A crescente procura de minerais críticos – os alicerces de um futuro eletrificado – está criando oportunidades para a indústria do petróleo e do gás aplicar o seu amplo conhecimento, ferramentas e dados para ajudar a satisfazer a procura.
Ao longo da história da Terra, poderosos processos geológicos moldaram o planeta, formaram diversas paisagens e ocultaram recursos valiosos. Tal como os arquitetos silenciosos, estes processos desempenham um papel crucial na criação do mundo que vemos hoje.
Um aspecto importante desta história geológica é a formação de minerais críticos – elementos essenciais para a tecnologia moderna. Estes minerais não são características aleatórias, mas estão intimamente ligados à narrativa mais ampla da evolução da Terra.
Cientistas e engenheiros estão explorando as ligações entre os processos geológicos e a criação de depósitos minerais críticos para compreender melhor como identificar, extrair e produzir esses depósitos para ajudar a satisfazer a procura de recursos considerados os blocos de construção de um futuro eletrificado.
Utilizados em diversas aplicações, desde a produção de energia e defesa nacional até tecnologias de transporte e comunicação (pense em baterias para veículos elétricos, ímanes permanentes para geradores de turbinas eólicas), os minerais críticos são definidos como minerais não combustíveis ou materiais minerais essenciais para a segurança econômica ou nacional e têm uma cadeia de abastecimento vulnerável a interrupções.
A Agência Internacional de Energia (AIE), na sua última Análise Crítica do Mercado de Minerais, informou que a implantação recorde de tecnologias de energia limpa impulsionou a enorme procura de minerais críticos, como o lítio, o cobalto, o níquel e o cobre.
“De 2017 a 2022, o setor da energia foi o principal fator por detrás da triplicação da procura global de lítio, de um salto de 70% na procura de cobalto e de um aumento de 40% na procura de níquel”, refere o relatório. “O mercado de minerais de transição energética atingiu 320 bilhões de dólares em 2022 e está preparado para um crescimento rápido e contínuo, colocando-o cada vez mais no centro da indústria mineira global.”
Nos EUA, as cadeias críticas de abastecimento de minerais dependem fortemente das importações. Em 2021, os EUA dependiam 100% da importação de 14 dos 50 minerais críticos identificados pelo US Geological Survey (USGS) em 2022. Além disso, de acordo com o USGS, a maioria dos minerais críticos que são essenciais para cumprir as metas de descarbonização têm uma dependência líquida de importações superior a 50%.
Garantindo o fornecimento de elementos de terras raras
Os minerais críticos categorizados como elementos de terras raras (REE) são particularmente importantes para atingir as metas de descarbonização. Com um nome que lembra os super-heróis da ficção científica, os lantanídeos são uma série de 15 elementos – além de escândio e ítrio – considerados coletivamente como REE. Os REEs variam de leves (LREE) a pesados (HREE). Embora não sejam geologicamente raros, a extração e o processamento são complexos, caros e ambientalmente perigosos.
Além de ser uma fonte líder de minerais essenciais, gálio, germânio e grafite, a China domina a produção e o processamento de REE. De acordo com um relatório do Instituto Oxford de Estudos de Energia, o país abriga algumas das formações geológicas contendo REE mais produtivas e de menor custo, que o governo vem desenvolvendo desde a década de 1970. A China detém 37% das reservas mundiais de REE, em comparação com os EUA, que detinham apenas 1% das reservas em 2019.
As cadeias críticas de abastecimento de minerais dos EUA têm o potencial de serem perturbadas por ações externas adversas, pandemias, desastres naturais e outros eventos globais. Por esta razão, o desenvolvimento de recursos nacionais para proteger as cadeias de abastecimento e satisfazer a futura procura crítica de minerais tornou-se uma prioridade nacional, com a assinatura da Ordem Executiva n.º 14017 pelo Presidente dos EUA, Joe Biden, em fevereiro de 2021.
Na caçada
No entanto, antes que as cadeias de abastecimento nacionais possam ser seguras, deve primeiro haver um fornecimento constante de REE e de minerais críticos. Atualmente, a única fonte de produção de materiais de terras raras nos EUA está em Mountain Pass, Califórnia. Devem ser encontrados novos locais domésticos para a extração de minerais críticos para satisfazer o aumento esperado da procura.
