Minerais estratégicos para a transição energética – o caso do neodímio

No cenário atual de discussões acerca da transição energética, os recursos eólicos aparecem com destaque dentre as possibilidades viáveis de complementariedade para produção de eletricidade. A apropriação da energia dos ventos é caracterizada por sua natureza intermitente o que coloca desafios à sua adoção, diferentemente das tradicionais fontes disponíveis de reservas naturais (carvão, gás, petróleo). Para complementar os sistemas de geração de energia elétrica existentes, a energia eólica se apresenta como um vetor importante, sendo considerada promissora no processo de transição energética global, pois utiliza o vento — um recurso natural inesgotável e amplamente disponível — para gerar eletricidade sem emitir gases de efeito estufa.

Atualmente, a integração da energia eólica nas redes elétricas tem se mostrado viável devido a avanços tecnológicos que permitem uma operação mais estável e eficiente. Esses avanços tecnológicos dos sistemas de armazenamento de energia (baterias) e melhorias na previsão meteorológica, tem facilitado a gestão da variabilidade natural da produção de energia eólica.

A principal tecnologia usada para geração de energia eólica são os geradores de ímãs permanentes. O elemento químico neodímio é crucial para a fabricação dos ímãs permanentes empregados nos geradores eólicos devido à sua habilidade em manter fortes campos magnéticos, aumentando a eficiência na conversão da energia cinética do vento em eletricidade. 

 Ressalta-se que o setor industrial depende fortemente de eletricidade, abrangendo uma ampla variedade de aplicações, como motores elétricos (para movimento de fluidos, processamento de materiais, manuseio, compressores de ar, refrigeração e operações auxiliares de caldeiras), aquecimento e iluminação. Em 2021, os sistemas de motores elétricos representavam cerca de 70% da demanda por eletricidade no setor industrial. Portanto, é crucial implementar estratégias para melhorar a eficiência energética desses sistemas. Além de contribuir para uma indústria mais competitiva, essa abordagem pode reduzir a demanda de eletricidade na rede, aumentando assim a capacidade disponível e oferecendo uma alternativa à criação de novas infraestruturas, que são caras e demandam tempo para implantação.

Os Motores de Indução de Gaiola de Esquilo (MIT), que representam mais de 95% de todas as aplicações de acionamento no setor industrial, apresentam perdas significativas inerentes no seu rotor. Com objetivo de aprimoramento da eficiência dos MIT, foram criados índices de eficiência energética adotados em diversos países e no Brasil; estes índices iniciam no numeral 1 e à medida que se alcança a eficiência esperada cria-se um novo índice. Portanto, alcançar o nível de eficiência IE5 é um desafio. Reconhecendo essa limitação dos MITs tradicionais, os Motores Síncronos de Ímãs Permanentes (MSIP) surgiram como alternativas viáveis, oferecendo a possibilidade de aumentar significativamente a eficiência energética e alcançar potencialmente o nível de eficiência IE5, e mais recentemente, IE6. Os MSIP não apresentam perdas de energia no rotor, o que aumenta significativamente a eficiência energética, devido aos ímãs permanentes feitos de neodímio, ferro e boro (NdFeB) em seus rotores.

Nesse sentido, outro uso final de energia em que os motores elétricos são fundamentais, é na mobilidade elétrica. Os motores elétricos de carros podem ser de diversos tipos, mas, os motores de ímãs, produzidos principalmente a partir de neodímio, representam uma parcela significativa do mercado de veículos elétricos. Aproximadamente 90% dos motores de carros elétricos de hoje utilizam ímãs de neodímio devido à maior densidade de potência, reduzindo assim o seu volume, o que é essencial para os requisitos de espaço e peso dos veículos elétricos.

