A adaptação do conhecimento técnico existente na área de carbono é fundamental para resolver os desafios relacionados aos equipamentos de hidrogênio
O menor elemento do mundo traz consigo um grande potencial e grandes esperanças.
Esse elemento, do qual é fácil escapar, está sendo visto como uma das respostas para o que talvez seja a maior questão do nosso tempo. Como podemos descarbonizar sem causar desestabilização?
À medida que o mundo cresce e esse crescimento alimenta uma demanda cada vez maior por energia — com um consumo cada vez maior em todo o mundo a cada dia —, a realidade de uma equação de descarbonização que aborde adequadamente a questão das mudanças climáticas — sem levar a economia global a uma espiral descendente, restringir o progresso dos países em desenvolvimento, elevar a inflação a níveis mais altos e, acima de tudo, comprometer a segurança energética em grande escala — torna-se cada vez mais difícil de alcançar.
Portanto, talvez seja natural que muitos estejam buscando no hidrogênio — um elemento indescritível, mas extremamente abundante — a resposta.
O elemento mais abundante no Universo é altamente combustível e, quando queima, o único subproduto que gera é água.
Parece quase bom demais para ser verdade. Então, por que não estamos todos dirigindo veículos movidos a células de combustível de hidrogênio?
Duas razões.
Custo e perigo.
Os catalisadores atualmente utilizados nas células de combustível de hidrogênio, com destaque para a platina, são caros demais para serem comercialmente viáveis.
E, como a maioria de nós sabe pelo desastre do Hindenburg, o hidrogênio não contido pode ter consequências catastróficas.
Estão sendo feitos avanços na redução da quantidade de platina, um metal caro, necessária para as células de combustível de hidrogênio. A Honda e a General Motors afirmam ter reduzido em um terço os custos de produção de um modelo CR-V movido a hidrogênio, diminuindo a quantidade desse metal raro utilizada. (Shutterstock)
No entanto, o setor emergente do hidrogênio como fonte de energia vem avançando, especialmente no que diz respeito à produção e ao armazenamento — dois aspectos que contribuirão significativamente para reduzir os custos muito elevados decorrentes dos dois desafios mencionados anteriormente.
A Stream-Flo vem ajudando a equipar aqueles que se dedicam a ambas as atividades.
A empresa global de controle de pressão e válvulas, especializada em cabeçotes de poço, válvulas de gaveta, válvulas de retenção, válvulas esféricas e sistemas de segurança de superfície, forneceu cabeçotes de poço de hidrogênio e acessórios para um poço de produção no Mali e um poço de armazenamento em Alberta.
Com mais de 60 anos de experiência auxiliando o setor de petróleo e gás a conter com segurança a pressão superficial e a transportar hidrocarbonetos do poço para as etapas subsequentes da cadeia de produção, foi justamente sua expertise em aplicações em condições severas que a posicionou como líder no incipiente setor de hidrogênio, explica Keith Farquharson, consultor sênior da Stream-Flo, que anteriormente atuou como vice-presidente de tecnologia da empresa.
“Não havia nada no reservatório que tivéssemos que inventar; só precisamos reorganizar alguns elementos do design do nosso produto já existente”, disse Farquharson sobre as especificações do reservatório de armazenamento de hidrogênio em Alberta.
Uma válvula de porta tipo coroa Stream-Flo está no chão de fábrica após ter sido totalmente montada, testada e pintada. A empresa criou uma linha de válvulas classificadas para uso com hidrogênio, com diâmetros que variam de duas a nove polegadas. (Redd Francisco)
Devido ao pequeno tamanho do hidrogênio, a contenção foi o primeiro desafio enfrentado por Farquharson e pela equipe do projeto.
“A redundância de vedação é uma filosofia que nossos clientes adotam para reduzir riscos, e isso é algo que fazemos rotineiramente no mundo crítico dos gases ácidos”, disse Farquharson sobre a experiência da empresa em lidar com ambientes com sulfeto de hidrogênio (H₂S). “Em seguida, do ponto de vista do tamanho das moléculas, os testes que realizamos sobre emissões fugitivas e as normas relativas ao metano exigiram o uso de hélio, e tivemos que aprender como fazer uma vedação funcionar com hélio, cuja molécula tem tamanho semelhante ao do hidrogênio — e a mesma abordagem funciona. Agora, trata-se apenas de uma questão de material.”
