A descarbonização da indústria pesada desponta como um dos maiores desafios na luta contra a mudança climática. Setores como siderurgia, cimento, vidro e cerâmica dependem de processos térmicos intensivos – fornos e caldeiras operando a altas temperaturas – tradicionalmente alimentados por carvão, coque, óleo combustível ou gás natural. Esses combustíveis fósseis emitem grandes quantidades de CO₂, fazendo com que a indústria seja responsável por uma parcela significativa das emissões globais (a siderurgia sozinha responde por cerca de 7% do CO₂ mundial) (1,2). Diante das metas climáticas, surge a necessidade urgente de alternativas de calor industrial limpo. É nesse contexto que o hidrogênio (especialmente o hidrogênio verde / de baixo carbono, produzido via fontes renováveis) ganha destaque como potencial “combustível do futuro” para processos térmicos industriais – ele pode fornecer a mesma energia calorífica sem liberar carbono à atmosfera durante a queima (3).
Entretanto, a transição não é trivial. A eletrificação direta de processos de altíssima temperatura nem sempre é viável comercial ou tecnicamente, seja por limitações de tecnologia ou pelo imenso consumo elétrico que fornos elétricos demandariam. Assim, o hidrogênio aparece como uma solução complementar: ele pode ser queimado em fornalhas, fornos e queimadores industriais de modo similar aos combustíveis convencionais, gerando calor intensivo e liberando apenas vapor d’água como subproduto (3). Nos últimos anos, projetos-piloto e estudos em vários países – inclusive no Brasil – vêm explorando diferentes formas de inserir o H₂ nesses processos, seja misturado a combustíveis existentes (como “aditivo” para melhorar a combustão e reduzir parcialmente as emissões) ou até substituindo completamente o combustível fóssil em algumas aplicações específicas.
Benefícios técnicos e operacionais
A motivação por trás do uso de hidrogênio em processos térmicos industriais está diretamente ligada à redução de emissões e à busca por sustentabilidade, mas há também questões técnicas e operacionais impulsionando essa mudança. Combustíveis sólidos como o carvão mineral e o coque possuem queima relativamente lenta e “suja”, liberando não só CO₂ mas também poluentes locais. Já o gás natural, embora mais limpo, ainda emite CO₂ e pode não alcançar sozinho as metas de emissões líquidas zero. O hidrogênio, por sua vez, possui uma reatividade muito maior e velocidade de chama mais alta do que os hidrocarbonetos usuais, o que significa que sua adição em pequenas quantidades pode acelerar a ignição e tornar a combustão mais completa e estável (3). Assim, do ponto de vista técnico, misturar hidrogênio aos combustíveis convencionais pode melhorar a eficiência da queima (especialmente em caldeiras e fornos operando em cargas parciais ou com combustíveis de baixa qualidade), aumentando temperaturas de chama e reduzindo formação de fuligem e monóxido de carbono (CO) (3).
Do ponto de vista ambiental e estratégico, o objetivo maior é diminuir progressivamente a dependência de combustíveis fósseis nesses processos industriais críticos. Se conseguirmos que mesmo alguns poucos por cento do insumo energético seja hidrogênio verde hoje, já obtemos reduções proporcionais nas emissões de carbono, além de preparar o terreno (desenvolvendo tecnologia e capacitação) para percentuais maiores no futuro. Várias iniciativas governamentais e corporativas estão fomentando projetos de fuel switching – ou seja, substituição de combustível – visando demonstrar a viabilidade técnica e econômica do H₂ em caldeiras, fornalhas e fornos industriais. Este blog post tem como objetivo principal apresentar como o hidrogênio está sendo aproveitado em aplicações térmicas industriais, cobrindo diferentes setores e modalidades de uso (desde misturas baixas com gás natural, biomassa ou carvão, até casos de uso puro), e discutir os desafios e resultados iniciais desses empreendimentos.
