Do carbono aos metais: a transição da energia renovável

por Frances Coppola

O mundo está passando de uma economia intensiva em carbono para uma economia intensiva em metais. As tecnologias de baixo carbono usam quantidades muito maiores de metal do que os sistemas tradicionais baseados em combustíveis fósseis. A demanda por metais está aumentando exponencialmente, alimentando um boom na mineração e na produção.

Mas isso cria um desafio ambiental. A extração e o processamento de metais contribuem significativamente para o aquecimento global e são um importante poluente. A menos que formas mais ecológicas de gerar energia a partir de fontes renováveis ​​possam ser encontradas, salvar o planeta das emissões de carbono pode ser extremamente caro para nossos semelhantes e até para nós mesmos.  

A mudança climática está causando um boom de metais e mineração

O Acordo do Clima de Paris, que foi ratificado por 174 países e pela União Europeia em 2016, visa manter o aquecimento global “bem abaixo” de 2 graus Celsius neste século e, idealmente, não mais do que 1,5 grau Celsius. Alcançar essa meta desafiadora depende, em grau desconhecido, de fatores fora do controle do governo. No entanto, os países que ratificaram o acordo concordam que reduzir as emissões aos níveis acordados no Acordo de Paris significará abandonar amplamente os combustíveis fósseis como fontes de energia, substituindo-os por fontes alternativas de baixo carbono como eólica, solar, hidrelétrica e nuclear potência.  

Em termos práticos, isso significa desviar dos produtos petrolíferos e do gás natural para a eletricidade. Substituir o motor de combustão interna por propulsão elétrica será a chave para atingir as metas de emissões do Acordo de Paris. Melhorar a eficiência do combustível de veículos, eletrodomésticos e equipamentos comerciais também é crucial, uma vez que reduzir a demanda mundial por energia é tão importante quanto descarbonizar as fontes de energia. 

As tecnologias de baixo carbono são consideravelmente mais intensivas em metais do que as tecnologias baseadas em combustíveis fósseis. Por exemplo, um carro elétrico normalmente contém 80 kg de cobre, quatro vezes mais que um carro movido a petróleo. Ambas as usinas de energia eólica e solar contêm mais cobre do que as de combustível fóssil: uma usina solar típica contém cerca de 5 kg de cobre por quilowatt, contra 2 kg por quilowatt de uma usina movida a carvão. Isso está gerando um novo boom na extração e processamento de metais. 

O boom dos metais é impulsionado principalmente por três tecnologias:

• energia solar (fotovoltaica) 

• força do vento 

• baterias e outras formas de armazenamento de energia

Energia solar (fotovoltaica)

Embora os próprios painéis solares sejam feitos de silício, as estruturas de suporte são feitas de aço e alumínio, enquanto o cobre é amplamente utilizado para fiação. Junto com o índio, o gálio e o selênio, o cobre também é um componente de filmes finos (CIGS) usados ​​para bloquear a transmissão ultravioleta.

A mineradora Rio Tinto estima que 7-10 milhões de toneladas extras de cobre serão necessárias para atender à demanda por energia solar até 2030. No entanto, isso depende do tipo de tecnologia solar que eventualmente dominar. O Banco Mundial diz quemuitas estimativas assumem que a maioria das futuras instalações solares fotovoltaicas (PV) serão da variedade de silício cristalino. No entanto, se as instalações CIGS representarem uma proporção maior, a demanda não apenas por cobre, mas pelos metais raros envolvidos na tecnologia CIGS aumentará.

Força do vento

As turbinas eólicas requerem grandes quantidades de aço . Uma turbina com engrenagens de 2,0 megawatts contém aproximadamente 296 toneladas de aço. Portanto, cumprir as metas de mudança climática potencialmente requer um grande número de turbinas eólicas. No entanto, a capacidade de geração de turbinas eólicas está aumentando rapidamente: a turbina Haliade-X de 13 megawatts da GE foi aprovada para uso no parque eólico offshore Dogger Bank do Reino Unido, o maior do mundo. E em fevereiro de 2021, a Vestas anunciou uma turbina offshore de 15 megawatts. À medida que as turbinas se tornam mais potentes, o número necessário diminuirá e, portanto, o apetite da indústria eólica por aço diminuirá. 

