Carvão

A sequência da carbonificação

O carvão se forma sempre que a produtividade vegetal supera a decomposição, quase sempre em ambientes encharcados e pobres em oxigênio, como pântanos arborizados, brejos e turfeiras costeiras. Os restos vegetais submersos resistem à decomposição microbiana completa, acumulam-se na forma de turfa e são soterrados por novos sedimentos. O aumento da temperatura e da pressão provoca, então, a expulsão progressiva de água, metano, dióxido de carbono e outros voláteis. Esse processo é chamado de carbonificação.

O resultado é uma série contínua de rochas cada vez mais ricas em carbono:

Estágio	Carbono (% dmmf*)	Poder calorífico (MJ/kg)	Refletância da vitrinita Ro (%)
Turfa	~50–60	~10–15	<0,3
Linhito	60–75	15–19	0,3–0,5
Sub-betuminoso	75–80	19–24	0,5–0,6
Betuminoso	80–90	24–35	0,6–2,0
Antracito	>90	32–35	>2,0

A refletância da vitrinita, a porcentagem de luz refletida por uma superfície polida de vitrinita sob imersão em óleo, é o indicador padrão de maturidade nas indústrias do petróleo e do carvão e também é muito usada para estimar as temperaturas máximas de soterramento na análise de bacias.

Por que tanto carvão se formou no Carbonífero

O Período Carbonífero (≈359–299 Ma) deve seu nome ao carvão. Ele produziu mais carvão economicamente lavrável do que qualquer outro intervalo da história da Terra, e por larga margem. A explicação popular, repetida durante anos em livros didáticos e em artigos de divulgação científica, era a hipótese do atraso evolutivo: as plantas lenhosas terrestres haviam acabado de desenvolver a lignina (um biopolímero resistente das paredes celulares), mas os fungos capazes de degradá-la ainda não tinham surgido, de modo que a madeira morta se acumulou sem apodrecer por dezenas de milhões de anos.

Essa hipótese não é mais aceita. Um estudo de 2016 publicado na PNAS, de Nelsen, DiMichele, Peters e Boyce, reuniu evidências filogenômicas, geoquímicas, paleontológicas e estratigráficas contra ela [4]:

• Muitas das plantas dominantes formadoras de carvão no Carbonífero, em especial os licopsídeos gigantes, como Lepidodendron e Sigillaria, eram constituídas sobretudo por tecidos de periderme pobres em lignina, e não por madeira rica em lignina.

• As evidências fósseis e filogenômicas indicam que fungos decompositores de lignina, e outros micróbios capazes de atacá-la, quase certamente estiveram presentes durante todo o Carbonífero.

• Uma Terra em que a lignina simplesmente não se decompusesse teria gerado desequilíbrios no oxigênio atmosférico e no ciclo do carbono totalmente incompatíveis com o registro geológico.

O consenso atual é que o acúmulo de carvão no Carbonífero reflete uma coincidência de condições tectônicas e climáticas: colisões continentais que originaram bacias equatoriais extensas e de baixo relevo durante a formação da Pangeia; um clima úmido de estufa, pontuado por ciclos glacioeustáticos do nível do mar que afogaram e voltaram a expor os pântanos costeiros repetidas vezes; e a expansão de vastas áreas úmidas formadoras de turfa por onde hoje estão o leste da América do Norte, o oeste da Europa e partes da China. O carvão não se acumulou porque nada era capaz de apodrecê-lo. Acumulou-se porque as plantas certas cresceram nos lugares certos, na hora certa.

O carvão é classificado por seu rank, isto é, seu grau de metamorfismo, e não por seu “grade”. O “grade” é um conceito à parte, que descreve a pureza (teor de matéria mineral e de enxofre). A norma americana ASTM D388-19a separa os carvões em quatro classes de rank com base no carbono fixo (para os carvões de rank mais alto) e no poder calorífico superior (para os de rank mais baixo), ambos calculados em base livre de matéria mineral.

Turfa (precursora)

Tecnicamente, não é carvão, mas o material de partida. A turfa atual se acumula a cerca de 0,5–1 mm por ano. Formar uma camada de carvão de 10 metros implica, portanto, dezenas de milhares de anos de acúmulo contínuo, com uma razão de compactação de turfa para carvão de 7:1 a 10:1, conforme o rank final.

Linhito (“carvão marrom”)

O carvão de menor rank. Macio, friável, muitas vezes ainda com estrutura vegetal visível. Poder calorífico de 15–19 MJ/kg. O alto teor de umidade (30–60%) inviabiliza economicamente o transporte a longas distâncias, de modo que o linhito costuma ser queimado em usinas termelétricas instaladas na boca da mina. Principais produtores: Alemanha (Bacia da Renânia), Grécia, Austrália (Vale de Latrobe) e partes da China.

