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Exemplo para integrar energias alternativas

O tema energia aparece cada vez mais no noticiário com justa razão, pois nos afeta em nossas atividades diárias passando pelo preparo de nossa refeição, nossa locomoção e na produção de produtos que consumimos. Quero chamar a atenção do leitor para o aspecto da energia consumida no processo de produção de Biodiesel. Embora tenha escolhido este exemplo, o consumo de energia quer na produção de combustíveis, na geração e distribuição de energia elétrica ou ainda na construção de um coletor de energia solar, além de todos os demais produtos usados em nossa sociedade é um aspecto a ser considerado na eficiência global da particular forma de energia final considerada.
O Brasil se esforça por implementar energias alternativas renováveis complementares àquelas formas convencionais utilizadas de maneira a aumentar nossa oferta de energia sem introduzir cargas poluentes irreversíveis no meio ambiente. Assim temos os pares: gasolina/álcool; diesel/biodiesel; hidroeletricidade + térmicas a gás ou óleo/eólica + energia solar fotovoltaica ou térmica; vapor de processo (óleo combustível + gás) e energia solar conversão térmica + biogás. Em qualquer um deles, existe um consumo próprio de energia até sua utilização final, um exemplo de redução do consumo de energia no processamento de petróleo, onde a percepção da possibilidade da separação de componentes em correntes de processo através de nanofiltração levou a reduções significativas no tamanho e consumo de energia de torres de destilação que junto com a operação unitária de secagem são intensivas consumidoras de energia.
O Biodiesel pode ser obtido do ponto de vista químico por meio de reação esquematizada na Figura 1. Nela é apresentado o triglicerídeo extraído como óleo a partir de algum vegetal que se faz reagir com um álcool, neste exemplo metanol em presença de um catalizador. Isto produz o metil-éster (biodiesel) e também glicerol.

reacao_quimica_figura

Esta viabilidade química é traduzida em forma de processo em várias concepções, a Figura 2 mostra um esquema adaptado de Tapasvi et al¹ para a produção de Biodiesel. O óleo vegetal refinado [1] é inserido no Reator 1 em conjunto com álcool e catalizador [2] em excesso, o resultado dessa reação é uma mistura de metil-éster, glicerol, metanol e triglicerídio [3]. O Decantador 1 faz a separação entre as fazes glicerol, contendo glicerol, álcool e catalizador [4] e a fase éster, contendo metil éster, óleo vegetal e álcool [5]. Esta fase éster [5] é inserida no Reator 2 aonde se adiciona em excesso metanol e catalizador [6]. Neste segundo reator aumenta-se a conversão global do óleo vegetal em metil-éster. A corrente de saída do Reator 2 [7] é composta também por uma fase glicerol e outra metil -éster separadas no Decantador 2 na corrente glicerol [8] e metil-éster [9]. Esta corrente de metil-éster [9] ainda contem álcool, algum óleo e glicerol, ela é aquecida no Trocador de Calor TC1 até 70ºC [10] e inserida em uma Torre de Lavagem. A Torre de Lavagem recebe uma corrente de água aquecida a 70ºC [11] e desta operação resultam duas correntes, uma corrente aquosa [12] e outra contendo o éster [13] que é enviada ao Decantador 3 aonde o metil-éster ´que sai na corrente [15] é separado do remanescente aquoso com glicerol que sai na corrente [14]. Finalmente o metil-éster [15] é aquecido no Trocador de Calor TC3 até 95ºC e enviando a uma Torre de Secagem TS a vácuo originando o Biodiesel [16] e uma corrente de umidade residual [17]. As correntes [4], [8], [12] e [14] são reunidas em um Tanque de Coleta. Como o fluxograma da Figura 2 sugere, o processamento do óleo vegetal para a produção de Biodiesel não envolve grande número de operações unitárias. Se os equipamentos são relativamente poucos os reagentes são caros e o excesso de álcool utilizado na reação química seja ele metanol ou etanol precisa ser recuperado assim como a quantidade significativa de glicerol precisa ser separada como um subproduto de valor comercial.

producao_biodiesel_figura2

A Figura 3, apresenta um fluxograma simplificado sugerido por Tapasvi et al¹ para a partir da mistura reunida no Tanque de Coleta da Figura 2 se obter a recuperação do álcool e a separação do glicerol. A mistura passa pelo Trocador de Calor TC4 sendo aquecida até 65ºC [1], temperatura de ebulição do metanol neste exemplo, e inserida no Stripper onde é injetada uma corrente de vapor superaquecido [2]. Uma corrente de vapor d’água e metanol [3] deixa a parte superior do Stripper e o Glicerol na corrente [4] deixa a sua base. A corrente [3] composta de metanol e água é inserida na Coluna de Destilação CD, sendo separada em uma corrente de topo [5] de Metanol que é reciclado para os reatores e uma corrente de fundo [6] de Água. A corrente de fundo do Stripper [4] é enviada ao Reator de Acidificação RA aonde é injetada uma corrente de ácido clorídrico [7]. Neste reator o catalizador presente formara metanol e cloreto de sódio que sairão do mesmo junto com o Glicerol na corrente [8]. Esta mistura da corrente [8] é enviada ao Decantador 4 que separa a corrente de Glicerol [9] do resíduo que sai na corrente [10]. Também neste processo de recuperação do metanol e do glicerol observa-se que as operações unitárias utilizadas são poucas e convencionais com todos os equipamentos com tecnologias disponíveis no Brasil.