A demanda por outros metais depende do tipo de turbina eólica que é adotada. Existem basicamente dois tipos de turbinas eólicas: turbinas com engrenagens, que usam engrenagens para converter a velocidade de rotação relativamente baixa da turbina em uma velocidade muito mais alta para o gerador; e turbinas de acionamento direto, que usam um gerador de baixa velocidade. Ambas as turbinas com engrenagem e com acionamento direto usam fiação de cobre no gerador, mas a maioria das turbinas com acionamento direto também tem ímãs permanentes que usam metais raros.

Se a maioria das instalações futuras for do tipo engrenado, haverá um aumento na demanda por cobre, mas a demanda por metais raros será limitada. No entanto, a proporção de turbinas de acionamento direto está aumentando constantemente , passando de cerca de 18,2% em 2011 para quase 30% em 2020.

Armazenamento de energia

As melhorias na tecnologia das baterias são essenciais se a propulsão elétrica for substituir os motores de combustão interna. Até agora, cinco países concordaram em eliminar totalmente o motor de combustão interna até 2025-40, enquanto dez outros estabeleceram metas para as vendas de carros elétricos. A maioria dos grandes fabricantes de veículos já está fabricando veículos totalmente elétricos ou está planejando fazê-lo. Os fabricantes de aeronaves de curta distância também estão se voltando para o fornecimento de energia elétrica.

A vida útil da bateria está melhorando, mas os tempos de carregamento ainda são longos, tornando as viagens de longa distância impraticáveis. Atualmente, isso torna os veículos elétricos problemáticos para a indústria de transporte. No entanto, os veículos elétricos estão proliferando para negócios leves e uso doméstico. Em 2016, havia apenas 2 milhões de veículos elétricos nas estradas. A Agência Internacional de Energia (AIE) diz que pode haver 220 milhões até 2030.

Melhorar a capacidade e o desempenho da bateria o suficiente para que os veículos elétricos substituam inteiramente os veículos movidos a combustível fóssil exigirá um investimento considerável em tecnologia de bateria. Atualmente, o íon de lítio é a principal tecnologia usada em baterias recarregáveis. O Banco Mundial estima que cumprir as metas do Acordo de Mudança Climática de Paris aumentará a demanda por lítio e outros metais de bateria em mais de 1000%.

No entanto, as baterias de íon de lítio estão longe de ser uma tecnologia limpa. Além do lítio, eles normalmente usam cobalto e níquel. Os processos de extração para todos os três desses metais têm graves consequências ambientais. No entanto, a demanda antecipada por esses metais excede as reservas existentes; a menos que alternativas sejam encontradas, terá que haver um aumento substancial na mineração. Para o cobalto, isso teria que incluir a descoberta e exploração de depósitos adicionais. A escassez em meio à crescente demanda já está elevando significativamente os preços dos três metais.

A produção de lítio precisa dobrar nos próximos 20 anos para atender à demanda projetada atual. O lítio é abundante, mas sua produção atualmente se concentra em algumas empresas que operam na América do Sul e na Austrália. Os gargalos no fornecimento podem aumentar seu preço, aumentando significativamente o custo dos veículos elétricos e inibindo sua aceitação em todo o mundo. Os Estados Unidos também expressaram preocupação de que a concentração de mercado possa significar dependência de fontes estrangeiras de lítio. A mineração de lítio tem efeitos ambientais e sociais desagradáveis: a revista WIRED relata que a  produção de lítio em áreas com escassez de água tem consequências devastadoras para a agricultura, enquanto os produtos químicos usados ​​no processo de extração poluem os cursos d'água a muitos quilômetros do local.  

Os depósitos de níquel são generalizados, inclusive no fundo do oceano. Mas extraí-los libera dióxido de enxofre, que acidifica a chuva e causa problemas respiratórios em humanos. Existem também outras consequências ambientais, nomeadamente nuvens de poeira tóxica contendo vestígios de metais pesados. Em 2017, as Filipinas fecharam 17 minas devido a questões ambientais. Mais recentemente, os cientistas expressaram preocupação com o efeito da extração de metais em alto mar no delicado ecossistema do fundo do oceano.

