A dissertação encontra-se dividida e organizada da seguinte forma:
• Revisão bibliográfica do estado de arte das auditorias energéticas e exergéticas; • Descrição da Fábrica de Aromáticos da Refinaria de Matosinhos;
• Descrição dos fundamentos termodinâmicos e termoquímicos para a realização de balanços energéticos;
• Descrição dos fundamentos termodinâmicos e termoquímicos para a realização de balanços exergéticos;
• Explicação dos formulários para o cálculo de balanços energéticos e exergéticos; • Validação dos formulários com a análise energética e exergética da Un-0100 e
comparação dos resultados com os obtidos por Costa (2012);
• Descrição da Un-0200, análise energética e exergética e discussão de resultados; • Descrição das Un-0300/400, análise energética e exergética e discussão de resultados; • Descrição da Un-0500, análise energética e exergética e discussão de resultados; • Análise global da Fábrica de Aromáticos
• Apresentação e estudo de possíveis soluções de melhoria a realizar na Fábrica de Aromáticos;
• Conclusões;
• Anexos, que incluem tabelas com todos os dados necessários aos cálculos realizados.
4 1.3. Considerações gerais sobre o investimento em desenvolvimento científico e tecnológico na indústria petroquímica
As crises energéticas levam à reflexão sobre o futuro das unidades industriais químicas e petroquímicas. A necessidade de obtenção de produtos com padrões de qualidade cada vez mais rigorosos, assim como a redução dos impactos ambientais, que implicam uma utilização eficiente das correntes de utilidades e de processo, são exigências com que as atuais refinarias se deparam e que evidenciam um potencial para melhorias nos processos ou projetos de novas unidades de produção.
A otimização de processos surge como ferramenta fundamental para manter a competitividade das unidades em funcionamento. Tanto para o projeto, como para a melhoria de processos já existentes, a utilização eficiente de energia torna os produtos mais competitivos no mercado e com maiores margens de lucro para as empresas.
Em 2004, a produção de petroquímicos básicos correspondeu, a nível mundial, a mais de 3 EJ de consumo de energia primária (devido à combustão de combustíveis fósseis, excluindo obviamente o conteúdo energético dos produtos de base petroquímica) e cerca de 200 milhões de toneladas de emissões de CO2 equivalente de gases de efeito de estufa (IEA, 2007). Este
consumo de energia primária para a produção de petroquímicos pode ser traduzido para um custo de energia de combustível de cerca de 10 mil milhões (1010) de dólares ($ EUA em 2000). A redução do consumo de combustíveis e por via direta de emissões de CO2 na produção de
petroquímicos, poderiam ter ajudado a atingir as metas de emissões para 2012, definidas pelo Protocolo de Quioto, bem como contribuir para a atenuação das alterações climáticas a longo prazo.
Neste sentido, é de fundamental importância a melhoria do rendimento energético, através da inovação dos processos na indústria petroquímica (Ren, 2009). Para além dos benefícios ambientais atrás referidos, as técnicas de racionalização de energia permitem alcançar uma vantagem estratégica e competitiva no mercado (Santana, 2004).
A maioria dos trabalhos sobre inovação na indústria petroquímica tem uma perspetiva economicista. Stobaugh (1998) argumentou que o aumento da concorrência na indústria petroquímica tem impulsionado a inovação, como no caso do metanol. O Community Innovation Survey I (CIS I) (1996) concluiu que a liderança de custo e factores financeiros foram as principais preocupações para as inovações na década de 1990 (Albach et al., 1996).
5 Embora estes estudos tenham uma perspetiva economicista, há também publicações a abordar a inovação no sector da indústria petroquímica a partir de uma ótica ambiental. Esses estudos sugerem que a melhoria do rendimento energético (por exemplo, integração térmica avançada e cogeração) e a utilização de matérias-primas derivadas da biomassa, estão entre as questões mais promissoras em termos de inovação em matéria ambiental e energética (Dijkema, 2004; Korevaar, 2004; Patel et al., 2005).
Contudo, devido às recorrentes condições económicas desfavoráveis (ou seja, baixas margens de lucro e perspetivas de mercado incerto), as empresas do sector petroquímico têm sido relutantes em investir no desenvolvimento de novos processos. Para muitas empresas, o sector petroquímico tornou-se menos rentável devido à globalização do mercado. Durante os anos 1970s-80s, a oferta e a procura de produtos petroquímicos tornaram-se cada vez mais globalizadas, uma vez que emergiram novos intervenientes no Médio Oriente e Ásia. Estes novos intervenientes têm demonstrado as suas fortes vantagens através de baixos custos da energia e, por consequência, o seu rápido crescimento no mercado (5-10 % anualmente). Como resultado, a média das margens de lucro das grandes empresas caiu 2 % ao ano entre 1986 e 1996 (Rothel et al, 2001; Pettman, 2002; EIA, 2004).
Por outro lado, nos países industrializados, a procura de produtos químicos cresceu lentamente na década de 1990, em cerca de 2 % ao ano, tendo provocado receio no que diz respeito ao excesso de capacidade instalada. Este excesso (cerca de 10-15 % da procura) e baixas taxas de operação (inferiores a 90 %), têm ameaçado constantemente a rentabilidade das instalações existentes (Nakamura, 2002). Segundo Madden (2005), 95 % do fracasso da inovação é devido ao excesso de capacidade e às perdas a ele relacionadas. Assim, mesmo quando é necessária uma nova capacidade para atender a procura crescente, os processos antigos ainda são preferidos, pois investir no descongestionamento de processos existentes geralmente requer menos capital (Ren, 2009). Além disso, as flutuações dos preços no passado e as perspetivas desfavoráveis de procura do mercado preocupam muitas empresas (Arbogast, 2005), as quais têm demonstrado uma aversão ao risco de investir em novos processos (Smedt, 2006). Assim, as condições económicas desfavoráveis na indústria petroquímica são, por estranho que possa parecer, uma barreira para o desenvolvimento de novos processos.
Uma segunda barreira à inovação de novos processos está associada ao facto de as ferramentas convencionais de simulação de processos e tomada de decisões serem encaradas pelos produtores e empresas de engenharia como insuficientes para lidar com as elevadas incertezas inerentes ao desenvolvimento a longo prazo de novos processos.
6 A Technip controla cerca de 70 % do mercado das ferramentas de simulação do steam-
cracking e a Aspen TECH tem 80 % do mercado de programas de simulação dos fluxogramas
para o processamento em contínuo. Estas ferramentas convencionais de simulação de processos, embora altamente otimizadas, podem não ser adequadas para simularem com total fiabilidade novos processos, tais como os catalíticos (Van Steen, 2006; Ren, 2009). Existem problemas semelhantes de falta de rigor das simulações, no que concerne às ferramentas convencionais de tomada de decisão para análise económica.
Uma terceira barreira significativa é a preocupação com a mão de obra. Isto tem sido observado em outras indústrias, mas é especialmente significativo na indústria petroquímica porque a investigação e desenvolvimento (I&D) em processos requerem uma grande quantidade de tempo e capital humano (Ren, 2009), o que é encarado por muitos gestores como um “entrave” ao bom funcionamento das organizações.
As barreiras e os incentivos para melhorar os processos existentes têm sido muito diferentes das barreiras e incentivos para o desenvolvimento de novos processos. Por exemplo, as reduções dos custos de energia são um incentivo para a melhoria dos processos existentes, mas não para o desenvolvimento de novos processos (Ren, 2009). No caso de melhoria de processos existentes, a incerteza sobre a relação de retorno/risco é muitas vezes baixa porque grande parte do conhecimento necessário sobre os três componentes desta relação (retorno, custos de oportunidade e variabilidade dos concorrentes), já existe, como seguidamente se expõe.
Em primeiro lugar, o retorno obtido ao adotar tecnologias conhecidas para a melhoria dos processos existentes é bastante conhecido através de benchmarking do ramo petroquímico. A maioria desses dados técnicos e económicos têm sido devidamente testados e aprovados, através de várias escalas de comercialização e portanto, podem ser usados para calcular o retorno potencial.
Em segundo lugar, os custos de oportunidade também podem ser encarados sem margem de erro considerável, ao longo dos próximos anos. Melhorar processos existentes, normalmente, requer um período de retorno de menos de um ano, ou, na pior das hipóteses, de alguns anos, pelo que os juros de um investimento livre de risco cobrindo esta escala de tempo são bastante conhecidos.
Em terceiro lugar, a variabilidade dos concorrentes é insignificante nesse caso. Os revamps são prática comum e os custos envolvidos nestas intervenções são semelhantes para cada unidade existente. Os riscos de ficar para trás em relação aos concorrentes podem ser encarados como sendo compartilhados ou distribuídos igualmente entre os concorrentes.
7 Essa baixa variabilidade (denominador) conduz a elevados rácios de retorno/risco (Ren, 2009). Em contraste, a relação retorno/risco é muitas vezes baixa no caso de desenvolvimento de novos processos, pois neste caso muito do conhecimento sobre esta relação não existe ou ainda está a ser desenvolvido (Ren, 2009). O retorno de desenvolvimento de novos processos é muito mais difícil de avaliar do que no caso da melhoria de processos existentes.