Caminhos para adoção do hidrogênio na indústria
A forma mais imediata de introduzir o H₂ na indústria é através de misturas com os combustíveis já utilizados. Por exemplo, misturar hidrogênio ao gás natural em proporções modestas tem se mostrado factível em muitos tipos de queimadores industriais (4). Fabricantes de equipamentos como a finlandesa Oilon relatam que seus modelos atuais de queimadores a gás suportam até ~20% de hidrogênio no combustível sem modificações significativas, e percentuais maiores (20–70%) podem ser usados com adaptações relativamente simples (bicos especialmente projetados) (4). Isso indica que, em muitas caldeiras e fornos existentes, pode-se injetar certa quantidade de H₂ junto com o gás natural para reduzir a pegada de carbono da operação imediatamente, com investimento controlado. Refino de petróleo e químicas já fazem algo análogo há décadas: gases residuais de processos (off-gas) frequentemente contêm hidrogênio (por exemplo, o gás de refinaria ou de coqueria na siderurgia contém de 10% até >50% H₂) e são aproveitados como combustíveis internos (4,5). Essa experiência prévia tem facilitado a adaptação de equipamentos – há uma base de conhecimento para lidar com combustíveis de alto teor de hidrogênio. Em outras palavras, tecnologias de combustão “H₂-ready” já existem e vêm sendo aplicadas.
Em outros lugares do mundo, ensaios iniciais seguem essa linha de blends gradativos. Um caso emblemático ocorreu na siderurgia: em 2022, a ArcelorMittal anunciou que sua usina de redução direta de ferro (DRI) em Contrecoeur, no Canadá, conseguiu operar por 24 horas contínuas substituindo 6,8% do gás natural por hidrogênio verde no redutor de ferro, etapa responsável por grande parte das emissões (6). É uma fração modesta, mas foi a primeira vez em escala industrial real que hidrogênio verde foi usado nesse tipo de planta operando comercialmente – demonstrando que é possível inserir H₂ sem interromper a produção. Apesar do percentual relativamente baixo, o impacto tem potencial de ser notável: essa etapa de redução direta responde por ~75% do CO₂ emitido pela unidade, então qualquer substituição traz ganhos e, principalmente, aprende-se a lidar com o novo combustível.
Em paralelo, há esforços para aplicar hidrogênio também nas usinas siderúrgicas de alto-forno a carvão – ainda majoritárias no mundo e no Brasil. Nesse caso, o H₂ pode ser injetado junto com o carvão pulverizado nas ventaneiras do alto-forno (onde normalmente injeta-se também óleo ou gás para intensificar a combustão). Estudos de simulação indicam que essa estratégia pode funcionar: uma análise numérica recente simulou a injeção de gás hidrogênio misturado ao carvão em um alto-forno de grande porte e projetou que, com percentuais adequados, seria possível manter operação estável, obter aumento de produtividade na casa de 47% e ainda reduzir em ~21% a quantidade de carbono consumida por tonelada de ferro-gusa produzida (7). Ou seja, além de cortar emissões, o hidrogênio poderia até melhorar a eficiência do processo, algo extremamente atraente para a siderurgia.
Na prática, a CSN (Companhia Siderúrgica Nacional) já começou a trilhar esse caminho em Volta Redonda (RJ): adotou uma tecnologia que injeta hidrogênio nos regeneradores do alto-forno (os fornos de aquecimento do ar de sopro), melhorando a combustão. Com essa medida, a temperatura de aquecimento do ar aumentou 7%, permitindo que se use menos coque e gás natural, reduzindo a emissão de CO₂ da usina (8,9). Trata-se de um exemplo real de combustão assistida pelo H₂ em uma instalação brasileira. Pequenas adições de hidrogênio (<1% do consumo de energia, estima-se) atuam como “otimizador” da chama, provando o conceito de que um pouco de H₂ já ajuda.
