Descarbonizando o aço: soluções de ponta a ponta

A produção de aço pode ser díficil de descarbonizar, mas existe um novo fervor na indústria para repensar toda a cadeia de valor anular definitivamente as emissões de carbono. 

De acordo com Edwin Basson, chefe da World Steel Association, três acontecimentos recentes na indústria da siderúrgica aceleraram a capacidade de descarbonização na produção do aço. Ainda pode levar de 20 a 30 anos de investimentos em processos inovadores, juntamente com o hidrogênio verde disponível no mundo e uma parte da captura e armazenamento de carbono para atingir o Net Zero, mas por conta de uma convergência de eventos, os portões foram abertos para novas possibilidades. 

Primeiro, em 2020, o presidente da china, Xi Xinping, prometeu que o maior produtor de aço do mundo (com 57% da produção global) alcançaria a neutralidade de emissões de GEE até 2060 e não aumentaria as emissões de CO2 até 2030. Basson diz que muitas das siderúrgicas do mundo estavam esperando que a China tomasse uma atitude, e esse passo decisivo em sua política sinalizou uma corrida para repensar. 

Ao lado da China, o regime dos EUA mudou há dois anos para uma liderança mais globalmente engajada com um forte foco na descarbonização, de acordo com Basson, “deu origem a uma virada de quase 180 graus”, na decisão da indústria siderúrgica de ir além das eficiências de produção e enfrentar o difícil processo de refino de minério, suas fontes de energia e, principalmente, como o aço é usado, reutilizado e reciclado. 

O terceiro elemento que Basson cita, é a nova onda de CEOs progressistas na indústria tendo contribuído para uma mudança nas atitudes que anteriormente se concentravam em extrair toda economia de energia e material do processo de fabricação de aço de 300 anos para beneficiar o balanço e reduzir as emissões de carbono paralelamente. A worldsteel diz que as medidas de eficiência na indústria reduziram o consumo de energia em cerca de 60% desde a década de 1960, contribuindo para “uma redução significativa na intensidade de CO2 ”. 

O cenário atual? Basson diz que isso é impulsionado “pela percepção de que, como sociedade global, não podemos continuar a emitir a quantidade de CO 2 que ainda estamos emitindo”. E esse ajuste da tecnologia de alto-forno existente não pode mais fornecer o salto quântico nas reduções de carbono necessárias para salvar o planeta. 

Muitas oportunidades

A indústria siderúrgica contribui com cerca de 8% das emissões de carbono do mundo e depende em grande parte (73%) das tecnologias de alto-forno e forno de oxigênio básico (BOF) para separar o oxigênio dos óxidos de ferro que compõem o minério de ferro e produzir o material forte e permanente conhecido como aço. 

A fabricação de aço envolve várias aplicações de calor extremo. Entre eles, o aquecimento do carvão a cerca de 1000 graus Celsius na ausência de oxigênio para expulsar as impurezas resultando em um produto muito mais forte: o coque. O coque resfriado, que contém 90-93% de carbono, é alimentado em um processo de alto-forno, juntamente com minério de ferro e calcário; ar, aquecido a 1.000-1.200 graus Celsius, é soprado para dentro do forno, iniciando uma série de reações químicas que finalmente produzem ferro-gusa e CO₂. 

O ferro-gusa ainda retém cerca de 4% de carbono, o que o torna muito quebradiço para a maioria das aplicações, e o BOF é usado para reduzir ainda mais essa concentração e outras impurezas para produzir aço com teor de carbono em uma faixa de cerca de ~ 0,02-2,1%. BOF, ferro-gusa, sucata (cerca de 15-20%) e cal queimada (conhecido como fluxo) são aquecidos e oxigênio puro é “soprado” na mistura por meio de uma lança resfriada a água, que oxida o carbono e o silício na mistura quente e libera mais calor que por sua vez derrete a sucata. A massa fundida do aço resultante é despejada em uma panela e pode seguir para um processo de refinamento aquecido, para atender às especificações do cliente. 

Não é de admirar que Basson diga que o maior desafio para a descarbonização enfrentado pela indústria é: “De onde obtemos nossa energia?” No momento, diz ele, o carvão não é apenas a principal fonte de calor para as várias etapas do processo, mas "nos fornece a base da reação química que extrai o ferro do seu estado oxidado no minério de ferro" — e aí reside a definição de difícil de diminuir. A fabricação de aço a partir de minério de ferro atualmente depende do carbono para impulsionar a reação; cujo subproduto é CO₂. 

Hoje, a produção de cada tonelada de aço resulta em média na emissão de 1,8 tonelada de CO 2. Basson diz que, pelas avaliações da Worldsteel, mesmo usando novas tecnologias em desenvolvimento, o melhor que a indústria pode obter nas próximas décadas é de 0,3 toneladas de CO2 emitidos por tonelada de aço – daí o papel da captura e armazenamento de carbono. 

