Uma tecnologia disruptiva para a descarbonização de calor

Por Roney Salvadori, especialista em eficiência energética do SENAI

O mercado atual e conceitos técnicos

Na visão da Agência Internacional de Energia (AIE), as bombas de calor são cada vez mais reconhecidas como tecnologia crítica para a descarbonização, especialmente no setor industrial. O mercado de bombas de calor prevê um forte crescimento nos próximos anos. Em 2022, o tamanho do mercado global de bombas de calor foi estimado em US$ 81,58 bilhões. A Associação Europeia de Bombas de Calor relata que a taxa de crescimento das instalações aumentou para 36% nos últimos dois anos e que na Polônia foram implementadas 200.000 bombas de calor apenas em 2022.

A bomba de calor é um equipamento utilizado para aquecimento que fornece calor e frio (refrigeração) simultaneamente, utilizando somente uma fonte de energia que é a eletricidade, sendo até mesmo neutro em CO2 se for combinado com energias renováveis. Assim, esses equipamentos podem substituir de forma mais eficiente e limpa equipamentos térmicos para aquecimento direto e indireto como as caldeiras e fornos que utilizam combustíveis fósseis. A bomba de calor consiste em um compressor, que move um refrigerante através de um ciclo de refrigeração, e um trocador de calor, que extrai o calor da fonte. Bombas de calor usam um fluido refrigerante, que vaporiza ao absorver calor e condensa ao perdê-lo. O refrigerante flui através de tubos isolados entre o evaporador e o condensador, permitindo a transferência eficiente de energia térmica. Muitas das bombas de calor também podem fornecer resfriamento de ambientes. Na indústria, as bombas de calor são usadas para fornecer ar quente, água ou vapor, ou para aquecer materiais diretamente, aproveitando calor residual de processos industriais ou águas residuais. A maioria das bombas atualmente disponíveis fornecem água quente entre 60 e 120 °C, mas existem equipamentos que atendem demandas mais altas de temperatura.

Benefícios de bombas de calor

Como o Brasil possui potenciais muito elevados de geração de eletricidade a partir de fontes renováveis, a bomba de calor representa uma excelente oportunidade para a descarbonização de processos industriais.

As principais vantagens da utilização de uma bomba de calor são:

• Economia de energia entre 50% – 70%
• Redução drástica nas emissões de CO₂
• Eliminação ou diminuição drástica no consumo de combustível
• Diminuição de custos de manutenção
• Diminuição de custos operacionais
• Redução das perdas por evaporação quando aplicado para substituir torres de resfriamento

Se comparada com uma caldeira, por exemplo, a bomba de calor pode ser de três a cinco vezes mais eficiente do ponto de vista do consumo energético e ainda substituir o consumo de sistemas de refrigeração como chillers e torres de resfriamento.

As Principais Aplicações

Segundo a Agência Internacional de Energia Renovável, quase metade da demanda de calor industrial ocorre em temperaturas abaixo de 200 graus centígrados, usadas em equipamentos como fornos, secadores, destiladores e caldeiras a vapor.

A princípio toda essa demanda pode ser atendida no curto a médio prazo por bombas de calor, funcionando com eletricidade limpa, com coeficientes de desempenho (COPs) de dois ou mais, reduzindo a demanda de calor pela metade e consequentemente economizando entre metade e dois terços dos custos de uma caldeira de vapor a gás convencional. Existem os seguintes tipos de aplicação de bombas de calor industrial:

• Aquecimento do ar da estufa (p. ex. secagem para madeira)
• Destilação com baixa diferença de temperatura entre boiler e condensador
• Aquecimento de ar ou líquidos da temperatura ambiente até 120°C
• Preaquecimento de líquidos e de ar (p. ex. para fornos)
• Concentração de soluções em temperaturas abaixo de 120°C (p. ex. suco, leite, químicos e farmacêuticos)
• Redução e concentração de efluentes para reduzir a carga hidráulica de estações de tratamento
• Aproveitamento de calor residual para geração de frio ambiental

Exemplos de projetos

No PotencializEE foram desenvolvidos projetos de eficiência energética com bombas de calor para fornecimento de água quente com retorno de investimento em torno de três anos. No setor têxtil uma estamparia paulista está planejando instalar bombas de calor para substituir queimadores a gás, proporcionando ganhos econômicos da ordem de R$ 900 mil por ano, o que demonstra a viabilidade econômica da utilização desta tecnologia. Uma outra bomba de calor já foi instalada em uma fábrica brasileira de chocolate para zerar a emissão de CO2. Além do alto ganho ambiental, a bomba produz água quente nesta fábrica com um custo operacional ao redor de 70% mais barato do que o anterior e isso elimina toda uma cadeia de fornecimento do combustível o qual, antes, era transportado para a fábrica por meio de caminhões, que também emitiam gases do efeito estufa para a atmosfera. Na Áustria uma fábrica de alimentos e ração animal utiliza uma bomba de calor para extrair água do amido de trigo em temperaturas de até 160 graus. A bomba de calor tem uma capacidade de aquecimento de aprox. 400 kW e deve diminuir o consumo de energia final em torno de 2200 MWh por ano. Também na Áustria um produtor de blocos de argila e tijolos realiza a secagem por bomba de calor com base em um circuito fechado de alta temperatura. Os tijolos são secados em um túnel, onde o teor de umidade dos tijolos é reduzido de cerca de 30% a 2 – 4%. A bomba de calor utiliza o calor residual para fornecer ar quente para o secador. Uma outra indústria na Alemanha instalou um sistema de purificação do ar de exaustão baseado na tecnologia de bomba de calor em vez de um sistema de pós-combustão térmica e alcançou uma economia de energia térmica de 95% neste processo. O uso da tecnologia de bomba de calor é particularmente eficiente nesta empresa porque calor e frio são fornecidos pela tecnologia ao mesmo tempo. Além disso, os fabricantes de bombas de calor estão cada vez mais oferecendo compressores baseados em refrigerantes naturais, como amônia, evitando refrigerantes fluorados, que contêm gases com alto potencial de aquecimento global (GWP). Um fabricante de bebidas na China está usando bombas de calor de refrigerante de amônia em suas fábricas que usam águas residuais para gerar água quente de 80°C para seu processo de produção.

Apesar de todos os benefícios econômicos e ambientais da utilização de bombas de calor, no Brasil, estes equipamentos ainda não são amplamente utilizados em aplicações industriais. Ao mesmo tempo, quase 80% do consumo de energia industrial continua sendo térmico. O Brasil possui um grande potencial de aplicação a ser explorado em diversos segmentos industriais e de fornecimento da tecnologia por empresas instaladas no país. Por meio de energias renováveis e bombas de calor, entre outras soluções, o setor brasileiro de manufatura pode ser um grande fornecedor de produtos de baixo carbono para o mundo.

Fontes:

https://www.iea.org/reports/the-future-of-heat-pumps

https://about.bnef.com/blog/liebreich-the-next-half-trillion-dollar-market-electrification-of-heat/

https://www.ehpa.org/wp-content/uploads/2022/11/Large-heat-pumps-in-Europe-and-industrial-uses_2020.pdf

https://www.co2-leuchttuerme-industrie.de/