Roadmap de Tecnologia
Reduções de energia e GEE na indústria
química via processos catalíticos
Agência
Internacional
de Energia
I
INTERNATIONAL ENERGY AGENCY
A Agência Internacional de Energia (AIE) é uma agência
autônoma estabelecida em novembro de 1974. Seu
mandato básico era, e continua a ser, duplo: promover
a segurança energética dos países-membros por
meio de respostas coletivas às interrupções físicas
do abastecimento de petróleo e fornecer pesquisas
e análises bem fundamentadas sobre as maneiras de
assegurar energia de maneira confiável, acessível e
limpa para seus 28 países-membros, bem como para
outros países. A AIE realiza um amplo programa de
cooperação energética entre os países-membros, e
cada um deles é obrigado a manter um estoque de
petróleo equivalente a 90 dias de suas importações
líquidas.
DECHEMA GESELLSCHAFT FÜR
CHEMISCHE TECHNIK UND
BIOTECHNOLOGIE E. V.
A DECHEMA – Gesellschaft für Chemische Technik und
Biotechnologie e.V. (Sociedade de Engenharia Química
e Biotecnologia) é uma sociedade científica e técnica
sem fins lucrativos com sede em Frankfurt, Alemanha.
Tem mais de 5.500 membros privados e institucionais,
entre eles cientistas, engenheiros, companhias,
organizações e institutos. A DECHEMA visa à promoção
e ao apoio à pesquisa e ao progresso tecnológico na
tecnologia química e na biotecnologia. A DECHEMA
considera-se uma interface entre a ciência, a economia,
o Estado e o público.
INTERNATIONAL COUNCIL
OF CHEMICAL ASSOCIATIONS
O Conselho Internacional de Associações Químicas
(ICCA) funciona como a voz mundial da indústria
química e promove a adoção de melhores práticas, tais
como o Responsible Care ® (Atuação Responsável®)
em toda a indústria química. As metas do ICCA incluem
a redução em todo o mundo do uso de energia e de
emissões de gases de efeito estufa (GEE) relativos
à fabricação de produtos químicos e o aumento do
impacto positivo de seus produtos em termos de
redução de emissões ao longo da cadeia de valor.
This roadmap is the result of a collaborative effort among the International Energy Agency (IEA), the International
Council of Chemical Associations (ICCA) and Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.
(DECHEMA).
This paper reflects the views of the IEA Secretariat, ICCA and DECHEMA but does not necessarily reflect those of
their respective individual Member countries, or funders or member industrial and academic experts. The roadmap
does not constitute professional advice on any specific issue or situation. ICCA, DECHEMA and the IEA make no
representation or warranty, express or implied, in respect of the roadmap’s contents (including its completeness
or accuracy) and shall not be responsible for any use of, or reliance on, the roadmap. For further information,
please contact: [email protected].
Copyright © 2014
OECD/IEA, 9 rue de la Fédération, 75739 Paris Cedex 15, France
and
The International Association for Chemical Associations, Avenue E. Van Nieuwenhuyse 4, box 1, B-1160 Brussels,
Belgium
and
Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (DECHEMA), Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt
am Main
No reproduction, translation or other use of this publication, or any portion thereof, may be made without prior
written permission. Applications should be sent to: [email protected]
The Portuguese translation of the Chemicals Catalyst Roadmap has been translated from its English text which is
the official version of this publication.
II
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Prefácio
Nós podemos e precisamos mudar o atual rumo, mas
isso precisará de uma revolução energética, e as
tecnologias energéticas de baixo carbono terão um
papel crucial a desempenhar. A eficiência energética,
os diversos tipos de energia renovável, a captura e o
armazenamento de carbono (CAC), a energia nuclear
e novas tecnologias de transporte precisarão ser
amplamente disseminados, se quisermos atingir nossas
metas de redução de emissões de gases de efeito
estufa (GEE). Todos os principais países e setores
da economia precisam estar envolvidos. A tarefa é
urgente, se quisermos ter certeza de que as decisões
de investimento tomadas agora representam o “ótimo”
de longo prazo para a eficiência energética e a redução
de GEE. O papel dos países em desenvolvimento, que
estão impulsionando o crescimento futuro, requer um
foco especial em qualquer roadmap futuro.
Está crescendo a conscientização de que é necessário
transformar as afirmações políticas e os trabalhos
analíticos em ações concretas. Para lançar a centelha
inicial deste movimento, e a pedido do G8, a Agência
Internacional de Energia (AIE) está liderando o
desenvolvimento de uma série de roadmaps para
algumas tecnologias dentre as mais importantes.
Identificando os passos necessários para acelerar a
implementação de mudanças tecnológicas radicais,
esses roadmaps permitirão que os governos, a indústria
e os parceiros econômicos façam escolhas acertadas.
Isso, por sua vez, ajudará as sociedades a tomar as
decisões certas.
A indústria química é uma grande usuária de energia,
porém os produtos e as tecnologias químicas também
são usados em uma ampla gama de aplicações de
economia de energia ou de energias renováveis, de
modo que a indústria também desempenha o papel
de poupar energia. O setor químico e petroquímico
é de longe o maior usuário industrial de energia,
respondendo por cerca de 10% da demanda final
mundial de energia e por 7% das emissões globais de
GEE. O Conselho Internacional de Associações
Químicas (ICCA) associou-se à AIE e à DECHEMA
(Sociedade de Engenharia Química e Biotecnologia)
para descrever o caminho para mais melhoramentos
em eficiência energética e redução de GEE no setor
químico.
Este roadmap focaliza o papel dos processos catalíticos
na redução do uso de energia e das emissões de GEE no
setor químico. Cerca de 90% dos processos químicos
usam catalisadores para maior eficiência de produção.
A catálise é uma importante fonte de base tecnológica
com potencial de melhoramento de eficiência.
Efetivamente, este trabalho mostra um potencial
de economia de energia que se aproximará de 13 EJ
(exajoules) no ano 2050, equivalente ao atual uso anual
de energia primária na Alemanha.
Para concretizar a visão e os impactos descritos
neste roadmap, serão críticas as ações coordenadas
e realizadas a longo prazo por todos os envolvidos.
Os governos podem ajudar a criar um ambiente
propício, que encoraje ganhos adicionais em eficiência
energética e reduza as emissões referentes à energia.
A indústria pode fornecer um foco nas principais
oportunidades, destacar as prioridades a serem
apoiadas, acelerar tanto os investimentos de capital
como a pesquisa e desenvolvimento (P&D) e solicitar
a continuação de colaborações bem focadas com
a academia e instituições de pesquisa sobre esses
relevantes desafios industriais. Esperamos que este
roadmap encoraje tanto os governos quanto a indústria
a dar esses passos e a trabalhar juntos para alcançar
essas metas.
Maria van der Hoeven
Diretora Executiva
Agência Internacional de Energia (AIE)
Yoshimitsu Kobayashi
CEO Patrocinador de Energia e Mudanças Climáticas
Conselho Internacional de Associações Químicas
(ICCA)
Rainer Diercks
Presidente do Conselho da DECHEMA
Este relatório é o resultado de um esforço colaborativo entre a As
AIE,tendências
seus países-membros
vários consultores
peritos
atuais do efornecimento
e doeuso
de
de todo o mundo. Os usuários deste relatório farão suas próprias
decisões
deinsustentáveis
negócios, por sua
conta e riscoambiental
e, em parenergia
são
– econômica,
ticular, sem depositar confiança excessiva neste relatório. Nadaeneste
relatório Na
constitui
aconselhamento
profissional
socialmente.
ausência
de ações decisivas,
as e
não se dá nenhuma garantia, explícita ou implícita, quanto à integralidade
exatidão
seu conteúdo.
AIE, o ICCA à
emissões deoudióxido
dedecarbono
(CO2)Arelacionadas
e a DECHEMA não aceitam absolutamente nenhuma responsabilidade
pormais
quaisquer
danos diretos
ou indiretos
resultanenergia
que dobrarão
até 2050,
e o crescimento
tes do uso deste relatório ou de seu conteúdo. Uma ampla gamada
dedemanda
peritos revisou
as minutas.
de energia
fóssilEntretanto,
aumentaráos
aspontos de
vista expressos não necessariamente representam os pontos de preocupações
vista ou as políticas
AIE ou de seus
com da
a segurança
do países-membros.
fornecimento.
Prefácio
1
Sumário
Prefácio1
Agradecimentos4
Ações-chave para os próximos dez anos
5
Constatações-chave5
Introdução6
Situação atual do uso de energia e emissões de GEE
12
Oportunidades tecnológicas
17
Melhoramentos incrementais
19
Implementação de tecnologias da melhor prática (BPT)
19
Tecnologias emergentes
20
Tecnologias de ruptura22
Ações e marcos tecnológicos29
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
31
Cenários da AIE: catálise e mais...
