Integração entre engenharia e produção sustentável de fertilizantes verdes

ARTIGO ORIGINAL

Integração entre engenharia e produção sustentável de fertilizantes verdes

Integration between engineering and sustainable production of green fertilizers

Abstract

Fertilizers are fundamental to the development of agriculture, increasing crop productivity and ensuring global food security. It is estimated that the nitrogen fertilizer production chain is responsible for about 1.8% of global CO₂ emissions. This article aims to analyze, through a literature review, the potential of low-carbon hydrogen in fertilizer production as a strategy for decarbonizing agriculture. The methodology was developed based on a narrative and exploratory literature review, with the aim of gathering and analyzing relevant information on the use of low-carbon hydrogen in fertilizer production, focusing on technical, environmental, economic, and future perspectives. By adopting this more sustainable strategy, it is possible to drastically reduce specific emissions per ton of ammonia produced, contributing to the fulfillment of national and international climate goals. The use of low-carbon hydrogen in fertilizer production, especially in ammonia synthesis, represents a viable technological solution to reduce greenhouse gas emissions associated with agriculture.

Keywords: ​​ Technology; Decarbonization; Greenhouse effect; Ammonia synthesis.

• Introdução

Os fertilizantes são fundamentais na agricultura moderna, sendo responsáveis por aumentar a produtividade das culturas e garantir a segurança alimentar global [1]. No entanto, a produção desses insumos, especificadamente da amônia (NH₃), está influenciando o aumento das emissões de gases de efeito estufa (GEE). Atualmente, a amônia é produzida majoritariamente pelo processo Haber-Bosch, que utiliza hidrogênio obtido via reforma a vapor do metano (SMR), uma rota intensiva em carbono [2].

Estima-se que a cadeia de produção de fertilizantes nitrogenados seja responsável por cerca de 1,8% das emissões globais de CO₂ [3.]. Diante da crescente demanda por soluções sustentáveis, o uso do hidrogênio de baixo carbono (hidrogênio verde), surge como uma alternativa promissora para a descarbonização da cadeia de produção de fertilizantes. Este artigo tem como objetivo analisar, por meio de revisão de literatura, o potencial do hidrogênio de baixo carbono na produção de fertilizantes como estratégia para a descarbonização da agricultura.

• Referencial teórico

  • Produção tradicional de hidrogênio (steam methane reforming – SMR) e sua pegada de carbono

Atualmente, a Steam Methane Reforming (SMR), conhecido como reformamento a vapor de metano, é a principal rota industrial de produção de hidrogênio. Segundo a International Energy Agency (IEA) [2.], essa rota produz mundialmente 95% de hidrogênio. No procedimento do SMR a reação ocorre por meio do gás natural (predominantemente metano, CH₄), com altas temperaturas do vapor d’água (700–1.100°C), que na presença de um catalisador, gera uma mistura de hidrogênio (H₂), monóxido de carbono (CO) e dióxido de carbono (CO₂), conforme a reação a seguir (1) e (2):

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Por mais que há eficiência no processo, a pegada de carbono é considerável, pois a cada tonelada de hidrogênio produzida por SMR, são emitidas entre 9 e 12 toneladas de CO₂ [2.,4.]. A razão disso pode ser tanto às emissões diretas das reações químicas (1) e (2), quanto ao uso intensivo de combustíveis fósseis para gerar o calor necessário ao processo.

O SMR também está relacionado ao Hidrogênio Cinza, onde não há captura e armazenamento de carbono (CCS – Carbon Capture and Storage). Em relação as emissões globais de gases de efeito estufa, o reformamento a vapor de metano, contribui para o setor industrial e de fertilizantes. Na síntese de amônia, o hidrogênio é fundamental via processo Haber-Bosch.

Embora o SMR seja atrativo economicamente, é um grande problema para descarbonização da cadeia de produção de fertilizantes. Por esse motivo, há necessidade de buscar alternativas de baixo carbono, como o hidrogênio verde e azul.