Hidrogênio em setores além da siderurgia
Além da siderurgia, outros setores intensivos em calor estão explorando misturas de hidrogênio. Na indústria de cimento, que tradicionalmente queima coque de petróleo, carvão e/ou resíduos nos fornos rotativos, projetos locais e internacionais começam a ganhar forma. A CSN Cimentos, por exemplo, também adotou um sistema para usar o hidrogênio para assistir a combustão, alcançando redução de 5% nas emissões de CO₂ por tonelada de clínquer produzido graças à melhoria da eficiência de queima (9). Já no Rio Grande do Norte, um consórcio envolvendo a CPFL Energia e a Mizu Cimentos anunciou a instalação da primeira planta-piloto de hidrogênio verde para uma fábrica de cimento no Brasil, com operação prevista até 2027 (10). O hidrogênio gerado por eletrólise alimentada por energia eólica será utilizado para substituir parte dos combustíveis fósseis no forno de clínquer, reduzindo significativamente as emissões. Esse projeto, apoiado pela agência reguladora ANEEL, busca demonstrar em campo a viabilidade técnica e econômica de usar H₂ em fornos de cimento, e estima-se que evitará de imediato a emissão de ~12,5 toneladas de CO₂ por ano. Ainda assim, será um marco importante: conforme autoridades do RN destacaram, trata-se da primeira aplicação de hidrogênio em grandes substituições energéticas na indústria cimenteira do Brasil, e pode servir de exemplo para outros setores como siderurgia, cerâmica e vidro no país.
Falando em vidro e cerâmica, aí estão indústrias onde as chamas de alta temperatura (acima de 1.500°C) são essenciais e a eletrificação é desafiadora. Esses setores têm se movimentado globalmente para testar o hidrogênio. No Reino Unido, o projeto HyNet Industrial Fuel Switching realizou em 2021 um teste num forno de vidro plano (float glass) operando 100% com hidrogênio em St. Helens – foi a primeira vez que um forno industrial de vidro funcionou inteiramente sem gás natural numa planta de grande escala, comprovando que a fusão do vidro pode prosseguir com H₂ puro (11,12). Houve também testes com queimadores de hidrogênio em uma caldeira industrial (Unilever) no mesmo programa, indicando aplicações amplas (11,12). Na Alemanha, a fabricante SCHOTT conduziu uma série de experimentos: primeiro, em 2023, operou um forno piloto de vidro com mistura de 35% H₂ (65% gás natural) em escala industrial, sem prejudicar o processo; em seguida, conseguiu até mesmo realizar uma fusão de vidro completa usando 100% hidrogênio em ambiente de laboratório – um passo importante para provar a viabilidade em condições controladas (11,13). Resultados iniciais são encorajadores, embora desafios tenham sido notados: por exemplo, um estudo setorial (projeto HyGlass na Alemanha) apontou que a chama de hidrogênio pode alterar ligeiramente a composição/qualidade do vidro fundido (p.ex., dando coloração indesejada) devido a diferenças no ambiente de combustão, exigindo ajustes na formulação das matérias-primas para compensar (11). Ainda assim, grandes grupos de vidro (AGC no Japão, Saint-Gobain na UE, Pilkington/NSG, dentre outros) seguem investindo em queimadores especiais e testes de produção com hidrogênio, convictos de que é um caminho viável para um vidro “verde”.
Um ponto comum nesses casos é que a implementação costuma começar com blends modestos e evoluir para cenários de maior proporção de H₂, conforme vão se solucionando obstáculos técnicos. Por exemplo, no forno da Saverglass (vidros especiais na França), testes em 2023 foram feitos injetando 10%, depois 20% e 30% de hidrogênio; os resultados positivos nesses patamares deram segurança para a empresa planejar usos mais abrangentes do H₂ na sua operação (11). Já no setor de cal e cerâmica, há pilotos de fornos híbridos (combustão com hidrogênio + eletricidade) e até fornos 100% hidrogênio em desenvolvimento (um forno piloto 100% H₂ para cerâmica foi anunciado no Reino Unido, por exemplo).
