Descarbonização do calor industrial: O sector do ferro e do aço

Manchetes

• A actual produção primária de aço é altamente integrada; melhorias incrementais de eficiência só podem reduzir ainda mais as emissões em cerca de 10%. A análise de cenários publicada recentemente por várias fontes mostra isso mesmo:
• A obtenção de uma descarbonização profunda até 2050 só é possível através de novos processos de produção.
• A procura de electricidade do sector poderá triplicar até 2050, passando de uma mudança para o aço feito por redução de hidrogénio ou electrólise directa.
• Até 2050, a produção de aço a partir de sucata reciclada aumenta num intervalo de +30% a +70% em relação a 2018, o que se traduz numa quota potencial de 50% a 77% da produção total de aço até 2050.

Recomendações políticas

• Aumento do apoio à I&D&D para tecnologias compatíveis com a descarbonização profunda do sector (H-DRI, electrólise, CCS/U).
• Monitorizar e reforçar o impacto das políticas destinadas a maximizar a reutilização da sucata de aço.
• Estabelecer políticas de procura-puxa para criar um mercado para o "aço verde", tais como contratos públicos verdes para infra-estruturas financiadas com dinheiros públicos.

Panorama geral do sector siderúrgico

A produção de ferro e aço é um dos principais contribuidores para as emissões de gases com efeito de estufa da UE. O sector representou 4% de todas as emissões da UE em 2017, e 23% da indústria transformadora. A produção de aço bruto na UE tem sido constante desde 2010, com cerca de 170Mt por ano, e em 2050 varia entre 153Mt e 172Mt nos cenários do modelo FORECAST, o que alimentou a análise da indústria da Visão Estratégica a Longo Prazo da Comissão Europeia. Existem duas vias principais de produção de aço na UE:

• 60% do aço é feito através da via integrada, que produz aço virgem a partir do minério de ferro. O ferro, sob a forma de sinterização, é reduzido na presença de coque num alto-forno (BF), e depois convertido em aço bruto num forno básico de oxigénio (BOF).
• 40% do aço é feito através da rota de reciclagem, onde a sucata de aço é rep

Visão geral do calor do processo

Cerca de 95% da procura de calor de processo na produção de ferro e aço ocorre a temperaturas muito elevadas (>500oC), e o carvão/coque é a principal fonte de energia no processo, servindo tanto como fonte de combustível como de matéria-prima sob a forma de coque.

Embora tanto a via integrada como a de reciclagem exijam processos a temperaturas muito elevadas, as suas intensidades de emissão e energia diferem significativamente:

• A via integrada depende da produção de coque como matéria-prima para reduzir o ferro no alto-forno, e o próprio minério de ferro precisa de ser convertido em sinterização antes de ser introduzido no alto-forno. Tanto o coque como a sinterização ocorrem na aciaria e requerem temperaturas superiores a 1000oC. Estes materiais são alimentados num alto-forno, onde o ar quente a mais de 1000oC forma gases redutores do coque, que reagem com o minério para formar ferro reduzido; as emissões de CO2 deste processo são um produto inevitável da redução química do minério de ferro. Com 1,2tCO2 emitido por tonelada de aço, o alto-forno é responsável por mais de 60% das emissões de CO2 na rota integrada. O forno de coque emite ~15%, a instalação de sinterização pouco mais de 10% e os outros processos (forno básico de oxigénio, instalação de peletização) ~10% do total de emissões de CO2 (estimativa própria, com base nos dados de emissões de).
• A atribuição de emissões a processos específicos, contudo, não é simples. Os gases residuais provenientes do forno de coque e do alto-forno são recuperados para fornecer calor e também para as centrais eléctricas no local, num circuito altamente optimizado. A eliminação ou substituição de quaisquer emissões de gases residuais por processos alternativos perturbaria toda a rota de produção de aço.
• A procura de calor na rota da reciclagem é quase totalmente electrificada. Um arco eléctrico a 1600oC funde directamente sucata para produzir aço líquido. Com a actual intensidade média de CO2 da electricidade na UE, a rota EAF emite 0,2 a 0,3 tCO2 por tonelada de aço, ou 80% menos do que a rota integrada.

Potencial limitado de melhoria

As siderurgias integradas têm optimizado os seus fluxos de material e energia ao longo dos anos, e os melhores desempenhos na UE já estão a funcionar a níveis próximos dos óptimos. Estima-se que a implementação de mais melhorias incrementais de eficiência e de melhores práticas apenas reduza ainda mais as emissões de CO2 em cerca de 10% (estimativa própria, com base em dados de emissões de). Para alcançar as ambições da Comissão Europeia de emissões líquidas zero de gases com efeito de estufa até 2050, é necessário considerar novas tecnologias inovadoras, CCS/U (captura e armazenamento/utilização de carbono) e um aumento do aço reciclado.