• • Rotas alternativas

Nos procedimentos de hidrogênio existem diversas rotas alternativas, isso devido as respostas para as altas emissões de gases de efeito estufa relacionadas a produção de hidrogênio por meio da reforma de metano a vapor. Segundo Santana et al. [5.], a classificação dessas rotas é mediante a sua origem energética e emissões, as rotas mais promissoras são as de hidrogênio verde, azul e turquesa.

• • • Eletrólise da água com energia renovável (hidrogênio verde)

O Hidrogênio verde de baixo carbono é gerado por meio da eletrólise da água. Nesse processo, separa a molécula de H₂O em hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂). A eletricidade é via fontes renováveis (energia eólica, solar ou hidrelétrica) (3):

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Devido a eletricidade ser por meio de fontes renováveis, não ocorre emissões de carbono no processo, sendo assim, considera-se uma prática sustentável, ou seja, opção mais limpa. Porém existem desafios por conta do alto custo da eletrólise à intermitência das fontes renováveis [3.].

• • • Reformação com captura de carbono (hidrogênio azul)

Em relação ao Hidrogênio azul, no processo de produção segue o mesmo do ​​ tradicional de reformação do metano (SMR), mas nesse caso são adicionadas tecnologias de captura e armazenamento de carbono (CCS – Carbon Capture and Storage) para reduzir as emissões de CO₂ geradas, segue a reação (4) e (5):

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Conforme Santana et al. [5.], visto que o hidrogênio azul não seja neutro em carbono, ele ainda é considerado uma alternativa de transição importante, principalmente em países com forte infraestrutura de gás natural e interesse na redução gradual de emissões.

• • • Biomassa ou pirólise (hidrogênio turquesa)

Na produção de hidrogênio turquesa, o procedimento da pirólise de metano realiza a termoquímica que decompõe o metano em hidrogênio e carbono sólido, sem geração direta de CO₂ (6):

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xSendo assim, é eliminada a necessidade de CO₂, pois o carbono formado pode ser armazenado ou utilizado em outros setores. Além disso, também estão sendo estudadas outras rotas, por exemplo o uso da biomassa renovável como matéria-prima (gaseificação de biomassa), que junto ao manejo sustentável, pode contribuir com emissões negativas [5.].

O procedimento da pirólise está em fase de demonstração tecnológica, e ainda enfrenta desafios em relação à viabilidade econômica e aproveitamento do carbono sólido.

• • • Papel do hidrogênio na síntese de amônia via processo Haber-Bosch

Na síntese de amônia (NH₃), o hidrogênio é fundamental no processo central na produção de fertilizantes nitrogenados, principalmente ureia e nitrato de amônio. O procedimento da reação é denominado de Haber-Bosch, foi desenvolvido no século XX, envolve hidrogênio (H₂) e nitrogênio (N₂) atmosférico sob altas pressões (150–300 bar) e altas temperaturas (400–500°C), na presença de catalisadores à base de ferro (7):

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Na escala industrial, essa reação ocorre se houver uma grande quantidade de hidrogênio de alta pureza, sendo assim, a produção de H₂ é o maior fator de emissão de CO₂ em todo o ciclo de vida da amônia [5.,6.]. Hoje em dia, a maior parte desse hidrogênio provém do hidrogênio cinza (reforma de vapor de metano), resultando na emissão de cerca de 1,8 a 2,6 toneladas de CO₂ por tonelada de amônia produzida [6.].

A demanda por fertilizante é alta, e existem desafios relacionados a substituição ​​ do hidrogênio fóssil por hidrogênio de baixo carbono (verde ou azul), tanto para as metas globais de redução de emissões quanto para o setor agrícola. A adoção dessas fontes limpas permitiria reduzir drasticamente as emissões da cadeia de produção de amônia e viabilizar a descarbonização do setor de fertilizantes, sem alterar a estrutura do processo Haber-Bosch, que permanece tecnologicamente dominante.

• • Aplicações do hidrogênio de baixo carbono na indústria de fertilizantes

A indústria de fertilizantes no ramo de produção de amônia é atualmente uma das maiores consumidoras de hidrogênio no mundo, ou seja, responsável por cerca de dois terços da demanda global de hidrogênio puro [6.]. Tradicionalmente, esse hidrogênio é obtido a partir de fontes fósseis (hidrogênio cinza), o que resulta em altas emissões de CO₂, o que evidencia a necessidade de buscar fontes limpas, para amenizar o impacto ambiental. A substituição por hidrogênio de baixo carbono (verde ou azul) representa, uma oportunidade estratégica para a descarbonização da cadeia produtiva dos fertilizantes.

