Descarbonização profunda da indústria: O sector do cimento

Descarbonização profunda da indústria: O sector do cimento

Manchetes

• A combustão de combustível fóssil para satisfazer as necessidades de aquecimento é responsável por 35% das emissões de CO2 do cimento. Os restantes 65% são devidos a emissões directas do processo, que também devem ser abordadas.
• A utilização de biomassa na indústria cimenteira triplicou desde 2007, sendo actualmente responsável por 16% da mistura de combustíveis.
• A análise de cenários de descarbonização publicada recentemente por várias fontes mostra isso mesmo:
• O papel da biomassa na descarbonização do sector até 2050 é incerto devido ao aumento da procura concorrente de outros sectores da economia.
• A implementação da captura e armazenamento de carbono é inevitável para uma descarbonização profunda devido ao processo de emissões inerente à produção de cimento.

Recomendações

• Apoiar o desenvolvimento de projectos de demonstração em larga escala de tecnologias inovadoras, incluindo a electrificação de fornos, tecnologias de captura de carbono e novos cimentos.
• Apoiar a implantação de uma infra-estrutura de CO2, incluindo redes de transporte, armazenamento de CO2 e valorização do CO2 através da simbiose industrial.
• Reforçar os contratos públicos ecológicos e acelerar a actualização das normas de produtos para aumentar a procura de materiais de construção com baixo teor de carbono.

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Panorama geral do sector cimenteiro

O cimento é o agente ligante do betão, o material de construção mais utilizado em todo o mundo. O sector do cimento é um importante emissor de gases com efeito de estufa, responsável por cerca de 7% das emissões de CO2 a nível mundial (1), e cerca de 4% na UE.

Embora as emissões globais do sector cimenteiro tenham aumentado continuamente, na UE as emissões atingiram um pico em 2007 de 170Mt de CO2 e diminuíram 40% desde então para 105Mt de CO2 (2). Isto deve-se principalmente ao acentuado declínio na produção de cimento nos últimos 15 anos, de um pico de 262Mt em 2007 para 168Mt em 2017, equivalente a uma redução no cimento per capita de 0,5 para 0,3 toneladas por pessoa (3). A intensidade de CO2 da produção de cimento durante esse período melhorou cerca de 7% (0,6t de CO2 emitido por tonelada de cimento em 2017) (2).

Até 2050, a produção de cimento na UE deverá permanecer abaixo dos níveis anteriores a 2010, variando entre 165Mt e 206Mt nos cenários do modelo FORECAST (4), o que alimentou a análise da indústria da Visão Estratégica a Longo Prazo da Comissão Europeia (5).

Visão geral do calor do processo

O clínquer, e os seus substitutos, são os componentes activos que conferem ao cimento as suas propriedades de ligação. A produção do clínquer tradicional do cimento é um processo extremamente intensivo em termos de energia e CO2. Na UE, 90% do clínquer é agora produzido através do processo de clínquer seco mais eficiente em termos energéticos (2). Os fornos húmidos mais antigos e menos eficientes foram quase progressivamente eliminados. No processo seco mais avançado, os ingredientes crus são calcinados a cerca de 900-1250oC num pré-calcinador para transformar o calcário em cal, o que liberta CO2 como produto secundário. Os materiais são então alimentados num forno rotativo, onde se agregam para formar clínquer a 1450oC (e as temperaturas da chama atingem 2000oC) (6). O clínquer é então arrefecido, moído e misturado com outros materiais para fazer cimento.

A combustão de combustíveis para aquecer os fornos de cimento é responsável por 35% da pegada de carbono do clínquer. Os outros 65% são emissões de processo, libertadas durante a reacção de calcinação envolvida na produção do clínquer.

Opções de descarbonização

Biomassa

Actualmente, os combustíveis utilizados para fornecer o calor necessário ao processo são uma mistura de combustíveis fósseis (principalmente petcoke, carvão e petróleo), combustíveis de resíduos e biomassa. Embora a utilização de biomassa tenha triplicado desde 2007, actualmente representa apenas 16% do total da mistura de combustíveis na UE (Figura 1).

O co-processamento de combustíveis (utilização de combustíveis alternativos, tais como resíduos e biomassa) representa actualmente quase metade de todos os combustíveis utilizados na indústria cimenteira da UE, com algumas fábricas de cimento a atingirem taxas de substituição ocasionais de 100% (6). Existem contudo diferenças consideráveis entre os Estados-Membros, variando entre 6% (Grécia) e 65% (Alemanha) de taxas médias nacionais de co-processamento (7).