Talvez o mais problemático dos três metais seja o cobalto. O cobalto não é apenas caro, mas extremamente ruim para as relações públicas corporativas. Quase dois terços dos depósitos conhecidos estão na República Democrática do Congo, um estado extremamente pobre e devastado pela guerra na África Central, com um governo instável e ineficaz. A mineração de cobalto na RDC depende muito de mão de obra humana barata, incluindo crianças. A revista WIRED o chamou de “ The BloodDiamond of Batteries ”, uma referência à notória mineração de diamantes para financiar conflitos violentos.

Começou a corrida para substituir lítio, cobalto e níquel nas baterias. Alternativas potenciais incluem metais como manganês e ferro, embora ainda não tenham se mostrado tão eficientes quanto o cobalto. Pesquisadores da Honda desenvolveram uma bateria de íon flúor que pode funcionar em temperaturas baixas o suficiente para ser adequada para veículos elétricos. Outras áreas promissoras de desenvolvimento incluem a substituição do lítio por sódio , que pode ser obtido da água do mar. Alguns pesquisadores estão buscando soluções não metálicas, como polímeros.

Uma solução mais radical para o armazenamento de energia para veículos elétricos poderia ser as células de combustível de hidrogênio. Eles colhem a energia gerada quando o hidrogênio e o oxigênio são combinados à força. Eles usam pequenas quantidades do raro metal precioso platina como catalisador. Platinum é atualmente usado em conversores catalíticos que reduzem as emissões dos motores de combustão interna (ICEs), que se tornarão obsoletos à medida que os ICEs forem eliminados; A queda no uso de platina em conversores catalíticos deve naturalmente compensar a crescente demanda por uso em células a combustível de hidrogênio. Assim, embora a tecnologia de célula de combustível de hidrogênio aumente a demanda por platina, não se espera que o surgimento da tecnologia de célula de combustível exerça pressão sobre o fornecimento global. Há também um substituto potencial para a platina na forma de paládio de metal de terras raras, e a pesquisa está prosseguindo em substitutos mais baratos, comouma mistura de ferro, nitrogênio e carbono. 

As implicações ambientais da crescente demanda por metais

Os métodos atualmente usados ​​para extrair e processar metais já contribuem significativamente para o aquecimento global e a poluição. A produção primária de alumínio e cobre gera quantidades consideráveis ​​de gases de efeito estufa e dióxido de carbono, enquanto a produção de aço ainda depende do coque, uma forma de carvão. A produção de níquel, cobalto e lítio, além dos chamados metais de “terras raras”, prejudica a qualidade do ar, da água, do solo e dos ecossistemas. O aumento da demanda por metais devido à adoção de tecnologias de baixo carbono pode aumentar perversamente as emissões e agravar os danos ambientais.

As mineradoras estão sob pressão para responder às preocupações ambientais, por exemplo, reduzindo sua própria dependência de combustíveis fósseis. O grupo minerador global Rio Tinto afirma que 68% da energia que utiliza nas atividades de produção primária já vem de usinas hidrelétricas, solares e eólicas. A questão é se o ritmo de mudança do carbono para os metais dará às mineradoras tempo suficiente para desenvolver tecnologias extrativas limpas.

A crescente demanda por metais básicos de tecnologias de baixo carbono e energias renováveis ​​também ameaça criar gargalos de fornecimento para outras indústrias. Para evitar a interrupção do mercado e manter o fornecimento fluindo sem problemas, as indústrias de mineração e produção de metais precisam planejar e investir para aumentar a capacidade.

Para metais raros, o aumento da demanda apresenta problemas de mercado. Freqüentemente, metais raros são um subproduto de um processo de metal básico: por exemplo, índio, germânio, bismuto e telúrio são subprodutos da fundição de zinco. A menos que formas alternativas de extração de metais raros sejam desenvolvidas, atender à demanda por metais raros pode resultar em superprodução de metais básicos associados, resultando em excesso de mercado e problemas de armazenamento.