Vale ressaltar que, quanto maior o teor de hidrogênio, mais ajustes são necessários nos equipamentos de combustão. O hidrogênio puro tem características bem diferentes do gás natural: sua densidade e poder calorífico volumétrico são menores (é um gás muito leve e com menos energia por metro cúbico), porém a velocidade e temperatura de chama são maiores (4). Isso implica que queimadores projetados para metano precisam de modificações para H₂ puro – orifícios de injeção diferentes, materiais resistentes a temperaturas mais altas e, fundamentalmente, estratégias para evitar retrocessos de chama (flashback), já que o hidrogênio inflama com extrema facilidade. Queimadores do tipo premix (que misturam ar e combustível antes da saída) não são adequados para H₂ puro, pois o risco de ignição interna é alto; em vez disso, usam-se queimadores de difusão especiais, que controlam onde exatamente o hidrogênio entra e se mistura com o ar (4).
Medidas de segurança adicionais tornam-se mandatórias: tubulações de H₂ devem ser purgadas com gás inerte (nitrogênio, tipicamente) após o uso para eliminar hidrogênio residual, válvulas e sensores especializados são instalados para detectar vazamentos imediatamente, e a ventilação em torno de fornos a H₂ deve ser aprimorada (o hidrogênio, por ser o gás mais leve que existe, dispersa-se rapidamente mas também pode se acumular em pontos altos se houver vazamentos) (4).
Todos esses cuidados e adaptações podem elevar custos e complexidade, explicando por que nem sempre é simples ou barato saltar direto para 100% H₂. Muitas vezes a solução ótima de curto prazo é a co-combustão, aproveitando o melhor dos dois mundos: usa-se hidrogênio em proporção suficiente para melhorar a eficiência e reduzir emissões, mas mantêm-se os combustíveis existentes para garantir estabilidade e complementar propriedades (por exemplo, no cimento, combustíveis fósseis fornecem também carbono necessário para a formação do clínquer; no vidro, mistura com bio-combustíveis pode ajudar a controlar a atmosfera do forno). A título de ilustração, em um teste de combustível híbrido em uma fábrica de cimento no Reino Unido, obteve-se uma combinação de energia de 47% hidrogênio + 53% combustíveis biogênicos que permitiu operar o forno praticamente neutro em CO₂ (14). Esse conceito de combustível de transição – mesclar H₂ com gás natural, biomassa, biogás ou até com amônia – está sendo ativamente estudado para diversas indústrias. No Japão, termoelétricas a carvão planejam co-firing de hidrogênio e amônia em baixos porcentuais para reduzir emissões sem aposentar as plantas imediatamente. Já na Europa, algumas caldeiras industriais em campus universitários e hospitais operam com misturas de 20–30% H₂ na rede de gás natural local, validando o uso seguro em escala real.
Por fim, olhando adiante, algumas iniciativas já vislumbram o uso direto de 100% hidrogênio em larga escala industrial nas próximas décadas. Na siderurgia, a HYBRIT (parceria da SSAB na Suécia) produziu em 2021 o primeiro lote de aço “verde” usando ferro esponja reduzido 100% com hidrogênio (substituindo totalmente o carvão de coque no processo químico) (15). A SSAB projeta iniciar a produção comercial desse aço sem fósseis já em 2026, quatro anos antes do originalmente previsto, e outras siderúrgicas correm atrás (a H2 Green Steel, também sueca, planeja uma usina nova operando já em 2025). No setor de vidros, espera-se que tecnologias desenvolvidas em projetos pilotos atuais resultem em fornos híbridos ou totalmente a hidrogênio disponíveis na década de 2030, à medida que o custo do H₂ verde caia e que restrições de emissões se tornem mais rigorosas.