Nos três casos citados: i) aerogeradores; ii) motores elétricos para mobilidade; e iii) indústria (força motriz estacionária), a função dos ímãs permanentes é a mesma: produzir campo magnético de elevada intensidade, a partir do menor volume de material fonte. E nesse sentido, o gráfico mostra que o Neodímio-Ferro-Boro [NdFeB] apresenta produto energético de 60 Mega-Gauss Oersteds (MGOe), sendo o seu melhor concorrente o Samário-Cobalto [SmCo], que com o mesmo volume de material produz praticamente a metade do campo produzido pelo NdFeB.

Destaca-se que as barras na parte superior esquerda da figura indicam de forma visual o volume de material necessário para produzir a mesma intensidade de campo magnético.

Outras observações relevantes sobre a disponibilidade, acesso, uso e descarte de ímãs permanentes que utilizam neodímio são fundamentais, tanto para a indústria quanto para a formulação de estratégias de desenvolvimento regionais e globais. A produção dos ímãs permanentes causa impactos ambientais significativos ao longo do tempo. As etapas de extração e processamento desses minerais são intensivas em energia e resultam em altas emissões de gases de efeito estufa, além de perturbarem os ecossistemas locais com problemas como erosão do solo, contaminação da água e destruição de habitats naturais.

Além destes impactos ambientais, a falta de rotas de reciclagem ou possibilidades de reuso para os imãs permanentes de terras raras pioram significativamente a sua pegada ecológica. Questões de natureza técnica também são fatores importantes a serem analisados. A temperatura de Curie pode ser facilmente superada por alguma condição adversa na utilização do motor, por exemplo. Pulsos de corrente elevada também podem levar à desmagnetização dos imãs, como por exemplo, em um eventual curto-circuito interno na máquina. Estes casos podem levar, a inutilização da máquina com elevados custos de reposição.

Um outro aspecto bastante relevante é a concentração da produção de imãs de terras raras na China, que detém cerca de 90% da capacidade de produção global. Deste modo, existe uma tensão geopolítica sobretudo no ocidente, acerca da dependência chinesa nesse aspecto. Já no início da década passada a China impôs sobretaxas à exportação dos imãs de NeFeB buscando o estímulo à exportação de máquinas prontas, o que é interessante para a economia doméstica chinesa. Essa situação ensejou uma resposta dos países ocidentais que procuraram estimular a pesquisa de máquinas elétricas de alta eficiência que não usem imãs de terras raras. Pode-se destacar ações da União Européia, do Japão e dos Estados Unidos, na busca por motores elétricos de alta eficiência “livre” de metais de terras-raras.

No Brasil, foram mapeados grandes depósitos de minerais de terras-raras em locais como Araxá-MG, Serra Verde-GO, Catalão-GO e Pitinga-AM. As ocorrências brasileiras de terras-raras são predominantemente de monazita, que contém uma alta concentração de terras-raras leves, como neodímio e praseodímio, enquanto em Pitinga-AM se encontram quantidades maiores de terras-raras pesadas, como o disprósio. Essas descobertas são importantes para o desenvolvimento de políticas e estratégias que possam mitigar os impactos negativos e maximizar os benefícios da exploração desses recursos.

Dessa forma, a transição energética para fontes e usos finais mais sustentáveis é um processo complexo, demorado e desafiador, entrelaçado com questões geopolíticas profundas que se assemelham às dinâmicas observadas nos mercados de produtores de petróleo. Essa transição não apenas depende da disponibilidade de questões tecnológicas, mas do desenvolvimento de infraestruturas adequadas, e está profundamente influenciada pelas relações políticas e econômicas globais, especialmente em relação aos países detentores das terras-raras.

Sobre o autor:

Danilo de Souza é professor na Universidade Federal de Mato Grosso, sendo membro do Núcleo Interdisciplinar de Estudos em Planejamento Energético – NIEPE, e é Coordenador Técnico do CINASE – Circuito Nacional do Setor Elétrico. Danilo também é Pesquisador no Instituto de
Energia e Ambiente da USP | www.profdanilo.com