Hidrogênio verde: uma oportunidade de geração de riqueza com sustentabilidade, para o Brasil e o mundo

Combustível e matéria-prima, o hidrogênio verde contribuirá para a descarbonização da matriz energética mundial e criará uma oportunidade de investimentos de USD 200 bi no país ao longo de 20 anos

Com potencial de energia eólica e solar abundante, um sistema elétrico integrado e de baixo carbono e uma posição geográfica vantajosa para alcançar a Europa e a costa leste norte-americana, além de uma relevante indústria doméstica, o Brasil pode se tornar um dos líderes mundiais na produção de hidrogênio verde.

A oportunidade total é de USD 15-20 bilhões em 2040, com a maior parte desse potencial (USD 10-12 bilhões) para servir ao mercado doméstico – em particular o transporte de carga por caminhões, a siderurgia e outros usos energéticos industriais. Outros USD 4-6 bi devem vir das exportações de derivados de hidrogênio verde para a Europa e EUA, já que nosso custo colocado nessas regiões será competitivo frente ao produto de outros países.

Para viabilizar esse cenário acelerado, o hidrogênio verde precisará de USD 200 bilhões em investimentos, incluindo 180 GW de capacidade de geração de eletricidade renovável adicional— o que é mais do que a capacidade de geração instalada no país atualmente. Este artigo apresenta um panorama do momento, com números e projeções, além de um breve roteiro para ajudar os participantes do mercado a desbloquear todo o potencial do setor.

Por que hidrogênio e por que agora?

As mudanças climáticas, em especial o aquecimento global, estão cada vez mais claras no nosso cotidiano e demonstram a necessidade de uma mudança profunda na matriz energética que move a nossa economia. O hidrogênio foi apresentado como uma solução possível já nos anos 1970 após a primeira grande crise do petróleo. Como combustível ele tem muitas vantagens: é abundante na natureza, não é tóxico para o meio ambiente, se dissipa com muita facilidade e é armazenável, permitindo o transporte de energia renovável entre grandes distâncias e através dos oceanos. A maior parte da produção atual de hidrogênio é feita por processos que usam gás natural como matéria-prima e resultam em hidrogênio e gás carbônico — no código de cores que identifica o hidrogênio pelo tipo de processo usado em sua produção, este é o hidrogênio cinza 1 , altamente poluente, pois são 10kg de CO2 para cada 1kg de H2 produzido. Quando existe captura e armazenamento do gás carbônico resultante, o hidrogênio é chamado de azul — menos poluente, produzindo de 1-3kg de CO2 para cada 1kg de H2 (a tecnologia atual ainda não permite armazenar todo o CO2 produzido). Outra alternativa é a produção de hidrogênio através da eletrólise da água – quando o hidrogênio e o oxigênio são separados com o uso de eletricidade renovável, o produto é o hidrogênio verde. É possível, ainda, a produção de hidrogênio a partir da biomassa – nesse caso, convencionou-se chamar o produto de hidrogênio musgo (Quadro 1).

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Até hoje, o uso do hidrogênio se concentrou em aplicações muito específicas, como no refino de petróleo ou na produção de amônia, mas a partir de agora a perspectiva será diferente — o crescente investimento em fontes de energia renováveis, principalmente eólica e solar, que têm um custo cada vez menor, e a evolução tecnológica e industrial dos eletrolisadores tem gerado uma grande queda no custo de produção do hidrogênio verde. Além disso, para cumprir as metas estabelecidas no Acordo de Paris, será necessário cortar em 60% as emissões de dióxido de carbono até 2050 – e somente o hidrogênio verde permitirá a descarbonização de alguns setores, como a siderurgia e a produção de fertilizantes. Como o Brasil possui uma matriz energética composta por 85% de energia renovável — principalmente hidrelétrica, mas com presença crescente de energia eólica, solar e de biomassa — os investimentos para uma produção de hidrogênio verde nacional poderiam se beneficiar da rede elétrica existente, afinal, 70% do custo de produção do hidrogênio é o custo de energia.

O grande desafio para o hidrogênio verde ainda é seu transporte. Este pode ser feito de três principais formas: como gás (comprimido, tipicamente), liquefeito ou através de um outro produto químico (um carrier), como amônia ou metanol.