Keith Farquharson, consultor sênior da Stream-Flo, está em seu escritório em Edmonton, Alberta. Há mais de 35 anos, Farquharson vem ajudando a desenvolver e impulsionar o desenvolvimento técnico e de produtos na Stream-Flo e é citado como inventor em mais de 10 patentes de propriedade da empresa. (Redd Francisco)
Mais uma vez, a experiência da Stream-Flo no mundo do gás ácido seria muito útil, conforme detalha Rick Miko, gerente de engenharia de projetos da Stream-Flo, responsável por liderar todos os trabalhos de projeto de poços de armazenamento da empresa.
“Descobrimos que os materiais adequados para ambientes com H₂S funcionam muito bem em ambientes de armazenamento de hidrogênio”, disse Miko. “Com o hidrogênio puro, você enfrenta as mesmas preocupações de projeto que teria com o H₂S, ou seja, a fragilização. O hidrogênio molecular (H₂) se dissocia em íons de hidrogênio (H⁺), que então se dissolvem na liga, aglutinando-se em imperfeições ou nos limites de grãos. Quando os íons H+ se recombinam formando H₂, eles ocupam uma área muito maior do que quando estavam como íons individuais; portanto, a formação da molécula de H₂ exerce tensão na rede cristalina do metal. Se a microestrutura não for suficientemente dúctil para absorver essas tensões introduzidas, ela se tornará frágil ou rachará. O uso de materiais em conformidade com a NACE, que demonstraram dúctilidade suficiente para serviços com H₂S, nos dá a garantia de que o material será adequado para serviços com H₂.”
Uma cabeça de poço da Stream-Flo perto da cidade de Didsbury, em Alberta. (Patrick Kelly)
Depois de concluídos os trabalhos na cabeça de poço, era hora de eles voltarem sua atenção para o projeto das válvulas de porta para hidrogênio. Essas são as válvulas que se conectam à cabeça de poço e funcionam totalmente abertas ou totalmente fechadas, seja para permitir o fluxo total de um líquido ou gás em uma tubulação, seja para interromper completamente esse fluxo.
Miko diz que projetá-los exigiu um pouco mais de reflexão.
“A válvula apresenta um risco um pouco maior do que a cabeça de poço, pois as válvulas são o mecanismo de fechamento e possuem peças móveis”, disse Miko. “As vedações dinâmicas são mais complexas do que as estáticas. Além disso, é mais fácil incluir e verificar vedações redundantes na cabeça de poço.”
Apresentamos Tom Gust, gerente de engenharia de válvulas de gaveta da Stream-Flo.
“De certa forma, nos lançamos em uma experiência”, disse Gust. “Não há especificações que digam que você precisa fazer isso, aquilo e aquilo outro; então, você acaba fazendo o que acha que é melhor.”
Algumas das características que Gust e sua equipe consideraram ideais para uma válvula projetada para hidrogênio foram uma vedação redundante acima da gaxeta da haste e um revestimento duro soldado na corrediça e nas sedes.
“A gente tenta limitar a porosidade”, disse Gust. “Se houver porosidade, ficamos dependentes de um selante, e achamos que, no caso do hidrogênio, isso não é uma boa ideia.”
Porque, como Miko destacou anteriormente, essa porosidade pode levar à fragilização, e a fragilização pode resultar em perda de contenção. E uma perda de contenção com hidrogênio… bem, basta lembrar do Hindenburg.
Com sua experiência e conhecimento essenciais em sistemas ácidos, alta pressão e engenharia de materiais, que serviram de base para a fase de projeto, chegou a hora de a equipe de hidrogênio da Stream-Flo realizar alguns testes com protótipos.
Os testes foram realizados nas instalações de fabricação da Stream-Flo, com mais de 300.000 pés quadrados, em Edmonton.
No fim das contas, a cabeça de poço foi aprovada sem nenhum problema.
“Tínhamos alguns métodos adicionais de detecção de vazamentos em vigor, além do nosso procedimento padrão”, lembrou Miko. “Tínhamos o que se chama de detector de hidrogênio, que fazia a medição em partes por milhão, e o critério de aceitação era de zero partes por milhão, o que conseguimos cumprir.”
A outra ferramenta de detecção de vazamentos era uma câmera infravermelha.
“Normalmente, quando o gás se expande, ele esquenta”, disse Miko. “Portanto, se houver um vazamento, será possível perceber o aumento de temperatura no local do vazamento.”
Assim como o detector, a câmera infravermelha também não detectou nada. Por isso, Miko e todos os presentes queriam ter certeza de que os próprios instrumentos estavam realmente funcionando.