• Metodologia

Este artigo foi desenvolvido com base em uma revisão de literatura narrativa e exploratória, com o objetivo de reunir e analisar informações relevantes sobre o uso de hidrogênio de baixo carbono na produção de fertilizantes, com foco em aspectos técnicos, ambientais, econômicos e perspectivas futuras.

A pesquisa bibliográfica foi realizada entre julho e agosto de 2025, utilizando como principais fontes: Artigos científicos indexados nas bases ScienceDirect, Web of Science e Google Scholar, com ênfase em publicações sobre hidrogênio verde, tecnologias de eletrolisadores e descarbonização da cadeia do amoníaco; Relatórios técnicos internacionais produzidos por instituições como a International Energy Agency (IEA) [2.,6.], a International Renewable Energy Agency (IRENA) [3.] e a Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) [1.]; Documentos oficiais e estudos de caso, incluindo o Plano Nacional de Fertilizantes 2050 [7.] e iniciativas industriais descritas em sites de empresas como Yara International [10.], Unigel [11.] e Fertiberia [9.].

Foram considerados critérios de atualidade, relevância científica e aplicabilidade temática para a seleção das fontes. A análise dos conteúdos foi conduzida de forma qualitativa, com categorização dos dados em eixos temáticos: fundamentos técnicos da produção de hidrogênio, aplicações industriais no setor de fertilizantes, impactos ambientais, barreiras à adoção e perspectivas futuras.

• Desenvolvimento e discussão

  • Substituição do hidrogênio cinza por verde ou azul na síntese de amônia

Como já discutido nos fundamentos técnicos deste estudo, o principal uso do hidrogênio na indústria de fertilizantes ocorre na síntese de amônia (NH₃) pelo processo Haber-Bosch. A substituição do hidrogênio cinza por hidrogênio verde ou azul nesse processo não exige muitas alterações na infraestrutura industrial, o que facilita a implementação gradual da transição energética. Ao aderir essa estratégia mais sustentável, é possível reduzir drasticamente as emissões específicas por tonelada de amônia produzida, contribuindo para o cumprimento das metas climáticas nacionais e internacionais (Tabela 1).

Tabela 1: Principais iniciativas globais de uso de hidrogênio de baixo carbono na indústria de fertilizantes

Fonte: Adaptado de IEA, Fertiberia, Yara International, Unigel e Santana [2.,6.,9.,10.,11.,5.].

Muitas empresas e consórcios industriais estão liderando a transição para a produção de amônia verde com o uso de hidrogênio de baixo carbono. Essas iniciativas revelam um movimento global que associa inovação tecnológica e compromisso ambiental, com foco em transformar uma das cadeias mais intensivas em carbono em uma referência de sustentabilidade industrial (Tabela 1).

• • Perspectiva nacional e estratégica

O Brasil tem grande potencial para liderar a produção de fertilizantes com hidrogênio verde, devido a sua matriz elétrica majoritariamente renovável (solar, eólica e hidrelétrica). Sendo assim, o país pode ser um grande candidato natural à produção competitiva de amônia verde, tanto para consumo interno quanto para exportação, principalmente no contexto da Estratégia Nacional do Hidrogênio e da Estratégia Brasileira de Fertilizantes EBF [3.].

• • Impactos e benefícios ambientais

O hidrogênio cinza substituído por hidrogênio de baixo carbono na produção de amônia, traz benefícios ambientais relevantes, principalmente no que se refere à redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE) (Gráfico 1).

• • Redução de emissões de CO₂

Na indústria de fertilizantes, a produção convencional de hidrogênio via Steam Methane Reforming (SMR), emite entre 9 e 12 toneladas de CO₂ por tonelada de H₂ produzido [2.]. Como a síntese de amônia depende intensamente de hidrogênio, estima-se que a cadeia produtiva de fertilizantes nitrogenados seja responsável por cerca de 1,8% das emissões globais de CO₂ [3.].

