Transição energética por meio da eletrificação – um componente chave para um mundo de emissões líquidas zero

A eletrificação é o esforço de transição de tecnologias e processos que antes dependiam de fontes de energia não elétricas, como combustíveis fósseis, para aqueles alimentados por eletricidade, idealmente gerada a partir de fontes renováveis, como solar, eólica e hidrelétrica. O principal benefício é a redução das emissões de gases de efeito estufa (GEE).

Alcançar as metas de emissões líquidas zero até 2050 no setor de energia requer o uso de todas as medidas disponíveis para reduzir as emissões de dióxido de carbono. A eletrificação desempenha um papel essencial porque se projeta que será a medida de mitigação de redução de carbono mais impactante no setor de energia de 2030 a 2050, ficando atrás apenas da energia eólica e solar fotovoltaica (PV) de 2022 a 2030. Também será necessária para manter o limite de 1,5 °C do Acordo de Paris antes do final do século XXI.

A maioria das reduções de emissões impulsionadas pela eletrificação vem da mudança da dependência de combustíveis fósseis para fontes de energia renováveis – e a maioria dessas medidas é fornecida por tecnologias que já estão disponíveis e são escaláveis hoje.

Para alcançar a neutralidade de carbono, todos os setores industriais precisarão explorar várias trajetórias simultaneamente, incluindo melhorias na eficiência, captura e armazenamento de carbono (CCS) e a mudança de combustível para hidrogênio.

Alcançar as metas globais e as exigências regionais de emissões líquidas zero exigirá a redução das emissões de GEE nos setores de transporte, aquecimento e industrial, onde os combustíveis fósseis são usados atualmente. Esses esforços de redução de carbono não serão fáceis nem baratos. As seções a seguir destacam as oportunidades específicas de cada indústria para a transição energética.

As porcentagens exatas variam de acordo com a região, mas o setor de transporte consistentemente ocupa uma posição de destaque como um dos maiores contribuintes para as emissões de GEE, devido ao seu uso generalizado de combustíveis fósseis. Embora a eletrificação esteja crescendo nos veículos elétricos leves, ela representa menos de um por cento do consumo total de energia do setor, o que destaca o grande potencial de crescimento na eletrificação de veículos leves, médios e pesados.

A China, a Europa e os Estados Unidos possuem os maiores mercados de veículos e de veículos elétricos (VEs) atualmente, sendo que a China lidera as vendas de VEs em todo o mundo devido a políticas governamentais fortes, incentivos robustos e à escassez de fornecimento de petróleo doméstico.

Os veículos elétricos (VEs) apresentam várias externalidades negativas de mercado, sendo a mais significativa as barreiras impostas pela infraestrutura de carregamento limitada e pelos altos custos iniciais, sendo que estes últimos são principalmente atribuídos ao custo das baterias. À medida que o número de veículos elétricos cresce, eles podem sobrecarregar as redes de energia locais, aumentando substancialmente a demanda por eletricidade. No entanto, isso pode ser parcialmente mitigado com a expansão estratégica da capacidade da rede, por meio da geração local de energia, como microrredes solares fotovoltaicas (PV) em locais específicos.

Veículos pesados enfrentam obstáculos adicionais. Por exemplo, os altos requisitos de capacidade de carga dos caminhões representam desafios no design dos VEs devido ao peso elevado das baterias. Além disso, os transportadores de longa distância precisam frequentemente percorrer centenas ou milhares de quilômetros por dia, o que pode não ser possível devido à necessidade de recargas frequentes e extensas, utilizando uma infraestrutura de carregamento limitada. Sem inovações para reduzir os tempos de recarga e melhorar as relações entre energia e peso das baterias, esses problemas limitam a capacidade dos VEs pesados de substituir a maioria das frotas existentes de caminhões movidos a combustíveis fósseis. O custo total de propriedade também desempenha um papel importante, e embora os caminhões elétricos custem menos para operar, o alto investimento inicial necessário pode ser uma barreira para os transportadores.

A eletrificação está simplesmente fora de consideração para a indústria da aviação devido ao imenso peso que seria necessário para carregar baterias suficientes para gerar propulsão por uma distância produtiva. Em vez disso, a indústria está examinando biocombustíveis sustentáveis para a aviação e otimização operacional para reduzir as emissões.

Os edifícios já utilizam eletricidade para resfriamento de ambientes, refrigeração, iluminação e equipamentos de computação, mas há áreas de oportunidade em sistemas de aquecimento de ambientes e água, muitos dos quais são alimentados por propano, gás natural ou diesel.

As bombas de calor elétricas são usadas há décadas para aquecer e resfriar casas de maneira eficiente em climas moderados, mas têm dificuldades para operar de forma eficaz em temperaturas abaixo de zero. No entanto, inovações recentes – como a tecnologia de compressores com inversor de velocidade variável – estão permitindo o desempenho dos sistemas em climas bem abaixo de -12 °C (10,4 °F).

Embora a eficiência das bombas de calor geotérmicas seja incomparável, os custos de capital mais elevados para converter unidades a gás natural podem ser uma barreira. A nova construção é frequentemente a melhor oportunidade para eletrificar nesta área, pois já se pressupõe que investimentos iniciais elevados estão sendo feitos. Além disso, as economias com despesas operacionais ao longo do tempo, juntamente com a redução da pegada de carbono, frequentemente podem justificar os gastos de capital adicionais nessas situações.

No geral, a eletrificação dos edifícios utilizando tecnologia de bombas de calor, combinada com a geração de eletricidade mais limpa, é um caminho importante para atingir as metas climáticas.