A expectativa é que seja desenvolvida uma rede de dutos para transporte de hidrogênio gasoso, especialmente em regiões como a Europa, que deve se tornar um grande mercado. Para transporte em longas distâncias, ou na ausência de infraestrutura estabelecida, a amônia é o método mais maduro e promissor – mas que, de qualquer forma, exige custos e investimentos adicionais para produção da amônia verde a partir do hidrogênio verde e, se necessário, para extração desse hidrogênio no destino (para algumas aplicações, a amônia pode ser utilizada diretamente).

Vamos, então, aos números.

A. Vantagem Competitiva

Panorama atual do setor

Com capacidade total de geração de 175 GW em 2021, o Brasil é o 7º país no mundo em capacidade total de geração de energia e o 3º que mais produz energia renovável, atrás apenas dos EUA e da China. Comparado a esses dois países, o Brasil tem maior proporção de energia renovável: 85% 2 .

A maior fatia na participação é das hidrelétricas, com 63%, mas essa fonte se tornará menos predominante na infraestrutura de geração energética no futuro (Quadro 2).

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Crescimento da energia solar e eólica

A participação que mais cresce no total da capacidade instalada é dos recursos eólico e solar, que representam respectivamente 10% e 2% da capacidade brasileira de geração em 2020, mas devem atingir 30% e 17% em 2040. Esse crescimento é motivado, em grande parte, pela redução do custo dessas fontes — o LCOE 3 da energia eólica está atualmente na faixa de 119 a 142 reais por MWh na região do NE, com expectativa de redução de 27% até 2040; já a energia solar tem custo atual na faixa de 145 a 184 reais por MWh na região sudeste e 129 a 169 na região nordeste, mas apresenta tendência de queda de 46% no LCOE médio até 2040.

Assim, em 2040, a energia eólica pode atingir um LCOE de 20-24 USD/MWh em 2030 e 17-21 USD/MWh em 2040; já a energia solar pode atingir um LCOE de 17-21 USD/MWh em 2030 e 13-17 USD/MWh em 2040, tornando-se, então, mais barata até mesmo que a eólica. No Brasil, ambos os recursos podem ser combinados na mesma localização (como no interior do CE, PI e BA) para otimizar projetos de produção de hidrogênio (Quadro 3).

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Custo do hidrogênio verde brasileiro

O Brasil está entre os países mais competitivos para produção de hidrogênio verde no mundo: segundo nosso estudo, o custo nivelado do hidrogênio (LCOH 4 ) verde brasileiro ficaria ao redor de ~1,50 USD/kg de H2 em 2030, o que está alinhado às melhores localizações dos EUA, Austrália, Espanha e Arábia Saudita, e ~1,25 USD/kg de H2 em 2040 (Quadro 4).

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Diferenças na competitividade de projetos específicos

Projetos específicos, no Brasil e fora, podem ter uma competitividade significativamente diferente da média de um país ou região. No caso do Brasil, avaliamos projetos hipotéticos em diferentes regiões (ex.: no Ceará, em Pernambuco, na Bahia, no norte de Minas Gerais e no interior de São Paulo), que poderiam estar conectados (on-grid) ou desconectados (off-grid) da rede elétrica. Um projeto de grande escala, no Nordeste, off-grid, teria custo total de produção do hidrogênio em 2030 de ~1,90 USD/kg de H2 (considerando inclusive custos estimados de transporte e armazenagem do hidrogênio para uso em alguma aplicação associada). Caso esse mesmo projeto seja on-grid, o custo do hidrogênio cai ~10% para ~1,70 USD/kg – a conexão à rede permite um dimensionamento mais adequado do eletrolisador e da geração renovável, além da venda de eletricidade excedente em alguns momentos e compra em outros. Para a região Sudeste do Brasil, que não tem os mesmos recursos naturais que o Nordeste, a diferença é ainda maior – o custo de produção de hidrogênio verde cai de ~2,30 para ~1,60 USD/kg (Quadro 5).

A conexão de um projeto à rede levanta outra questão, no entanto – a eletricidade utilizada por um projeto on grid não é, necessariamente, 100% renovável. Esse hidrogênio poderia ou não ser certificado como verde, dependendo dos critérios utilizados.

