Tecnologia Científica

Desenvolvimento de alternativas movidas a eletricidade e de baixas emissões para processos industriais intensivos em carbono
O Centro de Eletrificação e Descarbonização da Indústria une pesquisadores climáticos do MIT para criar soluções de energia limpa escaláveis ​​sob o mesmo teto.
Por Ashley Belanger - 14/04/2022


O professor Yet-Ming Chiang segura uma amostra de teste mecânico de cimento descarbonizado. Crédito: Bearwalk Cinema

Em 11 de abril de 2022, o MIT anunciou cinco projetos emblemáticos plurianuais no primeiro Climate Grand Challenges, uma nova iniciativa para enfrentar problemas climáticos complexos e fornecer soluções inovadoras para o mundo o mais rápido possível. Este é o segundo artigo de uma série de cinco partes, destacando os conceitos mais promissores que surgiram da competição e as equipes de pesquisa interdisciplinar por trás deles.

Um dos maiores saltos que a humanidade poderia dar para reduzir drasticamente as emissões de gases de efeito estufa globalmente seria a descarbonização completa da indústria. Mas sem encontrar substitutos de baixo custo e ecologicamente corretos para materiais industriais, a produção tradicional de aço, cimento, amônia e etileno continuará bombeando bilhões de toneladas de carbono anualmente; esses setores sozinhos são responsáveis ​​por pelo menos um terço das emissões globais de gases de efeito estufa da sociedade. 

Um grande problema é que os fabricantes industriais, cujo sucesso depende de métodos de produção confiáveis, econômicos e em larga escala, investem muito em processos que historicamente foram movidos a combustíveis fósseis para mudar rapidamente para novas alternativas. É uma máquina que começou há mais de 100 anos e que o engenheiro eletroquímico do MIT, Yet-Ming Chiang , diz que não podemos desligar sem grandes interrupções na enorme cadeia de suprimentos mundial desses materiais. O que é necessário, diz Chiang, é um esforço mais amplo e colaborativo de energia limpa que leve “pesquisa fundamental direcionada, até demonstrações piloto que reduzam bastante o risco de adoção de novas tecnologias pela indústria”.

Esta seria uma nova abordagem para a descarbonização da produção de materiais industriais que depende de processos eletroquímicos amplamente inexplorados, mas mais limpos. Novos métodos de produção podem ser otimizados e integrados à máquina industrial para fazê-la funcionar com eletricidade renovável e de baixo custo no lugar de combustíveis fósseis. 

Reconhecendo isso, Chiang, o professor Kyocera no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, juntou-se ao colaborador de pesquisa Bilge Yildiz , o professor Breene M. Kerr de Ciência e Engenharia Nuclear e professor de ciência e engenharia de materiais, com contribuições importantes de Karthish Manthiram , professor visitante no Departamento de Engenharia Química, para apresentar uma proposta de projeto ao MIT Climate Grand Challenges . Seu plano: criar um centro de inovação no campus que reuniria pesquisadores do MIT investigando individualmente a descarbonização de aço, cimento, amônia e etileno sob o mesmo teto, combinando equipamentos de pesquisa e colaborando diretamente em novos métodos para produzir esses quatro materiais principais.

Muitos pesquisadores do MIT já se juntaram ao esforço, incluindo Antoine Allanore, professor associado de metalurgia, especializado no desenvolvimento de materiais e processos de fabricação sustentáveis, e Elsa Olivetti, Esther e Harold E. Edgerton Professor Associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, especialista em economia de materiais e sustentabilidade. Outros professores do MIT atualmente envolvidos incluem Fikile Brushett, Betar Gallant, Ahmed Ghoniem, William Green, Jeffrey Grossman, Ju Li, Yuriy Román-Leshkov, Yang Shao-Horn, Robert Stoner, Yogesh Surendranath, Timothy Swager e Kripa Varanasi.

“A equipe que reunimos tem a experiência necessária para enfrentar esses desafios, incluindo eletroquímica – usando eletricidade para descarbonizar esses processos químicos – e ciência e engenharia de materiais, projeto de processos e análise tecnoeconômica em escala e integração de sistemas, tudo necessário para isso para sair de nossos laboratórios para o campo”, diz Yildiz.