Existe um potencial amplamente não explorado para a indústria eletrificar muitos de seus ativos, reduzindo a dependência de combustíveis fósseis quando combinada com energia de emissão líquida zero. A maior oportunidade para a eletrificação está nos processos de aquecimento de baixa temperatura, como secagem de alimentos, produção de bebidas, processamento de papel e manufatura leve. Isso inclui processos necessários para gerar calor de até aproximadamente 400 °C (752 °F).

Os mercados de bebidas podem eletrificar processos que anteriormente eram alimentados por gás natural e óleo combustível. Processos de manufatura que dependiam de combustíveis fósseis para aquecer água e vapor podem utilizar equipamentos especializados, incluindo evaporadores de recompressão mecânica de vapor, secadores a vapor e caldeiras elétricas. Especialistas estimam que mais de 50% de todo o combustível fóssil consumido pelos fabricantes para alimentar processos poderia ser substituído por eletricidade, auxiliando na transição energética.

O ritmo da eletrificação para processos industriais que exigem altas temperaturas, acima de 1.000 °C (1832 °F), depende do desenvolvimento de novas tecnologias elétricas para, potencialmente, substituir equipamentos com ciclos de vida extensos em indústrias como a produção de aço e cimento. Por exemplo, fornos elétricos a arco estão sendo desenvolvidos com a capacidade de substituir os alto-fornos tradicionais, emitindo significativamente menos emissões.

O setor industrial como um todo emite GEE (gases de efeito estufa) por meio de múltiplos e complexos caminhos. Isso inclui emissões indiretas – por meio de eletricidade derivada de combustíveis fósseis – e emissões diretas, através da combustão de combustíveis fósseis no local e geração de energia, além de subprodutos de processos e vazamentos de GEE. A eletrificação pode reduzir as emissões de todas essas fontes, embora os custos iniciais e operacionais frequentemente sejam mais elevados.

Qualquer discussão sobre eletrificação deve incluir baterias e tecnologia de baterias. As baterias são um componente vital da transição energética, especialmente no que diz respeito ao transporte móvel eletrificado e ao armazenamento em grande escala de energia, que pode suavizar o fornecimento de fontes de energia intermitentes, como a solar fotovoltaica e a eólica. As baterias também podem viabilizar a geração móvel de energia para equipamentos e sistemas, substituindo pequenos geradores, plantas estáticas e equipamentos móveis.

Existem vários novos designs de baterias e recentes avanços na ciência dos materiais que estão possibilitando uma melhor química e eficiência das baterias. Geralmente, as baterias de íons de lítio são preferidas por sua alta eficiência energética e longa vida útil em comparação com outros materiais. Essas baterias se beneficiaram de economias de escala e atualmente são a tecnologia de bateria principal para armazenamento em grande escala na rede elétrica.

Uma bateria é composta por um ânodo, cátodo, separador, eletrólito e dois coletores de corrente – positivo e negativo. O ânodo e o cátodo armazenam o lítio, enquanto o eletrólito transporta os íons de lítio carregados positivamente do ânodo para o cátodo, e vice-versa, através do separador. O movimento dos íons de lítio cria elétrons livres no ânodo, o que gera uma carga no coletor de corrente positivo. A corrente elétrica então flui do coletor de corrente positivo através do equipamento sendo alimentado até o coletor de corrente negativo. O separador bloqueia o fluxo de elétrons dentro da bateria, enquanto permite que os íons de lítio passem através dele.

Aproveitar os benefícios das baterias para a eletrificação cria novos desafios relacionados às matérias-primas necessárias para a produção de baterias. A obtenção responsável de minerais para baterias é uma questão importante na agenda global de sustentabilidade, portanto, a extração desses materiais deve ser realizada com um parceiro confiável de soluções para baterias. 

Como a maioria das baterias, as baterias de veículos elétricos (VE) são compostas principalmente por minerais de transição energética (MTEs), às vezes chamados de "minerais críticos". Atualmente, a maioria das baterias de veículos elétricos (VE) é de lítio-íon, contendo quantidades variadas de minerais de transição energética (MTEs), incluindo lítio, cobalto, níquel e grafite. Muitos desses materiais podem ser reutilizados e reciclados na economia circular, ao contrário dos veículos a gasolina, que dependem da extração contínua e queima de combustíveis fósseis. Existem outros elementos terras raros necessários nos motores elétricos de veículos elétricos (VE) e nos ímãs permanentes de turbinas eólicas, como o cobre.

As cadeias de suprimentos sustentáveis devem melhorar continuamente a rastreabilidade desses materiais. Os fabricantes de baterias podem aproveitar a vasta expertise de empresas como a Endress+Hauser para apoiar iniciativas de auditoria e certificação de instrumentação.

Informações adequadas e comparações transparentes sobre custo, viabilidade tecnológica e implicações ambientais são essenciais para a tomada de decisões sobre eletrificação, mas esses elementos frequentemente estão incompletos ou ausentes. Em muitas indústrias, os clientes simplesmente não estão cientes ou até estão mal informados sobre essas implicações, assim como sobre a disponibilidade de incentivos patrocinados pelo governo, ao escolher entre soluções convencionais e eletrificadas.

Felizmente, a eletrificação e outras tecnologias de baixo carbono estão se tornando cada vez mais comuns e menos caras, tanto nos mercados industriais quanto de consumo, com os avanços tecnológicos e as economias de escala ajudando a impulsionar essa tendência. Para alcançar as metas de emissões líquidas zero, empresas e governos devem continuar a fazer e apoiar compromissos de sustentabilidade, aproveitando a eletrificação e outros métodos para reduzir as emissões de dióxido de carbono nos setores de transporte, aquecimento e industrial.