recuperacao_metanol_biodiesel_figura3
O consumo de energia térmica neste processo de produção de Biodiesel sem levar em conta perdas, ou seja, apenas o necessário para atender às necessidades de processo foi estudado pela Eng. Msc. Regiane A. Borella Costa² em sua dissertação de Mestrado. Neste trabalho foi considerado um processamento de 100 kg/h de óleo de soja refinado que originam 100,5 kg/h de Biodiesel. A Tabela 1 resume as necessidades de energia térmica para as operações do processo sem considerar as perdas. Imaginemos que esta energia térmica viesse a ser atendida como vapor de aquecimento provido por um gerador de vapor que utilizasse o Biodiesel como combustível e que este equipamento tivesse uma eficiência de conversão de 80%. Tomando como referência o poder calorífico inferior do Biodiesel no valor de 38,9 MJ/kg deveríamos consumir no gerador de vapor [744,8/(38,9 x 0,8)] = 23,9 kg/h de Biodiesel para produzir 100,5 kg/h deste combustível ou seja 23,8% da produção. Ou seja, o equivalente a cerca de ¼ da produção é necessária para prover a energia térmica do processo. O mesmo estudo poderia ser feito para os processos produtivos de outros combustíveis convencionais ou alternativos. Para os demais processos da indústria química o estudo também poderia ser feito procurando determinar o consumo específico de energia por unidade de massa produzida [kJ/kg de produto] e implementando programas de eficiência energética.

tabela_1

Estes dados poderiam sugerir uma reflexão mais geral como colocada pelo analista Clóvis Rossi³ “a emergência ambiental que se esta dando em cidades chinesas faria soar todos os alarmes [final de 2012]: o mundo está vivendo uma situação de mudança climática que anuncia uma catástrofe em algum momento futuro”. Ainda segundo aquele analista “o altíssimo custo dos desastres causados por fenômenos climáticos extremos é reconhecido pelos relatórios da PricewaterhouseCoopers, do Fórum Econômico Mundial e pelo grupo segurador Zurich e não mais apenas pelos chamados grupos ambientalistas”. Conforme publicado na Folha de São Paulo4: “em 2012, os prejuízos decorrentes de catástrofes relacionadas ao clima alcançaram US$ 160 bilhões no mundo inteiro, segunda a Munich Re, uma das maiores companhias de resseguro”. Neste cenário citado o uso da energia é um fator preponderante no aspecto ambiental e econômico.
Em grande escala órgãos internacionais e governos locais podem fazer políticas que integrem estas ações de preservação ambiental que quando implementadas tem uma enorme abrangência, todavia os consensos são demorados, conforme se depreende da leitura do livro de Celso Amorim5.
Porém, todos aqueles e que são muitos que atuam diretamente em um único processo, podem refletir sobre ele e melhorá-lo rapidamente do ponto de vista energético com vistas ao meio ambiente além da redução de custos.
No exemplo que estamos descrevendo da produção de Biodiesel se vê que 76,4% da energia térmica consumida neste processo ocorrem no refervedor e no stripper da recuperação do metanol. É de se imaginar que outras tecnologias poderiam ser desenvolvidas, como a de separação por membranas, especificamente para a mistura glicerol-metanol, de maneira a se reduzir o consumo de energia nesta etapa do processo.
Por outro lado quando se observa o nível das temperaturas envolvidas no processo, percebe-se que 23,6% da energia consumida nele, estão abaixo de 100ºC. Esta energia poderia ser fornecida, por exemplo, através de óleo térmico aquecido a 150ºC enviado aos trocadores de calor a partir de um campo de coletores da radiação solar com conversão térmica.
Ficar na situação cômoda de que o alternativo é caro e que o processo sob nossa responsabilidade é bom como esta, é tudo aquilo que o diabo quer para manter aberta a porta do inferno ambiental. Gerencialmente é necessário colocar pessoal específico para estudar estes aspectos de melhorias, o pessoal de produção e manutenção já está por demais carregado para desincumbir-se de mais tarefas todavia deverá estar engajado firmemente nas mudanças. Enfrentar a questão energético-ambiental é dever de todos nós.

Para saber mais recomendo:
1. Papasvi et alii. Process Model for Biodiesel Production from Various Feedstocks. American Society of Agricultural Engineers, v48, p.2215-2221, 2005.
2. Regiane Adelina Borella Costa. Estudo das Eficiências de Operação e Consumo de Energia em Plantas de Produção de Biodiesel. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica USP. 2009.
3. Clovis Rossi. É tempo de fechar a porta do inferno. Folha de São Paulo. Mundo. 17 de janeiro de 2013. P. A20.
4. O ar que se respira. Folha de São Paulo. 26 de janeiro de 2013. P. A2
5. Celso Amorim. Conversas com jovens diplomatas. Benvirá. 2011. Cap 10. P.255-262.
6. Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética. PECE Programa de Ensino Continuado em Engenharia. Curso de Especialização. www.pecepoli.com.br.

Fonte: Prof. Dr. Cláudio Roberto de Freitas Pacheco – Engenheiro Mecânico, doutor em engenharia e Sócio-Diretor da GR Engenharia – Meio Ambiente, foi pesquisador do IPT-SP e professor de graduação e pós-graduação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo