Elétrons versus moléculas na indústria: Principais insights de um estudo comparativo
Um debate público semelhante ao dos setores de transporte (veículos elétricos a bateria versus veículos elétricos a célula de combustível) e de aquecimento (bombas de calor versus caldeiras de hidrogênio) pode emergir em breve para as indústrias com uso intensivo de energia. Embora a eletrificação direta seja claramente superior para aquecimento e transporte, o cenário para a indústria é mais complicado. Um novo estudo da LUT University e da RLS-Graduate School desafia as narrativas existentes sobre grandes quantidades de hidrogênio e destaca as possibilidades da eletrificação direta.
Usando a análise de decisão multicritério como estrutura metodológica, com cinco estratégias de ponderação diferentes, o estudo compara as tecnologias de eletrificação direta e hidrogênio para quatro segmentos da indústria, incluindo e-amônia e e-metanol. Os resultados gerais mostram que o hidrogênio é tecnicamente mais fácil de implementar, mas sofre com altos custos de energia, flexibilidade limitada do processo, eficiência potencialmente menor e maior impacto no solo do que sua alternativa baseada em elétrons.
Ainda em desenvolvimento em escala laboratorial, mas altamente promissoras, são as rotas de eletrocatálise para a produção de amônia e metanol, que evitam altas temperaturas, altas pressões e perdas de energia durante a produção de hidrogênio verde como etapa intermediária e sintetizam os produtos finais diretamente a partir de água e nitrogênio ou dióxido de carbono, para amônia e metanol, respectivamente.
O panorama geral: Mapeando o cenário de soluções industriais
O conjunto de tecnologias é enorme, e algumas são mais promissoras do que outras. Um estudo anterior identificou 28 tecnologias em todas as indústrias consideradas intensivas em energia. O setor siderúrgico é o que apresenta as maiores emissões e demanda de energia, mas também o mais bem pesquisado, com um crescente número de estudos.
Atualmente, o mundo aguarda as primeiras usinas de redução direta de hidrogênio na Suécia (Stegra) e na Alemanha (Thyssenkrupp) para iniciar a produção de aço verde em larga escala. No entanto, a eletrificação direta é uma opção considerável para cada segmento industrial: principalmente para o fornecimento de calor de baixa e média temperatura por meio de bombas de calor e caldeiras elétricas em todos os setores, ou simplesmente pela substituição de eletricidade fóssil por renovável em processos já eletrificados (como a fundição de alumínio).
Além disso, a eletrificação direta pode ser implementada em abordagens tecnicamente avançadas, como aquecimento a plasma em fornos rotativos de cimento, fusão de vidro totalmente elétrica com eletrodos submersos ou novas abordagens de eletrólise ou eletrocatálise para a produção de aço e produtos químicos, respectivamente. Mais importante ainda, o estudo demonstrou que a maioria das indústrias poderia se beneficiar do aumento do uso de tecnologias já disponíveis para produção secundária e reciclagem, a fim de eletrificar processos, aumentar a eficiência e reduzir a pressão sobre a disponibilidade de materiais.
Caminhos de eletrificação para a produção de aço primário
Pesquisadores esperam que a reciclagem de aço usando fornos elétricos a arco desempenhe um papel cada vez mais proeminente. No entanto, a produção de aço primário usando minério de ferro reduzido, ou seja, ferro-gusa/ferro-esponja, ainda será necessária para a produção de aço de alta qualidade. Além da rota de redução direta com hidrogênio, a eletrólise direta do minério de ferro via eletroobtenção pode ser uma oportunidade para a eletrificação direta da produção de ferro-esponja. Pesquisas anteriores da Universidade LUT indicaram que, assumindo a maturidade técnica em 2040, a produção de aço via eletroobtenção pode ser a tecnologia de produção de aço de menor custo, com um preço de eletricidade de € 16 (US$ 18,7)/MWh, facilmente alcançável com energia solar fotovoltaica e custos de emissões de CO2 de € 30/tCO2.
Prevendo a redução direta do hidrogênio no curto prazo, as empresas têm investido na produção de ferro-esponja em regiões com abundantes recursos de energia renovável, particularmente energia solar fotovoltaica, juntamente com depósitos de minério de ferro para abastecer fornos elétricos a arco em regiões com disponibilidade limitada de terras ou fontes renováveis menos abundantes. Projetos semelhantes estão atualmente em andamento na Namíbia, Argélia e Mauritânia para produzir ferro verde que pode ser usado nos fornos elétricos a arco da Europa.
