A inevitável eletrificação da indústria química - ABEQ
Indústria química deve eletrificar processos
Quimica e Derivados2 de setembro de 2021
No momento em que escrevo, minha esposa já tomou a primeira dose da vacina contra a Covid-19, e a minha expectativa é de que eu também o faça até o fim deste mês de junho.
Há a previsão de que toda população adulta do Estado de São Paulo e de outros estados se vacine nos próximos meses, e possamos iniciar a transição para uma vida mais próxima do que chamávamos 'normal'.
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.
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!).