Selecionado a partir de um campo de mais de 100 propostas, seu Centro de Eletrificação e Descarbonização da Indústria (CEDI) será o primeiro instituto desse tipo em todo o mundo dedicado a testar e dimensionar as tecnologias mais inovadoras e promissoras em produtos químicos e materiais sustentáveis. O CEDI trabalhará para facilitar a rápida tradução de descobertas de laboratório em soluções industriais acessíveis e escaláveis, com potencial para compensar até 15% das emissões de gases de efeito estufa. A equipe estima que alguns projetos do CEDI já em andamento poderão ser comercializados em três anos.

“A linha do tempo real é o mais rápido possível”, diz Chiang.

Para atingir as metas ambiciosas do CEDI, uma localização física é fundamental, com corpo docente permanente, bem como alunos de graduação, pós-graduação e pós-doutorado. Yildiz diz que o sucesso do centro dependerá do envolvimento de estudantes pesquisadores para levar adiante as pesquisas que abordam os maiores desafios contínuos para a descarbonização da indústria.

“Estamos treinando jovens cientistas, estudantes, sobre a urgência aprendida do problema”, diz Yildiz. “Nós os capacitamos com as habilidades necessárias e, mesmo que um projeto individual não encontre a implementação no campo imediatamente, pelo menos teríamos treinado a próxima geração que continuará a persegui-los no campo.”

A formação de Chiang em eletroquímica mostrou a ele como a eficiência da produção de cimento poderia se beneficiar da adoção de fontes de eletricidade limpas, e o trabalho de Yildiz em etileno, a fonte de plástico e um dos produtos químicos mais valiosos da indústria, revelou benefícios de custo negligenciados para mudar para processos eletroquímicos com menos materiais de partida caros. Com parceiros da indústria, eles esperam continuar essas linhas de pesquisa fundamental junto com Allanore, que está focado na produção de aço eletrificado, e Manthiram, que está desenvolvendo novos processos para amônia. A Olivetti se concentrará em entender os riscos e as barreiras à implementação. Essa abordagem multilateral visa acelerar o cronograma para a adoção de novas tecnologias pela indústria na escala necessária para o impacto global.

“Um dos pontos de destaque em todo este centro será aplicar a análise tecnoeconômica do que é preciso para ter sucesso em nível técnico e econômico, o mais cedo possível no processo”, diz Chiang.

O impacto da adoção em larga escala da indústria de fontes de energia limpa nessas quatro áreas-chave que o CEDI planeja atingir primeiro seria profundo, pois esses setores são atualmente responsáveis ​​por 7,5 bilhões de toneladas de emissões anuais. Existe o potencial para um impacto ainda maior nas emissões à medida que novos conhecimentos são aplicados a outros produtos industriais além das quatro metas iniciais de aço, cimento, amônia e etileno. Enquanto isso, o centro permanecerá como um centro para atrair novos setores, partes interessadas do governo e parceiros de pesquisa para colaborar em soluções urgentemente necessárias, tanto recém-surgidas quanto há muito atrasadas.

Quando Chiang e Yildiz se encontraram pela primeira vez para discutir ideias para os Grandes Desafios Climáticos do MIT, eles decidiram que queriam construir um centro de pesquisa climática que funcionasse como nenhum outro para ajudar a impulsionar a grande indústria em direção à descarbonização. Além de considerar como novas soluções impactarão os resultados da indústria, o CEDI também investigará sinergias únicas que podem surgir da eletrificação da indústria, como processos que criariam novos subprodutos que poderiam ser matéria-prima para outros processos da indústria, reduzindo o desperdício e aumentando a eficiência na sistema maior. E porque a indústria é tão boa em escala, esses benefícios adicionais seriam generalizados, finalmente substituindo tecnologias centenárias por atualizações críticas projetadas para melhorar a produção e reduzir marcadamente a pegada de carbono da indústria mais cedo ou mais tarde.

“Tudo o que fazemos, vamos tentar fazer com urgência”, diz Chiang. “A pesquisa fundamental será feita com urgência, e a transição para a comercialização, faremos com urgência”.

 

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