Enquanto os combustíveis alternativos poderiam fornecer 100% da energia térmica, a substituição total dos combustíveis fósseis por biomassa verdadeiramente sustentável é tecnicamente difícil devido ao menor valor calorífico da maioria dos materiais orgânicos (8). Além disso, até 2050, os pedidos concorrentes de biomassa de outros sectores da economia limitarão a sua disponibilidade para a produção de cimento. Os cenários de descarbonização profunda da visão estratégica a longo prazo da Comissão Europeia indicam que pelo menos metade da biomassa disponível está a ser utilizada para o sector energético.

Electrificação do calor

A utilização de electricidade para fornecer calor de processo poderia contribuir para descarbonizar o sector, se a electricidade for 100% isenta de combustíveis fósseis. A indústria do cimento está a explorar várias tecnologias para electrificar a produção de cimento, incluindo a geração de calor através de geradores de plasma e energia de microondas, que ainda têm de ser desenvolvidas para além do laboratório (TRL 3). A construção de uma instalação piloto que utiliza tecnologia de plasma está actualmente a ser investigada (9).

Um importante benefício possível dos sistemas de aquecimento electrificado é a concentração muito mais elevada de CO2 nos gases de combustão do que com o aquecimento por combustão, de uma concentração estimada de 25% de CO2 para perto de 100% (10). Isto permitiria uma captura e purificação mais fácil do CO2 das emissões de processo.

Hidrogénio para o calor

A combustão do hidrogénio como combustível pode atingir as altas temperaturas necessárias no processo de fabrico do cimento, mas ainda não foi testado. Como a combustão do hidrogénio e a transferência de calor (por radiação) no forno seria significativamente diferente dos combustíveis actualmente utilizados, seria necessária uma investigação extensiva sobre as modificações nos fornos de cimento (11). A produção de cimento utilizando uma mistura de hidrogénio e combustíveis de biomassa encontra-se actualmente numa fase inicial de investigação (TRL 2).

Captura de carbono

Para descarbonizar completamente o sector, é necessário abordar as emissões do processo de fabrico de clínquer, independentemente da fonte de calor. Parte da solução terá de ser a captura de CO2 - aplicada tanto à combustão como às emissões de processo, ou a combinação de uma fonte de calor de CO2 zero com a captura de emissões de processo concentrado.

Diversas tecnologias inovadoras estão actualmente a ser investigadas na UE, todas elas em TRL 6: (i) tecnologias de pós-combustão que separam o CO2 do gás de combustão; (ii) combustão oxicorte, em que o combustível é queimado em oxigénio em vez de ar, proporcionando uma concentração muito mais elevada de CO2 no gás de combustão; (iii) ciclo de cálcio, que pode ser integrado na fábrica de cimento ou utilizado como tecnologia de ponta; (iv) e tecnologia de separação directa, aplicada em combinação com um processo de calor de CO2 zero. A escolha das tecnologias dependerá da sua competitividade técnico-económica, e variará em função da disponibilidade de electricidade renovável e da recuperação e integração do calor residual (12).

Armazenamento e utilização de CO2

Para além da implementação de tecnologias de captura de carbono para abordar o processo de emissões e as possíveis emissões remanescentes de combustão de combustível, é necessário desenvolver a infra-estrutura para transportar, armazenar ou utilizar CO2. Como o potencial de valorização do CO2 é limitado pela procura de mercado dos produtos resultantes (13), e considerando a quantidade de dióxido de carbono emitida pelo fabrico do cimento (106Mt em 2016), o armazenamento de CO2 será provavelmente uma via inevitável para se conseguir uma descarbonização profunda.

Cimentos de baixo teor de carbono

A média da relação clínquer-cimento na UE em 2017 era de 75% (2). As Normas Europeias diferenciam cinco categorias principais de cimentos com base na sua composição de clínquer. Os cimentos mais utilizados, os cimentos Portland e os cimentos compostos Portland, têm teores de clínquer superiores a 95% e 65% respectivamente. O clínquer pode ser parcialmente substituído pelos chamados materiais cimentícios suplementares, tais como cinzas volantes de centrais eléctricas a carvão e escórias de altos-fornos da produção de aço. Devido à reduzida proporção de clínquer, é necessária menos energia para a queima de clínquer e são evitadas algumas das emissões inerentes ao processo de fabricação de clínquer. Dependendo das vias de descarbonização seguidas pelos sectores da energia e do aço, estas matérias-primas alternativas tornar-se-ão, no entanto, menos disponíveis no futuro.