Carvão sub-betuminoso

Do preto ao preto fosco, com teor de carbono de 75–80% em base seca e livre de matéria mineral. É o rank dominante na Bacia do Powder River (Wyoming e Montana), que produz cerca de 40% do carvão dos EUA e é uma das maiores fontes individuais de carvão energético do mundo.

Carvão betuminoso

O rank de maior importância econômica. Duro, bandado e muito variável: a ASTM D388 o subdivide em grupos de baixa, média e alta volatilidade. Os carvões betuminosos de média e baixa volatilidade que incham e se fundem quando aquecidos são chamados de carvões coqueificáveis e são o único rank adequado para a produção de coque metalúrgico. Entre os principais produtores de carvão betuminoso estão a Bacia dos Apalaches (EUA), a Bacia de Bowen (Austrália), a Bacia de Donetsk (Ucrânia e Rússia) e a província de Shanxi (China).

Antracito

O rank mais alto. Duro, brilhante, com fratura conchoidal e mais de 86% de carbono fixo. Queima com uma chama curta e sem fumaça. Raro em escala global, provavelmente menos de 1% das reservas mundiais de carvão, o antracito só se forma onde o carvão betuminoso passou por metamorfismo regional de baixo grau, em geral perto das margens de cinturões orogênicos. O Campo Carbonífero de Antracito da Pensilvânia (EUA) e a Bacia de Quang Ninh, no Vietnã, são os maiores produtores em atividade.

Há camadas de carvão exploráveis em todos os continentes, exceto na Antártida, onde elas existem, mas não são lavradas por força do Tratado Antártico. As bacias mais produtivas do mundo se concentram em três intervalos: o Carbonífero Superior–Permiano (carvões do Hemisfério Norte e gondwânicos), o Triássico–Jurássico (partes da China e da Austrália) e o Cretáceo–Paleógeno (Bacia do Powder River, Indonésia, partes da Europa central).

China

O maior produtor e consumidor, por uma margem enorme: cerca de 4,6 bilhões de toneladas em 2024, aproximadamente metade da produção mundial. A maior parte da produção vem das províncias de Shanxi, Mongólia Interior e Shaanxi: Shanxi lavra camadas do Carbonífero–Permiano do Bloco da China do Norte, enquanto grande parte da produção da Mongólia Interior e de Shaanxi vem de camadas jurássicas da Bacia de Ordos. Só Shanxi produz anualmente mais carvão do que qualquer país, exceto a Índia.

Índia

Segundo maior produtor, com a produção crescendo cerca de 7% em 2024. As principais bacias são o Vale do Damodar, de idade permiana (Jharkhand, Bengala Ocidental), e os campos de Mahanadi/Talcher, em Odisha. O carvão indiano é, em sua maior parte, carvão energético com muitas cinzas e pouco enxofre, que alimenta a geração de energia elétrica do país.

Indonésia

Terceiro maior produtor e maior exportador mundial de carvão energético por via marítima. A mineração se concentra em Kalimantan e Sumatra, onde carvões do Eoceno ao Mioceno, originados de antigos sistemas de áreas úmidas tropicais, são extraídos em grandes minas a céu aberto. A produção indonésia superou 800 Mt em 2024.

Estados Unidos

A Formação Fort Union, do Paleoceno–Eoceno, na Bacia do Powder River (Wyoming e Montana), abriga camadas de até 30 m de espessura, entre as mais espessas do mundo, e fornece a maior parte do carvão energético dos EUA. A Bacia dos Apalaches, do Carbonífero (Pensilvaniano), produz carvões betuminosos de rank mais alto, incluindo a maior parte da tonelagem de carvão metalúrgico exportada pelos EUA.

Austrália

O quarto maior produtor e o principal exportador de carvão metalúrgico. A Bacia de Bowen (Queensland) e a Bacia de Sydney–Gunnedah (Nova Gales do Sul), ambas permianas, concentram a maior parte da produção. A Agência Internacional de Energia (AIE) projeta que a Austrália ultrapassará os EUA e a Rússia na produção total de carvão até 2027.

Rússia, Colômbia, África do Sul

A Bacia de Kuznetsk (Sibéria), na Rússia, está entre as maiores reservas de carvão do mundo; as sanções restringiram as exportações, mas não as interromperam. O campo carbonífero de Witbank, na África do Sul, abastece tanto a geração doméstica quanto os mercados de exportação. A mina de Cerrejón, na Colômbia, é uma importante exportadora da bacia do Atlântico.