Gráfico 1: Emissões de CO₂ por tipo de hidrogênio na produção de amônia.

Fonte: Adaptado de IEA, Santana e IRENA [2.,5.,3.].

No processo de substituição do hidrogênio cinza por hidrogênio verde ​​ (produzido por eletrólise da água com eletricidade renovável e não emite CO₂ diretamente), é possível alcançar reduções de até 90% nas emissões do processo de síntese de amônia [5.]. Em relação ao hidrogênio azul, pode reduzir as emissões em cerca de 60 a 80%, dependendo da eficiência da tecnologia de captura de carbono (CCUS) empregada (Quadro 1).

Quadro 1: Comparação dos impactos ambientais por tipo de hidrogênio (com base em ACV)

Fonte: Adaptado de Bicer & Dincer, IRENA e Santana [4.,3.,5.].

• • Avaliações do ciclo de vida (ACV)

As análises dos estudos de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) evidenciam que a produção de amônia com hidrogênio verde apresenta menor impacto ambiental em todas as etapas do processo, desde a geração de energia até a aplicação final do fertilizante. Isso considerando as emissões diretas e indiretas, o uso de recursos naturais e os efeitos sobre a água e o solo.

De acordo com Bicer e Dincer [4.], as rotas baseadas em biomassa e energia solar resultam em menor pegada de carbono e menor impacto no uso de recursos não renováveis, em comparação às rotas baseadas em gás natural. A ACV é uma ferramenta essencial para quantificar os reais benefícios ambientais das tecnologias de baixo carbono e embasar políticas públicas e estratégias corporativas de sustentabilidade.

• • Contribuição para metas climáticas

Em relação com os compromissos assumidos por diversos países no âmbito do Acordo de Paris, que busca limitar o aquecimento global a menos de 2 °C até o final do século, a transição para hidrogênio de baixo carbono na produção de fertilizantes está alinhada com os acordos propostos. Além disso, diversas empresas e governos têm estabelecido metas de emissões líquidas zero (net zero) até 2050, o que exige mudanças profundas em setores intensivos em carbono, como o de fertilizantes (Tabela 1).

• • Desafios e barreiras

A adoção do hidrogênio de baixo carbono tem grande potencial ambiental, principalmente do hidrogênio verde, porém enfrenta diversos desafios que limitam sua competitividade frente às tecnologias convencionais baseadas em combustíveis fósseis.

• • • Custo do hidrogênio verde vs. cinza

Nos dias de hoje, o hidrogênio cinza, produzido via reformamento a vapor do metano (SMR), possui um custo de produção entre US$ 1,0 e US$ 2,5 por kg de H₂, dependendo do preço do gás natural [2.]. Por outro lado, o hidrogênio verde pode custar de US$ 4,0 a US$ 8,0 por kg de H2, devido ao alto custo dos eletrolisadores, da eletricidade renovável e da baixa escala de produção [3.].

Essa diferença de custo é um desafio em relação a economia na substituição do hidrogênio fóssil por alternativas limpas na indústria de fertilizantes. Por mais que os custos do hidrogênio verde venham diminuindo, ainda é necessário o apoio de políticas públicas e subsídios para garantir sua competitividade em mercados amplamente dominados por soluções de baixo custo e alta emissão.

• • • Infraestrutura e armazenamento

Na produção de hidrogênio verde é fundamental a infraestrutura específica, a cadeia de produção, transporte e armazenamento do hidrogênio exige, e essa infraestrutura ainda está em estágio inicial de desenvolvimento em muitos países, inclusive no Brasil. A especificidade é por conta que o hidrogênio é uma molécula leve e altamente inflamável, exigindo sistemas pressurizados ou liquefeitos, além de materiais resistentes à difusão.

• • • • Projetos de Usinas de Eletrólise

A produção de H₂V é realizada em usinas de eletrólises, ​​ nesse processo utilizam eletricidade renovável (eólica, solar) para separar a molécula de água (H₂O) em hidrogênio (H₂) e oxigênio (O₂). A engenharia é fundamental ne implementação e construção dessas usinas, pois necessita de estudos de solo e fundações, estruturas de concreto e aço, sistemas de resfriamento e ventilação, infraestrutura de água e integração com fontes renováveis [8.].