Há uma investigação considerável em curso sobre clínqueres alternativos que emitem menos CO2 do que o cimento Portland. Alguns já estão comercialmente disponíveis (mas com aplicações limitadas), enquanto outros conceitos estão em investigação e desenvolvimento (14); no entanto, as barreiras do lado da oferta (por exemplo, disponibilidade e custo das matérias-primas) e do lado da procura (por exemplo, restrições nas normas de betão) limitam a sua aplicação e difusão.

A indústria cimenteira em 2050 cenários de descarbonização

Para explorar diferentes vias para conseguir uma descarbonização profunda do sector até 2050, são comparadas as opções de descarbonização em oito cenários de quatro publicações (ver Figura 2). Os cenários PRIMES e FORECAST que alimentaram a Visão Estratégica a Longo Prazo da Comissão Europeia consideram conjuntamente todo o sector dos minerais não metálicos (cimento, cerâmica, vidro e cal). A produção de cimento representa 40% do total da procura energética final do sector de minerais não metálicos e 60% das suas emissões de CO2.

Biomassa

Há uma forte variação na utilização de biomassa para a produção de cimento até 2050 nos cenários examinados. Uma via totalmente electrificada poderia renunciar à utilização de biomassa até 2050 (ECF, Novos Processos), enquanto que noutras vias, é utilizada até 4 vezes mais biomassa do que em 2015 (EC, 1,5TECH). As emissões negativas estão incluídas em alguns cenários que combinam a utilização sustentável da biomassa com a captura de CO2 de fontes biogénicas (AIE, B2DS). Em vários cenários, uma mudança antecipada do combustível para biomassa permite uma redução antecipada das emissões antes que outras tecnologias inovadoras sejam implantadas (a utilização de biomassa duplica de 2015 para 2030 na ICF, CCS e Mix95).

Electrificação

A utilização de electricidade aumenta em 7 dos 8 cenários seleccionados. Cenários que utilizam tecnologias de captura de carbono mas pouco calor electrificado vêem pouco (ou nenhum) aumento na procura de electricidade, com uma maior percentagem restante de combustíveis fósseis (ICF, CCS; ICF, CCS; IEA, B2DS). Num cenário em que a produção de cimento é totalmente electrificada, a procura de electricidade renovável é até 6 vezes superior à procura de electricidade de 2015 (ECF, New Processes).

Hidrogénio

O papel do hidrogénio varia muito nos cenários, desde a não utilização na mistura energética final até um terço da procura de energia em cenários que abrangem o sector total de minerais não metálicos (ICF, Mix95; EC, 1,5LIFE e 1,5TECH).

Captura de carbono

Todos os cenários seleccionados para conseguir uma descarbonização profunda do sector cimenteiro incluem tecnologias de captura de carbono, que é vista como a tecnologia mais importante para reduzir as emissões de processo, bem como as emissões de calor industrial quando estas ainda estão presentes. Até 2050, em vários cenários, mais de 90% das fábricas de cimento incorporam captura de carbono (ICF, CCS e Mix95), com captura até 120Mt de CO2 (ICF, CCS). Quando especificado, a tecnologia de captura de carbono utilizada varia dependendo da via de descarbonização, com até 100% dos fornos de cimento equipados com captura de carbono pós-combustão num cenário totalmente electrificado (ECF, Novos Processos), ou 90% dos fornos equipados com tecnologia oxi-combustível em combinação com combustíveis fósseis (ECF, CCS).

Cimentos de baixo carbono

Os substitutos de clínquer e/ou novos cimentos são utilizados para reduzir as emissões de CO2 do sector em diferentes graus nos cenários. Embora não explicitamente especificado em todos os casos, os materiais de cimento suplementares são incluídos em todos os cenários e poderiam substituir até 40% do clínquer de cimento em 2050 (cenários ECF, em comparação com os 26% actuais). Novos tipos de cimento com baixo teor de carbono não estão incluídos em todos os cenários (ICF CCS e IEA B2DS) ou de forma muito restrita (5% de substituição em cenários ECF) em alguns cenários. Um cenário utiliza novos cimentos para substituir 50% da produção total de cimento até 2050 (83Mt de 166Mt na ICF, Mix95).