32
Cenários da DECHEMA
36
Necessidades de recursos
40
Outras áreas relacionadas a processos catalíticos
42
Emissões evitadas na fase de uso
44
Políticas, finanças e colaboração internacional: ações e marcos
46
Políticas de apoio a pesquisa e desenvolvimento
46
Assegurar financiamento, inclusive incentivos em momentos apropriados
47
Políticas para promover colaboração internacional e compartilhamento de dados, informações, melhores práticas e P&D47
Políticas de regulamentação
48
Colaboração entre as partes interessadas, inclusive parcerias público-privadas
48
Conclusão: ações de curto prazo para as partes interessadas
50
Anexos51
Glossário52
Referências55
Lista de figuras
Figura 1.
Comparação de abordagens, limites e cobertura de processos dos modelos AIE e DECHEMA
9
Figura 2.
Consumo global de energia versus volumes de produção dos 18 principais
produtos químicos de grande volume, 2010
13
Emissões globais de GEE versus volumes de produção dos 18 principais
produtos químicos de grande volume, 2010
14
Figura 4.
Síntese da amônia: esquema simplificado
14
Figura 5.
Inovação na síntese de amônia e eficiência energética
16
Figura 6.
Evolução da intensidade de energia para melhoramentos incrementais e implementação de BPT
17
Figura 7.
Impacto energético das opções de melhoramento para os 18 principais produtos até 2050
18
Figura 8.
Impacto sobre os GEE das opções de melhoramento para os 18 principais produtos até 2050
18
Figura 3.
2
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Figura 9.
Passos do processo de obtenção de hidrogênio por decomposição da água
23
Figura 10. Demanda adicional de energia versus economias de energia fóssil pela substituição
dos atuais processos de amônia e metanol pelas rotas baseadas em hidrogênio
24
Figura 11.
25
Economias de GEE possibilitadas pela produção de amônia e metanol com base em hidrogênio
Figura 12. Uso de energia para as rotas de biomassa versus fóssil para
fabricação de HVC, incluindo a cadeia de processos total
26
Figura 13. Uso de energia de biomassa versus fóssil das rotas comparadas na Figura 12
27
Figura 14. Impacto das rotas de biomassa para olefina sobre o consumo de energia da indústria química
27
Figura 15. Emissões de GEE para rotas de biomassa versus fósseis para HVC,
incluindo a cadeia de processos total
28
Figura 16. Previsão de volumes de produção química entre 2010 e 2050
31
Figura 17. Atual potencial de economias de energia para produtos químicos e
petroquímicos, com base na implementação de BPT
33
Figura 18. Impacto potencial de tecnologias de redução de emissões diretas de CO2, 2DS versus 6DS
34
Figura 19. Economias de energia por região no Caso de Baixa Demanda
36
Figura 20. Potencial de economia de energia por meio de avanços em
catalisadores e processos relacionados em todas as categorias
37
Figura 21. Potencial de emissões evitadas de GEE por meio de avanços em catalisadores e processos
relacionados em todas as categorias em comparação a BAU
37
Figura 22. Impacto regional dos cenários incremental, BPT otimista e emergente
da DECHEMA comparados a BAU
38
Figura 23. Consumo de energia por cenário para quatro diferentes regiões do mundo
39
Figura 24. Potencial impacto de GEE na fase de uso, utilizando-se o impacto
das emissões diretas em BAU deste estudo e a taxa de impacto da
McKinsey de 2,1 t de GEE economizadas por tonelada produzida
44
Figura 25. Colaboradores com os laços mais estreitos com o desenvolvimento
de catálise e processos relacionados
49
Lista de tabelas
Tabela 1.
Sumário de hipóteses para os cenários de implementação de BPT na indústria química
19
Tabela 2. Sumário do impacto potencial dos catalisadores sobre energia e GEE em cenários
de fabricação de produtos químicos
20
Tabela 3. Principais oportunidades de desenvolvimento de catalisadores/
processos e necessidades tecnológicas
29
Tabela 4. Marcos para melhoramentos tecnológicos dos principais processos
30
Tabela 5. Economias de energia e redução de emissões projetadas para 2050 pelos dois modelos
32
Tabela 6. Produção de produtos químicos de alto valor, amônia e metanol por cenário, em 2050
34
Tabela 7. Principais barreiras
46
Lista de boxes
Boxe 1.
Os catalisadores na indústria química: um alvo para a transformação
7
Boxe 2.
2DS do “Energy Technology Perspectives” da AIE
10
Boxe 3.
Cenários da DECHEMA
11
Boxe 4.
Exemplo histórico: Haber-Bosch mudou o paradigma para a síntese da amônia
15
Boxe 5.
De gás a líquidos a partir do gás de xisto
22
Boxe 6.
Casos de Baixa e Alta Demanda de produtos químicos da AIE
33
Boxe 7.
Captura e armazenamento de carbono (CAC)
35
Sumário
3
Agradecimentos
Este roadmap reúne contribuições de várias fontes;
assim, os autores gostariam de agradecer àqueles
que generosamente contribuíram, oferecendo sua
perícia, experiência e pontos de vista. As primeiras
contribuições de peritos em catálise de empresas e
da academia, que responderam aos questionários,
forneceram uma sólida base de informações industriais
reais, pelo que agradecemos a todos que contribuíram.
Os autores tiveram a boa fortuna de receber as
contribuições de 19 especialistas da indústria e de
organizações não governamentais (ONG) no Workshop
de Peritos em Catálise (7-9 set. 2011, Paris). Vários
desses peritos continuaram a fornecer recomendações
e ajuda na busca de informações durante a geração
deste roadmap, o que foi muito apreciado. A lista de
participantes desta oficina e de outras encontra-se no
Anexo 11.1
Vários formuladores de políticas gentilmente
forneceram contribuições no início dos trabalhos deste
roadmap de catálise no Policy Workshop (23 jan. 2012,
Bruxelas). Isso ajudou a entender os atuais esforços de
melhoramento e as oportunidades de influência sobre
outras indústrias, o contexto do apoio e a necessidade
de opções e estruturas financeiras. Foi também ocasião
de uma discussão franca sobre rotas e metas realistas
de redução de energia e GEE.
Em um terceiro evento, o Workshop de Melhoramentos
de Eficiência do Setor Químico: Roadmap Tecnológico
e Opções de Políticas (8 maio 2012, Pequim), o
trabalho beneficiou-se das contribuições de mais
de 120 participantes. Gostaríamos de agradecer a
nossos co-organizadores, a China Petroleum and
Chemical Industry Federation (CPCIF), a Association
of International Chemical Manufactures (AICM) e o
China Business Council for Sustainable Development
(CBCSD), por suas numerosas contribuições e
colaborações.
Vários licenciadores forneceram contribuições e
gostaríamos de agradecer especialmente a Bernd
Langanke, aos colegas da Uhde e a Florian Pontzen,
da Air Liquide, suas valiosas colaborações e
comentários. Russel Heinen, da SRI (atual IHS), forneceu
colaborações inestimáveis. Agradecemos a ele e a
seus colegas as frutíferas discussões e os muitos
dados que forneceram. Gostaríamos de agradecer aos
contatos em associações-membros sua colaboração,
especialmente ao American Chemistry Council (ACC),
ao Conseil Européen de l’Industrie Chimique (Cefic) e
à Japanese Chemical Industry Association (JCIA). Kevin
Swift (ACC) e Moncef Hadhri (Cefic), em especial,
forneceram informações úteis sobre a história do
impacto econômico e da intensidade energética. Vários
colegas da Equipe Básica (ver a seguir) forneceram
colaborações, revisões e considerável ajuda na
organização das oficinas. Mais uma vez, gostaríamos
de agradecer a eles a generosa contribuição.
Vários outros membros da equipe da AIE ofereceram
ponderações e apoio, entre eles Araceli Fernandez
Pales, Laszlo Varro e o ex-colega da AIE Jayen
Veerapen. Os autores também gostariam de agradecer
a Marilyn Smith a edição do manuscrito; a Annette
Hardcastle, que ajudou a preparar o manuscrito; bem
como à Unidade de Publicações da AIE; e em particular
a Muriel Custodio, Astrid Dumond, Rebecca Gaghen,
Cheryl Haines e Bertrand Sadin por sua assistência na
edição, diagramação e produção.
1. Extensos anexos a este roadmap encontramse disponíveis online em: <http://iea.org/
media/freepublications/technologyroadmaps/
TechnologyRoadmapCatalyticProcessesAnnexes.pdf>; <www.
icca-chem.org/en/Home/ICCA-initiatives/Energy--ClimateChange->; <www.DECHEMA.de/industrialcatalysis>.
Finalmente, muitos agradecimentos à Equipe Básica por
sua liderança, dedicação e persistência.