Carvão energético (geração de eletricidade)

Cerca de dois terços do carvão extraído são queimados em usinas termelétricas. O carvão pulverizado é injetado na fornalha de uma caldeira, onde a combustão a 1.500–1.700 °C gera vapor que aciona turbinas. Em 2024, o carvão ainda fornecia cerca de 35% da eletricidade mundial, a menor participação desde a criação da AIE, em 1974, mas ainda assim a maior fonte isolada.

Carvão metalúrgico (siderurgia)

Os carvões coqueificáveis duros são aquecidos a 1.000–1.100 °C na ausência de oxigênio, o que expulsa os voláteis e funde o resíduo em um coque poroso e rico em carbono. O coque serve tanto de agente redutor quanto de suporte estrutural nos altos-fornos, onde converte o minério de óxido de ferro em ferro-gusa fundido. Cerca de 70% do aço do mundo ainda é produzido por essa rota, o que torna o carvão coqueificável praticamente insubstituível nos horizontes de tempo da tecnologia atual, embora a redução direta com hidrogênio seja o principal caminho de descarbonização em desenvolvimento.

Cimento, produtos químicos e liquefação do carvão

O carvão é muito usado como combustível de fornos na produção de cimento, em que as altas temperaturas (~1.450 °C) necessárias para formar o clínquer tornam cara a substituição por gás natural. O carvão também pode ser gaseificado ou liquefeito diretamente para produzir gás de síntese, metanol, amônia e diesel sintético. Em escala industrial, isso é dominado pelas instalações da Sasol, na África do Sul, e por um setor chinês de carboquímica em crescimento. No cenário global, porém, a liquefação do carvão continua sendo um mercado marginal.

O metano, gerado como subproduto da carbonificação e adsorvido na enorme superfície interna do carvão, é ao mesmo tempo um perigo e um recurso. Ele é responsável pela maioria das explosões em minas subterrâneas de carvão, e a pré-drenagem hoje é padrão nas operações profundas. O metano de camadas de carvão (CBM, do inglês coalbed methane) também passou a responder por uma parcela significativa da produção de gás natural nos EUA (bacias de San Juan e Powder River) e na Austrália (bacias de Bowen e Surat). Além disso, as camadas de carvão armazenam dióxido de carbono, e a troca de CO₂ por CH₄ nelas é uma área ativa de pesquisa em armazenamento de carbono.

A demanda mundial de carvão atingiu um recorde histórico em 2024, de cerca de 8,77 bilhões de toneladas, puxada pelo crescimento da demanda de energia na Índia, no Sudeste Asiático e na China. Ao mesmo tempo, a participação do carvão na matriz elétrica mundial vem caindo há duas décadas, à medida que as energias renováveis e o gás se expandem. Saber se o uso do carvão atingirá o pico na década de 2020, na de 2030 ou mais tarde depende quase inteiramente da trajetória da demanda de eletricidade da China e do ritmo de expansão da energia solar, eólica, nuclear e do armazenamento. O fechamento da última usina a carvão do Reino Unido, em setembro de 2024, foi um marco simbólico para o país onde nasceu a economia do carvão.

Para os geólogos, o carvão continua sendo um material notável: ao mesmo tempo um arquivo de ecossistemas antigos, um registro paleoclimático e uma commodity industrial ainda em pleno funcionamento.

O carvão é uma rocha ou um mineral?

O carvão é uma rocha, mais precisamente uma rocha sedimentar orgânica. Não é um mineral, porque não tem uma estrutura cristalina fixa nem uma composição química definida.

Quanto tempo o carvão leva para se formar?

A transformação da turfa em carvão betuminoso exige soterramento sob vários quilômetros de sedimentos por pelo menos dezenas de milhões de anos; o antracito exige soterramento ainda mais profundo ou metamorfismo regional. A maior parte do carvão economicamente lavrável tem entre 100 e 350 milhões de anos.

Qual é a diferença entre rank e grade do carvão?

O rank descreve o grau de carbonificação (linhito → antracito). O grade descreve a pureza, sobretudo a proporção de matéria mineral (cinzas) e de contaminantes, como o enxofre. Um carvão de rank alto ainda pode ter grade baixo se contiver muitas impurezas minerais.

Qual tipo de carvão tem mais energia?

O antracito tem o maior teor de carbono e a maior densidade de energia por quilograma. Alguns carvões betuminosos de baixa volatilidade se aproximam do antracito em poder calorífico, mas são mais fáceis de acender e queimar, e esse é um dos motivos pelos quais o antracito deixou de ser um combustível importante na geração moderna de eletricidade.

O carvão ainda está se formando hoje?

Sim. A turfa está se formando hoje em áreas úmidas tropicais e de altas latitudes e, com tempo geológico suficiente e a história de soterramento adequada, parte dela acabará se transformando em carvão. Mas a taxa global de acúmulo de turfa está muitas ordens de grandeza abaixo da taxa em que o carvão é extraído.