• • • Intermitência das fontes renováveis

É imprescindível ter fontes renováveis, pois a produção de hidrogênio verde depende diretamente da eletricidade gerada por isso, como solar e eólica. No entanto, essas fontes são intermitentes (sua geração varia ao longo do dia ou conforme as condições climáticas). Essa variabilidade das fontes intermitentes afeta a eficiência e a regularidade da eletrólise, exigindo a adoção de sistemas de armazenamento de energia ou híbridos de geração, o que pode aumentar ainda mais os custos operacionais e reduzir a viabilidade em regiões com baixa confiabilidade energética.

• • • Políticas e incentivos necessários

O progresso do uso do hidrogênio verde pode ser alcançado por meio de políticas públicas, incentivos fiscais e regulamentações específicas voltadas a viabilidade econômica e operacional. Países que têm avançado na implantação da economia do hidrogênio (Alemanha, Japão, Espanha e Noruega), contam com planos nacionais, leilões, subsídios diretos, preços mínimos garantidos e créditos de carbono.

Em relação ao Brasil, embora o país possua vantagens comparativas (matriz renovável, potencial solar e eólico, portos, demanda industrial), ainda há lacunas regulatórias, baixa integração entre setores e ausência de incentivos robustos voltados à produção e ao uso do hidrogênio verde nos fertilizantes [7.,5.].

• • Perspectivas futuras

A transição para fertilizantes produzidos com hidrogênio de baixo carbono está alinhada às principais estratégias globais de descarbonização da agricultura e da indústria química. Embora ainda enfrente desafios, as tendências tecnológicas, os avanços de mercado e a integração com práticas sustentáveis sinalizam um cenário promissor para os próximos anos.

• • • Tendências tecnológicas

No futuro próximo, espera-se um grande avanço nos eletrolisadores utilizados para produção de hidrogênio verde. Tecnologias como PEM (Proton Exchange Membrane), AWE (Alkaline Water Electrolysis) e a emergente SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) tendem a se tornar mais eficientes, modulares e economicamente viáveis [5.].

Ainda tem um movimento global de hibridização energética, em que a eletrólise é acoplada a sistemas fotovoltaicos e eólicos em tempo real, maximizando o uso direto da energia renovável. Outra tendência é o desenvolvimento de pequenas unidades descentralizadas de produção de H₂, que podem ser integradas diretamente a plantas de amônia em centros de distribuição importantes.

A aplicação de tecnologias digitais, como monitoramento em tempo real, inteligência artificial e blockchain, também evoluiu na gestão da produção e do rastreamento do ciclo de carbono da amônia verde.

• • • Previsões de mercado para hidrogênio verde

De acordo com a International Renewable Energy Agency (IRENA) [3.], se os compromissos de descarbonização forem cumpridos, a produção global de hidrogênio verde poderá atingir 100 milhões de toneladas por ano até 2050, representando mais de 60% da oferta total de hidrogênio. Quando se trata de setor de fertilizantes, pode ser um dos principais mercados consumidores, principalmente diante da pressão por produtos agrícolas com menor pegada de carbono e pela substituição da ureia convencional.

A expectativa é que os custos da eletrólise caiam 40% até 2030, tornando o hidrogênio verde economicamente competitivo com o cinza em diversas regiões. Para atingir este objetivo, empresas globais e governos já estão estabelecendo contratos de longo prazo, linhas de financiamento verde e fundos climáticos específicos para impulsionar projetos de amônia verde (muitos dos quais direcionados à exportação para países europeus e asiáticos).

• • • Integração com outras tecnologias agrícolas sustentáveis

A integração de um conjunto de soluções agrícolas sustentáveis é possível com o uso de hidrogênio verde e amônia de baixo carbono, sendo assim, cria sinergias com outras práticas. Com a implementação de tecnologias digitais e infraestrutura rural, é possível desenvolver cadeias agroindustriais descentralizadas, sustentáveis e energeticamente autônomas, apoiadas por políticas públicas e demanda do mercado internacional (Tabela 2).