Florian Ausfelder, DECHEMA
Alexis Bazzanella, DECHEMA
Hans VanBrackle, ExxonMobil
Regina Wilde*, Basf
Claus Beckmann*, Basf
Russel Mills*, Dow Chemical
Ed Rightor*, Dow Chemical
Cecilia Tam, AIE
Nathalie Trudeau, AIE
Peter Botschek, Cefic
* Coordenador
4
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Constatações-chave
• A fabricação de 18 produtos (dentre milhares)
responde por 80% da demanda de energia da
indústria química e 75% das emissões de gases de
efeito estufa (GEE).
• Os catalisadores e outros melhoramentos de
processo relacionados poderiam reduzir a
intensidade de energia2 desses produtos de 20%
a 40% como um todo em 2050, combinandose todos os cenários. Em termos absolutos, tais
melhoramentos poderiam economizar até 13
exajoules (EJ) e 1 gigatonelada (Gt) de dióxido de
carbono equivalente (CO2-eq) anuais no ano de
2050 versus um cenário de business as usual (BAU).3
• A curto e médio prazos (até 2025), os progressos
constantes da implementação de melhoramentos
incrementais e a adoção de tecnologias da melhor
prática (BPT) poderiam proporcionar substanciais
economias de energia e reduções de emissões em
comparação com BAU.
• O atingimento de maiores reduções de energia e
emissões exigirá o desenvolvimento e a aplicação
de tecnologias emergentes que ultrapassam a
capacidade das atuais BPT.
• Um salto na redução do consumo de energia
e das emissões de GEE do setor exigiria o
desenvolvimento de tecnologias do tipo “mudança
de paradigma”, tais como matérias-primas
sustentáveis a partir de biomassa ou hidrogênio
obtido de fontes renováveis de energia, que ainda
não atingiram a maturidade comercial.
• Portanto são necessários a longo prazo
investimento e apoio a pesquisa e desenvolvimento
(P&D) para assegurar a continuação dos avanços em
novas tecnologias.
Ações-chave para os
próximos dez anos
Entrar no caminho correto para alcançar as metas
deste roadmap exige esforço imediato por parte de
todos os envolvidos, tanto individualmente como em
conjunto, para desenvolver estratégias de longo prazo
e os respectivos mecanismos para estimular ações e
medir o progresso.
• Criar um arcabouço de políticas de longo prazo,
estimulando investimentos para revigorar os
melhoramentos de catalisadores/processos, bem
como P&D, para processos com alto consumo de
energia.
• Introduzir políticas que possibilitem melhores
práticas em regiões onde são construídas
novas instalações, especialmente em países em
desenvolvimento.
• Eliminar subsídios à energia que constituem
barreiras ao uso de tecnologias energeticamente
mais eficientes. No caso de BPT, podem ser
necessárias políticas para superar barreiras
de implementação, entre elas o alto custo de
capital, desafios à substituição e investimentos
concorrentes.
Indústria química
• Identificar as principais oportunidades relacionadas
a catalisadores ou processos e acelerar P&D e
investimentos de capital que melhorem a eficiência
energética.
• Facilitar P&D sobre tecnologias de mudança de
paradigma com parceiros para reduzir barreiras e
custos operacionais.
• Promover cooperação mundial e regional para
redução de energia e/ou emissões via associações
da indústria.
Academia e organizações de pesquisa
• Empreender ou estimular pesquisa na academia
ou em laboratórios nacionais sobre processos de
grande volume ou alto uso de energia.
• Agir junto aos líderes da indústria para identificar as
principais oportunidades de redução das barreiras
técnicas.
Instituições financeiras
• Trabalhar juntamente com a indústria química
para melhor entender as mudanças de necessidade
de financiamento de um setor químico de baixo
carbono e as oportunidades de financiamento de tal
transição.
Formuladores de políticas
• Desenvolver e implementar políticas para melhor
recompensar os investimentos em eficiência
energética e remover barreiras aos novos
investimentos.
2. Energia usada por unidade de produto produzido.
3. Um exajoule é igual a 1018 joules. Em 2010, os Estados Unidos
usaram 93 EJ de energia primária; e a Alemanha, 13,7 EJ.
Constatação-chave
5
Introdução
Mais de 95% de todos os produtos manufaturados se
apoiam na química (ICCA, 2010). A química fornece
soluções nas mais diversas áreas, tais como energia
alternativa, transporte, comunicações, construção
civil, fármacos e informática.
cada unidade de carbono que o setor emitiu em 2005,
ele possibilitou, com seus produtos e tecnologias,
economias de 2,1 a 2,6 unidades de CO2-eq (em
comparação com alternativas não químicas) (ICCA,
2009).
A produção da indústria química cobre três grandes
áreas de produtos: produtos de base, especialidades
químicas e produtos para o consumidor. Essas
três áreas de produtos oferecem benefícios para
consumidores, bem como para uma multidão de
indústrias, incluindo um papel estratégico na geração,
no uso e no armazenamento de energia. O setor
químico é um viabilizador de crescimento na economia
global e no desenvolvimento dos países emergentes.
O setor tem um longo histórico de redução do
consumo de energia e das emissões, fornecendo, ao
mesmo tempo, soluções inovadoras. Desde 1974, a
indústria química nos Estados Unidos melhorou sua
intensidade de energia (consumo de energia por
unidade de produção) em 50%. Desde 1990, o nível
absoluto de emissões de GEE diminuiu em 13% (ACC,
2012).
Com vendas globais de 3 trilhões de dólares
americanos, e 7 milhões de empregados em 2010, a
indústria química é uma das maiores do mundo. Não é
de se surpreender que a indústria química seja também
um grande consumidor de energia. Cerca de 90% dos
processos químicos envolvem o uso de catalisadores
(substâncias adicionais que aumentam a velocidade
da reação sem ser geralmente consumidas por ela) e
processos relacionados, a fim de melhorar a eficiência
da produção e reduzir o uso de energia, restringindo
assim os níveis de emissão de GEE.
Em vista das preocupações com a sustentabilidade,
com o crescente custo da energia e com as pressões
concorrenciais, este roadmap para a indústria química e
petroquímica (doravante chamada “indústria química”)
investiga de que maneira os avanços nos processos
catalíticos podem contribuir para aumentar ainda mais
o uso eficiente de energia pelo setor e para reduzir a
emissão de GEE.
No momento, a demanda global de energia para a
indústria química é de 15 EJ por ano (EJ/ano), exceto
as matérias-primas. Se elas forem incluídas, a indústria
usa 42 EJ/ano e responde por cerca de 10% da demanda
global de energia, ou 30% da demanda industrial total
do mundo (AIE, 2012). Além disso, a indústria química
gera 5,5% das emissões de CO2 (7% das emissões
globais de GEE) e é responsável por 17% das emissões
industriais de CO2 (20% das emissões industriais de
GEE). O consumo de energia e as emissões de GEE
relacionadas à fabricação de produtos são um dos
principais focos. Em 2005, as emissões globais de GEE
em toda a indústria química foram de 3,3 GtCO2-eq
(+/- 25%), sendo 2,1 Gt na fabricação de produtos e
1,2 Gt na extração de matéria-prima ou combustível e
nas fases de disposição (ICCA, 2009).
Apesar desses impactos negativos, o uso disseminado
de muitos produtos (por exemplo isolamento,
iluminação eficiente, materiais mais leves para
automóveis e materiais avançados para tecnologias
renováveis) já deu substanciais contribuições à
redução da demanda de energia e das emissões
em muitos setores. Um estudo compilando várias
análises de ciclo de vida (ACV) mostrou que, para
6
Na Europa, a intensidade de energia de 2010 na
indústria química estava 53,4% abaixo da de 1990
(CEFIC, 2012). Embora o setor seja intensivo em
energia, sua própria extensão e escala (incluindo, em
muitos casos, instalações de produção em grande
escala) sugere que pequenas mudanças no consumo de
energia e nas emissões de GEE ligadas a um processo
químico específico podem ter impactos substanciais.
Ao investigarem as formas de reduzir o consumo de
energia, bem como as emissões da indústria, as partes
interessadas identificaram uma área com significativo
potencial: avanços em processos catalíticos, ou
seja, os esforços para estimular as reações químicas ao
longo de toda a cadeia de fabricação de dado produto,
de modo que o resultado desejado seja obtido com
menos demanda de energia e menos emissões de
GEE (Boxe 1). Este roadmap focaliza esse considerável
potencial. Dada a complexidade do setor, o roadmap
vai focalizar tanto a abordagem baseada em metas
(modelo da AIE) quanto outra, que reflete a evolução
esperada da indústria por uma perspectiva tecnológica
(o modelo DECHEMA), sob diferentes cenários.