“O que fizemos foi desconectar todos os equipamentos de teste de pressão e, na verdade, apenas liberamos um pouco de gás hidrogênio do tanque de armazenamento”, disse Miko. “Então, de repente, os monitores começaram a emitir alertas e a câmera infravermelha detectou o sinal, então soubemos que os instrumentos estavam funcionando.”
E o equipamento de cabeça de poço, conforme planejado, também.
No caso da válvula de gaveta, devido ao seu risco mais elevado, foi necessária a realização de uma série de testes.
Uma válvula de gaveta AV Stream-Flo Crown que utiliza uma gaveta expansível com ventilação para proporcionar uma vedação mecânica positiva.
“Fomos muito além do que fizemos com as cabeças de poço para nossas válvulas”, explicou Miko. “Realizamos o teste com hidrogênio puro, depois fizemos um teste completo de acordo com o Anexo F da norma PR2 da API 6A e, por fim, um teste de resistência ao fogo. Fizemos isso com toda a nossa linha de válvulas para hidrogênio, que abrange diâmetros que vão de duas polegadas a nove polegadas.”
Após a conclusão dos testes, era hora de enviar os produtos finalizados para o local da obra, onde o mundo real daria seu veredicto.
O poço de armazenamento de hidrogênio exigiu a mineração por solução para criar a caverna de sal onde o hidrogênio seria armazenado. Foram necessários 24 meses inteiros de bombeamento contínuo de água para dentro da formação salina a fim de produzir água salgada — e, em seguida, reutilizar essa água salgada para escavar a caverna —, o que aumentou o desafio enfrentado pela equipe do projeto de hidrogênio da Stream-Flo.
“Dá para imaginar a água salgada, a pressão, o fluxo e os altos volumes de fluxo — é um ambiente altamente erosivo e corrosivo”, disse Miko. “Tivemos que usar materiais e componentes que pudessem ser utilizados tanto em um ambiente de hidrogênio quanto em um ambiente de água salgada.”
Para isso, foi necessário acompanhar de perto as diferentes fases do projeto de mineração por solução e do poço de armazenamento, fornecendo equipamentos compatíveis que pudessem ser facilmente substituídos de acordo com a etapa em que o projeto se encontrava.
Com a caverna criada e duas rodadas de testes de armazenamento concluídas, Miko afirma que seus equipamentos de hidrogênio tiveram o desempenho esperado.
“Na verdade, tudo correu muito, muito bem”, disse Miko. “Foi um projeto que transcorreu sem complicações do início ao fim e foi um dos que contou com maior envolvimento de ambas as empresas dos quais já participei.”
Rick Miko, gerente de engenharia de projetos da Stream-Flo, fala sobre o desenvolvimento de produtos à base de hidrogênio da empresa em Edmonton, Alberta. (Redd Francisco)
O que começou, de certa forma, como um experimento, conforme disse Gust — embora baseado em décadas de experiência na resolução de alguns dos desafios mais complexos do setor de petróleo e gás na área de cabeças de poço e válvulas — resultou em duas novas especificações de produtos da Stream-Flo adequados para uso com hidrogênio.
“O setor de petróleo e gás estará bem preparado para encarar isso como um desafio; acredito que, como setor, estamos prontos para começar a trabalhar em projetos de hidrogênio”, resumiu Farquharson, que vem estudando a questão do hidrogênio como recurso há muitos anos, além de liderar o desenvolvimento de produtos da Stream-Flo voltados para essa área.
“Não há uma oferta significativa de hidrogênio; há grandes planos, muitos sonhos e aspirações, mas a indústria do hidrogênio é pequena”, afirmou Farquharson. “Existem seis poços de armazenamento de hidrogênio em operação no momento. Isso é o que há em todo o mundo. Hoje, estaremos envolvidos na conclusão de mais de seis poços de petróleo e gás.”
Isso significa que é preciso moderar as expectativas quanto à possibilidade de o hidrogênio surgir rapidamente para salvar o dia, afirma Farquharson, embora ele acrescente que certamente haverá oportunidades futuras relacionadas a esse elemento.
E serão justamente aqueles que estão na vanguarda, como a Stream-Flo, que estarão prontos para ajudar a sociedade a aproveitar essa oportunidade quando ela surgir, fornecendo os recursos necessários aos produtores de energia que estão enfrentando todas as grandes questões mencionadas no início.
“Existe um problema relacionado ao carbono, e os especialistas nessa área estão, neste momento, no setor de petróleo e gás”, disse Farquharson. “São eles que vão resolver essa questão.”
Cabeças de poço Stream-Flo aguardando instalação na Bacia do Permiano.