Ponto Crítico – A Energia Térmica nos processos industriais: Possibilidades para a energia solar na indústria

O noticiário dos jornais trata frequentemente da importante questão da energia elétrica em seus aspectos da geração, transmissão e distribuição¹. De fato, o nosso modelo, com base na hidroeletricidade, parece chegar aos seus limites de expansão e também gera apreensão em períodos de seca. Isso fez com que a geração de base térmica passasse a ser adicionada à base de geração, deixando a posição de complementação e atendimento do pico de consumo. Não deve ser esquecida a crescente implementação de parques eólicos que, em muitos textos, são olhados com ressalvas dentro de alegações de sua intermitência de geração, todavia, as recentes condições climáticas observadas no Brasil, quanto à pluviometria, ressaltam que a geração hidroelétrica também é intermitente, em que pese a possibilidade de o armazenamento da água amortecer as oscilações da intensidade das precipitações, sendo esta variabilidade administrada, como também pode ser a da energia eólica. No caso das termoelétricas, os combustíveis em disponibilidade são o carvão, biomassa, óleos combustíveis derivados do petróleo e gás natural. Os preços destes combustíveis crescem do carvão para o gás natural, porém, quando se incorporam as necessidades do meio ambiente, que impõem tratamentos aos efluentes sólidos, líquidos e gasosos gerados, os quais devem ser atendidos pela planta geradora, o custo da geração poderá resultar em certo equilíbrio para os diferentes combustíveis usados ou mesmo na ordem inversa àquela mencionada. É importante citar ainda os estudos para a incorporação do xisto betuminoso, o “shale oil”, como alternativa de combustível para essas termoelétricas, com preocupações ambientais tanto na produção do combustível como na sua queima. Esse cenário sem dúvida colocará uma pressão de oferta e de preço sobre os combustíveis utilizados nos processos industriais para suas diferentes operações unitárias que envolvam aquecimento. Tais fatos remetem para os gerentes industriais um conjunto de atividades voltadas tanto para a utilização eficiente da energia térmica em seus processos atuais, como também para a consideração de outros processos mais eficazes quanto à utilização dessa energia. Na coluna Ponto Crítico deste mês, procuro mostrar alguns aspectos fundamentais, que considero relevantes, na questão das operações unitárias de aquecimento industrial.

Tabela 1 – Porcentual da carga térmica por setor industrial, segundo o nível de temperatura na indústria europeia².

Em um processo de aquecimento industrial, a carga térmica em kcal/h ou kW e a temperatura a ser atingida pelo insumo em processo são dois parâmetros, entre outros, que definem o tamanho e as características do trocador de calor que será utilizado para transferir a energia contida no combustível para a corrente de processo. Claro está que também temos processo de aquecimento direto, sobre o qual não farei referência nesta coluna sem desconsiderar com isso a sua importância.

A Figura 1 traz o resultado de um estudo, realizado pela International Energy Agency (IEA²), que apresenta a distribuição porcentual da carga térmica nas indústrias europeias com a temperatura. A Tabela 1 apresenta esta mesma distribuição, porém discriminada por setor industrial. Como se pode observar, o número de setores em que o porcentual da carga térmica se concentra em baixa e média temperatura é elevado.

O fluido de aquecimento utilizado deverá estar em temperatura superior àquela especificada para o aquecimento do material em processamento, de maneira que a diferença de temperaturas entre eles, combinada com a área disponível de troca térmica, permita um valor da taxa de troca de calor que atenda à carga térmica do processo.

Figura 1 – Porcentual da carga térmica segundo o nível de temperatura na indústria europeia².

A água na forma de vapor vem sendo utilizada desde os primórdios industriais como fluido de aquecimento. Usualmente, o gerador de vapor, bem regulado, queima um combustível transferindo pelo menos 80% do poder calorífico inferior para a água. O vapor gerado vai para um acumulador, de onde é distribuído por tubos mestres até os anéis ou grades de consumo, em pontos específicos do processo. Uma descrição mais pormenorizada a respeito dos sistemas de utilização industrial do vapor-d’água pode ser vista na coluna Ponto Crítico, de junho de 2010³. O vapor-d’água como fluido de transporte de energia tem seu ponto forte no fato de liberar para o fluido de processo sua entalpia de condensação, de valor elevado, como também é elevado o coeficiente de troca de calor convectivo deste processo de condensação. Todavia, um vapor saturado a 120ºC está a 0,2 MPa (2,0 kgf/cm²), porém, se o processo exigir vapor saturado a 275ºC, sua pressão será de 6,0 MPa (61,2 kgf/cm²), o que implica usar equipamentos mais robustos do ponto de vista estrutural. Outro aspecto a considerar é o bombeamento do condensado, que tem suas peculiaridades, sendo muitas vezes descartado, representando uma perda térmica, além do custo de se jogar fora água que já foi tratada.