O futuro da fabricação de tecnologia de hidrogênio

"Que semana", diz o engenheiro Axel von Levetzow, de 47 anos, chefe de manufatura da Siemens Energy Gigawatt Electrolyzer Factory, em Berlim, uma joint venture entre a Siemens Energy e a Air Liquide. Estamos no final de setembro, e von Levetzow e seus colegas estão ocupados instalando novas máquinas, e aumentando constantemente a produção. Ao mesmo tempo, eles têm apresentado seus planos para a produção de eletrolisadores para indústrias, empresários e políticos – incluindo ministros da energia de todo o mundo.

O interesse é alto porque a fábrica, composta de robôs, automação e digitalização, é uma peça central para a ação climática e a ambição mundial de atingir emissões zero com uma economia de hidrogênio renovável. A partir de novembro, a fábrica inicia sua produção em escala de gigawatts de pilhas de eletrolisadores, começando com 1 gigawatt no primeiro ano, passando para 2 gigawatts até 2024, e chegando a 3 gigawatts já em 2025.

"Antes, os clientes diziam: 'Precisamos de energia', e nós construímos usinas para eles", diz von Levetzow. "Agora, podemos entregar tudo o que eles precisam para uma estratégia completa de hidrogênio verde."

No salão da fábrica, von Levetzow para diante de um gráfico que mostra a produção e o consumo de energia nos diferentes setores industriais. Uma grande parte desse gráfico, a geração de energia, pode ser descarbonizada por meio da eletrificação direta, explica. O verdadeiro desafio tem sido descarbonizar setores difíceis de reduzir as emissões, como a indústria química ou siderúrgica, refinarias, mobilidade, navegação e aviação. "A produção de hidrogênio verde é como disponibilizamos energia renovável para todos os setores da economia."

Para a produção de pilhas de eletrólise de hidrogênio renovável, a Siemens Energy uniu forças com a Air Liquide. A parceria de joint venture com uma empresa que conhece bem as necessidades das empresas que trabalham com gases industriais, produz sinergia para ambos os parceiros. "Para aumentar rapidamente a produção e alcançar um efeito de escala, temos que convencer o mercado. E isso só pode ser feito com um parceiro forte como a Air Liquide, com seu domínio do hidrogênio ao longo de toda a cadeia de valor", diz von Levetzow.

A demanda global de hidrogênio atingiu 95 milhões de toneladas de hidrogênio por ano, em 2022. A produção de aço precisa de hidrogênio como agente redutor. Os operadores de navios de carga estão agora procurando obter hidrogênio para a produção de metanol, e a aviação e a mobilidade não ficarão muito atrás. Hoje, a maior parte do hidrogênio é produzida a partir de carvão ou gás natural, resultando na liberação de emissões nocivas. É por isso que a capacidade de produzir hidrogênio renovável em grande escala está no centro de uma revolução energética. Com a Gigafactory, estamos alcançando essa escala. Mas 3 gigawatts de capacidade de eletrolisador por ano - o que isso quer dizer? Com uma capacidade instalada de eletrólise desse tamanho, uma média de 300.000 toneladas de hidrogênio renovável pode ser produzida por ano quando operada com energias renováveis. Usar esse hidrogênio como substituto dos combustíveis fósseis poderia, por exemplo, evitar as emissões de CO2 de uma grande cidade alemã com uma população de cerca de 280.000 habitantes (Fonte: EDGAR - The Emissions Database for Global Atmospheric Research – europa.eu).

A palavra da moda é Power-to-X, ou P2X para abreviar. O P2X descreve o processo de conversão de eletricidade de energia renovável em carbono "verde" ou e-Hydrogen para uso direto como combustível ou matéria-prima. Além disso, também pode ser convertido em e-Fuels amigos do clima, como e-Metanol ou e-Amônia.

A unidade em Berlim é uma das primeiras fábricas de eletrolisadores em escala industrial do mundo. E desde o anúncio, em março, até a inauguração, em novembro, levará apenas oito meses para construir uma fábrica inteligente que estabeleça novos padrões para a fabricação em massa de eletrolisadores. Nesse tempo, os engenheiros vêm desenvolvendo e ampliando novos equipamentos de fabricação ao mesmo tempo para acelerar a produção.

