Japão transforma esterco bovino em hidrogênio sustentável

No Japão, um resíduo malcheiroso está sendo reinventado como um possível combustível limpo do futuro, capaz de abastecer carros e tratores.

Na ilha de Hokkaido, ao norte do Japão, o ar frio da manhã carrega o cheiro característico do esterco bovino – um odor forte, mas familiar, resultado da próspera indústria leiteira da região. Com 20% da área total do país, Hokkaido é a segunda maior ilha do Japão e abriga mais de um milhão de vacas, responsáveis por mais da metade da produção de leite e laticínios do país.

Uma fazenda da região pretende transformar a fonte desse cheiro intenso em algo valioso: esterco bovino convertido em hidrogênio.

Quando queimado, o hidrogênio não emite carbono, o que o torna uma alternativa promissora aos combustíveis derivados do petróleo. Espera-se que, no futuro, ele seja utilizado para aquecer residências e abastecer veículos, como carros, trens, aviões e navios.

Atualmente, a produção de hidrogênio é dominada por métodos que utilizam metano, um combustível fóssil. Outra alternativa é a eletrólise da água, mas esse processo pode ser caro e só se torna sustentável quando alimentado por fontes de energia renováveis.

A Shikaoi Hydrogen Farm, no entanto, encontrou uma solução alternativa de utilizar um recurso abundante em Hokkaido: o esterco bovino. A ilha gera cerca de 20 milhões de toneladas dessa substância anualmente. Se não tratadas adequadamente, essas fezes podem se tornar um problema ambiental, liberando grandes quantidades de metano e contaminando rios e lençóis freáticos. Porém, quando aproveitadas de forma correta, elas podem se transformar em uma fonte sustentável de energia

"Este projeto de produção de hidrogênio a partir de esterco bovino teve origem no Japão e é único desta região", explica Maiko Abe, da Air Water, uma das várias empresas envolvidas no projeto da fazenda de hidrogênio. A instalação em Shikaoi, uma cidade no centro de Hokkaido, se destaca pelo grande volume de resíduos gerados na região. "Shikaoi é responsável por 30% dos resíduos e urina do gado em Hokkaido, o que a torna uma região com grande potencial para a produção de energia renovável."

Lançado em 2015 pelo Ministério do Meio Ambiente do Japão, o projeto inovador busca converter subprodutos agrícolas em hidrogênio, fornecendo energia para comunidades rurais dentro de um modelo de economia circular.

O esterco e a urina do gado leiteiro, provenientes de fazendas locais, são coletados e enviados para um biodigestor anaeróbico, onde bactérias decompõem os resíduos orgânicos, gerando biogás e fertilizante líquido. O biogás é purificado para extrair metano, que é então utilizado na produção de hidrogênio.

Com uma capacidade de produção de 70 metros cúbicos de hidrogênio, a planta possui um posto de abastecimento que consegue reabastecer cerca de 28 veículos movidos a célula de combustível de hidrogênio por dia. Embora o hidrogênio possa ser utilizado por automóveis convencionais, o posto foi especialmente projetado para abastecer veículos agrícolas, como tratores e empilhadeiras. Esses veículos, devido ao seu tamanho e às altas demandas operacionais, não são viáveis para eletrificação com baterias, tornando o hidrogênio uma solução mais eficiente e sustentável para o setor agrícola.

 

Armazenamento de hidrogênio 

Além de ser utilizado nas próprias fazendas, o hidrogênio produzido a partir do esterco bovino é armazenado em cilindros e transportado para fornecer energia e aquecimento a outras instalações da região, incluindo uma fazenda de esturjões e o zoológico de Obihiro, localizado nas proximidades.

Embora seja uma alternativa promissora, o hidrogênio apresenta desafios técnicos para seu armazenamento:

• Risco de vazamentos,
• Custo alto,
• Capacidade de degradar recipientes metálicos, 
• Fácil inflamabilidade.

Outra possibilidade é o armazenamento na forma líquida, o que requer resfriamento a temperaturas abaixo de -253°C. No entanto, esse processo demanda grande quantidade de energia e infraestrutura adicional.

