Primeira demonstração de hidrogênio SOEC do Japão lançada em usina termelétrica

A gigante japonesa de serviços públicos JERA e a empresa de tecnologia automotiva DENSO iniciaram a primeira demonstração de produção de hidrogênio no Japão usando sistemas de células de eletrólise de óxido sólido (SOEC) na Usina Térmica Shin-Nagoya da JERA em Nagoya, Prefeitura de Aichi, uma instalação de GNL de ciclo combinado de 3.058 MW.

A demonstração testa sistemas de eletrólise de água SOEC de 200 kW desenvolvidos pela DENSO com o objetivo principal de atingir “produção de hidrogênio com a mais alta eficiência de eletrólise do mundo, aplicando a tecnologia de gerenciamento de calor da DENSO para minimizar o calor descarregado pelos SOECs”.

O projeto representa a primeira tentativa do Japão de integrar a produção de hidrogênio à infraestrutura de energia térmica, à medida que as concessionárias buscam novas fontes de receita e, ao mesmo tempo, avançam nas metas de descarbonização.

O sistema SOEC da DENSO em Shin-Nagoya opera a cerca de 700 °C, utilizando membranas cerâmicas avançadas como eletrólito para dividir o vapor em hidrogênio e oxigênio. A abordagem utiliza a eletrólise a vapor de alta temperatura (HTSE) para permitir uma eficiência elétrica substancialmente maior do que as técnicas convencionais de baixa temperatura.

A descrição da operação do SOEC baseia-se nas divulgações tecnológicas do SOEC da DENSO, incluindo seu anúncio de desenvolvimento conjunto com a JERA em 2024 e demonstrações anteriores. Em agosto de 2024, a DENSO e a JERA explicaram que os SOECs funcionam alimentando vapor em um eletrólito cerâmico — zircônia estabilizada com ítria — onde o vapor de água no cátodo é reduzido a hidrogênio, enquanto os íons de oxigênio migram através da membrana para o ânodo, liberando oxigênio.

Ao operar em altas temperaturas (700 °C), os SOECs aproveitam a energia térmica para reduzir a tensão da célula necessária para a eletrólise, aumentando sua eficiência elétrica para cerca de 80%. Isso se compara a 65–70% para eletrolisadores alcalinos e PEM operando a 60 °C e 80 °C, respectivamente.

Uma inovação fundamental envolve a integração de técnicas de gerenciamento térmico derivadas da expertise da DENSO em componentes automotivos — sistemas sofisticados de controle de temperatura que otimizam os fluxos internos de calor para manter a operação estável em altas temperaturas e evitar a degradação do material. O projeto também utiliza tecnologia de ejetor, enraizada em sistemas de combustível automotivo, para reciclar o vapor não reagido dentro do eletrolisador, aumentando ainda mais a eficiência térmica e elétrica geral, afirma a empresa.

A demonstração da DENSO em 2023 em sua fábrica de Hirose apresentou tecnologias semelhantes de gerenciamento de calor e reciclagem de ejetores de vapor para capturar vapor não reagido e redirecionar calor residual de baixa qualidade de volta para a chaminé SOEC.

A manifestação em Shin-Nagoya procurará explicitamente minimizar o calor e a energia residual descarregados pelo sistema SOEC. “ No futuro, com base nos resultados dos testes de demonstração, pretendemos aumentar a potência de eletrólise de 200 kW para vários milhares de kW, à medida que aceleramos os esforços para impulsionar a aplicação prática dos sistemas de produção de combustível de próxima geração SOEC”, afirmou a JERA.

A JERA, maior geradora de energia do Japão, responsável por aproximadamente 30% da eletricidade nacional, comprometeu-se a atingir emissões líquidas zero de CO2 em suas operações nacionais e internacionais até 2050. A concessionária opera por meio do desenvolvimento de combustíveis para geração de energia e operações de atacado. A DENSO, fornecedora automotiva com sede em Kariya, Japão, tem como meta a neutralidade de carbono até 2035 por meio de iniciativas de fabricação, produtos de mobilidade e utilização de energia a partir do hidrogênio.

Shin-Nagoya, localizada perto do Píer de Shiomi, em Minato-ku, foi construída próxima a um gasoduto de 17 quilômetros do Terminal de GNL de Chita. A usina é composta por dois blocos de ciclo combinado: o Grupo 7, em operação desde o final de 1998, que combina seis turbinas a gás de 243 MW e 1.300 °C com geradores de vapor de recuperação de calor de pressão tripla; e o Grupo 8, que entrou em operação em 2008 e integra quatro turbinas de 400 MW e 1.500 °C. Uma estação de comutação GIS de 330 kV no local se conecta diretamente à rede da Chubu Electric, enquanto uma unidade de dessalinização adjacente fornece água de alimentação para ambos os ciclos de vapor e para o novo módulo SOEC. Um sistema dedicado de hidrogênio na usina já produz hidrogênio para resfriamento do gerador in situ.

Ainda assim, as ambições da JERA em relação ao hidrogênio vão muito além do projeto piloto da SOEC em Shin-Nagoya. No âmbito do seu roteiro JERA Zero CO₂ Emissions 2050 , a empresa está construindo uma cadeia de suprimentos completa de hidrogênio e amônia, ao mesmo tempo em que converte unidades térmicas existentes para combustíveis com emissão zero. Por exemplo, a JERA planeja co-queimar até 20% de amônia em sua usina a carvão de Hekinan, com capacidade de 4,1 GW, até o início da década de 2030, passando de testes em pequena escala, concluídos em junho de 2021, para demonstração em larga escala na Unidade 4.

Paralelamente, a JERA obteve aprovação do governo em agosto de 2021 para pilotar a co-combustão de 30% de hidrogênio em uma planta de gás natural liquefeito de grande escala, buscando substituir um terço do combustível da turbina até 2025 e aprendendo lições importantes sobre estabilidade da chama e controle de NOₓ.

Além do Japão, a JERA está colaborando com a ExxonMobil para explorar a participação acionária em um complexo de hidrogênio de baixo carbono com capacidade de 900.000 t/ano e amônia com capacidade de 1 milhão de t/ano na Costa do Golfo dos EUA. Os direitos de compra da JERA abrangem até 500.000 t/ano de amônia limpa para fornecimento doméstico.

“ Por meio desses testes de demonstração conjuntos, ambas as empresas trabalharão para o estabelecimento antecipado de uma cadeia de suprimentos global para hidrogênio verde e amônia e contribuirão para encontrar soluções para a descarbonização global e questões energéticas”, disseram as empresas na quinta-feira.

— Sonal Patel é editora sênior da POWER ( @sonalcpatel , @POWERmagazine ).