Possibilidade de inovação

Basson está há quase 11 anos como chefe da worldsteel e antes ocupou cargos executivos na ArcelorMittal, uma das maiores mineradoras do mundo e produtoras de aço. Ele diz estar orgulhoso de ver a nova “vontade de experimentar novas tecnologias” e, que é quase como se os fatores China/EUA/CEOs tivessem desencadeado uma nova onda de liberdade de experimentação dentro da indústria.  

O relatório Iron and Steel Technology Roadmap, produzido pela Agência Internacional de Energia (IEA) com importantes contribuições da worldsteel lançado em outubro de 2020, detalhou os desafios e possibilidades para o setor. Ele observa que “As empresas siderúrgicas e associações regionais de aço, que representam cerca de um terço da produção global de aço , estabeleceram metas para atingir emissões líquidas zero até 2050 ou antes ”, e que “a maioria dessas metas foi estabelecida nos últimos três anos.” 

O relatório de rastreamento separado também marca fortemente a indústria siderúrgica como "Não está no caminho certo" para cumprir as reduções de emissões de acordo com o Acordo Climático de Paris para evitar o aquecimento global superior a 1,5-2 graus Celsius em comparação com os níveis pré-industriais. 

É preciso de mais políticas e mais ação!

É exigido, portanto, que as reduções de emissões sejam abordadas de todos os ângulos, com os governos definindo políticas que estimulem a pesquisa e o desenvolvimento de novos processos. Na Índia, o segundo maior produtor de aço do mundo, com uma produção de 118 milhões de toneladas em 2021, por exemplo, o esquema Perform, Achieve and Trade (PAT) do governo incentiva a indústria a buscar eficiência energética e, portanto, reduções de emissões. 

Na Europa, agências e fundos governamentais apoiam diversos projetos específicos, como a Siderwin, que está desenvolvendo um novo processo de refino de minério em Mazières, na França. Desde 2017, o programa Horizonte 2020 da União Europeia financiou 12 parceiros europeus coordenados pela ArcelorMittal, para ampliar um processo desenvolvido pela primeira vez no início dos anos 2000 em escala de laboratório, que mergulha o minério de ferro em um banho eletrolítico - sem carvão de coque, sem emissões de carbono, apenas eletricidade de uma futura rede movida a energias renováveis – que extrai oxigênio da matéria-prima para produzir ferro metálico. A adição de carbono para ajustar o grau do metal será realizada neste caso durante a fusão do ferro produzido pelo processo, para formar o aço conforme as especificações do cliente.

Projete para reutilizar, não para reciclar

Mais abaixo na cadeia de suprimentos, a demanda também pode ser moderada, com iniciativas para melhorar a recuperação de materiais recicláveis. Basson diz que o mundo deve começar a usar o aço de maneira diferente nas principais indústrias, de modo que possa ser reutilizado sem incorrer na carga de energia de fusão, remoldagem e usinagem. 

A worldsteel visa produzir pesquisas de alta qualidade que resultarão na descarbonização do aço em toda a cadeia de valor, e uma de suas estratégias é colaborar com as indústrias que utilizam grandes quantidades de aço para reduzir a demanda futura pelo material. A atual transição da indústria automotiva para a produção de veículos elétricos oferece uma oportunidade, diz Basson. “Estamos no meio de uma reformulação significativa de como o aço é usado no novo ambiente automotivo porque a distribuição de peso do EV é muito diferente da dos veículos com motor de combustão interna, o que torna os requisitos do aço muito diferentes.” É o momento certo para projetar novos tipos de componentes de aço que podem ser reutilizados na indústria automotiva. 

Basson acredita que em grandes indústrias consumidoras de aço, como petróleo e gás, também deve haver “oportunidades para reutilizar o aço em sua forma ou forma existente para instalações futuras, sem ter que refundi-lo e retrabalhá-lo”. As empresas também podem aplicar seus conhecimentos de engenharia para projetar infraestrutura de aço ou componentes de produtos para fácil recuperação e reaplicação. 

Ao mesmo tempo, diz Basson, a indústria precisa observar como rotula o aço de hoje com suas especificações, para que, quando for recuperado possa ser redirecionado e reutilizado com confiança. 

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Existem limites para o arco elétrico

Onde a reutilização direta é impossível, o aço pode ser reciclado infinitamente. Uma alternativa ao método BF-BOF de produção de aço a partir de minério de ferro é a tecnologia de forno elétrico a arco (EAF) já utilizada para produzir cerca de 30% do aço mundial. A EAF usa arcos elétricos de alta potência entre um cátodo e ânodos, para derreter sucata de metais e ferro junto com aditivos purificadores para produzir aço novo. 

O maior uso de EAF terá um papel importante na descarbonização da indústria siderúrgica, mas, Basson diz que atualmente tem duas limitações. Primeiro, requer um fornecimento alto e consistente de eletricidade [1] – e como a maior parte do fornecimento global de eletricidade ainda é gerada por carvão ou gás, essas emissões de carbono da geração de energia de combustível fóssil devem ser calculadas na produção de aço. As fontes renováveis de energia terão que se tornar mais proeminentes e confiáveis – apoiadas pelo armazenamento na forma de baterias ou hidrogênio – na rede para tornar a eletrificação de processos industriais de alta energia, incluindo a siderurgia, mais limpa. 