Por outro lado, devido ao longo período de tempo necessário para o desenvolvimento de novos processos, têm que ser estimados os custos de oportunidade ou taxas de juro de longo prazo. Além disso, a variabilidade dos concorrentes é alta e a situação do mercado é complexa devido à globalização da indústria petroquímica. Durante cerca de duas décadas não houve incentivos capazes de estimular o desenvolvimento de novos processos face aos baixos custos do petróleo no Médio Oriente (Ren, 2009). Atualmente, com as subidas que ocorreram a partir de 2008, verifica-se uma inversão, pelo que se torna interessante desenvolver novos processos capazes de processar para além do petróleo, outro tipo de matérias-primas, nomeadamente de fonte renovável.
8 Ren (2009) propôs três pontos de reflexão para futuros investigadores e empresários, no que toca à eficiência energética e à inovação estratégica. Primeiro, a poupança de energia na produção de petroquímicos básicos é possível (Figura 1). Contudo, a eficiência energética em processos que utilizam energia primária tem uma importância relativamente baixa para a inovação em processos químicos. De facto, atualmente, a inovação debruça-se preferencialmente em processos que utilizam fontes alternativas de energia, que são de importância estratégica para as empresas. Embora continuando a enfatizar a melhoria do rendimento energético nos processos existentes, as políticas devem ser adotadas para assegurar fontes de energia alternativas, principalmente a biomassa, que também permite uma utilização ambientalmente amigável.
Em segundo lugar, embora a maioria dos novos processos não leve necessariamente à poupança de energia, oferecem oportunidades de redução de emissões de CO2 ou dos custos de
produção de produtos petroquímicos (ou ambos). Portanto, as inovações tecnológicas que estão atualmente em fase de I&D, como as rotas de produção a partir da biomassa ou rotas com base no carvão com captura e sequestro de CO2, devem ser encaradas como oportunidades
potencialmente rentáveis para evitar a mudança climática e diminuir a procura de petróleo. Os governos deveriam patrocinar e coordenar estas parcerias de I&D para acumular conhecimento sobre as relações de retorno/risco de tais inovações, especialmente em relação à utilização da biomassa e da energia solar.
Em terceiro lugar, uma vez que as políticas relacionadas com as mudanças climáticas só entraram em vigor recentemente, os custos externos (os custos relacionados com as emissões de CO2 e as mudanças climáticas), não têm sido, até agora, um forte incentivo à inovação
estratégica na produção de petroquímicos básicos. Tais custos estão ainda ausentes do planeamento de cenários estratégicos em muitas grandes empresas químicas, que estão mais focadas na procura de mercado e nos preços da energia. Muitas oportunidades de negócios, estimuladas pelo comércio de emissões de CO2 e regulamentação dos biocombustíveis, foram já
demonstradas. Portanto, os governos devem desenvolver uma política de incentivos para facilitar a exploração destas oportunidades de negócios, enquanto as empresas devem considerar contemplar os custos externos para o planeamento de cenários (Ren, 2009).
Atualmente a indústria petroquímica está a começar a recuperar da crise financeira e da conjuntura recessiva dos últimos anos e as tendências de evolução dos mercados globais de produtos petroquímicos sofreram alguns ajustes em termos de prazos de implantação de novas unidades.
9 No entanto, a prazos maiores, as perspetivas de excesso de oferta de produtos continuam a representar um grande desafio para todo o segmento petroquímico (Seidl, 2010), obrigando as empresas petroquímicas a adaptarem-se a essa realidade através do desenvolvimento de processos.
Em sintonia com o que foi referido anteriormente, no que toca a novos desafios da indústria petroquímica, a consolidação do parque empresarial de algumas indústrias petrolíferas brasileiras, tais como a Petrobrás e Braskem, proporciona novas oportunidades de integração de cadeias produtivas e otimização de escalas além de abrir perspetivas de penetração em mercados ainda pouco explorados. Os investimentos dessas empresas em inovação tecnológica começam a apresentar resultados preliminares bastante promissores, podendo gerar oportunidades para agregar novas matérias-primas, como petróleos pesados, etanol e óleos vegetais, às cadeias produtivas atualmente em uso. Ao mesmo tempo, a possibilidade de variar a composição de correntes a partir de modificações nos processos de conversão, aumenta a capacidade de resposta dos empreendimentos a flutuações em mercados e à introdução de legislação ambiental mais rigorosa (Seidl, 2010).
As medidas desenvolvidas pela indústria petroquímica brasileira vão de encontro às propostas definidas por Gielen et al. (2002), para a indústria petroquímica japonesa. A eficiência energética na indústria japonesa é uma das mais altas do mundo. Como consequência, a redução das emissões de CO2 é considerada difícil e onerosa. Neste sentido, os autores sugeriram um grande
número de opções para redução de emissões na indústria petroquímica japonesa, tais como a introdução de fontes de biomassa, a introdução de novos processos de produção de catalisador, e mudanças na gestão dos resíduos. De acordo com estes autores, as emissões de Gases de Efeito de Estufa (GEE) japonesas podem ser reduzidas em 7,7 %, se for aplicado o melhor conjunto de opções de mitigação de emissões.
