A inevitável eletrificação da indústria química : ABEQ

Olá, leitoras e leitores.

O assunto desta coluna é também sobre expectativas, mas para a indústria química.

Especificamente, sobre a inevitável eletrificação da indústria química em um futuro próximo.

Entenda-se aqui eletrificação como a substituição da energia térmica proveniente de combustíveis fósseis por eletricidade proveniente de fontes renováveis ou que não resultem em emissão líquida de gás carbônico para a atmosfera.

Em menor grau, espera-se que a eletrificação da indústria química também substitua, ainda que parcialmente, matérias-primas provenientes do petróleo por outras que também não resultem em emissão de gás carbônico para a atmosfera.

Em outras palavras, a eletrificação é um dos caminhos para a descarbonização – ou redução da emissão de gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera – da indústria (química).

Em termos globais, a indústria consumia 37% de toda energia em 2016, sendo 60% gerada pela queima de combustíveis fósseis e apenas 27% proveniente de eletricidade (o carvão era 30%, principalmente devido à crescente industrialização da China e da Índia).

Na indústria química, especificamente, o consumo de eletricidade era cerca de 20% do total da energia consumida em 2016 (Wei et al., 2019).

As cinco principais commodities químicas com os maiores volumes de produção e consumo de energia são amônia, etileno, propileno, metanol e benzeno/tolueno/xileno (BTX) (Schiffer e Manthiram, 2017).

Estes produtos químicos de alto volume são usados para produzir outras commodities químicas, especialidades químicas ou produtos acabados.

Por exemplo, amônia é necessária para a produção de acrilonitrila, hidrazina, fenol, ácido nítrico e ureia; e é eventualmente incorporada a fertilizantes, produtos de limpeza e plásticos.

Consumo de energia não é um problema em si, mas, como se pode observar na Figura 1, o ele está normalmente ligado à emissão de GEE.

Esta, por sua vez, ocorre pela queima de combustíveis fósseis durante a produção, mas também devido à produção de hidrogênio H2 – matéria-prima da amônia, por exemplo – a partir da reforma a vapor do metano CH4, o que também gera CO2.

A inevitável eletrificação da indústria química - ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Figura 1: Consumo de energia e pegada de carbono de produtos químicos de alto volume. Comparação de consumo de energia (A) e emissões de gases de efeito estufa (GEE) (B) em função do volume de produção para os principais produtos químicos, em volume, em 2010. As emissões de GEE são expressas como megatoneladas de dióxido de carbono equivalente (Adaptado de Schiffer e Manthiram, 2017).

Portanto, a partir dos exemplos mencionados, pode-se concluir que a tal descarbonização da indústria química deve se dar principalmente pela substituição da queima de combustíveis fósseis para a geração de calor e da reforma do metano para obtenção de hidrogênio.

Nos EUA, a eletricidade é usada pela indústria predominantemente para controle de processos, movimentação de fluidos e resfriamento. Apenas 14% da eletricidade era usada, em 2016, para fornecer aquecimento (Wei et al., 2019).

Power-to-Heat (PtH) é o termo usado para descrever as tecnologias de conversão de energia em que a eletricidade é especificamente transformada em calor.

Essas tecnologias podem ser processos puramente elétricos que convertem eletricidade direta ou indiretamente em calor como a principal fonte de energia, ou processos em que a eletricidade serve como energia auxiliar para elevar o calor de baixa temperatura existente (por exemplo, calor residual ou calor ambiental) para um nível de temperatura maior e, portanto, tecnicamente utilizável (Schuewer e Schneider, 2018).

Para entender melhor o conceito de PtH, considere a destilação de 1000 kg/h de uma solução de 30% em massa de etanol em água.

Para que a destilação ocorra, a coluna demandará energia térmica no refervedor do fundo da coluna, normalmente obtida da condensação de vapor gerado em uma caldeira cujo combustível mais comum é gás natural.

A simulação deste processo no software ASPEN Plus resultou em uma coluna com razão de refluxo de 0,4 e um consumo de cerca de 65 kcal/s no refervedor – o equivalente a 430 kg de vapor por hora (Figura 2).

Outra maneira de obter a energia requerida pelo refervedor seria pela recompressão mecânica do produto de topo, destilado, e a sua posterior condensação.

A recompressão consumiria eletricidade, em vez de calor de uma caldeira. A simulação mostrou que o uso de 100 kW em um compressor isoentrópico resultaria em um vapor a 346°C (e 53 bar de pressão!). A condensação deste vapor produziria 70 kcal/s, mais do que suficiente para suprir a coluna.

A inevitável eletrificação da indústria química - ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Figura 2: Simulação da recompressão mecânica do vapor da coluna de destilação para suprir a demanda energética do refervedor.