Os catalisadores desempenham um papel vital nos
processos químicos, mas não são uma tecnologia
isolada, como é o caso de muitas tecnologias em
outros roadmaps tecnológicos da AIE. Quando um
novo catalisador é usado para melhorar a eficiência
energética e reduzir as emissões de GEE, em geral não
é implementado isoladamente, mas em conjunto com
avanços correspondentes na tecnologia de processo,
por exemplo um novo desenho de reator. Além
disso, os processos de grande volume tendem a ser
altamente integrados, o que torna difícil especificar
o impacto do catalisador ou do passo catalítico
sobre o uso de energia e as emissões do processo
como um todo. Por essa razão, o roadmap não faz
tentativa alguma de separar o impacto da catálise
sobre unidades específicas em uma cadeia de processo
determinada. Em lugar disso, o roadmap considera
o melhoramento no consumo específico de energia
(specific energy consumption – SEC) para o processo,
possibilitado pelo melhoramento do catalisador e
pelos melhoramentos subsequentes em outros passos
vinculados a ele.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Boxe 1. Os catalisadores na indústria química: um alvo para a transformação
O ideograma chinês de “catalisador” é o mesmo
que para “arranjador de casamentos”. Essa é uma
boa descrição da função que o catalisador assume
para os parceiros da reação. A contribuição de
uma substância chamada “catalisador” estimula o
aumento da velocidade de uma reação química,
em geral por meio da facilitação de uma rota
alternativa de reação com energia de ativação
mais baixa. Ao contrário de outros reagentes que
participam da reação, os catalisadores em geral não
são consumidos no processo. Em alguns casos, eles
podem participar de várias reações.
Os catalisadores dirigem as reações químicas rumo
a um resultado específico e em geral possibilitam
condições de processo mais fáceis de controlar,
tais como temperaturas e pressões mais baixas
ou maior rendimento. São essenciais para uma
produção eficiente em muitos setores industriais:
cerca de 90% dos processos químicos empregam
catalisadores, assim como o fazem todos os
processos de refino de petróleo (yoneyama, 2010).
Espera-se para 2012 que o mercado global de
catalisadores dentro desses setores tenha atingido
16,3 bilhões de dólares (Freedonia Research), sendo
que aqueles usados em processamento químico
representam cerca de 75%; e os usados no refino de
petróleo, os 25% restantes.
Objetivos e escopo
A fim de investigar até que grau os melhoramentos
de processos catalíticos poderiam reduzir o consumo
de energia e as emissões de GEE na indústria química,
formou-se uma parceria entre a AIE, o ICCA e a
DECHEMA para desenvolver um roadmap para:
• Fornecer informações fidedignas sobre o potencial
de redução de consumo de energia e emissões
de GEE por meio de melhoramentos de processos
catalíticos.
• Identificar melhoramentos e grandes avanços da
tecnologia de processos, bem como os caminhos
para alcançá-los.
• Identificar obstáculos e as maneiras de reduzi-los ou
superá-los.
• Fornecer responsavelmente aconselhamento aos
formuladores de políticas e à indústria sobre a
forma de viabilizar os resultados desejados.
Mas o valor da catálise vai além dos processos de
química ou de refinaria. Os catalisadores são usados
em muitas outras aplicações industriais, por exemplo
para reduzir a emissão de poluentes atmosféricos
do gás de combustão em termoelétricas ou
outras plantas industriais. Além disso, a catálise
é a base de equipamentos e produtos usados
na vida diária em diversas aplicações, tais como
conversores catalíticos em automóveis, superfícies
autolimpantes, controle de ar interior e detergentes
de lavanderia eficazes em água fria.
Os catalisadores podem ser ou compostos
dissolvidos na mistura de reação (catálise
homogênea), ou então sólidos dispersos na mistura
de reação ou colocados nas paredes do reator na
forma de revestimento (catálise heterogênea). O uso
de enzimas para transformações químicas é chamado
de biocatálise.
Nem todas as aplicações de catalisadores têm como
alvo a economia de energia ou a redução de GEE, e
alguns têm somente um impacto indireto por esses
critérios. Este roadmap focaliza essencialmente
as áreas de maior impacto sobre energia e GEE no
setor químico, mas evidentemente outras áreas têm
também potencial para melhoramento da catálise e
impactos adicionais.
Este roadmap fornece uma avaliação quantitativa dos
principais processos catalíticos no setor químico e
seu impacto sobre os 18 principais produtos (aqueles
de maior volume). Descreve também alguns impactos
sobre outros processos catalíticos por estimativas
aproximadas, baseadas em informações publicamente
disponíveis. Para um pequeno número de produtos
em uso, o impacto é destacado qualitativamente ou
usando-se exemplos ilustrativos.
Abordagem
Dois desafios-chave surgem ao tentarmos identificar
oportunidades de reduzir o futuro consumo de energia
e emissão de GEE na indústria química. Primeiro, há
muitos produtos químicos que não são produzidos
em um único processo de fabricação, mas por vários
processos diferentes, que empregam diferentes
rotas de reação (catalíticas e não catalíticas).
Frequentemente o processo de produção também
requer uma combinação de tecnologias, e algumas
são parte integrante de um processo catalítico.
Introdução
7
Assim, é difícil quantificar com precisão o grau em
que uma única reação ou tecnologia contribui para o
melhoramento da eficiência, ou em qual estágio isso
ocorre. O segundo desafio é que a indústria está em
constante evolução, muitas vezes com o objetivo de
melhorar a eficiência. Historicamente conseguiramse pequenos melhoramentos com regularidade.
Devido à escala da indústria, alguns tiveram impactos
substanciais.
Outros melhoramentos da reação ou da tecnologia
são mais significativos, e ocasionalmente ocorre um
grande avanço no catalisador ou na tecnologia que
basicamente “muda o jogo”.
Este roadmap examina duas abordagens de projeção
no futuro: ambas usam tecnologias de modelagem
e baseiam-se em conhecimentos atuais. Ambos os
modelos usam os mesmos dados sobre os volumes
atuais de fabricação, bem como os atuais níveis
de consumo de energia e emissões de CO2 para os
produtos analisados. Mas os exercícios de modelagem
da AIE e da DECHEMA seguem abordagens diferentes
para projetar os impactos futuros e usam os dados e
informações disponíveis de maneiras diferentes.
• O modelo da AIE é voltado para objetivos,
seguindo a abordagem usada em sua publicação
Energy Technology Perspectives 2012 (ETP 2012),
visando a alcançar um cenário global em que o
aumento médio de temperatura fique limitado
a 2°C. Globalmente isso exige uma redução de
50% das emissões de CO2 referentes à energia
em todo o setor de energia em comparação aos
níveis de 2009. O modelo da AIE avalia a atual
fatia da indústria química na demanda de energia
e nas emissões globais e explora os caminhos
tecnológicos necessários para alcançar um nível de
redução em que a indústria como um todo dê sua
justa contribuição para a meta global. Tal como
na modelagem de outros setores, a abordagem
do ETP considera uma ampla gama de tecnologias
que podem influenciar dado setor. No caso da
indústria química, as tecnologias consideradas
incluem a aplicação de BPT, o melhoramento de
membranas e processos de separação, o uso de
biocombustíveis e a integração de instalações de
captura e armazenamento de carbono (CAC) em
plantas químicas. A AIE considera em seguida como
as políticas poderiam estimular as ações necessárias
por parte de todos os envolvidos na indústria.
tecnológicos fornecerá quatro tipos de progresso,
cada um sucessivamente com maior capacidade
que o anterior para fechar a lacuna: melhoramentos
incrementais, BPT, tecnologias emergentes e
tecnologia de ruptura (game changers).
Este modelo identifica as maiores lacunas,
que refletem as maiores oportunidades de
melhoramento radical (tecnologias de mudança
de paradigma); mas também reconhece que o
fechamento dessas lacunas geralmente exige anos
de P&D e um substancial investimento financeiro.
No outro extremo, isto é, em processos que
já estão perto do limite teórico de eficiência
e de redução de emissões, os avanços futuros
provavelmente vão se limitar a melhoramentos
incrementais. Nesse caso, torna-se mais válido
perguntar: “Quanto se ganha e a que custo?” Um
desafio inerente à perspectiva da indústria é que
a eficiência energética e (com a introdução dos
mercados de carbono) a redução das emissões têm
um valor monetário que não apenas contribui para a
justificação do projeto, como também pode afetar
a competitividade. Os ganhos realizados por uma
companhia podem ser protegidos como direitos à
propriedade intelectual e não podem ser aplicados
com a mesma extensão que os ganhos alcançados
pela academia ou por instituições públicas de
pesquisa.
Um ponto importante é que, embora os modelos AIE
e DECHEMA sigam diferentes abordagens e meçam
fatores um tanto diferentes, ambos chegam a uma
conclusão parecida: o potencial para melhoramento
da eficiência energética e redução das emissões na
indústria química é substancial, e é necessário um
esforço coletivo de todas as partes interessadas para
concretizá-lo.
