potenciais técnicos de conservação de energia na indústria brasileira, com destaque para a...

Potenciais técnicos de conservação de energia na indústria brasileira, com

destaque para a siderurgia

Sérgio Valdir BajayNúcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético - NIPE

Universidade Estadual de Campinas - Unicamp

Introdução

O Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético – NIPE, da Universidade Estadual de Campinas – Unicamp, desenvolveu para a Confederação Nacional da Indústria – CNI e o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – Procel um conjunto de estudos visando, entre outros objetivos, identificar potenciais técnicos de conservação de energia em diversos segmentos industriais no País e selecionar os sete segmentos de maior potencial

Potenciais de conservação de energia

Potencial termodinâmico

Potencial técnico

Potencial econômico

Potencial de mercado

Metodologia de cálculo empregada pelo NIPE/Unicamp para calcular os potenciais técnicos de conservação de energia

• Os segmentos industriais analisados pelo NIPE/Unicamp foram classificados em três categorias

• Em segmentos heterogêneos, ou seja, aqueles cujos produtos são muito diferenciados entre si, como as indústrias química e de alimentos e bebidas, se trabalhou com dados de consumos energéticos para os principais produtos agregados em cadeias produtivas

• Já em segmentos homogêneos, que fabricam produtos assemelhados, como cimento e ferro-ligas, os consumos energéticos foram agregados por etapas do processo produtivo

• Finalmente, no caso dos segmentos com carência de informações, como as fundições, os dados disponíveis foram tratados de uma forma agregada


• Os consumos, médio e mínimo, de energia térmica e energia elétrica de cada produto principal, ou de cada etapa produtiva, foram calculados multiplicando-se a produção física anual nacional pelos consumos energéticos específicos, médio e mínimo, de energia térmica e eletricidade

• O consumo específico médio representa a média nacional da energia consumida por unidade física de produto dentro de um processo industrial. Por outro lado, o consumo específico mínimo representa a quantidade de energia que seria consumida pelas empresas industriais se todas elas adotassem tecnologias, equipamentos e práticas de gestão que correspondem ao estado da arte, em termos de eficiência energética (Best Available Technologies – BAT’s)

• As diferenças entre os consumos, médio e mínimo, das energias térmica e elétrica fornecem os correspondentes potenciais técnicos de conservação de energia


• Tanto os consumos específicos, como os dados de produção física para cada produto ou etapa produtiva foram obtidos da literatura técnica, de anuários estatísticos e de visitas técnicas a algumas plantas industriais

• Os potenciais técnicos de conservação de energia, tanto térmica como elétrica, foram estimados por usos finais, com o auxílio de coeficientes de distribuição da energia consumida, tal qual feito no Balanço de Energia Útil – BEU

• Os usos finais da energia considerados neste trabalho foram os mesmos do BEU: aquecimento direto, calor de processo, força motriz, refrigeração, processos eletroquímicos, iluminação e outros usos finais

• Diferente do BEU, no entanto, o uso final aquecimento direto foi desagregado, graças à existência de dados em muitos dos segmentos analisados, em aquecimento direto em fornos, ou reatores químicos, e aquecimento direto em secadores

Potenciais técnicos relativos, como % do seu consumo energético total, e absolutos, em 103 tep, em 2007, de conservação de energia nos segmentos industriais analisados no País, segundo a literatura técnica

consultada

Segmentos industriais: Potenciais relativos (%) Potenciais absolutos em 2007 (103 tep)

Alimentos e bebidas 10 2.126,20

Siderurgia 20 3.648,20

Celulose e papel 9 769,95

Indústria química 21 1.620,15

Outras indústrias 8 522,00

Metais não-ferrosos 11 658,02

Indústria cerâmica 18 691,38

Cimento 19 640,87

Indústria extrativa mineral 6,5 217,23

Ferro-ligas 8,5 153,25

Indústria têxtil 6 76,50

Potenciais técnicos, absolutos, em tep, e relativos, em %, de conservação de energia térmica, eletricidade e consumo total de

energia dos segmentos industriais analisados no projeto

Segmentosindustriais

Ano Energia térmica Energia elétrica Total

Pot. abs. (tep) Pot. rel. (%) Pot. abs. (tep) Pot. rel. (%) Pot. abs. (tep) Pot. rel. (%)