Várias considerações podem ser feitas sobre o exemplo apresentado: trata-se de uma rápida simulação que não foi otimizada, e a recompressão do destilado não será sempre uma alternativa viável para suprir o calor requerido pela destilação.

Ainda, a recompressão do destilado impõe altas pressões que demandam equipamentos mais caros para suportá-las.

Outras duas observações muito importante sobre o exemplo apresentado.

A recompressão só deve ser considerada se a eletricidade tem origem limpa e, especificamente para o Brasil, não faz o menor sentido usar eletricidade para destilar um produto cujo processo atual já é todo baseado em energia renovável – no caso, a queima do bagaço de cana.

Esta última observação pode ser generalizada em um aspecto muito favorável ao Brasil: as biorrefinarias são outra alternativa para a descarbonização da indústria química, a cana-de-açúcar é uma plataforma comprovadamente viável para a implantação de biorrefinarias, e o Brasil com suas usinas de açúcar e álcool estaria a meio caminho de uma indústria química ambientalmente sustentável.

Outro aspecto que aumenta muito a pegada de carbono da indústria química é a produção de hidrogênio pela reforma a vapor do metano. Neste caso, a alternativa é a eletrólise da água. O Quadro 1 permite a comparação das alternativas.

A inevitável eletrificação da indústria química - ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto

Quadro 1: Comparação das alternativas para produção de hidrogênio

Também no caso da produção de hidrogênio, a eletrólise só faz sentido se for utilizada eletricidade cuja fonte não emita GEE para a atmosfera.

Os desafios para a eletrificação da indústria química passam pelos custos da eletricidade em relação aos combustíveis fósseis, os custos da conversão da tecnologia e a disponibilidade da eletricidade limpa.

E a disponibilidade da eletricidade limpa passa pelo desafio do armazenamento, já discutido neste espaço (“O desafio do armazenamento de energia renovável”, Química e Derivados edição 618).

A indústria química pode ter papel importante no armazenamento de energia renovável por meio da produção de hidrogênio, metano, metanol, ou dimetil-éter como transportadores de energia.

Se o Brasil teria imenso potencial para reduzir a pegada de carbono de sua indústria (química) por meio da eletrificação, dado que nossa matriz energética é ainda em grande parte proveniente de fontes renováveis, e da implantação de biorrefinarias baseadas na cana-de-açúcar, as escolhas para produção de energia no Brasil não foram sempre as mais eficientes.

Petróleo & Energia:
André Bernardo

Grandes hidrelétricas a fio d’água (Belo Monte, Santo Antônio e Jirau), intervenção estatal em tarifas de eletricidade, investimento insuficiente e confusão tributária levaram a altos custos para o consumidor e risco de racionamento – mais de uma vez, e de novo agora.

Disponibilidade de metano sem um arcabouço jurídico que proteja o investimento levava à reinjeção do metano de volta aos poços – a nova Lei do Gás Natural (Lei nº 14.134, de 2021) é uma promessa de melhoria para o futuro.

Há muito a ser feito e muito trabalho é necessário. Mas se o governante de plantão tem duas horas de trabalho por dia na agenda, e o “trabalho” inclui inauguração de mata-burro e ponto de wi-fi em pracinha, e acenar para caminhoneiro em beira de estrada, estamos perdendo tempo precioso.

A privatização da estatal de eletricidade parece ser feita aos trancos e barrancos para que o coach de plantão no Ministério da Economia tenha sua foto com o martelinho de leilão na mão, e inclui “jabutis” de 84 bilhões de reais (que se somam aos 70 bilhões de reais que quem queria estocar vento já tinha nos deixado de presente).

O futuro não me parece promissor. Espero estar enganado.

Referências

D. Schuewer, C. Schneider, “Electrification of industrial process heat: long-term applications, potentials and impacts”, ECEEE INDUSTRIAL SUMMER STUDY PROCEEDINGS. TECHNOLOGY, p. 411-422, 2018.

K. Van Geem, V. Galvita, and G. Marin, “Making chemicals with electricity,” SCIENCE, vol. 364, no. 6442. American Association for the Advancement of Science (AAAS), pp. 734–735, 2019.

M. Wei, C. A. McMillan, S. de la Rue du Can, S. Electrification of Industry: Potential, Challenges and Outlook. Curr Sustainable Renewable Energy Rep 2019, 6 (4), 140–148. https://doi.org/10.1007/s40518-019-00136-1.

Z. J. Schiffer, K. Manthiram. “Electrification and Decarbonization of the Chemical Industry.” Joule 1, 1, pp. 10-14, 2017.

Petróleo & Energia:

ABEQ

A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos. Mais informações: https://www.abeq.org.br/

Texto: André Bernardo

O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. Contato: [email protected]

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