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Tecnologia Energética (NETL) do Departamento de Energia dos EUA usaram dados e inteligência artificial para desenvolver um novo modelo de avaliação de recursos geológicos que, quando testado em uma mina de carvão na Bacia do Rio Powder, no Wyoming, revelou o maior depósito não convencional de REEs magnéticos descobertos nos EUA. A empresa mineira Ramaco Resources informou à Comissão de Valores Mobiliários dos EUA em outubro que o tamanho estimado dos recursos do total global de óxidos de terras raras é de cerca de 1,2 milhões de toneladas.
Kelly Rose, Burt Thomas e Scott Montross fazem parte da equipe de pesquisa NETL que ajudou a descobrir a presença potencial de REEs na mina Brook de Ramaco, localizada a cerca de 11 quilômetros ao norte de Sheridan, Wyoming, usando a avaliação não convencional de elementos de terras raras e minerais críticos (URC) que ajudaram a desenvolver.
Recursos minerais críticos não convencionais e terras raras referem-se a qualquer recurso de um hospedeiro geológico ou de subproduto secundário que seja distinto dos mecanismos que resultam em depósitos convencionais estabelecidos.
“Vários minerais críticos e recursos de terras raras são considerados convencionais, pois estão em produção há muitas décadas. Embora os EUA tenham recursos convencionais, eles não foram encontrados em grande parte aqui”, disse Rose, geóloga pesquisadora e pesquisadora sênior do NETL.
“Eles são mais comuns em partes da África, Austrália, Sudeste Asiático e América do Sul. Como resultado, o mercado mundial depende desses recursos mais estabelecidos”, observou ela, acrescentando que estes recursos estão em grande parte ligados ao que ela identificou como parâmetros geológicos específicos em ambientes ígneos ou metamórficos.
“Estes recursos minerais críticos convencionais estão estabelecidos, e os mecanismos pelos quais os minerais críticos mais raros aparecem nesses depósitos foram documentados, descritos e são o foco dos esforços de extração para apoiar objetivos globais”, disse Rose.
Ela acrescentou que a equipe foi encarregada há 8 anos de procurar “fontes não tradicionais de minerais críticos”.
As fontes foram identificadas por estudos publicados que documentam características geológicas que resultaram na acumulação de terras raras e minerais críticos em meios não tradicionais, disse ela.
Rose acrescentou: “Estes estudos individuais mostraram o potencial para estes tipos de depósitos minerais críticos em associação com sistemas sedimentares que muitas vezes coincidem com sistemas de petróleo, gás e carvão, mas não por causa do petróleo, gás e carvão. Mas, tal como a prospecção de petróleo, gás ou outros recursos minerais, estes minerais críticos ainda requerem que os ingredientes geológicos certos sejam acumulados nesses sistemas para encontrar uma acumulação viável.”
Provenientes de depósitos geológicos in situ ou de subprodutos secundários de processos antropogênicos, os recursos minerais críticos não convencionais requerem métodos e modelos revistos ou novos para caracterizar e prever locais que tenham a combinação certa de fontes únicas e controlos temporais que resultem nestes depósitos.
Rose descreveu o trabalho da equipe como a compreensão de como o enriquecimento mineral dos “recipientes” geológicos onde esses minerais críticos são encontrados se desenvolveu até seu estado atual, “observando-o através das lentes de critérios litológicos, estruturais e de alteração específicos. Onde esses critérios-chave se unem, isso indica se há probabilidade de concentração de minerais críticos não convencionais.” Estes critérios foram utilizados para desenvolver um modelo de previsão de prospectos científicos de geodados e de inteligência artificial para minerais críticos não convencionais.
Montross, geólogo pesquisador e gerente de tecnologia mineral crítica da NETL, observou que a ideia de procurar esses recursos “começou com a ideia de que o carvão ou jazidas de carvão eram os locais onde esses tipos de enriquecimento ocorriam, mas foi observando diferentes tipos de rochas, como xisto e arenito, também vimos redistribuição e acumulação de minerais críticos.”
A chave para o modelo apresentado em um artigo de coautoria de Montross, Rose e outros é compreender os diferentes tipos de mecanismos de enriquecimento e ter os dados que apoiam como isso ocorreu, explicou Thomas, líder do portfólio técnico do grupo de minerais críticos da NETL.
“O modelo faz três perguntas: os dados existem e os dados suportam algum dos mecanismos de enriquecimento? Em seguida, pergunta se os dados existem espacialmente para determinar a probabilidade de ocorrência de mecanismos de enriquecimento específicos em uma área. O modelo cria o que chamamos de mapa de prospectividade, e foi um subconjunto de um desses mapas que nos levou à mina Brook de Ramaco”, disse Thomas.
A equipe usou a Bacia do Rio Powder como região de teste para o modelo e suas previsões. Para ajudar a validar os resultados, a equipe precisava de medições diretas de amostras de campo de concentrações e tipos críticos de minerais.
Além dos dados publicados anteriormente, a equipe recebeu novas amostras da Mina Brook para auxiliar neste esforço. A recuperação de um núcleo contínuo de 200 pés de comprimento da Mina Brook com todos os tipos de rocha representativos da Bacia do Rio Powder ajudou a confirmar a presença de minerais críticos e REE, de acordo com Montross.
“Com a análise central que fizemos na NETL, começamos a identificar que os mecanismos originais não ocorriam apenas no leito de carvão, mas provavelmente também aconteciam nas outras camadas”, disse ele.
Como um recurso não convencional, a Mina Brook compreende mais de 15.800 acres fora de Sheridan. É uma das maiores reservas minerais controladas de forma privada no oeste dos EUA, segundo Ramaco. A equipe NETL discutiu com a empresa em 2021 a oportunidade de obter dados de validação e ajudar a demonstrar o modelo URC como um caso de teste. Aproximadamente 4.500 acres foram permitidos para mineração em 2020, onde foi conduzido o programa inicial de exploração e avaliação.
“Solicitamos amostras e depois as preparamos para análise para testar o modelo”, disse Thomas. “À medida que aprendemos mais sobre estes depósitos não convencionais, a ciência envolvida nesse modelo acabará por mudar à medida que continuamos a aprender sobre novos tipos de mecanismos de enriquecimento, onde podemos aprender detalhes sobre os dados que apoiariam esses mecanismos de enriquecimento.”
Ele acrescentou que a capacidade do modelo de “identificar esses recursos minerais que ninguém antes tinha em seus livros” o entusiasma com o projeto. “Estamos identificando o valor dos minerais enterrados que ninguém ainda reconheceu como um ativo para o país”, disse ele.
A Mina Brook está entre as maiores concentrações relativas de REEs magnéticos já descobertos, incluindo HREEs térbio e disprósio, bem como LREEs neodímio e praseodímio. As estimativas iniciais são de que aproximadamente 28% das concentrações de depósitos podem estar na forma de REEs magnéticos, segundo Ramaco. Os resultados dos testes foram confirmados por engenheiros de minas independentes da Weir International.
Ramaco disse que o desenvolvimento da mineração na mina Brook começou em outubro. Os 11.300 acres adicionais também serão avaliados e poderão proporcionar oportunidades para aumentar a escala do desenvolvimento global no futuro.
Procura-se ajuda
Encontrar estes depósitos é um primeiro passo significativo numa longa jornada que inclui o desenvolvimento de métodos de extração e produção que sejam escaláveis, econômicos, eficientes e sustentáveis. Todos são processos nos quais a indústria petrolífera possui profundo conhecimento e experiência.
A crescente procura de minerais críticos cria oportunidades de colaboração e transferência de tecnologia entre as indústrias petrolífera e mineira. Também permite o desenvolvimento de novos métodos de avaliação, extração e refinamento de recursos, tornando possível obter novo valor de poços de petróleo e gás ou minas de carvão existentes.
O modelo URC se aplica a muitos ambientes geológicos, mas também é um ponto de partida, segundo Rose.
“Com o estado atual do conhecimento da ciência básica da geologia que controla como e onde esses recursos ocorrem, o modelo usa uma combinação de experiência em sistemas de geociências com métodos de inteligência artificial para fornecer uma abordagem sistemática de modelagem preditiva de recursos. Esta abordagem também pode se beneficiar da experiência da indústria de petróleo e mineração em modelagem subterrânea”, disse ela.
Refinar e melhorar ainda mais o modelo requer dados, algo que a indústria do petróleo tem grandes quantidades armazenadas em lagos de dados suficientes para criar oceanos de dados. Mas muitos dos dados da indústria estão trancados a sete chaves, tornando-os indisponíveis no momento, para esforços em grande escala baseados em IA como este.
