A indústria cimenteira está entre as maiores emissoras de dióxido de carbono. É responsável por até oito por cento das emissões globais causadas pela atividade humana – quase três vezes mais do que o tráfego aéreo global. Para reduzir essa parcela e se tornar neutra em carbono, a indústria aposta em inovações tecnológicas. O projeto internacional "ECem", que conta com a participação de cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), está desenvolvendo uma abordagem promissora. Utilizando tecnologias de aquecimento elétrico, os parceiros da ciência e da indústria visam reduzir drasticamente as emissões de CO2 na produção de cimento.
A calcinação é uma das etapas mais importantes na produção de cimento . Nesse processo, o calcário é aquecido a aproximadamente 1.450 graus Celsius em um grande forno e convertido em clínquer, o principal componente do cimento, por meio de decomposição térmica. Somente esse processo químico é responsável por grande parte das emissões de CO2 liberadas pela indústria cimenteira como um todo. Dois terços do CO2 são produzidos durante a decomposição do calcário, um processo conhecido como desacidificação, e é praticamente inevitável. O terço restante se deve ao enorme consumo de energia necessário para atingir essas altas temperaturas. Combustíveis fósseis, como carvão ou gás, são normalmente utilizados para esse fim.
O projeto de pesquisa “ECem” (Tecnologias de calcinação elétrica para fábricas de cimento do futuro) está agora focado nesse processo de aquecimento industrial. O objetivo: desenvolver uma alternativa mais sustentável. Os parceiros do projeto, liderados pela empresa dinamarquesa de cimento FLSmidth e incluindo o HZDR, o Instituto Dinamarquês de Tecnologia, a Universidade de Aalborg e as empresas European Energy e Cementos Argos, pretendem desenvolver duas tecnologias distintas de aquecimento elétrico.
Enquanto os parceiros dinamarqueses no projeto trabalham no desenvolvimento de um sistema de aquecimento radiante por infravermelho, cientistas do Instituto de Dinâmica de Fluidos HZDR pesquisam uma solução elétrica baseada em aquecimento indutivo. A equipe planeja, inicialmente, montar um experimento em laboratório no qual bobinas de indução geram um campo de alta frequência para aquecer o material em um recipiente. Posteriormente, um forno rotativo com características que simulam as condições industriais será modelado em uma configuração experimental adicional. O desafio reside no fato de que materiais como o calcário, composto principalmente de carbonato de cálcio, são inadequados para aquecimento por indução devido à sua baixa condutividade elétrica.
Para superar esse obstáculo, a equipe planeja misturar os chamados susceptores à matéria-prima a ser aquecida. Esses componentes convertem a energia indutiva em calor de forma eficiente e a transferem para o material. Um desafio fundamental é encontrar o material certo que funcione de forma estável como susceptor sob as altas temperaturas e as severas condições industriais. Os candidatos em potencial devem ter um alto ponto de fusão, não devem reagir com o calcário e devem ser resistentes à abrasão. Moldar os susceptores, por exemplo, como esferas metálicas, ofereceria a vantagem de combinar a calcinação e a moagem em uma única etapa do processo. Os investimentos na eletrificação dos processos industriais poderiam, além de reduzir as emissões de CO2, ter outros efeitos positivos, como o aumento da eficiência e a melhoria da qualidade do produto, proporcionando assim às respectivas empresas uma vantagem competitiva nos mercados globais.
“À primeira vista, este projeto tem pouco a ver com a mecânica dos fluidos com a qual normalmente lidamos no instituto”, explica o Dr. Sven Eckert, engenheiro e chefe do departamento de Magnetohidrodinâmica do HZDR. “No entanto, não se trata simplesmente de instalar um aquecedor em um reator. Os fornos de cimento normalmente processam muitas toneladas de material, e é por isso que o desafio reside em criar um campo de temperatura homogêneo em todo o forno. O aquecimento indutivo pode até agravar esse problema se não houver garantia de transferência de calor suficiente não apenas nas camadas superficiais, mas também no interior do enorme volume. Portanto, precisamos considerar o processo de forma fundamental, incluindo a otimização dos fluxos de gás por convecção dentro do forno, que devem garantir uma transferência de calor eficaz.”
Aqui, Sven Eckert e sua equipe podem contribuir com sua vasta experiência. No HZDR, eles também têm acesso a técnicas de medição exclusivas, como a tomografia de campo magnético, ideal para o monitoramento de processos industriais eletrificados. A equipe também pretende se beneficiar da experiência adquirida no projeto europeu CITADEL, coordenado pelo HZDR, que está desenvolvendo tecnologias inovadoras de aquecimento para a produção de cerâmica refratária, aço, cobre e vidro.
O objetivo final do projeto é validar a tecnologia em escala laboratorial. Os dados coletados nos experimentos planejados fornecerão informações cruciais para simulações computacionais complementares e para o desenvolvimento de gêmeos digitais que mapearão todo o processo, incluindo os fluxos de energia e massa. Com base nisso, os cientistas pretendem determinar se o experimento laboratorial pode ser ampliado para níveis industriais reais. Se a resposta for positiva, os parceiros poderão iniciar a construção de uma planta piloto quase industrial após a conclusão do projeto em 2028. Dependendo dos resultados da pesquisa, essa planta poderá incorporar o sistema de aquecimento por indução ou o sistema de aquecimento radiante desenvolvidos em paralelo – ou, muito possivelmente, uma combinação de ambos.
O projeto teve início no outono de 2024 e terá duração de três anos e meio. É financiado pelo Fundo Dinamarquês de Inovação com 21 milhões de coroas dinamarquesas (aproximadamente 2,8 milhões de euros).
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