Cinco caminhos para a descarbonização industrial

De acordo com a Agência Internacional de Energia (IEA), o setor industrial foi responsável por um quarto das emissões diretas do sistema energético global em 2022. Reduzir essas emissões é urgente se o mundo quiser limitar o aquecimento global e atingir as metas de net zero. Mais importante ainda, sob o Acordo de Paris, os países concordaram em limitar as emissões de gases de efeito estufa para que o aumento da temperatura média de longo prazo seja limitado a 1,5 °C acima da média pré-industrial (1850-1900). A IEA observa que, para entrar no caminho certo com as metas de emissões de 2050, as emissões industriais devem diminuir 43% até 2030, em comparação com as emissões de 2019, e continuar caindo a partir de então.

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À medida que tecnologias de descarbonização, como painéis solares e baterias, amadureceram, os cientistas voltaram sua atenção para a descarbonização industrial. Como as instalações industriais têm uma vida útil média de 20 anos, é fundamental que as instalações instaladas a partir de 2030 sejam livres de emissões, e isso significa que as indústrias precisam de soluções tecnológicas agora. Analisamos a CAS Content Collection^TM, o maior repositório de informações científicas curado por humanos, e encontramos um aumento acentuado nas publicações relacionadas à descarbonização desde 2019 (veja a Figura 1).

O crescimento nas publicações científicas tem sido notável, sugerindo que a pesquisa está florescendo, enquanto a comercialização ainda pode levar alguns anos. Descarbonizar indústrias pesadas, como a produção de aço e cimento, tem se mostrado desafiador, uma vez que esses processos utilizam calor extremo gerado por combustíveis fósseis para impulsionar vários processos e reações de produção. Substituir processos baseados em combustíveis fósseis tem sido, em grande parte, tecnologicamente e economicamente inviável.

No entanto, não há tempo a perder, à medida que o mundo continua a quebrar recordes de temperatura, incluindo ultrapassar 1,5 °C pela primeira vez em 2024, e vivencia o agravamento de tempestades, secas e incêndios florestais. Para ajudar nos esforços de sustentabilidade, examinamos cinco caminhos principais para a descarbonização industrial que agora estão se beneficiando de melhores tecnologias e aplicações mais amplas.

5 caminhos para uma descarbonização industrial bem-sucedida

1. Eletrificação: A combustão direta de combustível é responsável por 73% do uso global de energia industrial, enquanto apenas 27% provém da eletricidade. Há uma ampla oportunidade para eletrificar mais processos industriais, assim como o transporte e o aquecimento têm sido cada vez mais eletrificados. Para fazer um progresso significativo na redução de emissões, no entanto, as fontes elétricas usadas para processos industriais devem ser renováveis, como eólica e solar.

2. Eficiência energética: A eficiência energética industrial concentra-se principalmente na aquisição de equipamentos mais eficientes, mas projetar sistemas integrados baseados em eficiência energética pode gerar até 90% de economia de energia. Considerações importantes incluem sistemas de vapor e recuperação de calor, uma vez que estes representam um uso extensivo de energia industrial. Por exemplo, o uso de ar enriquecido com oxigênio para reagir com o combustível pode garantir uma combustão completa e concentrações mais altas de CO₂ nos gases de exaustão, que podem então ser capturados antes de serem emitidos na atmosfera.

3. Captura e armazenamento de carbono: Processos industriais como a produção de cimento utilizam altas temperaturas, que são alcançadas com combustíveis fósseis de forma fácil e barata. Tem sido difícil atingir essas temperaturas e igualar os métodos atuais com fontes de energia descarbonizadas. Nessas situações em que o uso de combustíveis fósseis é a única opção viável, as indústrias podem usar a captura e armazenamento de carbono (CCS), onde o CO₂ capturado é liquefeito e sequestrado geologicamente nas profundezas do subsolo. Em certos casos, o CO₂ capturado pode ser usado como matéria-prima na produção química.  

A taxa global de captura está prevista para atingir entre 2-12 GtCO₂/ano, com a maior parte desse montante sendo capturada por indústrias. O interesse em CCS tem crescido recentemente, com mais de 700 projetos em vários estágios de desenvolvimento ao redor do mundo, mas essa estratégia precisará ser acelerada e ampliada para atingir as metas de emissões líquidas zero.

4. Combustíveis verdes: A transição para combustíveis livres de emissões será crucial para a descarbonização industrial. Isso pode incluir o hidrogênio, que não libera emissões quando queimado como substituto de combustíveis fósseis, mas pode ser um desafio de produzir de maneira sustentável.

Atualmente, a maior parte do hidrogênio é produzida pela reforma a vapor do metano, mas este é um processo intensivo em emissões. Para descarbonizá-lo, as indústrias podem usar CCS ou buscar o hidrogênio verde. Isso é alcançado utilizando eletricidade gerada por fontes renováveis para separar as moléculas de água em oxigênio e hidrogênio. O hidrogênio pode então ser armazenado para uso futuro, seja como combustível ou como matéria-prima para amônia verde.

Biocombustíveis também podem ser usados no lugar de combustíveis fósseis, por exemplo, em combustível de aviação, ou como matéria-prima para diversos produtos químicos. Eles geralmente são derivados de biomassa, tipicamente resíduos agrícolas, madeira e outros resíduos orgânicos.

5. Reciclagem: Espera-se que a reciclagem desempenhe um papel importante na diminuição da demanda mundial por matérias-primas, particularmente nas indústrias de aço, alumínio e plásticos. As taxas de reciclagem de metais geralmente atingem mais de 50%, mas foi estimado em 2022 que apenas 9% dos plásticos globais foram reciclados. Existe uma necessidade urgente de inovações tecnológicas para melhorar os processos de reciclagem de plásticos e expandir tanto a coleta quanto o uso de materiais reciclados.

Descarbonizando as três indústrias de maior emissão

Nem todas as indústrias produzem a mesma quantidade de emissões de gases de efeito estufa (GEE). Como visto na Figura 2, as três indústrias de maior emissão são aço/ferro, produtos químicos/plásticos e cimento. Cada uma dessas indústrias pode se beneficiar dos vários caminhos para a descarbonização e, à medida que as tecnologias se tornam comercialmente disponíveis, elas também serão mais economicamente viáveis. Embora as emissões do alumínio sejam atualmente baixas, seu uso está prestes a crescer devido à necessidade de materiais leves para melhorar a eficiência energética (ref).

1. Aço/Ferro: Eletrificação, CCS, combustíveis verdes. A indústria siderúrgica responde por 7% das emissões globais de GEE. O método mais utilizado para a produção de aço é o alto-forno (BF) ou o forno básico a oxigênio (BOF). O minério de ferro é reduzido pelo aquecimento com coque (carvão purificado) em um alto-forno. Modificações adicionais no teor de carbono e a liga do aço ocorrem em um BOF. Até 30% de sucata de aço reciclada (aço secundário) também é adicionada no BOF para limitar a necessidade de minério de ferro bruto. As emissões médias do processo BF/BOF variam de 1,8 a 2,8 toneladas por tonelada de aço. A combustão de carvão usada no BF/BOF, o coque usado para redução e a carburação são as principais fontes de emissões de CO₂.

A IEA estima que, para atingir emissões líquidas zero até 2050, as emissões de CO₂ da indústria siderúrgica devem diminuir para 600 kg por tonelada de aço. As estratégias para atingir essa meta incluem diminuir o uso de BF dos atuais 70% para 30%, dobrar o uso de fornos a arco elétrico (EAFs) para reciclagem de sucata de aço, captura de carbono e uso de hidrogênio como combustível limpo. Outros processos estão sendo explorados para reduzir as emissões da indústria siderúrgica, como EAFs no lugar de BOFs e o processo HIsarna para eliminar etapas de alta emissão no processo de produção. Usar biocombustíveis ou hidrogênio — seja CCS ou hidrogênio verde — para alimentar BFs/BOFs também é uma estratégia viável:

2. Produtos químicos/plásticos: Eletrificação, eficiência energética, CCS, combustíveis verdes e reciclagem. A indústria petroquímica responde por 5% das emissões globais de GEE e 18% das emissões industriais de CO₂. Mais de 85% das emissões da produção química são emitidas quando combustíveis são queimados para fornecer calor ou vapor, já que muitos dos processos de produção exigem altas temperaturas. As outras fontes principais de emissões são a geração de hidrogênio a partir de combustíveis fósseis para síntese química, a produção de matérias-primas químicas a partir de combustíveis fósseis e a energia necessária para as etapas de destilação e filtração.

Para atingir as metas de emissões líquidas zero, a indústria deve reduzir as emissões em 30-45% em relação aos níveis atuais. Do total de redução de emissões necessária, espera-se que a otimização de processos e melhorias na eficiência energética, como melhores métodos de separação e gestão de calor, contribuam com 25%. A substituição do carvão por gás natural ou eletricidade pode contribuir com outros 25%. Espera-se que a reciclagem de plásticos e a captura de carbono contribuam com 15% e 35% de redução nas emissões, respectivamente.

3. Cimento: Eficiência energética, CCS e combustíveis verdes. A indústria de cimento libera 8-9% do total global de emissões de GEE, consome 2-3% da demanda global de energia e responde por 9% das retiradas de água industrial. A produção de 1 kg de cimento Portland comum libera cerca de 0,86 kg de CO₂ em média. O cimento é o material mais utilizado no mundo, portanto, embora o CO₂ emitido por kg de produção de cimento seja menor do que outros materiais, seus altos volumes de produção tornam o cimento uma indústria vital para descarbonizar.

A produção de cimento envolve um processo chamado calcinação, que requer altas temperaturas (~1500 °C) para produzir os materiais básicos, chamados de "clínquer", que reagem com a água para formar o concreto. As duas principais causas de emissões de CO₂ durante a fabricação de cimento são as emissões da queima de combustíveis para atingir as altas temperaturas necessárias no processo de calcinação e as emissões de CO₂ provenientes da decomposição de CaCO₃ (calcário) em CaO (cal), um ingrediente chave do clínquer. Reduzir a quantidade de aquecimento necessária para o processo será importante para reduzir as emissões, portanto, maior eficiência energética, captura de emissões inevitáveis de CO₂ e a transição para combustíveis verdes serão necessárias.

Novas patentes podem impulsionar a inovação em descarbonização

Embora as publicações em periódicos tenham apresentado o maior aumento na CAS Content Collection, também houve muitos avanços patenteados importantes que poderiam levar inovações fundamentais ao uso comercial. Desenvolvemos um panorama de patentes usando os códigos de classificação internacional de patentes (IPC) para analisar melhor a atividade recente (veja a Figura 3). As patentes relacionadas à descarbonização pertencem a duas seções principais — química/metalurgia e operações/transporte. A seção de operações contém principalmente processos relacionados à captura de carbono usando produtos químicos e sorventes. A seção de química/metalurgia contém patentes relacionadas à fabricação de aço, cimento, hidrogênio e combustíveis alternativos.

Pesquisadores também exploraram como seria uma linha do tempo para a descarbonização industrial (veja a Figura 4). Vários países podem atingir essas metas antes das datas especificadas, mas esta estrutura pode servir como um guia geral para formuladores de políticas, líderes da indústria e cientistas.

A descarbonização da indústria pesada tem avançado lentamente por muitos motivos — principalmente porque as tecnologias certas ou não existiam ou não eram econômicas. No entanto, o aumento da pesquisa nos últimos anos está mudando essa situação, como instalações de hidrogênio verde em larga escala e o crescimento de fontes de energia renováveis para alimentar a eletrificação. Os desafios ainda são consideráveis, mas o impulso está crescendo e os processos industriais estão prontos para reduzir suas emissões.