes peças começam a ligar-se. Os eletrolisadores convertem o excedente de energia renovável em gás. Os ativos de armazenamento conservam esse gás até ser necessário. As turbinas voltam a transformá-lo em eletricidade a pedido. O software acompanha previsões meteorológicas, preços de mercado e cargas da rede para coordenar todo o ciclo.

O que significa para além da China

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

A decisão da China de avançar diretamente para uma turbina dedicada a 100% de hidrogénio, à escala industrial, aumenta a pressão sobre os concorrentes mundiais. Demonstra confiança não só no projeto da turbina, mas também na capacidade de fornecer e armazenar hidrogénio suficiente para manter uma unidade deste tipo a funcionar de forma fiável.

Para os responsáveis pelo planeamento energético de outros países, o projeto da Mongólia Interior constitui uma referência operacional. Mostra a dimensão aproximada da infraestrutura necessária, a capacidade adicional que uma única turbina de 30 MW dá à rede e os ganhos de emissões que poderiam resultar da replicação em vários locais.

Questões essenciais para a próxima década

Continuam a existir várias questões em aberto sobre as turbinas a hidrogénio. Uma está relacionada com a economia: a que preço do hidrogénio conseguem igualar ou superar as centrais de ponta a gás tradicionais, tendo em conta os custos do combustível, o preço do carbono e as limitações da rede? Outra diz respeito à origem do combustível: com que rapidez poderá o hidrogénio «verde», produzido a partir de renováveis, substituir o hidrogénio feito com gás fóssil e com elevadas emissões?

A fiabilidade da rede também entra na equação. À medida que os sistemas dependem mais de renováveis variáveis associadas ao hidrogénio, os operadores acompanharão atentamente a frequência com que turbinas como a Jupiter I necessitam de manutenção, a rapidez com que conseguem arrancar a frio e o seu comportamento em condições meteorológicas extremas.

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

Há ainda a questão do risco. O hidrogénio apresenta fugas com maior facilidade do que o metano e inflama-se mais facilmente, pelo que as instalações têm de cumprir protocolos rigorosos de conceção e segurança. Ao mesmo tempo, o hidrogénio 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.

No lado positivo, a mesma tecnologia pode apoiar 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 pode reduzir custos e tornar a procura mais regular, dado que as fábricas e as redes têm frequentemente padrões de carga diferentes ao longo do dia.