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Embora o hidrogênio tenha quase três vezes mais energia por unidade de massa do que a gasolina, sua baixa densidade molecular significa que, por volume, ele tem apenas um quarto da energia de um litro de gasolina. Isso faz com que seu armazenamento ocupe muito mais espaço, exigindo grande infraestrutura e energia para ser produzido em larga escala.

 

Vantagens e desvantagens do uso de hidrogênio como combustível 

O uso de resíduos agrícolas, como o esterco bovino, para produzir hidrogênio é um processo pouco comum, mas segue a mesma técnica usada com gás natural: reforma a vapor. Nesse método, o vapor aquecido a 800°C reage com o metano, gerando hidrogênio e liberando monóxido e dióxido de carbono (CO²) como subprodutos.

No caso do esterco, o processo é considerado sustentável porque o carbono liberado vem da grama que as vacas consomem. Como esse carbono já estava na atmosfera, ele é considerado neutro em termos de emissão. Além disso, o método impede que o metano do esterco seja liberado diretamente para a atmosfera, onde ele seria um potente gás de efeito estufa.

Após a extração do biogás, o resíduo líquido restante do esterco é utilizado como fertilizante e pulverizado nos campos vizinhos. Além disso, a ácido fórmico, que tanto é utilizado quanto produzido durante os processos da planta, pode ser reaproveitado como um conservante para a alimentação do gado, afirma Abe.

Atualmente, a eletricidade usada na produção e armazenamento de hidrogênio vem da rede elétrica nacional. No entanto, Abe destaca o grande potencial de Hokkaido para adotar fontes de energia renovável, como eólica, marítima e geotérmica. Isso poderia reduzir as emissões de carbono na produção de hidrogênio.

Ainda assim, a expansão enfrenta desafios, como o alto custo do hidrogênio e a baixa demanda, o que dificulta o crescimento da operação.

"Os custos de construção das estações de hidrogênio são muito altos", explica Abe. "Como os veículos movidos a hidrogênio ainda não são amplamente utilizados, estamos mantendo a capacidade de abastecimento reduzida para equilibrar o investimento inicial. À medida que a adoção aumentar, expandiremos a oferta."

Para incentivar o uso de veículos movidos a hidrogênio, os preços do hidrogênio na região estão sendo subsidiados pela planta, igualando-se ao custo da gasolina. Além disso, postos de abastecimento de hidrogênio estão sendo desenvolvidos em grandes cidades de Hokkaido, como Sapporo e Muroran.

O Japão é o líder mundial em veículos movidos a hidrogênio e tem investido consideravelmente no desenvolvimento dessa tecnologia. No entanto, por enquanto, os veículos elétricos a bateria continuam sendo mais baratos do que os movidos a hidrogênio.

Embora seja improvável que o esterco bovino, sozinho, consiga suprir a demanda de hidrogênio do Japão, ele pode contribuir significativamente para essa matriz energética. O projeto de Shikaoi busca criar um modelo de economia circular, demonstrando como os custos podem cair com a expansão da escala de produção.

 

O reaproveitamento de resíduos em outras regiões

O interesse em usar resíduos para produzir hidrogênio tem crescido em várias partes do mundo. Já foram exploradas fontes como fezes de porco, resíduos de aves e até cascas de coco. Na Tailândia, a fabricante de veículos Toyota está testando a viabilidade de usar hidrogênio obtido a partir de resíduos de frango para abastecer seus veículos.

Nos Estados Unidos, engenheiros da Universidade de Illinois Chicago desenvolveram um método promissor para a produção de hidrogênio a partir de esterco e outros resíduos agrícolas. Utilizando dejetos de gado, resíduos da cana-de-açúcar e palha de milho, eles produzem biochar, um material rico em carbono que reduz significativamente a quantidade de eletricidade necessária para converter água em hidrogênio.

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"Somos o primeiro grupo a demonstrar que é possível produzir hidrogênio usando biomassa com uma fração do consumo de energia tradicional", afirma Meenesh Singh, engenheiro químico responsável pelo projeto.