O desafio crucial para que o hidrogênio térmico decole é justamente garantir suprimento abundante e econômico de H₂ de baixo carbono. Afinal, muitos desses processos industriais requerem volumes enormes de combustível: um único forno de cimento ou aciaria pode consumir dezenas de milhares de metros cúbicos de gás por hora. Produzir hidrogênio verde suficiente para alimentar essas chamas demandará eletricidade renovável em grande escala e investimentos em eletrolisadores, logística e armazenamento. Por ora, os projetos utilizam H₂ em quantidades modestas, muitas vezes gerado em piloto no próprio site, mas a visão de longo prazo é integrar parques de renováveis, usinas de H₂ e indústrias numa sinergia regional (os chamados hubs de hidrogênio).
O papel da Protium Dynamics
Diante deste panorama, a Protium Dynamics posiciona-se como uma facilitadora da transição para o hidrogênio nos processos industriais. Essa expertise em usar hidrogênio como complemento em sistemas de energia “convencionais” foi um trampolim para atuar também no segmento industrial: hoje a Protium projeta e implementa plantas de hidrogênio sob medida, integrando eletrolisadores, células a combustível, compressores, tanques e todos os componentes necessários para produzir e utilizar hidrogênio no próprio site do cliente além de realizar a integração e instrumentação com o processo existente. Ou seja, se uma fábrica de vidro, cimento ou uma siderúrgica deseja adaptar um forno para queima com H₂, a Protium oferece o pacote completo: dimensionamento e fornecimento do sistema de geração de H₂ (garantindo pureza e pressão adequadas), sistemas de controle e segurança, e toda a consultoria de engenharia para integração dessa nova fonte energética ao processo existente.
O envolvimento da Protium Dynamics em projetos de hidrogênio térmico pode ocorrer desde as fases iniciais de planejamento. A empresa realiza estudos de viabilidade e modelagem tecnoeconômica, ajudando clientes a quantificar quanto CO₂ seria evitado, qual o custo nivelado do hidrogênio versus combustível atual, e quais adaptações seriam necessárias na planta. Em seguida, pode assumir a engenharia, suprimentos e construção (EPC) da planta de hidrogênio, entregando-a pronta para operar (modelo turn-key).
Um exemplo prático: se uma cimenteira deseja implementar um piloto de co-combustão com 5% de hidrogênio, a Protium desenha o sistema de eletrolisador capaz de gerar esse H₂ on-site (considerando a variabilidade da rede elétrica ou integrando fontes renováveis locais), instala linhas de dutos até o queimador do forno e implementa os controles de fluxo de gás para injetar o hidrogênio de forma dosada conforme a demanda do forno. Tudo isso garantindo que, do ponto de vista do operador do forno, a mudança seja transparente e segura. Além do hardware, a Protium também presta capacitação e suporte técnico para a equipe do cliente operar os novos sistemas – um aspecto crucial quando se introduz um vetor energético novo como o hidrogênio em instalações industriais que historicamente lidaram apenas com gás natural ou combustíveis líquidos.
Cada avanço – seja um caminhão a diesel convertido com EcoTorque, seja um forno industrial operando com H₂ – reforça o compromisso da Protium em demonstrar que o hidrogênio pode ser um vetor econômico e sustentável hoje, e não apenas uma promessa distante. Em suma, a Protium Dynamics atua como ponte entre a tecnologia e a aplicação real: sua contribuição é tornar viável aquilo que os estudos e pilotos apontam, adaptando soluções de hidrogênio à realidade operacional das fábricas.
Para as indústrias, a mensagem prática é agir desde já!