Indústria siderúrgica 2007 5.774.921 34,7 1.048.073 66,4 6.822.994 37,4

Indústria cerâmica 2007 1.464.345 41,0 28.427 10,0 1.492.772 38,9

Indústria química 2006 1.284.667 23,4 188.973 10,0 1.473.640 20,0

Papel e celulose 2006 1.273.035 19,0 160.259 12,0 1.433.294 17,9

Indústria cimenteira 2007 912.958 30,4 144.147 38,8 1.057.105 31,3

Metais não ferrosos 2006 415.132 16,5 398.981 12,6 814.113 14,3

Alimentos e bebidas 2004 260.404 1,6 257.113 15,1 517.517 2,9

Indústria vidreira 2007 222.831 46,3 0 0 222.831 44,5

Fabricantes de cal 2007 172.191 23,0 50.105 64,6 222.296 27,0

Ind. extrativa mineral 2007 0 0 212.921 22,9 212.921 6,4

Indústria têxtil 2005 129.990 24,0 62.219 9,4 192.209 16,0

Fundições 2007 57.328 22,2 65.881 24,1 123.208 23,1

Ind. de ferro-ligas 2007 0 0 87.725 11,8 87.725 4,9

Potenciais técnicos de conservação de energia na indústria brasileira

• A indústria siderúrgica é a que possui os maiores potenciais absolutos de conservação e, também, o maior potencial relativo de conservação de energia elétrica

• A indústria cerâmica, por conta de seu segmento de cerâmica vermelha, é o que possui o segundo maior potencial, tanto em termos absolutos como relativos, de conservação de energia térmica e de consumo total de energia. Boa parte dos fabricantes de cerâmica vermelha são empresas de pequeno e médio porte, que ainda utilizam fornos e processos ineficientes, em termos de consumo energético, sobretudo de energia térmica

• O terceiro maior potencial técnico de conservação, em termos absolutos, tanto de energia térmica como de consumo total de energia é o da indústria química


• A indústria de papel e celulose possui o quarto maior potencial de conservação, em termos absolutos, de energia térmica e de consumo total de energia

• A indústria cimenteira ocupa a quinta posição na classificação dos maiores potenciais técnicos de conservação, em termos absolutos, tanto de energia térmica como de consumo total de energia

• A sexta posição nesta classificação pertence aos eletro-intensivos fabricantes de metais não ferrosos, que possuem o segundo maior potencial, em termos absolutos, de conservação de energia elétrica

• A indústria de alimentos e bebidas possui o sétimo maior potencial, em termos absolutos, de conservação de energia térmica e de consumo total de energia e o terceiro maior potencial, em termos absolutos, de conservação de eletricidade


• Tanto os potenciais técnicos de conservação de energia calculados pelo NIPE/Unicamp como os encontrados na literatura técnica consultada selecionaram os mesmos sete segmentos industriais, que são as indústrias siderúrgica, de cerâmica, química, de papel e celulose, de cimento, de metais não ferrosos, e de alimentos e bebidas

• O segmento denominado “outras indústrias” poderia, eventualmente, estar entre os sete segmentos industriais selecionados. Infelizmente, no entanto, este segmento, não energo-intensivo em sua maioria, é muito heterogêneo e carece de informações que possibilitem estimativas sobre seu potencial técnico de conservação de energia

• Os sete segmentos selecionados, junto com as “outras indústrias”, são as que mais consomem energia na indústria brasileira. As indústrias de metais não ferrosos, química, alimentos e bebidas, siderúrgica e de papel e celulose são também grandes consumidores de eletricidade. O segmento de metais não ferrosos e a indústria química é que possuem os maiores consumos específicos tanto de energia térmica como energia elétrica