Novas cadeias de suprimentos podem então surgir, com o ferro-esponja se tornando uma commodity altamente comercializada devido à significativa participação dos custos de produção de hidrogênio nos custos totais da siderurgia. O desenvolvimento técnico da eletrodeposição pode permitir maiores parcelas de autossuficiência em toda a cadeia de suprimentos da siderurgia, visto que os custos totais de produção de aço seriam menos sensíveis aos preços da eletricidade.
Cadeias globais de suprimentos para matérias-primas químicas à base de hidrogênio
Para a produção química, as matérias-primas à base de hidrogênio, como e-amônia e e-metanol, são comumente consideradas as principais plataformas químicas para a produção de produtos químicos a jusante [ponta da cadeia da distribuição ao consumo]. De fato, pesquisas sobre a transição da indústria química estimam que mais de 33 PWh de eletricidade podem ser necessários para desfossilizar a produção de matérias-primas químicas [1 petawatt-hora equivale a 1.000.000 TWh].
Dadas as altas necessidades de eletricidade para produzir hidrogênio antes da síntese química, a energia solar fotovoltaica de baixo custo pode ser a chave para a produção de matérias-primas economicamente viáveis à base de eletricidade. De forma análoga à siderurgia, pode ocorrer um comércio significativo de matérias-primas de metanol e amônia à base de eletricidade, com pesquisas sobre uma cadeia de suprimentos de energia para plástico do Chile e Marrocos para países europeus constatando que a importação de matéria-prima resulta em custos de produção de plástico comparáveis aos da importação de plásticos finais. Para regiões com grandes indústrias químicas, essa estratégia de cadeia de suprimentos pode ser viável para manter a capacidade de produção química, visto que as rotas eletrocatalíticas podem não estar disponíveis até 2045. A investigação global sobre o comércio de e-combustíveis e e-químicos indica uma competitividade forte e crescente para os países do Cinturão Solar.
Modelagem de sistemas energéticos para necessidades industriais em sistemas de energia 100% renováveis
Mais modelos de sistemas energéticos incluem a indústria para complementar a modelagem de sistemas energéticos em pesquisas sobre sistemas de energia 100% renováveis e para representar toda a demanda de energia e matéria-prima, criando insights completos sobre demanda e oferta, abrangendo toda a flexibilidade do sistema energético-industrial. Estudos existentes com uma representação completa do sistema energético-industrial, como para a Finlândia, Cazaquistão, Américas, Estados Unidos e Canadá, indicam claramente uma alta participação da energia solar fotovoltaica, com a demanda industrial impulsionada por três fatores principais: eletricidade de baixo custo, complementaridade sazonal de recursos, em particular com a energia eólica, e benefícios de flexibilidade a curto prazo com baterias e a longo prazo com a demanda baseada em hidrogênio. Para as Américas, Estados Unidos e Canadá, características industriais do Solar-to-X podem ser encontradas.
Solar-to-X como estratégia industrial
Na maioria das regiões do mundo, a energia solar fotovoltaica já é a fonte de eletricidade de menor custo, com excelente disponibilidade de recursos abrindo novas oportunidades industriais para países na região do cinturão solar. Embora grandes investimentos em novas usinas sejam necessários, os custos já baixos e ainda decrescentes da energia solar fotovoltaica e das baterias abrirão as portas para a produção industrial em larga escala, com processos diretamente eletrificados ou usando o hidrogênio verde como opção de transição. Esses países, frequentemente localizados no Sul global, podem se tornar exportadores de e-químicos verdes a granel (amônia, metanol, etileno) ou de outros produtos intermediários ou finais, como e-aço ou e-alumínio. Os países do Sul global também se beneficiam da sazonalidade reduzida, garantindo a produção contínua, possibilitada por uma interação sinérgica entre baterias de grande e pequena escala e energia solar fotovoltaica. Embora a transição da indústria global ainda esteja em seus estágios iniciais, as promissoras oportunidades técnicas para a produção industrial verde e eletricidade de baixo custo são pré-condições ideais para um salto industrial baseado em energia solar para X – um salto que permita que as economias emergentes se posicionem como participantes-chave em uma cadeia de suprimentos global desfossilizada.
Autores: Philipp Diesing, Gabriel Lopez, Dominik Keiner e Christian Breyer
Este artigo faz parte de uma coluna mensal da Universidade LUT.
A pesquisa na Universidade LUT abrange diversas análises relacionadas a energia, aquecimento, transporte, indústria, dessalinização e opções de emissão negativa de CO2. A pesquisa Power-to-X é um tema central na universidade, integrada às áreas de foco de Recursos Planetários, Negócios e Sociedade, Revolução Digital e Transição Energética. A energia solar desempenha um papel fundamental em todos os aspectos da pesquisa.
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