Este roadmap tem um foco bastante específico:
processos catalíticos na indústria química. Apresenta
primeiramente a abordagem da AIE, seguida por
uma extensa seção destacando o potencial impacto
dos avanços tecnológicos refletidos no modelo
DECHEMA. A seção sobre visão compara os resultados
e estabelece ações e marcos para alcançar as metas
declaradas. Embora sejam também possíveis reduções
significativas de energia e emissões em outros
processos catalíticos e em produtos em uso, elas
não são tratadas quantitativamente, mas apenas
qualitativamente neste roadmap.
• O modelo DECHEMA reflete mais a perspectiva
da indústria, identificando oportunidades para
melhorar processos específicos a fim de reduzir os
impactos de energia e emissões de determinados
produtos químicos. Assim, o ponto de partida para
os cenários da DECHEMA é a análise da “energética”,
que se refere à lacuna entre o “teoricamente ótimo”
em determinado processo e a realidade atual. Em
grande medida, o modelo da DECHEMA extrapola
para o futuro as tendências passadas, reconhecendo
que a combinação de catalisadores e avanços
8
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Figura 1. Comparação de abordage, limites e cobertura de processos dos
modelos AIE e DECHEMA
Premissas
AIE
2010 (SRI, USGS)
Análise geral do setor químico com
modelagem detalhada das rotas de
produção dos cinco principais produtos
Emissões de CO2 referentes a combustão
Específico de países e regiões
Volume de produção
Consumo específico de
energia (SEC)
2010-50 (SRI)
18 produtos, 130 processos catalíticos
Emissões específicas de GEE
GEE por processo e consumo de energia
Perfil de uso de combustíveis
Regional
Qualitativo
Refinarias outro catalisador impacto no uso
Resultados
Modelagem
Avaliação quantitativa
Dentro do arcabouço de
metas climáticas:
Desenvolvimento da produção
baseado no crescimento da economia
e da população
Melhoramento de SEC através da
adoção de BPT e desenvolvimento
técnico
Produção, consumo de energia,
e missões de CO2
Parte do modelo global de
energia da AIE
Contribuição da eficiência
energética, recuperação de energia,
CAC e substituição de combustível
Metas tecnológicas para
redução de energia
e emissões
Áreas para P&D e
inovação
Necessidades de
implementação de
tecnologia
Implementação de
tecnologia e políticas
de apoio
Avaliação quantitativa
Desenvolvimento de SEC e GEE
dependendo das opções tecnológicas:
Melhoramentos incrementais
Tecnologia da melhor prática
Tecnologias emergentes
Tecnologias de mudança de paradigma
Consumo de energia e emissões
de GEE
Impacto de biomassa e hidrogênio
PONTO CHAVE: O modelo da AIE examina o setor químico com uma modelagem detalhada dos cinco principais
produtos, enquanto que o modelo DECHEMA examina mais de perto a questão de como a catálise e a tecnologia
poderiam avançar em paralelo. Os dois cenários, embora forneçam visões diferentes, são complementares.
Conforme ilustra a Figura 1, os dois modelos usam as
mesmas hipóteses para o período 2010-2050 no que
diz respeito a volumes projetados de produção, SEC
e o futuro perfil de uso de combustíveis, porém eles
diferem em alguns outros aspectos. A AIE (verde)
aborda o setor químico de maneira geral, com uma
detalhada modelagem pelas rotas de produção para
os cinco principais produtos em termos de consumo
de energia e emissões de CO2.4 Ambas as abordagens
examinam as diferenças regionais que se espera que
surjam dentro da indústria química.
Usando dados da SRI, a abordagem da DECHEMA (azul)
analisa 18 produtos químicos, para os quais existem
130 processos catalíticos, para avaliar o consumo de
energia e as emissões por processo. Ela concentra-se
em melhoramentos tecnológicos, que são descritos a
seguir.
Cenários globais da AIE
O modelo ETP da AIE (Boxe 2) analisa as economias de
energia e de emissões de CO2 necessárias em todos
os setores para alcançar os níveis que, segundo as
pesquisas climatológicas, teriam uma chance de 80%
de restringir a 2°C o aumento médio de temperatura
global. Partindo do desempenho atual, procura
identificar a combinação de custo mínimo entre
tecnologia, políticas e preços, a fim de atingir aquela
meta, equilibrando os impactos atuais e as possíveis
contribuições dos setores de maior porte. A análise
neste roadmap focaliza os processos centrais do
setor químico. Para isso o modelo avalia os potenciais
de redução de energia e CO2 das atividades-chave,
tais como a penetração de economias de calor
por processos de BPT, integração de processos,
cogeração5, reciclagem, recuperação de energia,
substituição de combustíveis, novas tecnologias e
economias de eletricidade.
As BPT, no modelo da AIE, representam as mais
avançadas tecnologias atualmente em uso em escala
industrial (Saygin et al., 2009).
4. Os números da AIE não incluem emissões indiretas de CO2
atribuídas ao uso de eletricidade, enquanto os números para os
18 produtos químicos incluem tanto as emissões diretas como
as indiretas.
5. O termo “cogeração” refere-se à produção combinada de calor
e potência.
Introdução
9
Boxe 2. 2DS do “Energy Technology Perspectives” da AIE
O cenário ETP 2°C (2DS) examina as implicações
das políticas, visando a alcançar a redução
de emissões, que, segundo as pesquisas
climatológicas, teriam uma chance de 80% de
restringir a 2°C o aumento médio de temperatura
global. Neste cenário, as emissões globais de CO2
referentes à energia em 2050 serão a metade do
nível atual.
Isso não significa que cada segmento industrial
tenha de reduzir suas emissões em 50%. Para
alcançar os objetivos de emissões globais de
CO2 da forma mais eficaz em termos de custo, é
necessário que cada setor dê sua contribuição com
base em seu custo de abatimento. No 2DS, a meta
para o setor químico e petroquímico seria reduzir
as emissões de CO2 em 1,3 GtCO2 até 2050, o que
corresponde a cerca de 20% menos que os níveis
atuais.
O cenário de 6°C (6DS) serve de linha de base
(ou business as usual): ele admite que não será
introduzida nenhuma grande política nova de
redução de emissões nas próximas décadas,
e as tecnologias vão ser desenvolvidas e
Cenários DECHEMA dos
potenciais de melhoramento
técnico para processos
catalíticos
Inicialmente, a DECHEMA reconheceu que as
informações publicamente disponíveis a respeito
dos impactos de catalisadores sobre a eficiência de
processos são limitadas, e a quantificação do impacto
dependeria de se conseguir informações fidedignas
junto à indústria ou outras fontes (Boxe 3). A fim de
alcançar a avaliação quantitativa desejada do impacto
dentro da indústria química, o estudo combina as
constatações de três abordagens complementares. Os
dados mais relevantes sobre melhoramentos potenciais
foram obtidos da seguinte maneira:
• Enviando questionários a respeito dos 40 principais
processos industriais que consomem energia e que
são cataliticamente relevantes:
implementadas a uma velocidade semelhante à
do passado. O 2DS pergunta quais políticas são
necessárias para promover a aplicação ampla
das BPT a fim de alcançar a redução de energia
e emissões necessária para limitar o aumento da
temperatura global.
Os resultados confirmam que será difícil alcançar
o 2DS. Algumas taxas de mudança assumidas
(por exemplo a mudança anual das vendas de
novas tecnologias) não têm precedentes. Para
concretizar tal cenário, serão necessárias políticas
fortes por parte dos governos no mundo inteiro.
O modelo ETP é fundamentado em um modelo
Times (www.iea.org/etp/methodology), que usa
otimização de custos para identificar combinações
de mínimo custo de tecnologias de energia e
combustíveis para atender à demanda de energia,
dadas as restrições, tais como a disponibilidade de
recursos naturais. Neste estudo, ele foi utilizado
para fornecer uma estimativa de quanto CO2 pode
ser evitado usando-se tecnologias preferenciais
com o mínimo custo potencial de abatimento.
• Pediu-se aos fabricantes de produtos químicos que relatassem volumes de produção,
consumo de energia e emissão de GEE, taxas
históricas de melhoramentos e futuros melhoramentos potenciais. A DECHEMA recebeu 92
relatórios a respeito de processos específicos
de 28 companhias, e 73 deles incluíam dados
energéticos para processos específicos.
• Fez-se um levantamento junto aos fabricantes
de catalisadores a respeito de melhoramentos
passados e potenciais melhoramentos futuros, e
das principais áreas de P&D.
• Pediu-se aos peritos acadêmicos que identificassem futuros projetos e ideias de pesquisa.
• Aumentando/verificando as informações do
levantamento por meio de dados complementares
sobre processos específicos, conforme foram
fornecidos pela SRI Consulting (atual IHS). Os
valores foram discutidos com os peritos industriais
em duas reuniões, e as informações sobre todos os
processos foram verificadas com os licenciadores.