Potencial técnico de conservação de energia nas usinas siderúrgicas brasileiras

Os grupos homogêneos da indústria siderúrgica brasileira são as usinas integradas, as usinas semi-integradas e os produtores independentes e as etapas do processo produtivo que foram simuladas neste trabalho são:

– coqueificação; – sinterização; – produção de ferro gusa, separada em usinas integradas e

produtores independentes;– produção de aço, separada em conversores a oxigênio e em

fornos elétricos;– laminação a quente; e – laminação a frio

Potencial de conservação de energia nas usinas siderúrgicas no Brasil em 2007, segundo estimativas elaboradas pelo NIPE/Unicamp para a CNI/Procel

Etapa do processo produtivo Produto

Potencial de conservação de energia (tEP)

Energia térmica Energia elétrica

Total por etapa

Aquecimento direto

Calor de processo

Força motriz

Eletrotermia

FornosCaldeiras

MotoresFornos a

arco

Coqueificação Coque 638.101 59.277 35.763 0 733.142

Sinterização Sínter 287.799 288 51.553 0 339.640

Redução – usinas integradasFerro-gusa

1.631.43636.699

287.9670

1.956.102

Redução – produtores independentes

Ferro-gusa

1.768.6640

00

1.768.664

Refino – conversores LD Aço bruto 452.340 50.260 113.085 0 615.685

Refino – fornos elétricos Aço bruto 24.540 1.319 0 164.852 190.711

Laminação a quente Aço bruto 593.139 6.597 205.996 0 805.733

Laminação a frio Aço bruto 164.530 59.931 188.857 0 413.317

Potencial de conservação de energia nas usinas siderúrgicas no Brasil em 2007, segundo estimativas elaboradas pelo NIPE/Unicamp para a CNI/Procel

• Os maiores potenciais de conservação estão nas etapas de redução, tanto por usinas integradas como por produtores independentes, usando energia térmica, nos fornos

• Em seguida vêm os potenciais associados às etapas de laminação a quente, coqueificação e refino com conversores LD, nesta seqüência, e com maiores potenciais de conservação de energia térmica do que energia elétrica

• O potencial técnico total de conservação de energia estimado para as usinas siderúrgicas no Brasil em 2007 foi de 6.822.994 tEP, representando 37,4% do total de energia consumida, naquele ano

Consumo e potencial de conservação de energia térmica nas usinas siderúrgicas no Brasil em 2007,

segundo o estudo do NIPE/Unicamp para a CNI/Procel

-1000000

0

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2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

9000000

Coq

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Sin

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Lam

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frio

tEP

Consumo mínimo Potencial técnico de conservação

Consumo e potencial de conservação de energia elétrica nas usinas siderúrgicas no Brasil em 2007,

segundo o estudo do NIPE/Unicamp para a CNI/Procel

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100.000

200.000

300.000

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tEP

Consumo mínimo Potencial técnico de conservação


• A economia potencial de energia térmica na coqueificação se reduz de 51% da demanda correspondente, quando se considera a BAT, para 19,3% da demanda, quando só são comparadas as usinas brasileiras

• Na etapa de sinterização, esta redução de economia potencial de energia térmica é de 24,7% da demanda, quando se compara com a BAT 20,5% da demanda, quando são levadas em conta só as usinas brasileiras

• A substancial economia de energia térmica de 20,5% da demanda dessa energia na produção de ferro gusa por usinas integradas, se reduz para 7,4% da demanda, quando se compara o desempenho energético só de usinas brasileira, e não mais com o desempenho da BAT


• Na produção de aço em conversores LD, a economia potencial de energia térmica quando se compara com a BAT corresponde a 177% da demanda dessa energia nesta etapa do processo produtivo; ou seja, a BAT propicia uma “exportação” de energia térmica para outras etapas do processo. Quando a comparação se restringe só às usinas brasileiras, esta economia potencial se reduz para 57,5% da demanda térmica correspondente