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Certificações em discussão

Um eletrolisador com uma parcela significativa de sua capacidade dedicada e renovável – 80%, digamos, usando, assim, 20% de eletricidade da rede – teria um percentual de eletricidade renovável de 97%, e, portanto, uma baixa emissão de carbono. Dependendo dos critérios de certificação, no entanto, esse hidrogênio pode não ser considerado verde – o que impactaria significativamente a competitividade do Brasil e a possibilidade de que o país use o Sistema Integrado Nacional como vantagem competitiva.

As tendências de certificação em discussão têm considerado questões como: quais fontes podem ser consideradas renováveis; como estabelecer garantias de origem contratuais; sincronicidade entre consumo e geração de energia; proximidade, ou co-localização entre geração e eletrólise; e adicionalidade (Quadro 6).

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B. Uma oportunidade de 15-20 bilhões de dólares

Como já mencionado, o mercado interno representa a maior oportunidade, com receitas de USD 10-12 bilhões em 2040, impulsionado principalmente por transporte de carga por caminhões, siderurgia e outros usos energéticos industriais; USD 4-6 bi poderiam ser adicionados das exportações para a Europa e os EUA, já que nosso custo do hidrogênio verde colocado nessas regiões seria competitivo frente ao produto dos potenciais principais concorrentes.

Mercado externo

O Brasil tem potencial para disputar competitivamente uma fatia dos mercados de importação dos Estados Unidos e da União Europeia e pode capturar USD 1 a 2 bilhões até 2030; em 2040, as exportações podem chegar a USD 4 a 6 bilhões, ou 2-4 milhões de toneladas (Quadro 7).

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Mercado interno

O mercado interno é a maior oportunidade para o Brasil e pode atingir USD 10-12 bilhões em 2040 (7,2 - 9,1 milhões de toneladas), impulsionado principalmente por caminhões (até ~3 milhões de toneladas), aço verde (até ~2 milhões de toneladas) e outros usos energéticos industriais (até ~1 milhão de toneladas).

No presente estudo, selecionamos 11 aplicações potenciais para analisar o mercado interno brasileiro, divididos nas três categorias mais relevantes para o consumo de hidrogênio (em todo o mundo já avaliamos mais de 30 aplicações). Elas foram escolhidas com base na nossa experiência global e em hipóteses iniciais para a demanda doméstica, sendo elas:

  1. Hidrogênio como matéria-prima
    1. Hidrogênio para siderurgia
    2. O hidrogênio verde pode ser usado para produzir ferro esponja (DRI) 5 ou o HBI 6 usados nos processos BOF 7 e EAF 8 , ou como substituição do carvão em PCI 9 no processo BOF. O HBI, em particular, pode ser exportado, unindo a competitividade do Brasil no minério de ferro e no hidrogênio verde para exportar metálicos ou aço de baixo carbono.
    3. Amônia para fertilizantes e produtos químicos
    4. A amônia verde pode ser usada como matéria-prima para produzir fertilizantes e explosivos sem as emissões de carbono da amônia cinza.
    5. Hidrogênio para refinarias de petróleo
    6. O hidrogênio cinza pode ser substituído diretamente pelo hidrogênio verde nos processos da refinaria.

  2. Hidrogênio como combustível para transportes
    1. Hidrogênio como combustível para veículos de passageiros
    2. Os automóveis de passageiros podem ser descarbonizados substituindo os motores de combustão interna a diesel por baterias (BEV) alimentadas por eletricidade ou células de combustível (FCEV) alimentadas por hidrogênio.
    3. Hidrogênio como combustível para frete ferroviário de longa distância
    4. O transporte ferroviário pode ser descarbonizado usando hidrogênio ou eletricidade como substitutos do diesel.
    5. Amônia ou metanol para navios graneleiros e porta-contêineres
    6. O transporte marítimo de carga pode ser descarbonizado substituindo os navios de combustível fóssil por navios que usem amônia ou metanol. Graneleiros serão um mercado relevante para o Brasil, com muito transporte de minério de ferro e grãos agrícolas partindo do Brasil para a Ásia.
    7. Hidrogênio como combustível para frete rodoviário (caminhões médios e pesados)
    8. O transporte rodoviário, especialmente o transporte pesado em longas distâncias, pode ser descarbonizado com a substituição dos caminhões a diesel por caminhões a hidrogênio verde (com células combustível) – ou com baterias.
    9. Hidrogênio como combustível para caminhões de mineração
    10. Caminhões e veículos de transporte de mineração podem ser descarbonizados substituindo os motores de combustão interna a diesel (ICE) por baterias (BEV) alimentadas por eletricidade ou ICE e célula de combustível (FCEV) alimentadas por hidrogênio.