Ren e Patel (2009) estudaram o retorno de investimentos em inovação tecnológica na área petroquímica. Estes investigadores compararam o consumo energético da produção de produtos petroquímicos através da rota convencional, com processos que utilizavam como fonte de energia primária, o carvão e a biomassa. Concluíram que o processo convencional consome menos energia (cerca de 60 GJ/t de produtos petroquímicos de alto valor, da qual 50 GJ é o poder calorífico destes mesmos produtos petroquímicos), enquanto as rotas que utilizam metano são 30 % superiores em consumo e as rotas que utilizam o carvão e a biomassa são cerca de 60- 150 % superiores. No entanto, as emissões totais de CO2 da rota convencional foram superiores
10 Cerca de 60 milhões de toneladas de redução de emissões (4,9 %) podem ser alcançadas através de mudanças por parte do fornecimento (matérias-primas) enquanto 35 milhões de toneladas (2,8 %) podem ser atingidas através de alterações na gestão de resíduos. Enquanto as mudanças na gestão de resíduos foram parcialmente implementadas até 2010, a introdução da biomassa como matéria-prima requer uma maior margem de tempo. Cerca de metade da redução das emissões é rentável, mas vai exigir um maior desenvolvimento tecnológico. A outra metade pode ser alcançada com um nível de custo de 10.000 ienes/t CO2 (US $ 80/t CO2).
Como conclusão, pode-se dizer que as transformações identificadas no mercado mundial de petroquímicos e no ambiente externo, relacionadas com a entrada do Médio Oriente como produtor de baixo custo, com os preços elevados dos hidrocarbonetos e com as questões ambientais, deverão causar mudanças substanciais na indústria petroquímica em todo o mundo, a curto prazo. A sobrevivência e prosperidade deste sector dependerão da sua adaptação ao novo cenário e da sua competitividade, que passa certamente pelos seguintes fatores: acesso a fontes de matéria-prima competitivas, escala, rendimento energético, tecnologia, logística, acesso a mercados consumidores, baixos custos de investimento e qualidade de gestão.
Neste sentido, o presente trabalho visa analisar o rendimento energético e exergético da Fábrica de Aromáticos da Refinaria de Matosinhos, de forma a desencadear propostas de ações de melhoria do desempenho energético da mesma, com a consequente redução de custos operacionais e aumento de competitividade no mercado internacional.
11 1.4. A energia na indústria petroquímica
Um dos maiores desafios para a humanidade durante o Século XXI é o de encontrar caminhos para aumentar a oferta de energia de elevada exergia, reduzindo os efeitos climáticos. No caso das refinarias de petróleo, este desafio torna-se ainda maior porque é necessário também investir em unidades para melhorar a qualidade dos produtos. Estes investimentos provocam, frequentemente, um aumento da emissão de Gases de Efeito de Estufa (GEE), sem necessariamente aumentarem a produção. Um dos caminhos para reduzir este aumento é otimizar os processos e obter um maior rendimento energético. O aumento da concorrência entre as refinarias de petróleo do mundo, o que resulta num menor número de instalações, mas de maior dimensão, exige uma clara compreensão da economia e dos fundamentos e características tecnológicas a elas associadas (Ocic, 2005).
De acordo com a sua função no sistema energético nacional, a indústria petrolífera participa ativamente na consecução dos objetivos da política energética e da economia a todos os níveis de uma sociedade. Em muitas economias, hoje em dia, os derivados de petróleo participam em mais de um terço do consumo de energia total, o que demonstra que o petróleo e seus derivados se encontram entre os principais pilares de qualquer indústria nacional, apesar de todos os esforços para limitar a sua aplicação para uso térmico, tendo em conta a necessidade de limitar a importação de petróleo bruto (Ocic, 2005).
Assim, a indústria petrolífera, devido ao seu impacto e importância na sociedade, deve processar o petróleo tendo em conta vectores de racionalização económica e ambiental. O mero facto das refinarias de petróleo, na sua maioria, utilizarem a energia que produzem, não as isenta da obrigação de a consumirem de forma racional. Racionalizar o consumo de derivados de petróleo deve começar na própria fonte, no processo de produção dos derivados e deve-se manifestar numa redução do consumo interno da energia das refinarias (Ocic, 2005).
A quantidade de energia poupada pelo conversor de energia terá um grande impacto na redução do consumo de energia primária, na medida que maximiza a quantidade de energia secundária produzida e consequentemente minimiza as emissões de gases de efeitos de estufa e de outros poluentes.
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