• O consumo específico mínimo de energia elétrica no alto forno mais eficiente na utilização deste energético, localizado no Brasil, foi negativo, i.e,, foi produzido mais eletricidade no alto forno, através de uma turbina de topo, do que foi consumido

Alguns dados internacionais

• A utilização das melhores tecnologias disponíveis no mercado podia propiciar economias de 9 a 18% no consumo de energia primária na indústria siderúrgica no mundo em 2004, de acordo com estimativas da Agência Internacional de Energia (IEA). Uma estimativa da mesma agência, publicada em 2008, indica um potencial técnico de conservação de energia, nesta indústria, de 21,1% em 2005

• Um estudo recente da IEA, que comparou o desempenho de quatro siderúrgicas integradas e oito fornos elétricos à arco no Canadá com uma planta modelo definida pela International Iron and Steel Institute concluiu que há um potencial técnico médio de conservação de energia nas siderúrgicas daquele país que varia de 25 a 30%

• Bernstein et alii (2007) mencionam potenciais econômicos de economia de energia de 18% na indústria siderúrgica americana e de 13% nas siderúrgicas européias, essencialmente com medidas de modernização e otimização energética de instalações já existentes


• Segundo estimativas da Agência Internacional de Energia, a injeção de carvão nos altos-fornos, substituindo coque, pode economizar 5% do consumo mundial de energia neste equipamento até 2015, 7% até 2030 e 10% até 2050

• A injeção de resíduos plásticos nos altos-fornos, conforme já feito atualmente na Alemanha e no Japão, pode propiciar economias bem maiores, segundo a Agência: 50% até 2015, 75% até 2030 e 90% até 2050

• Processos que integram a coqueificação com a redução do minério de ferro, tais como o processo COREX, que utiliza finos de carvão e minério aglomerado e os processos FINEX e Hismelt, que empregam finos do minério ao invés de seus aglomerados, têm potencial para economizar 5% do consumo de energia na produção de aço no mundo até 2015, 15% até 2030 e 19% até 2030. Os gases residuais produzidos nestes processos podem ser usados na redução direta do minério de ferro, como está sendo feito na África do Sul


• Duas tecnologias, denominadas “near-net-shape casting”, para perfis, e “thin-slab casting”, para produtos planos, foram desenvolvidas, recentemente, no exterior com a finalidade de fundir, em uma única operação, as etapas de lingotamento e laminação a quente. Com isto, são eliminados os fornos de reaquecimento, o que propicia economias de capital na instalação das plantas e economias de energia na sua operação. A Agência Internacional de Energia estima que tais tecnologias podem propiciar economias de energia nestas etapas do processo produtivo de 80% até 2015 e 90% até 2030. Estas tecnologias ainda não são utilizadas no Brasil, por conta dos pesados investimentos feitos em lingotamento contínuo nos últimos anos

• Bernstein et alii (2007) citam que, com as tecnologias atualmente disponíveis no mercado, haveria, em 2010, um potencial técnico de economia de energia de 24% e que, em 2020, mais 5% poderiam ser alcançados empregando-se novas tecnologias, como os processos COREX, FINEX , near-net-shape casting e thin-slab-casting

Alguns dados internacionais e nacionais

• Além do near-net-shape casting e do thin-slab-casting, Martin et alii (2000) também indicam o desenvolvimento de novos fornos elétricos a arco e a combustão com oxigênio (oxy-fuel combustion) em fornos de reaquecimento como tecnologias com elevado potencial de economia de energia e grandes chances de sucesso na indústria siderurgica mundial

• A Abesco estimou, em 2006, que a indústria siderúrgica brasileira possuía um potencial de conservação de energia que variava de 8 a 30%, conforme o tipo de usina considerado

• Só a substituição dos equipamentos então utilizados por outros de eficiência mais elevada, disponíveis no mercado, possibilitaria uma economia potencial de energia de 4,8% em 2006, segundo o Balanço de Energia Útil do Ministério de Minas e Energia; 81,1% desta economia ocorreriam no uso final “aquecimento direto”

Obrigado!

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