Não é por acaso que a Siemens Energy escolheu este local, onde produz suas turbinas a gás mais sofisticadas para clientes de todo o mundo. Há mais de um século, turbinas a vapor estavam sendo produzidas aqui, revolucionando os motores de navios e a produção industrial. O mesmo pode ser dito sobre a produção de eletrolisadores que está sendo iniciada nos dias de hoje, embora o zumbido silencioso de robôs e máquinas que está enchendo a instalação de 2000 metros quadrados seja muito diferente do que era a produção há um século. "Somos pioneiros", diz von Levetzow. 

"Aqui em nossa unidade de produção em Berlim temos muitos colegas experientes que sabem como aumentar a produção e desenvolver soluções com fornecedores", diz Mara Mertens, chefe de serviço técnico da fábrica. "Este projeto é tudo menos plug and play." Ela também ressalta que a Siemens Energy tem cooperado estreitamente com seus parceiros de longo prazo na indústria de engenharia mecânica: "Uma coisa é os robôs lidarem com peças de reposição na indústria automobilística. Mas é muito mais difícil se eles tiverem que lidar com membranas altamente sensíveis com camadas ultrafinas."

Mertens e von Levetzow estudaram engenharia mecânica com foco em energias renováveis nos anos 2000, quando o campo era impulsionado por – como eles diziam – "idealistas". Em seguida, von Levetzow passou anos desenvolvendo turbinas a gás, enquanto Mertens viajou o mundo comissionando geradores refrigerados a hidrogênio em usinas do Brasil ao Egito. Agora, eles estão animados como nunca com um projeto que abre caminho para o futuro da energia: "Cada um de nós está pronto para ir além", diz Mertens.

E a milha extra é o que é preciso. A tecnologia de eletrólise da membrana de troca de prótons (PEM) é simples e tem algumas décadas: a água passa por uma membrana e é dividida em hidrogênio e oxigênio. Mas o desafio é escalar a produção para volumes industriais.

Até agora, em seu antigo local de produção, a Siemens Energy ainda usava muito trabalho manual. Mas a nova fábrica é altamente automatizada: as máquinas de revestimento aplicam uma fina camada de platina na membrana de um lado e uma camada de irídio do outro. "O desafio é que a camada tem que ser muito fina, porque a matéria-prima é cara, mas espessa o suficiente para tornar a membrana confiável", diz Mertens. No final da linha, os recipientes são preenchidos com os resíduos de perfuração: tudo isso é reciclado, por razões ecológicas, mas também por causa do valor das sobras de platina e irídio na membrana.

Em seguida, a membrana é laminada e pressionada em formas retangulares, colocada em molduras e, finalmente, montada nas chamadas pilhas, aproximadamente a altura de uma porta. Em seguida, cada pilha é transportada para outro salão para testar o desempenho. Em outros locais de fabricação, como Mulheim, as pilhas são montadas no produto final – um sistema eletrolisador que consiste em matrizes de quatro por seis pilhas e peças de processo que podem ser facilmente embaladas e transportadas para o local de construção do cliente.

O controle de qualidade da câmera totalmente automatizado na nova fábrica é crucial: ele pode detectar o menor desnível no revestimento da membrana – o que mais tarde poderia levar a um funcionamento menos eficiente das pilhas. A maioria dos componentes são serializados, muitos componentes são verificados opticamente. "Temos todos os dados das pilhas até a carga de irídio que foi usada durante a produção", diz Mertens. "Temos um gêmeo digital da produção. Isso nos permite garantir a alta qualidade de nossos produtos – e desenvolver ainda mais a produção todos os dias."

"Você se lembra dos tempos em que a energia solar era muito cara?", pergunta von Levetzow. "Em seguida, a produção foi ampliada e os preços dos painéis solares começaram a cair, tornando sua produção competitiva. O mesmo está prestes a acontecer com a eletrólise. Estamos vendo o momento em que o trem decola."  

Novembro, 2023

O jornalista Moritz Gathmann, radicado em Berlim, faz reportagens desde 2004 para vários meios de comunicação, incluindo o DER Spiegel e o Frankfurter Allgemeine Zeitung.

Créditos combinados de imagem e vídeo: Siemens Energy