“A indústria do petróleo é restritiva quanto ao que partilha”, disse Rose. “Mas existem novas formas de proteger os dados e um reconhecimento crescente de que os modelos de IA baseados em dados beneficiam de escalas maiores de entrada de dados. Portanto, talvez haja potencial de coordenação para ajudar a acelerar o amadurecimento deste tipo de modelagem que também pode beneficiar o público, as comunidades energéticas e o setor comercial, à medida que todos trabalhamos para desbloquear oportunidades de energia limpa.”
Um dos pontos fortes do modelo e método de avaliação URC é que, por utilizar inteligência artificial, não considera um único domínio do quebra-cabeça.
“O modelo URC utiliza grandes modelos de IA para melhorar as previsões e detalhes locais, mesmo onde os dados podem ser escassos ou indisponíveis. Ele analisa o panorama geral para melhorar as previsões para locais específicos”, disse Rose.
Ela acrescentou que os dados não precisam ser específicos de terras raras ou minerais críticos. “Na verdade, a maioria dos dados que existem hoje não estão vinculados às medições diretas explícitas de minerais críticos. Precisamos de mais dados para validação e para melhorar modelos, mas o método URC, como muitos métodos de avaliação de recursos, depende de dados sobre os sistemas que levam a acumulações, medições indiretas que resultam em insights e na capacidade de prever sistematicamente a probabilidade de um acúmulo”, disse ela.
“O envolvimento do sector mineiro na partilha de dados foi uma das razões pelas quais este projeto pôde progredir tão rapidamente.”
Tal como os recursos não convencionais de petróleo e gás que a NETL ajudou a desbloquear através do seu Projecto Eastern Gas Shales, existem desafios semelhantes no que diz respeito a desbloquear o potencial de minerais críticos e REE não convencionais.
“Tal como aconteceu com o espaço não convencional de petróleo e gás há décadas, o espaço não convencional de minerais críticos é aquele onde ainda não desenvolvemos as tecnologias para extração e recuperação”, disse Thomas. “Para avançar com isso, não conhecemos necessariamente a economia ou o potencial de extração. É isso que mantém o projeto avançando.
“Antigamente, encontrávamos jazidas de petróleo e gás em locais específicos. Com a tecnologia certa, a revolução não convencional do petróleo e do gás tornou possível perfurar literalmente em qualquer lugar sem errar”, disse Thomas. “Nossa capacidade de aprofundar e depois lateralmente tornou possível atingir um recurso específico e estreito nos sedimentos. Ao pensarmos no longo prazo, como retiraremos esses minerais críticos do solo?”
No final das contas, o objetivo das indústrias de petróleo e mineração é o mesmo: extrair recursos do subsolo da Terra. É a maneira como cada setor atinge esse objetivo que é diferente. De acordo com Thomas, as minas são mais lentas a desenvolver e são “extremamente lentas a melhorar ao longo do tempo porque constroem ativos fixos, com instalações equipadas com sistemas personalizados”.
Ele disse que a experiência fundamental da capacidade da indústria petrolífera de perfurar e completar poços e depois extrair e processar na superfície é uma vantagem.
“A mineração não tem o ciclo de desenvolvimento rápido da indústria de petróleo e gás de perfurar, aprender e repetir”, disse ele. “O gás natural é tão barato de produzir porque nos tornamos muito bons em perfurar e produzi-lo ao longo do tempo porque tentamos centenas de milhares de vezes. Você não pode fazer isso com minas. A dependência mineral crítica neste país deve estar ligada a uma tecnologia que possa melhorar rapidamente e tornar-se mais barata ao longo do tempo. É aí que chegaremos ao ponto da abundância mineral e não da dependência mineral de fontes estrangeiras.”
Trabalhando em conjunto, as indústrias petrolífera e mineira podem ajudar a impulsionar a inovação para um futuro seguro. Ao combinar conhecimentos geológicos com conhecimentos industriais e inteligência artificial, podem ser realizados recursos importantes e o potencial para uma cadeia de abastecimento forte nos EUA.
Publicado originalmente no Jornal de Tecnologia de Petróleo
Por Jennifer Presley
Jennifer Presley é editora sênior de tecnologia do Journal of Petroleum Technology da SPE. Ela é especialista em comunicações e editora há 23 anos, a maior parte dos quais dedicada à cobertura da indústria upstream de petróleo e gás.