Economia circular e eficiência dos materiais

Alguns cenários (ICF, Mix95 e ECF, Circular Economy) dependem de uma utilização mais eficiente do cimento e do betão. São propostas várias opções, incluindo a optimização da concepção de estruturas e especificações do betão, a concepção de infra-estruturas que permitam a desmontagem e reutilização/reciclagem do betão, ou a substituição do betão por materiais de CO2 zero, como a madeira (até 5% de substituição em cenários ECF). Embora não substituam a necessidade de captura de carbono nesses cenários, tais opções de descarbonização poderiam aliviar a implantação e os custos associados das tecnologias de captura de carbono. A digitalização é mencionada como potencialmente desempenhando um papel importante na optimização da concepção e utilização de opções de redução de CO2 na construção (15). No entanto, a captura total destes potenciais de eficiência material exigiria grandes alterações às normas e processos de construção existentes.

Referências

1. Agência Internacional de Energia. Roteiro Tecnológico - Transição de Baixo Carbono na Indústria do Cimento. 2018.

2. WBSCD. Obtendo os números certos (GNR) Project. www.wbcsdcement.org/GNR-2016/index.html.

3. Eurostat. Evolução demográfica - Balanço demográfico e taxas brutas a nível nacional [demo_gind].

4. ICF & Fraunhofer ISI. Inovação Industrial: Caminhos para uma descarbonização profunda da indústria. Parte 2. 2018.

5. Comissão Europeia. Análise aprofundada em apoio da comunicação da Comissão COM(2018) 773. 2018.

6. Centro Comum de Investigação. Referência às Melhores Técnicas Disponíveis (MTD). Comissão Europeia, 2013.

7. Ecofys. Oportunidades de mercado para a utilização de combustíveis alternativos em fábricas de cimento em toda a UE. 2016.

8. Murray, A e Price, L. Utilização de Combustíveis Alternativos na Fabricação de Cimento: Análise das características do combustível e viabilidade de utilização no sector chinês do cimento. Laboratório Nacional de Berkeley, 2008.

9. Catenária. Comunicado de imprensa - Vattenfall e Cementa dão o próximo passo em direcção a um cimento neutro para o clima. Janeiro de 2019. group.vattenfall.com/press-and-media/news--pressreleases/pressreleases/2019/vattenfall-and-cementa-take-the-extstep-towards-a-climate-neutral-cement.

10. Wilhelmsson, Bodil, et al., et al. CemZero - A Feasibility Study Evaluating Ways to Reach sustainable Cement Production via the Use of Electricity. Vattenfall and Cementa, 2018.

11. Hoenig, Volker, Hoppe, Hoppe, Helmut e Emberger, Bernhard. Relatório Técnico: Tecnologia de Captura de Carbono - Opções e Potenciais para a Indústria do Cimento. ECRA, 2007.

12. Vatopoulos, Konstantinos e Tzimas, Evangelos. Avaliação das tecnologias de captura de CO2 no processo de fabrico de cimento. Journal of Cleaner Production, Vol. 32, 2012.

13. Pérez-Fortes , Mar, et al., et al. Síntese de metanol utilizando como matéria-prima o CO2 capturado: Avaliação tecno-económica e ambiental. Applied Energy, Vol. 161, 2016.

14. Gartner, Ellis e Sui, Tongbo. Clinkers alternativos de cimento. Cement and Concrete Research, Vol. 114, 2018.

15. Lehne, Johanna e Preston, Felix. Making Concrete Change - Innovation in Low-carbon Cement and Concrete (Fazendo a Mudança do Betão - Inovação em Cimento e Betão de Baixo Carbono). Londres, Chatham House, 2018.

16. Material Economics. Industrial Transformation 2050 - Pathways to Net-Zero Emissions from EU Heavy Industry. 2019.

17. Agência Internacional de Energia (AIE). Perspectivas da Tecnologia Energética 2017: Catalysing Energy Technology Transformations. 2017.

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Julian.somers(at)ec.europa.eu

Jose.moya(at)ec.europa.eu

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