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.

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.

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.