Além disso, o fornecimento de sucata de aço pode ser suficiente para produzir apenas 40-45% da demanda futura. Basson explica: “A geração de sucata na China atualmente vem do aço usado na década de 1980. Em 1980, a China usava cerca de 500 milhões de toneladas de aço anualmente, agora usa perto de um bilhão de toneladas, e nossa melhor estimativa é que a lacuna entre demanda e oferta de sucata deve persistir até pelo menos 2070.” 

A caminho da redução de minério assistida por hidrogênio 

Outro caminho promissor para reduzir as emissões da siderurgia no curto prazo é aumentar a produção de ferro reduzido direto à base de gás (DRI - Direct Reduced Iron), que atualmente responde por apenas 5% da produção de aço. O processo de redução direta remove o oxigênio do minério de ferro no estado sólido – usando monóxido de carbono e hidrogênio do gás natural reformado ou gás de síntese para se ligar ao oxigênio do minério de ferro – sem derreter em um alto-forno. Embora o gás natural e o gás de síntese sejam atualmente baseados em combustível fóssil, as emissões dos processos baseados em gás são menores do que nos processos baseados em carvão. E os sistemas configurados agora para usar gás poderão fazer a transição para o uso de hidrogênio verde mais facilmente, à medida que o gás de emissão zero se tornar mais prontamente disponível. 

“Temos certeza de que o hidrogênio é parte da solução para reduzir as emissões de CO2 da siderurgia”, diz Basson. “Pode substituir a redução de carvão do ferro e basicamente produz apenas vapor de água como subproduto”. Ele acrescenta que estão sendo avaliadas muitas maneiras de fornecer hidrogênio verde de maneira econômica para a indústria. Uma avenida da cadeia de suprimentos, por exemplo, é produzir hidrogênio usando energia solar em países consistentemente ensolarados, como a Austrália, e processá-lo em amônia, que é enviada com mais facilidade e segurança ao destino do usuário do que o hidrogênio. Outra possibilidade seria que o DRI fosse produzido na fonte ou na mina, evitando assim o transporte de hidrogênio. 

Um exemplo muito referenciado de um projeto de empresa privada apoiado pelo governo que integra hidrogênio no processo de fabricação de aço é o HYBRIT. Esta parceria entre a mineradora de minério de ferro LKAB, a fabricante global de aço SSAB e o fornecedor de energia Vattenfall, apoiada pela Agência Sueca de Energia, e este ano também pelo Fundo de Inovação da União Europeia, busca demonstrar a primeira cadeia de valor do ferro completamente livre de combustíveis fósseis do mundo. e produção de aço. A HYBRIT produziu seu primeiro aço livre de fósseis por redução direta usando hidrogênio verde em agosto de 2021. Esse suprimento inicial de gás foi extraído de uma instalação de armazenamento de hidrogênio verde de tamanho piloto, mas o consórcio agora quase concluiu a preparação de uma caverna de rocha revestida que pode armazenar cerca de 100 gigawatts-hora de hidrogênio renovável (suficiente para abastecer uma siderúrgica de tamanho normal por três a quatro dias) produzido por eletrólise alimentada principalmente com excesso de geração de parques eólicos da região. 

Uma das prioridades da pesquisa da worldsteel, disseminação de informações e apoio de seus membros é garantir que qualquer nova infraestrutura siderúrgica seja construída de acordo com as melhores práticas mais recentes e tenha a menor pegada de carbono possível. Diz Basson, “A chave é garantir que a nova capacidade esteja focada na redução de CO₂”. 

Por fim, ele conclui, novas soluções integradas virão de esforços globais concertados porque “nenhum país tem uma compreensão completa das tecnologias ou da cadeia de suprimentos. Portanto, teremos que continuar nos próximos anos compartilhando experiências e informações de uma maneira que não viole as considerações antitruste”. A worldsteel realiza um fórum aberto anual dedicado a este propósito. Ele reúne os participantes da indústria em um esforço para compartilhar os aspectos que podem sobre o que sabem e, talvez mais importante, “o que a indústria ainda precisa aprender para preencher as lacunas” para trazer aço limpo ao mercado e ajudar os clientes a aplicar criteriosamente isto. 

Embora muitas oportunidades estejam em seu ínicio, Basson diz: “É muito emocionante. Há tantas maneiras diferentes pelas quais as pessoas usam e dependem do aço que tudo o que fizermos será difundido. Temos que tentar capturar as maiores oportunidades, muitas das quais acabarão tendo menos a ver com a fabricação de aço do que com o uso de aço.” A implementação de uma produção de baixas emissões agora permitirá a reutilização sustentável desse material versátil no futuro.