Cenários de descarbonização em 2050

Para explorar possíveis caminhos para conseguir uma descarbonização profunda do sector até 2050, são comparados oito cenários de quatro publicações (Figura 2). Enquanto a procura final de energia em 2050 diminui em todos os cenários, entre cerca de -10% (ECF, Carbon Capture) e -50% (ECF, Circular Economy e ICF, Mix80 e Mix95), a procura de aço varia amplamente, de -17% (ECF, Circular Economy) a +10% (ECF, New Processes e Carbon Capture) em comparação com 2015.

Novos processos de produção de aço

As novas tecnologias de fabrico de aço a hidrogénio actualmente em investigação visam substituir o gás natural utilizado na redução directa do ferro (DRI), um processo existente, pelo hidrogénio verde (H-DRI). Se a electricidade renovável for utilizada tanto pela central de hidrogénio como pela FEA, que processa o ferro para o aço, este processo poderá emitir até 95% menos CO2 do que a actual via integrada. Quatro projectos europeus, HYBRIT, SALCOS, H2Future/SuSteel (investigando a redução da fundição de plasma de hidrogénio) e ThyssenKrupp, estão a desenvolver toda a cadeia de valor para a produção de aço a hidrogénio; não se espera que o primeiro projecto de demonstração tenha início antes de 2025.

A electrólise directa do minério de ferro, ou "electrolisação", para produzir aço bruto está a ser desenvolvida pelo projecto SIDERWIN. Se utilizar exclusivamente electricidade renovável, a produção de aço poderia emitir até 87% menos CO2 do que a actual via integrada. Ainda se encontra numa fase inicial de desenvolvimento e só foi provado à escala laboratorial.

Até 2050, a produção de aço a hidrogénio e a electrificação estão implantadas em 7 dos 8 cenários; representando até 35% (65Mt) da produção total de aço (ECF, Novos Processos). Incluindo a produção de hidrogénio, a procura anual de electricidade do sector poderia crescer até 3 vezes a procura actual, para 360TWh em 2050 (ECF, Novos Processos e EC, 1,5TECH). Este montante é equivalente a 35% da actual produção de electricidade renovável da UE. Outros desafios fundamentais serão a ampliação da infra-estrutura de hidrogénio e os investimentos necessários para extensas conversões de campos castanhos ou implantações de campos verdes.

Captura e utilização de carbono

Dois projectos europeus, Steelanol e Carbon2Chem, estão a explorar a valorização dos gases residuais do alto-forno para produzir bioetanol e matérias-primas químicas. Embora numa fase mais avançada de desenvolvimento - a instalação de demonstração Steelanol está actualmente em construção na Bélgica - as reduções máximas de emissões destes processos são mais limitadas (até 65% se totalmente implantadas) e dependerão de o carbono ser novamente libertado no fim de vida dos produtos químicos resultantes.

Novas tecnologias de fundição combinadas com a CAC, tais como o processo HIsarna, geram gás residual rico em CO2 para facilitar a captura de carbono. Em comparação com a via actual, as emissões poderiam ser reduzidas em até 80%. A implementação destas tecnologias, contudo, exigiria mudanças profundas nos processos de fabrico do aço, de uma escala semelhante à das tecnologias inovadoras de hidrogénio ou electrólise.

As tecnologias de captura de carbono estão fortemente implantadas em 2 dos 8 cenários de descarbonização (IEA, B2DS e ECF, Carbon capture) com até 30% (54Mt) da produção total de aço em 2050 proveniente de instalações equipadas com CCS/U (ECF, Carbon capture).

Aumento da quota-parte de aço reciclado

Em 2050, em 7 dos 8 cenários, a produção de aço reciclado torna-se uma via mais importante, com um aumento da produção que varia de +30% (91Mt) a +70% (118Mt) em comparação com 2018 (70Mt) (cenários ECF, Carbon Capture e ICF, Mix95 respectivamente). Isto corresponde a uma quota de 50% a 77% da produção total de aço bruto nestes cenários (contra 42% em 2018).

Os principais desafios para alcançar uma maior produção de aço secundário dependem do aumento da taxa de reciclagem do aço (que já se situa actualmente entre 70%-95%, dependendo da utilização final) e da melhoria da qualidade da sucata. A sucata reciclada está frequentemente contaminada com outros elementos vagabundos, dos quais o cobre é o mais importante. A contaminação com cobre limita a utilização do aço a aplicações que toleram aço de qualidade inferior, tais como vergalhões na construção. Enquanto o sector da construção utilizou 34% (54Mt) da procura total de aço acabado em 2018, a procura de aço de maior qualidade (nomeadamente no sector automóvel) deverá aumentar a um ritmo mais rápido no futuro. A qualidade da sucata pode ser aumentada a jusante, melhorando o desmantelamento e a classificação dos produtos em fim de vida. A montante, alterações de concepção para reduzir a utilização de cobre ou para facilitar a desmontagem de produtos em fim de vida, podem reduzir a necessidade de intervenções a jusante. Os decisores políticos da UE podem contribuir para enfrentar estes desafios, monitorizando e reforçando o impacto das políticas destinadas a maximizar a reutilização da sucata de aço.

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