Níquel verde para uma eletrificação sustentável
Os cientistas desenvolveram um método de extração de níquel para baterias, ímanes e aço inoxidável, isento de carbono e que poupa energia
Para combater as alterações climáticas e alcançar uma indústria neutra para o clima, as emissões de carbono têm de ser drasticamente reduzidas. Uma parte fundamental desta transição é a substituição dos vectores de energia à base de carbono por eletricidade, particularmente nos transportes e nas aplicações industriais. No entanto, esta mudança depende em grande medida do níquel, um material essencial utilizado nas baterias e no aço inoxidável. Até 2040, prevê-se que a procura de níquel duplique devido à crescente eletrificação das infra-estruturas e dos sistemas de transporte. No entanto, a produção de uma tonelada de níquel emite atualmente cerca de 20 toneladas deCO2, o que suscita preocupações quanto à transferência do ónus ambiental dos transportes para a metalurgia. Os investigadores do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis (MPI-SusMat) desenvolveram agora um método de extração de níquel isento de carbono e que poupa energia. A sua abordagem permite também a utilização de minérios de níquel de baixa qualidade, que têm sido negligenciados devido à complexidade dos processos de extração convencionais. A equipa do Max Planck publicou agora os seus resultados na revista Nature.
Um único passo para o níquel verde
"Se continuarmos a produzir níquel da forma convencional e o utilizarmos para a eletrificação, estaremos apenas a deslocar o problema em vez de o resolver", Ubaid Manzoor, investigador doutorado do MPI-SusMat e primeiro autor da publicação.
Manzoor e os seus colegas desenvolveram um novo método para extrair o níquel dos minérios numa única etapa, utilizando plasma de hidrogénio em vez de processos baseados no carbono. Se forem consideradas as emissõesde CO2 geradas durante a extração do minério de níquel e o seu transporte, o novo processo reduz as emissõesde CO2 em 84%. Além disso, o processo é até 18% mais eficiente em termos energéticos quando se utiliza eletricidade renovável e hidrogénio verde, uma vez que se evita o aquecimento e o arrefecimento repetidos do minério, que é comum nos processos convencionais.
Tradicionalmente, a indústria depende de minérios de alta qualidade, uma vez que a extração de níquel de minérios de qualidade inferior é muito mais complexa devido à sua composição quimicamente complexa. Ao contrário do ferro, que pode ser reduzido numa única etapa através da remoção do oxigénio, o níquel nos minérios de baixa qualidade está quimicamente ligado a complexos silicatos de magnésio ou óxidos de ferro. A extração convencional envolve várias fases, como a calcinação, a fundição, a redução e a refinação, que consomem muita energia e têm uma grande pegada de carbono. Um grande avanço deste método é a sua capacidade de processar minérios de níquel de baixa qualidade (que representam 60% das reservas totais de níquel) num único forno de reator, onde a fundição, a redução e a refinação ocorrem simultaneamente, produzindo diretamente uma liga de ferroníquel refinada.
"Utilizando o plasma de hidrogénio e controlando os processos termodinâmicos no interior do forno de arco elétrico, conseguimos decompor a estrutura complexa dos minerais dos minérios de níquel de baixa qualidade em espécies iónicas mais simples - mesmo sem utilizar catalisadores", explica o Professor Isnaldi Souza Filho, chefe do grupo "Síntese Sustentável de Materiais" do MPI-SusMat e autor correspondente da publicação.
Rumo à aplicação industrial
Este método não só reduz as emissões e o consumo de energia, como também alarga o espetro de minérios de níquel utilizáveis, tornando a extração mais rentável e sustentável. O próximo passo para a equipa do Max Planck é aumentar a escala do processo para aplicações industriais.
"A redução dos minérios de níquel em espécies iónicas mais simples ocorre apenas na interface de reação e não em toda a massa fundida. Num sistema de escala superior, é crucial assegurar que a massa fundida não reduzida atinja continuamente a interface de reação", Ubaid Manzoor.
Isto pode ser conseguido através da implementação de arcos curtos com correntes elevadas, da integração de um dispositivo de agitação eletromagnético externo por baixo do forno ou da injeção de gás. Estas são técnicas industriais bem estabelecidas, tornando viável a integração nos processos existentes.
A via verde de produção de níquel abre a porta a uma eletrificação mais sustentável do sector dos transportes. A liga de níquel reduzida pode ser utilizada diretamente na produção de aço inoxidável e, com um refinamento adicional, como material para eléctrodos de baterias. Além disso, a escória produzida durante o processo de redução pode servir como um recurso valioso para a indústria da construção, incluindo a produção de tijolos e cimento. O mesmo processo pode também ser aplicado ao cobalto, que é utilizado em veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de energia.
A investigação foi financiada por uma bolsa avançada do Conselho Europeu de Investigação.
Direto ao assunto
- Desafio da procura de níquel: prevê-se que a procura de níquel duplique, enquanto a produção convencional de níquel emite cerca de 20 toneladas deCO2 por cada tonelada de níquel
- Novo processo sustentável para a produção de níquel: Os investigadores descobriram uma forma de extrair níquel de minérios de baixa qualidade utilizando plasma de hidrogénio em vez de carbono. O processo numa só etapa éisento de CO2 e poupa energia e tempo.
- Possibilidade de aumento de escala: Para aumentar a escala, é necessário implementar arcos curtos com correntes elevadas, integrar um dispositivo externo de agitação electromagnética por baixo do forno ou utilizar a injeção de gás, assegurando que a massa fundida não reduzida atinge continuamente a interface de reação.
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