• Consultando a literatura aberta para obter uma
perspectiva ampla.
10
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Boxe 3. Cenários da DECHEMA
A DECHEMA usou as informações das fontes
citadas para modelar cinco cenários. Cada cenário
reflete um melhoramento mais substancial que o
anterior, o que tipicamente coloca as categorias de
melhoramentos mais “adiante” no cronograma do
desenvolvimento.
Business as usual (BAU) admite que o nível
tecnológico de hoje – e consequentemente o nível
de consumo de energia e emissões de GEE dos
processos químicos – permanece constante, isto
é, sem nenhum melhoramento adicional. O BAU é a
linha de base usada para comparação nas opções de
melhoramento descritas a seguir.
Melhoramento incremental, um cenário que reflete
avanços tecnológicos relativamente pequenos e
esperados no “andamento normal dos negócios”.
Estes são alguns exemplos: sistemas de catálise
mais seletivos, ativos e/ou duráveis; desempenho
otimizado de reatores; nível mais alto de integração
térmica; melhores condições operacionais; etc.
Muitos melhoramentos deste tipo são retrofits de
plantas já existentes.
Tecnologias da melhor prática (best practice
technologies – BPT) indicam uma aplicação
amplamente disseminada de tecnologias
estabelecidas ou melhores práticas em plantas
existentes ou novas.* São apresentados dois
cenários, um com premissas conservadoras e
outro mais otimista. A implementação de BPT
tipicamente requer investimentos maiores que para
melhoramentos incrementais, e é mais provável
que seja parte de novas construções do que de
iniciativas de retrofit. Um exemplo para ilustrar um
SEC médio versus BPT encontra-se no Anexo 4.
Tecnologias emergentes caracterizam-se por
avanços em grandes saltos, por intermédio uma nova
tecnologia que esteja em estágio avançado de P&D,
ou em demonstração, ou ainda com possibilidade
realista de comercialização. Dois exemplos são a
substituição do craqueamento a vapor (atualmente
executado não cataliticamente) por um processo
catalítico e o processo de metanol para olefina
(methanol-to-olefin – MTO). As tecnologias
emergentes em geral são aplicadas usualmente em
novas plantas/ instalações.
Tecnologia de ruptura (game changers), tecnologias
de mudança de paradigma que desencadeiam
uma mudança significativa do processo, por
exemplo: encontrando rotas diretas de produção
que eliminem processos intermediários, usando
matérias-primas alternativas, mudando mecanismos
básicos, etc. Opções de processo do tipo “mudança
de paradigma” tipicamente estão longe da
comercialização e enfrentam grandes barreiras
econômicas e técnicas; assim, elas têm risco
relativamente alto. Caso se tornem viáveis, poderão
ser aplicadas em novas plantas/ instalações.
Nessa lista, o grau de incerteza cresce de uma
categoria para a seguinte, e assim desenvolveramse casos com hipóteses otimistas ou conservadoras
em relação à velocidade de implementação da
tecnologia. Isso possibilitou considerar a redução
de uso de energia e GEE em áreas com diferentes
velocidades de melhoramento, cronogramas
de desenvolvimento e níveis de investimento.
Explicações adicionais estão no glossário.
* Nota: Na indústria química, dada a escala da maioria das plantas,
é mais apropriado analisar os potenciais tomando como referência
as tecnologias mais avançadas atualmente em uso em escala
industrial. Por isso as tecnologias da melhor prática (BPT) são
comparadas com as melhores tecnologias práticas disponíveis
(best available technologies – BAT). Estas últimas são tecnologias
que podem estar em operação em algumas plantas, mas ainda não
estão amplamente comprovadas tecnológica ou economicamente
em escala industrial.
Introdução
11
Situação atual do uso de energia e emissões de GEE
A pesquisa realizada para este roadmap examina o uso
de energia e as emissões de GEE referentes aos 18
principais produtos químicos6 em escala global.
Para ajudar as partes interessadas a se concentrarem
nas ações mais eficazes, o foco do roadmap é limitado a
quatro grupos de produtos com os maiores impactos de
energia e emissões. Todos os quatro são ou podem ser
produzidos por processos catalíticos:7
• As olefinas (etileno e propileno) são compostos
relativamente estáveis com um ou mais pares
de átomos de carbono ligados por uma ligação
dupla. Quando a ligação é rompida, as moléculas
rapidamente formam novas ligações simples,
estimulando diversas reações. As olefinas são
formadas em grande quantidade durante o “processo
de craqueamento” (quebra de moléculas grandes),
pelo qual os óleos do petróleo são transformados em
gasolina. Atualmente o processo mais comum para se
produzirem olefinas é o “craqueamento a vapor” da
nafta, que é não catalítico. Elas também podem ser
produzidas pelo craqueamento catalítico da nafta
ou pela desidratação catalítica do metanol (MTO),
mas esses processos são muito menos comuns. As
olefinas, em especial o etileno e o propileno, são
amplamente usadas na indústria petroquímica, por
exemplo na produção de polímeros usados para
fabricar borracha sintética e outros plásticos. A
produção mundial de etileno e propileno em 2012 foi
de 220 milhões de toneladas (Mt).
• A amônia é um composto de nitrogênio e hidrogênio
com a fórmula NH3. É um gás incolor com forte
odor acre. É amplamente usada na agricultura como
fertilizante, serve de matéria-prima para muitos
produtos farmacêuticos e de limpeza e também
como agente antimicrobial no processamento
de alimentos. A produção mundial de amônia foi
estimada em 2012 em 198 Mt.8
• Os aromáticos BTX (benzeno, tolueno e xileno)
também se caracterizam por átomos de carbono
com ligações duplas que podem facilmente ser
modificadas, bem como por seu odor específico, que
sugeriu o uso da palavra “aromáticos” como nome
do grupo. Comumente são produzidos por reforma
catalítica de nafta no refino petroquímico. Os
aromáticos BTX são vitais para o refino de petróleo e
para as indústrias petroquímicas. A demanda dos três
cresceu rapidamente nos últimos anos. A produção
mundial de benzeno em 2012, por exemplo, foi de
6. Os produtos estão listados no Anexo 4, Tabela 5.
7. O Anexo 4, Tabela 5 contém informações detalhadas sobre os
14 produtos restantes.
8. Ceresana. Market Study Ammonia. Ceresana. Acesso em: 7 nov.
2012.
12
43 Mt, representando um aumento de 2 Mt sobre
o ano anterior. Também são usados em saúde e
higiene, produção e processamento de alimentos,
transporte, informática e outros setores.
• O metanol (também conhecido como álcool
metílico) é um líquido leve, incolor, inodoro e
altamente inflamável. É produzido cataliticamente a
partir de monóxido de carbono, dióxido de carbono
e hidrogênio. O uso mais comum do metanol é
para produzir outros produtos químicos. Cerca
de 40% são convertidos em formaldeído e então
transformados em plásticos, madeira compensada,
tintas, explosivos e têxteis. Também é usado em
anticongelantes, solventes e como combustível para
veículos (inclusive biocombustíveis recentes) e pode
servir de portador de energia. A produção mundial de
metanol em 2012 foi estimada em 58 Mt.
Ao falar da indústria química, é importante distinguir
“processos” de “produtos”. O processo refere-se
a todos os passos (que podem ser muitos, tanto
catalíticos quanto não catalíticos, e que envolvem uma
ampla gama de tecnologias) pelos quais a matériaprima é transformada em produtos (etileno, propileno,
amônia, metanol, etc.). O processo tipicamente inclui
uma grande variedade de estágios e tecnologias, sendo
que muitas ou todas precisam de energia e podem
resultar em emissões de GEE.
Considerando somente a energia gasta nos processos
de fabricação de produtos a partir de matériasprimas, o consumo total mundial de energia da
indústria química é estimado em 15 EJ/ano (AIE, 2012).
É importante notar que isso não inclui a energia usada
para produzir as matérias-primas nem o conteúdo
energético das matérias-primas usadas no processo.9
Juntos, os quatro produtos descritos usam 7,1 EJ/ano, ou
47% da demanda total de energia do setor. Ampliando
o grupo de produtos para abranger os 18 produtos
químicos de maior volume (exceto os produtos
químicos feitos por reações eletroquímicas), o consumo
de energia cresce para cerca de 9,4 EJ/ano, ou 63%
da energia total referente a processos, enquanto um
número enorme de produtos de pequeno volume tem
um uso muito menor de energia10 (Figura 2).11
Assim, na categoria de produtos químicos de grande
volume, as olefinas, a amônia, os aromáticos BTX e o
metanol representam cerca de 80% da demanda de
energia, motivo pelo qual eles são especificamente
focalizados neste roadmap.