  3. Uso energético industrial
    1. Hidrogênio para aquecimento de graus médio e alto
    2. O hidrogênio pode ser usado para gerar calor industrial de grau médio (entre 277°C e 650°C) ou alto (superior a 650°C) usado em processos industriais, como em indústrias de papel e celulose, cimento e aço.
    3. Hidrogênio para turbinas de ciclo combinado
    4. O hidrogênio pode ser usado como combustível único ou misturado ao gás natural em turbinas a gás de ciclo combinado para a geração de energia.
    5. Hidrogênio para mistura com gás natural
    6. O hidrogênio pode ser misturado ao gás natural na rede de distribuição de gás, em proporções baixas.

Em um cenário com alguma forma de precificação das emissões de carbono no Brasil, a demanda brasileira de hidrogênio pode atingir ~9 milhões de toneladas em 2040, com um valor de mercado potencial de USD 10-12 bi para a demanda doméstica, representando de 5 a 10% da matriz energética brasileira. Sem taxa de carbono, a demanda deve girar em torno de 7 milhões de toneladas.

A maior fatia dessa demanda é o mercado de caminhões, com 2,9 milhões de toneladas. Os caminhões com células de combustível podem atingir paridade de custo total de propriedade (TCO) 10 com aqueles de diesel no segmento de veículos pesados antes de 2030.

O quadro abaixo (Quadro 8) resume a demanda estimada para as aplicações avaliadas:

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Comparação entre hidrogênio azul e verde

Devemos considerar no Brasil um possível cenário em que o hidrogênio azul (produzido a partir do gás natural) sirva de transição para o hidrogênio verde. Se houver exploração abundante de gás do pré-sal, o desenvolvimento do mercado com base na nova lei do gás e a expansão da infraestrutura, poderíamos observar preços de gás significativamente mais baixos no médio a longo prazo – com uma queda do mercado doméstico de hidrogênio verde, neste caso.

No cenário de gás de baixo custo, o momento de paridade de custo com a solução de referência para o hidrogênio verde permanece semelhante, mas o hidrogênio azul seria uma alternativa mais barata por alguns anos. É difícil dizer se uma transição por esse período estimularia a adoção do hidrogênio azul – mas a possibilidade existe (Quadro 9).

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Comparação entre hidrogênio verde e musgo

Como o Brasil tem uma cadeia de produção, distribuição e armazenamento de etanol bem-estabelecida, é preciso considerar que essa indústria também busque oportunidades no mercado de hidrogênio. Embora os veículos de passageiros, no longo prazo, devam ser eletrificados, os veículos pesados, como ônibus e caminhões, provavelmente recorrerão às células de combustível de hidrogênio para sua descarbonização.

Com o motor flex a combustão ainda dominando o mercado e uma premissa de preços do etanol de ~70% do preço da gasolina, a competitividade do H2 musgo distribuído seria limitada – no entanto, especialmente em regiões de alto volume de produção de etanol, essa solução poderia compor de forma significativa a matriz energética, com a reforma distribuída do etanol para produção de hidrogênio nos postos de combustível (Quadro 10).

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C. O que seria necessário para viabilizar a indústria do hidrogênio verde no Brasil

Em um cenário acelerado, o hidrogênio verde precisará de USD 200 bilhões em investimentos, incluindo 180 GW de capacidade adicional vinda de fontes de energia renováveis, o que é mais do que nossa capacidade total de geração em 2020. Além do custo de capital percebido por investidores de energias renováveis ser maior no Brasil do que os países concorrentes (8-9% contra 6-7%), existem vários temas que precisam ser resolvidos para permitir o desenvolvimento do hidrogênio no Brasil ao longo da cadeia de valor.