No sul do Japão, na cidade de Fukuoka, outro resíduo incomum está sendo utilizado para gerar hidrogênio – fezes humanas.

Há mais de uma década, a estação de tratamento de esgoto da cidade tem produzido hidrogênio para abastecer veículos. Mais recentemente, essa tecnologia passou a ser usada para alimentar uma frota de caminhões de lixo com emissão zero.

Segundo Akira Miyaoka, gerente de utilização de hidrogênio da cidade de Fukuoka, os caminhões comerciais são a principal fonte de emissões de CO² na cidade, diferentemente de outras metrópoles, onde as grandes fábricas desempenham esse papel. "Estamos trabalhando para reduzir as emissões de CO² dos caminhões comerciais", explica.

A iniciativa começou como uma colaboração entre a Universidade de Kyushu e a prefeitura de Fukuoka, mas agora conta com a participação de diversas grandes empresas, incluindo a Toyota.

"O esgoto é algo gerado diariamente pela população", afirma Miyaoka. "Ao aproveitar esse resíduo de forma eficiente e extrair hidrogênio como fonte de energia, conseguimos criar um modelo de produção e consumo local de energia."

A produção de hidrogênio a partir do esgoto começa com a chegada de águas residuais domésticas ao tratamento, incluindo resíduos de chuveiros, lava-louças e banheiros. Durante o processo de purificação da água, o lodo residual é utilizado como fonte de biogás e convertido em hidrogênio.

"O esgoto e o biogás contêm diversas impurezas, então a primeira etapa do processo é a remoção dessas substâncias, o que difere dos demais métodos de produção de hidrogênio", explica Miyaoka.

Em 2024, a Toyota ajudou a cidade de Fukuoka a lançar a primeira frota japonesa de veículos de serviço movidos a hidrogênio, incluindo ambulâncias, vans de entrega e caminhões de lixo. A estação de tratamento de esgoto afirma ser capaz de produzir 300 kg de hidrogênio em 12 horas, o suficiente para abastecer 30 caminhões.

Os caminhões de lixo operam seis noites por semana, coletando 1,7 tonelada de resíduos por viagem, enquanto funcionam silenciosamente, sem emissões, usando como combustível os dejetos das próprias pessoas que estão gerando o lixo que recolhem.

A estação de abastecimento de hidrogênio a partir de esgoto em Fukuoka existe desde 2015, e vários outros países já começaram a adotar abordagens semelhantes.

A empresa Concord Blue desenvolveu plantas de conversão de resíduos em energia na Alemanha, Índia, Japão e Estados Unidos, transformando resíduos e biomassa em hidrogênio e bioenergia. No Reino Unido, diversas companhias de tratamento de água estão investindo em projetos para extrair hidrogênio do esgoto.

Na indústria automotiva, um protótipo de carro de corrida foi desenvolvido no Reino Unido utilizando hidrogênio derivado do esgoto. O Warwick Manufacturing Group (WMG), em parceria com a Severn Trent Water, está aproveitando microrganismos para gerar hidrogênio combustível a partir de resíduos humanos. Apesar dos desafios existentes, os pesquisadores acreditam que essa tecnologia poderá chegar ao mercado dentro de cinco anos.

Em uma escala ainda maior, a aviação é responsável por 2% das emissões globais de carbono, e pesquisadores britânicos já desenvolveram combustível de aviação derivado de esgoto humano.

Apesar de todo o potencial dessas tecnologias, nenhuma delas ainda atingiu produção em larga escala.

Seja no meio rural ou urbano, os projetos de hidrogênio desenvolvidos no Japão são inspiradores porque colocam as comunidades locais no centro da inovação.

Embora a adoção de carros movidos a hidrogênio tenha desacelerado, o uso desse combustível em caminhões de carga e veículos industriais pesados tem crescido gradualmente. Como esses veículos contribuem significativamente para as emissões de gases de efeito estufa, sua conversão para hidrogênio pode ter um impacto ambiental expressivo.

Ao transformar resíduos em recursos, esses projetos demonstram que a energia pode ser encontrada até mesmo nos lugares mais inesperados.

As informações são da BBC, adaptadas pela equipe MilkPoint