Minas e fábricas estão, elas próprias, expostas às mudanças climáticas. Por exemplo, muitas minas estão em áreas remotas e inóspitas, tornando-as vulneráveis ​​a eventos climáticos extremos. Para evitar interrupções no fornecimento, as cadeias de fornecimento precisam se tornar resilientes a tais eventos, talvez desenvolvendo várias cadeias para evitar a dependência de uma única fonte.

Reciclando

A reciclagem pode oferecer uma solução de longo prazo para alguns dos problemas ambientais causados ​​pela mineração e processamento de metais necessários para a geração e armazenamento de energia renovável. No entanto, o caminho para a reciclagem total é rochoso.

 

As taxas de reciclagem de metais básicos, como aço e alumínio, já chegam a 90-100%, e as emissões dos processos de reciclagem de metais são muito mais baixas do que da produção primária. No entanto, como o metal reciclável normalmente tem uma vida útil longa, pode levar décadas até que a reciclagem se torne o principal meio de fornecer metais básicos para novas instalações. 

A reciclagem de muitos metais raros - particularmente os chamados elementos metálicos de “terras raras” usados ​​em muitos aparelhos eletrônicos - é quase inexistente, porque extrair metais raros de tecnologia obsoleta é caro e difícil, e as quantidades extraídas são minúsculas. No entanto, o custo e a devastação ambiental causados ​​pela mineração de metais raros estão levando os cientistas a desenvolver processos eficientes de extração, reprocessamento e reciclagem de metais raros.

As próprias instalações de energia renovável estão muito aquém da capacidade de reciclagem total. Eliminá-los quando atingem o fim de sua vida útil é atualmente uma grande dor de cabeça. 

Por exemplo, o aço em turbinas eólicas é totalmente reciclável, mas a fibra de vidro usada nas pás não. Atualmente, a única maneira de descartar as pás obsoletas das turbinas eólicas é cortá-las em pequenos pedaços e jogá-las em aterros , onde permanecerão para sempre, uma vez que não se degradam com o tempo. 

A tecnologia de reciclagem para painéis solares fotovoltaicos melhorou consideravelmente nos últimos anos. 90-95% do vidro, 100% do metal e 85-95% de outros materiais usados ​​nos painéis agora podem ser reciclados, e o calor gerado no processo de reciclagem pode ser capturado e usado para outros fins. No entanto, muitos países ainda não se comprometeram a reciclar os painéis solares.

  

As baterias de íon de lítio atualmente não podem ser recicladas, embora baterias de carro gastas possam ser reutilizadas. No entanto, como os metais nas baterias de íon-lítio são raros e caros, uma extensa pesquisa está sendo realizada para encontrar uma maneira eficaz de extraí-los de baterias obsoletas.  

Rumo a uma economia circular

A transição de uma economia intensiva em carbono para uma economia intensiva em metais está gerando fortes aumentos na demanda por muitos metais. Isso está criando oportunidades de lucro para empresas em todas as partes da cadeia de abastecimento. Investir em fontes de energia renováveis, tecnologias de emissão zero e processos com eficiência energética podem ajudar as empresas a aumentar a capacidade de produção e, ao mesmo tempo, limitar os danos ambientais.

É claro que as projeções de demanda não levam em conta as inovações tecnológicas que são impulsionadas pelo custo e pelas consequências ambientais da crescente demanda por metais. À medida que a adoção de energias renováveis ​​e recarregáveis ​​ganha ritmo, a busca por alternativas mais baratas e menos prejudiciais ao meio ambiente às tecnologias existentes deve se intensificar. Portanto, em alguns anos, as projeções de demanda podem parecer muito diferentes. 

No entanto, a Terra tem apenas um estoque finito de metais. Para que a demanda por metais seja sustentável no longo prazo, a mineração e a manufatura terão que dar lugar à reciclagem e ao reprocessamento, especialmente para metais mais raros. E isso implica um uso menos intensivo de metais. 

Se a economia do futuro deve ser verdadeiramente verde, não será suficiente simplesmente substituir o carbono por metais e outros minerais. O uso de energia deve cair o suficiente para que a mineração de novos metais termine e a geração de energia renovável se sustente inteiramente na reciclagem e reutilização de metais e outros minerais. A economia verde deve ser circular.