9. Os cálculos baseiam-se na soma de todas as rotas de produção.
Para cada rota, os consumos específicos de energia (SEC)
mundiais foram multiplicados pelo volume de produção da
respectiva rota. Os SEC médios estão no Anexo 4.
10. A Figura 3 do Anexo 4 mostra as matérias-primas, os principais
processos e os produtos primários típicos da indústria
química.
11. Os Estados Unidos usam 93 EJ de energia primária e a
Alemanha usou 13,7 EJ em 2010 (estatísticas da AIE).
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Figura 2. Consumo global de energia versus volumes de produção dos 18 principais
produtos químicos de grande volume, 2010
Consumo de energia (EJ)
Amônia
Etileno
Metanol
Propileno
BTX
Volume de produção (kt)
Acrilonitrila
Óxido de propileno
Caprolactama
Polipropileno
Cumeno
Etileno glicol
Para-xileno
Óxido de etileno
Estireno
Fenol
Ácido tereftálico
Polietileno
Cloreto de vinila
Nota: O consumo de energia para as olefinas nesta figura é referente ao processo de craqueamento a vapor.
Fonte: DECHEMA.
PONTO­CHAVE: Cinco produtos de grande volume (indicados em vermelho) dominam o consumo de
energia dos processos químicos.
As emissões mundiais totais de GEE atribuídas
aos processos químicos e petroquímicos são de
1,24 GtCO2-eq ao ano. As emissões de GEE dos
18 produtos químicos de maior volume são de
960 MtCO2-eq/ano, ou mais de 75% do total (Figura 3).
Assim, o tratamento da questão da intensidade de
energia e emissões de GEE12 desses produtos químicos
de grande volume, e especificamente os 18 principais
produtos químicos, tem potencial para alcançar
substanciais impactos em escala global.13 No entanto,
para apreender a complexidade da indústria como um
todo, é preciso observar que podem ser usados cerca
de 130 diferentes processos industriais para fabricar
os 18 produtos listados e que esses processos são
comumente específicos de certa companhia. O acesso
a dados e informações sobre processos e produtos é
muitas vezes protegido por motivos de propriedade.
Em consequência, é particularmente desafiador
identificar e promover o uso amplo dos processos mais
eficientes e de menores emissões.
Outro importante fator afeta tanto a demanda de
energia quanto as emissões da indústria química. É
muito comum que diversos passos de um processo,
usando vários reatores e catalisadores, precisem ser
executados para produzir determinado produto. A
síntese da amônia é um exemplo típico, conforme se
vê em um fluxograma simplificado mostrando somente
os passos mais importantes do processo (Figura 4).
Usando principalmente carvão ou gás natural como
matéria-prima, o primeiro reator de uma planta de
amônia (o reformador) produz hidrogênio e monóxido
de carbono para criar gás de síntese (syngas), mas isso
também resulta em emissões de CO2. Um segundo
reator (o conversor shift) usa água para converter
o monóxido de carbono em dióxido de carbono
mais hidrogênio. Os dois primeiros passos usam
catalisadores para máxima eficiência. Após a remoção
do gás ácido, a síntese propriamente dita da amônia é
executada, fazendo o hidrogênio reagir com nitrogênio
retirado do ar, usando outro catalisador.
12. Os SEC e emissões de GEE de plantas existentes estão listados
no Anexo 4.
13. Os volumes de produção, intensidades de energia e intensidades de emissão de GEE dos 18 principais produtos com
processos específicos estão listados no Anexo 4.
Situação atual do uso de energia e emissões de GEE
13
100
Etileno
Etileno
140
120
Emissões de GEE (MtCO2­eq)
Emissões de GEE (MtCO2­eq)
140
160
350
Amônia
Amônia
300
250
120
100
80
60
40
20
0
Metanol
Metanol
80
200
Propileno
Propileno
150
60
100
BTX
40
50
BTX
20
00
50000
50000
350
300
250
200
150
100
50
0
200000 0
200000
Amônia: emissões de GEE (MtCO2-eq)
160
Amônia: emissões de GEE (MtCO2-eq)
Figura 3. Emissões globais de GEE versus volumes de produção dos 18 principais
produtos químicos de grande volume, 2010
100000
150000
100000
150000
Volume de produção (kt)
Volume de produção (kt)
Etileno glicol
Caprolactama
Cumeno
Acrilonitrila
Fenol
Polietileno
Óxido de etileno
Etileno
glicol
Caprolactama
Cumeno
Acrilonitrila
Fenol
Polietileno
Óxido
de
etileno
Polipropileno
Óxido de propileno
Cloreto
de vinila
Para-xileno
Estireno
Ácido tereftálico
Polipropileno
Óxido de propileno
Cloreto de vinila
Para-xileno
Estireno
Ácido tereftálico
0
Nota: As emissões de GEE para olefinas nesta figura se referem ao processo de craqueamento a vapor.
A amônia
representada
em
um olefinas
eixo diferente
à direita.
Nota: está
As emissões
de GEE
para
nesta figura
se referem ao processo de craqueamento a vapor.
Fonte:
DECHEMA
A amônia
está representada em um eixo diferente à direita.
Fonte: DECHEMA
PONTO CHAVE: As emissões de GEE de processos químicos catalíticos são dominadas pelos
principais
grande volume.
PONTO produtos
CHAVE: Asdeemissões
de GEE de processos químicos catalíticos são dominadas pelos
principais produtos de grande volume.
Figura 4. Síntese da amônia: esquema simplificado
N2
CO2
N2
CO2
CO2
Gás de combustão
Gás de combustão
Gás de
Conversor shift H2 + CO2
H2
síntese
Remoção do
Secção de
Gás de CO + H O
NH3
Reformador
2
H
+
CO
shift 2
H2 síntese
2gás ácido
síntese Conversor
Remoção
do
Catalisador
Secção deCatalisador NH
Catalisador
H
+
CO
2 CO + 2H O
Reformador
3
2
síntese
Catalisador
H2 + CO2 Catalisador gás ácido
Catalisador
CO2
Matéria-prima
Matéria-prima
Combustível
Combustível
PONTO CHAVE: A catálise é parte integrante da produção de amônia, tendo um papel a desempenhar
em PONTO
vários pontos
processo.
CHAVE: do
A catálise
é parte integrante da produção de amônia, tendo um papel a desempenhar
em vários pontos do processo.
14
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Em um nível simplista, praticamente todos os
produtores de amônia buscariam oportunidades de
reduzir a demanda de energia e as emissões pela
aplicação de melhoramentos incrementais (melhor
integração térmica, ajustes finos do catalisador, etc.)
em cada um desses passos, quando economicamente
viável, e pela adoção de BPT (equipamento no
estado da arte, melhores catalisadores, separações,
etc.). À medida que mais fabricantes tomem essas
providências, a demanda de energia e as emissões
mundiais podem ser substancialmente reduzidas. O
desenvolvimento e a implementação do esquema
de síntese de amônia retratado acima, chamado
“síntese de Haber-Bosch”, são um exemplo histórico
de um grande avanço na catálise, que se tornou uma
tecnologia de mudança de paradigma na síntese
da amônia (Boxe 4). A síntese de Haber-Bosch é
também um bom exemplo da frequente evolução
em paralelo dos catalisadores e outras tecnologias
de processo. Visto que o processo exige o manuseio
e o processamento de hidrogênio em alta pressão,
foram necessários vários avanços técnicos para que
fosse realizado em escala industrial. A eficiência da
maioria dos processamentos químicos melhora com
o tempo devido a fatores tais como melhoramentos
tecnológicos, concorrência, necessidade de reduzir
consumo de energia e/ou emissões, etc. À medida que
os processos amadurecem e se aproximam do limite
termodinâmico, a oportunidade de melhoramentos
radicais diminui. Mesmo assim, pequenas mudanças
em produtos químicos de grande volume têm um
impacto global substancial. Décadas de inovação,
integração energética e aumento do preço da energia
conquistaram a maior parte dos melhoramentos na
intensidade energética que eram fáceis de se alcançar.
Apesar disso, ainda existem oportunidades, tendo em
vista o uso teórico de energia para alguns processos
(ver Anexo 3).
Boxe 4. Exemplo histórico: Haber-Bosch mudou o paradigma para a
síntese da amônia
Nos anos 1920, a Europa enfrentava uma potencial
crise de alimentos: os solos tinham sido exauridos
de nitrogênio, o principal nutriente das plantas.
Embora o nitrogênio molecular constitua 78% da
atmosfera, nessa forma ele está fora do alcance das
plantas. Entretanto, sabia-se que os fertilizantes
derivados da amônia se decompõem no solo e
liberam nitrogênio (que as plantas são capazes de
absorver).
Na época, a amônia não era disponível em escala
industrial e só podia ser fabricada por processos
de grande consumo de energia, tais como os
processos de arco voltaico e de cianamida.