Principais desafios

Quanto à geração e transmissão de eletricidade, os principais desafios estão relacionados a questões regulatórias para acelerar a expansão da energia renovável. Nas configurações integradas à rede nacional (on-grid), impostos e principalmente os encargos setoriais aplicáveis para a autogeração e para PPAs no médio e longo prazo afetam de forma significativa a competitividade do hidrogênio verde brasileiro; falta também um sistema de rastreamento que permita monitorar, (quase) em tempo real, a geração de energia para contratos de compra de energia renovável.

Para as configurações desconectadas da rede (off-grid), os maiores desafios regulatórios estão na construção de linhas de transmissão que viabilizam essas configurações fora da rede, como uso de direitos de passagem e impactos ambientais.

Na parte de produção, armazenamento e transporte de hidrogênio, os principais desafios estão relacionados aos esforços iniciais de desenvolvimento desse mercado. As incertezas sobre a demanda a longo prazo (em termos de volume e preços) geram riscos aos investidores e podem inibir o financiamento de grandes projetos.

Quanto à regulação, há questionamentos sobre quais funções serão assumidas por quais autoridades públicas relacionadas à regulamentação e ao uso de H2. Ainda precisam ser desenvolvidas, também, normas técnicas para as instalações de hidrogênio e seu transporte — por exemplo, na mistura de H2 com gás natural em dutos.

No que tange o uso final, os derivados e as possíveis aplicações do hidrogênio verde, os principais desafios estão relacionados às tendências de certificação. Nos mercados internacionais, a exigência do uso de energia eólica e solar, apenas, pode limitar o uso do sistema integrado limpo que temos no Brasil, uma vantagem competitiva significativa. No mercado doméstico, regulamentações de apoio a outros fontes de energia, bem como a inexistência de precificação do carbono, tornam as soluções tradicionais mais competitivas no curto prazo e retardam a adoção doméstica do hidrogênio verde no Brasil.

Necessidade de aumento da geração

Para produzir hidrogênio verde, o Brasil precisa acelerar a expansão da infraestrutura elétrica nacional para até 7% a.a., ou 3 pontos percentuais a mais do que os 4% a.a. de expansão observados nos últimos anos. Até 2030, seriam necessários mais 19-39 GW, o que corresponde a 11-22% da capacidade atual. Para 2040, os números sobem para 129-178 GW, chegando possivelmente a toda a capacidade de geração atual.

Por outro lado, o potencial total de energia renovável não deve ser um problema em 2040, pois as fontes principais potenciais — solar e eólica — devem conseguir fornecer 100% da demanda de hidrogênio verde. A capacidade total eólica em 2040 está estimada em 185-206 GW, com potencial total no Brasil para até 247 GW com turbinas de 100m; e a solar deve girar entre 134-155 em 2040, com potencial para chegar até a 307 GW com as melhores localizações.

Devido à expansão da geração, seria necessário também reforçar a atual infraestrutura de transmissão (Quadro 11).

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Roteiro para o hidrogênio verde no Brasil

Um roteiro para o hidrogênio verde dirigido aos participantes do mercado pode ajudar a desbloquear todo o potencial do setor, com algumas iniciativas exigindo discussão conjunta dos setores público e privado. A proposta a seguir traz quatro etapas com o horizonte de 2040.

Para o próximo ano, o foco precisa ser em continuar as discussões regulatórias nacionais (p.ex., Plano Nacional de Hidrogênio), posicionar o Brasil nas discussões internacionais sobre os critérios de certificação e iniciar o desenvolvimento dos talentos necessários e dos investimentos em P&D.

No curto prazo (até 2025), é necessário trabalhar para estabelecer demandas domésticas e internacionais de longo prazo provendo lastro ao financiamento de projetos, definir fontes de fomento e financiamento e garantir a implantação efetiva dos primeiros projetos e infraestrutura associada.

No médio/longo prazo (2025-2040), o principal objetivo é consolidar o Brasil como um dos líderes globais do setor através da evolução contínua da regulação, fomento do uso do hidrogênio verde para novas aplicações e captura das sinergias de escala em preparação para uma indústria independente de incentivos.

O quadro abaixo (Quadro 12) provê mais detalhes sobre esses 4 horizontes.

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O Brasil pode aproveitar seus recursos naturais de forma sustentável, tornando-se um dos líderes globais em hidrogênio verde e estimulando o crescimento com competitividade de diversas indústrias que se basearão nessa nova commodity. Para isso se tornar realidade, é preciso agir desde agora.

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