Tabela 2: Integração do hidrogênio verde com práticas agrícolas sustentáveis

Fonte: Adaptado de FAO, IRENA e Santana [1.,3.,5.].

• Considerações finais

O uso de hidrogênio de baixo carbono na produção de fertilizantes, sobretudo na síntese de amônia, representa uma solução tecnológica viável para reduzir as emissões de gases de efeito estufa associadas à agricultura. A literatura revisada destaca os benefícios ambientais da substituição do hidrogênio cinza por alternativas mais limpas, como o hidrogênio verde, além de apontar desafios relacionados a custos, infraestrutura e políticas públicas. Ainda assim, as tendências indicam um avanço consistente na direção da adoção dessas tecnologias, com potencial para transformar a cadeia produtiva dos fertilizantes rumo à sustentabilidade.

• Declaração de direitos

Os autores declaram ser detentores dos direitos autorais da presente obra, que o artigo não foi publicado anteriormente e que não está sendo considerado por outra(o) Revista/Journal. Declaram que as imagens e textos publicados são de responsabilidade dos autores, e não possuem direitos autorais reservados a terceiros. Textos e/ou imagens de terceiros são devidamente citados ou devidamente autorizados com concessão de direitos para publicação quando necessário. Declaram respeitar os direitos de terceiros e de Instituições públicas e privadas. Declaram não cometer plágio ou autoplágio e não ter considerado/gerado conteúdos falsos e que a obra é original e de responsabilidade dos autores.

• Referências

• FAO – Food and Agriculture Organization of the United Nations. Climate-Smart Agriculture Sourcebook. Roma: FAO, 2017. Disponível em: https://www.fao.org/climate-smart-agriculture-sourcebook/en/ . Acesso em: 06 ago. 2025.

• INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Global Hydrogen Review 2021. Paris: IEA, 2021. Disponível em: https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2021 . Acesso em: 06 ago. 2025.

• INTERNATIONAL RENEWABLE ENERGY AGENCY (IRENA). Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5°C Climate Goal. Abu Dhabi: IRENA, 2022.

• BICER, Y.; DINCER, I. Clean hydrogen production from biomass and solar resources. International Journal of Hydrogen Energy, v. 42, n. 34, p. 22314–22323, 2017.

• SANTANA, Delano Mendes de et al. Rotas de produção de hidrogênio e os principais tipos de eletrolisadores. Brasília: LaSUS, FAU-UnB, 2023. Volume 2 do Projeto H₂Brasil – Power-to-X.

• INTERNATIONAL ENERGY AGENCY (IEA). Ammonia Technology Roadmap: Towards more sustainable nitrogen fertiliser production. Paris: IEA, 2021. Disponível em: https://www.iea.org/reports/ammonia-technology-roadmap . Acesso em: 06 ago. 2025.

• BRASIL. Secretaria Especial de Assuntos Estratégicos. Plano Nacional de Fertilizantes 2050: uma estratégia para os fertilizantes no Brasil. Brasília, DF: SAE, 2021. Disponível em: https://www.gov.br/agricultura/pt-br/assuntos/insumos-agropecuarios/insumos-agricolas/fertilizantes/plano-nacional-de-fertilizantes . Acesso em: 06 ago. 2025.

• AGÊNCIA CBIC. Engenharia é forte aliada na geração de energia renovável no Brasil. Agência CBIC, 16 nov. 2021. Disponível em: https://cbic.org.br/engenharia-e-forte-aliada-na-geracao-de-energia-renovavel-no-brasil/ . Acesso em: 06 ago. 2025.

• FERTIBERIA. Green Ammonia Project with Iberdrola. [S.l.], 2023. Disponível em: https://www.fertiberia.com . Acesso em: 06 ago. 2025.

• YARA INTERNATIONAL. Yara to produce green ammonia in Norway. [S.l.], 2021. Disponível em: https://www.yara.com . Acesso em: 06 ago. 2025.

• UNIGEL. Unigel inicia construção de planta de hidrogênio verde na Bahia. [S.l.], 2023. Disponível em: https://www.unigel.com.br . Acesso em: 06 ago. 2025.