Ainda que o cenário final 100% livre de carbono esteja a anos de distância, começar com projetos piloto de hidrogênio – mesmo modestos – traz múltiplos benefícios: reduz um pouco das emissões imediatamente; capacita equipes e ajusta processos internos para lidar com o novo combustível; e posiciona a empresa na vanguarda tecnológica, apta a aproveitar incentivos e evitar futuros choques regulatórios (por exemplo, impostos de carbono ou exigências de produtos “verdes”). Além disso, esses projetos geram publicidade positiva e atendem a crescente demanda de clientes finais por cadeias produtivas sustentáveis. No Brasil, com nossa abundância de energias renováveis, há a oportunidade de sermos líderes na produção de hidrogênio verde a baixo custo e, consequentemente, líderes em seu uso nas indústrias domésticas.
Para continuar explorando este tema, fique atento às próximas publicações da Protium Dynamics. Falaremos mais sobre as aplicações de hidrogênio térmico na indústria, sobre o mercado de hidrogênio, e outras aplicações (mobilidade pesada, geração elétrica) que complementam o panorama da economia do H₂.
E, sobretudo, este é um convite: se você, leitor, é profissional ou empresário de algum setor industrial interessado em reduzir emissões e modernizar seu parque térmico, entre em contato com a Protium. Nossa equipe está pronta para, junto com você, avaliar onde o hidrogênio pode fazer a diferença em seu processo e traçar um plano viável – do estudo inicial à implementação. A chama da próxima revolução industrial pode muito bem ser alimentada a hidrogênio; nós podemos acendê-la, juntos, hoje.
Referências
1. IEA. Breakthrough Agenda Report 2024. Paris, France; 2024.
2. Wright L, Liu X, Wu I, Chalasani S. Steel GHG Emissions Reporting Guidance. 2023.
3. EMEP/EEA. EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2023 – 1.A Annex: Hydrogen combustion. 2023.
4. Oilon. Hydrogen plays a key role in the green transition. 2024.
5. Gan L, Ye P, Tian X, Mi J, Xing J, Xue Q, et al. Simultaneous removal of NO and VOCs by Si doping CeO2 based catalysts: An acidity and redox properties balance strategy. Fuel. 2024 Jun;366:131396.
6. Weigh P. ArcelorMittal Corporate Communications. 2022. ArcelorMittal successfully tests partial replacement of natural gas with green hydrogen to produce DRI.
7. Castro JA de, Medeiros GA de, Silva LM da, Oliveira EM de. ANÁLISE DO GÁS HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL PARA GRANDES ALTOS-FORNOS UTILIZANDO UM MODELO NUMÉRICO MULTIFÁSICO GLOBAL. In: ABM Proceedings. São Paulo: Editora Blucher; 2023. p. 124–36.
8. UTIS. UC3® Technology Exceeds Expectations in Improving Blast Furnace Efficiency. Cascais, Portual; 2024.
9. CSN. Relatório de Ação Climática 2023/2024. 2025.
10. Cardozo D. Eixos. 2024. CPFL vai instalar piloto de hidrogênio verde para suprimento industrial no Rio Grande do Norte.
11. McDonald L. Ceramic Tech Today. 2023. Video: Hydrogen trials show promise at glassmaking plants.
12. Progressive Energy Ltd. HyNet Industrial Fuel Switching [Internet]. 2022. Available from: assets.publishing.service.gov.uk/media/637e4dbde90e072340f26a85/phase_3_hynet_industrial_fuel_switching.pdf
13. Mills J. Glass International. 2024. Schott conducts industrial glass trials with 100% hydrogen.
14. MPA UK Concrete. Sustainable Concrete. 2021. World first UK hydrogen trials demonstrate pathway to net zero cement.
15. Kindy D. Innovation for Good – A Smithsonian magazine special report. 2021. Fossil Fuel–Free ‘Green’ Steel Produced for the First Time.
Sobre o autor
Sami Massalami Mohammed Elmassalami Ayad atua como eng. Desenvolvedor Sênior na na Protium Dynamics. Doutor em Eng. Mecânica pela UFRJ. Desenvolve atividades em pesquisa e desenvolvimento de soluções energéticas com foco em hidrogênio e otimização de sistemas térmicos.