O desenvolvimento da síntese de Haber-Bosch não
apenas promoveu um enorme salto na eficiência
energética como também foi um requisito para a
produção de amônia em escala industrial.
O nome desse processo reflete o importante
vínculo entre a química e a tecnologia. O químico
Fritz Haber primeiramente desenvolveu um método
de converter hidrogênio e nitrogênio em amônia.
Um dos pontos-chave do processo foi a introdução
de um catalisador de ferro capaz de prender
(adsorver) em sua superfície tanto as moléculas de
nitrogênio como as de hidrogênio. Sob liberação de
energia, o catalisador de ferro divide as moléculas
presas em átomos de nitrogênio e hidrogênio, que
em seguida se combinam, formando a amônia. A
amônia era então liberada (dessorvida) para a fase
gasosa.
Trabalhando para a Basf, Carl Bosch desenvolveu
a tecnologia necessária para a produção industrial
de amônia em larga escala. Todos os passos são
caracterizados por uma energia de ativação
relativamente baixa (a “colina” de energia que
precisa ser escalada antes que a reação aconteça),
possibilitando assim que a síntese se processe a
uma velocidade tecnicamente aceitável (Figura 5).
Ambos receberam o Prêmio Nobel por suas
realizações de química e de engenharia, que
preveniram uma crise dos solos esgotados de
nitrogênio: Haber em 1918 e Bosch em 1931. Hoje,
a síntese da amônia é considerada uma das mais
importantes descobertas em processos catalíticos
da humanidade: cerca de 50% da produção
mundial de alimentos é sustentada por fertilizantes
baseados em amônia (Erismann, 2008).
Situação atual do uso de energia e emissões de GEE
15
Figura 5. Inovação radical na síntese de amônia e eficiência energética
Método do arco voltaico de Birkeland-Eyde
Método de cianamida
Síntese de Haber-Bosch
Reforma a vapor de gás natural
Fonte: Reproduzido de P. Broadhurst, Catalysts to Drive Environmental Improvements in Fertilizer Manufacture, Johnson Mathey
Catalysts: www.faidelhi.org/FAI%20Seminar%202008/Presentations/Session%20III/Presentation%205.pdf.
PONTO CHAVE: Ocorreram espetaculares melhoramentos no uso de energia para amônia
antes de 1930; nas últimas cinco décadas os melhoramentos têm sido mais incrementais.
16
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Oportunidades tecnológicas
Conforme se destaca no modelo DECHEMA, os
melhoramentos técnicos poderiam fortalecer ainda
mais a busca da indústria pela eficiência energética
e pela redução de emissões. Nos Estados Unidos, por
exemplo, a intensidade energética do setor químico
melhorou em 39% e a intensidade de emissões de GEE
foi reduzida em 10% entre 1994 e 2007. Para colocar
isso em perspectiva, a energia economizada acumulada
teria sido suficiente para abastecer de energia primária
por um ano inteiro o Japão, país que, com um consumo
anual de 24 EJ, é o quarto maior consumidor de energia
do mundo. A redução do ritmo de melhoramentos
energéticos a partir de 2007 reflete a recessão global
e a lentidão do crescimento de toda a indústria
química americana.
O modelo DECHEMA mostra que, em comparação com
um cenário BAU que inclua crescimento da produção,
mas nenhum esforço adicional de aumento de
eficiência energética, o melhoramento de catalisadores
e dos respectivos processos para os 18 produtos
principais poderia ser uma das principais rotas para
reavivar o progresso em eficiência energética (Figura
6). No ano de 2050, os melhoramentos incrementais
melhoram a intensidade em 1,8 gigajoules (GJ) por
tonelada de produto (tproduct), uma economia de 14%. A
implementação de BPT tem um impacto ainda maior:
em uma estimativa conservadora, ela gera economias
de 2,9 GJ/tproduct (26%), enquanto o modelo mais
otimista economiza 5,3 GJ/tproduct (48%).
Figura 6. Evolução da intensidade de energia para melhoramentos incrementais
e implementação de BPT
12
Intensidade de energia (GJ/t product)
11
10
9
8
7
6
5
2010
2020
BAU
Melhoramento incremental
2030
2040
BPT conservador
2050
BPT otimista
Nota: O consumo de energia para olefinas nesta figura é baseado no uso do processo de craqueamento catalítico.
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: Com base nas tendências históricas de melhoramentos regulares, a expectativa
é que a intensidade energética do setor químico e petroquímico continue a diminuir gradualmente.
Embora em termos absolutos o uso de energia e
as emissões de GEE cresçam como resultado do
crescimento esperado da indústria química (BAU),
a taxa de crescimento pode ser diminuída por
melhoramentos incrementais, BPT e mais ainda por
tecnologias emergentes (Figuras 7 e 8). O impacto
do potencial das tecnologias emergentes está
provavelmente subestimado, já que o estudo examinou
somente dois exemplos: produção de olefinas via
craqueamento catalítico de nafta e via metanol. O
impacto das tecnologias de mudança de paradigma,
entre elas o uso de biomassa como matéria-prima e a
implementação de processos baseados em hidrogênio
originário de fontes renováveis de energia, é
apresentado nas Figuras 20 e 21.
Oportunidades tecnológicas
17
Energia
total
(EJ)
Energia
total
(EJ)
Figura 7. Impacto energético das opções de melhoramento para
os 18 principais produtos até 2050
BAU
BAU
Melhoramento incremental
Melhoramento incremental
BPT conservador
BPT conservador
BPT otimista
BPT otimista
Tecnologias emergentes
Tecnologias emergentes
Nota: O consumo de energia para olefinas com tecnologias emergentes nesta figura baseia-se na implementação do
Nota:
O consumo
de energiacatalítico.
para olefinas com tecnologias emergentes nesta figura baseia-se na implementação do
processo
de craqueamento
processo
de craqueamento catalítico.
Fonte: DECHEMA.
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: A aplicação de catalisador e melhoramentos de processos relacionados pode
PONTO
A aplicação odecrescimento
catalisadorprojetado
e melhoramentos
de processos
relacionados
pode com
reduzir CHAVE:
significativamente
da demanda
da energia
em comparação
reduzir
significativamente
o
crescimento
projetado
da
demanda
da
energia
em
comparação
com
business as usual.
business as usual.
Emissão
Total
dede
GEE
(GtCO
Emissão
Total
GEE
(GtCO
2-eq).
2-eq).
Figura 8. Impacto sobre os GEE das opções de melhoramento para os 18
principais produtos até 2050
Emissões direta e processo
Emissões direta e processo
BAU
BAU
Melhoramento incremental
Melhoramento incremental
BPT conservador
BPT conservador
BPT otimista
BPT otimista
Tecnologias emergentes
Tecnologias emergentes
Nota: Estão incluídas no gráfico as emissões diretas de processo, isto é, as emissões inevitáveis, já que o CO2
Nota:
Estão
incluídas
no gráfico
as emissões
diretas
de processo,
isto1é,
as emissões
inevitáveis, já que o CO2
se forma
como
subproduto
em algumas
reações
químicas.
Ver Anexo
para
mais detalhes.
se
forma
como subproduto em algumas reações químicas. Ver Anexo 1 para mais detalhes.
Fonte:
DECHEMA.
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: Embora o crescimento da produção empurre para cima as emissões de GEE, a
PONTO
CHAVE:
Embora o crescimento
da produção
empurre
para cima as emissões
de crescimento
GEE, a
aplicação
de melhoramentos
tecnológicos
pode diminuir
significativamente
a taxa de
aplicação
tecnológicos
diminuir significativamente a taxa de crescimento
projetada,de
emmelhoramentos
comparação com
business aspode
usual.
projetada, em comparação com business as usual.
18
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Melhoramentos incrementais
Com base em dados recebidos no levantamento
de produtores químicos e informações de outros
peritos industriais, o modelo DECHEMA indica que
os melhoramentos incrementais para processos
específicos podem levar a melhoramentos (isto é,
causar uma redução) da intensidade energética na
faixa de 0,2%/ano a 1,0%/ano14 Em escala mundial,
esses melhoramentos tornam-se significativos e
devem ser encorajados. Em alguns casos, por exemplo
a caprolactama, parecem possíveis melhoramentos
muito maiores, na faixa de 2,5%/ano a 3,0%/ano.
As linhas roxas nas Figuras 7 e 8 mostram o impacto
de melhoramentos incrementais para os 18 principais
produtos sobre o consumo de energia e as emissões
de GEE. Em relação à linha de base de BAU (isto é, sem
nenhum novo melhoramento tecnológico), na qual
o consumo de energia cresce em 17,5 EJ (186%) e as
emissões de GEE crescem em 1,7 GtCO2-eq (194%)
entre 2010 e 2050, os melhoramentos incrementais
podem reduzir em 20% (5,3 EJ) a projeção de energia
do BAU e em 15% (384 MtCO2-eq) as emissões de GEE
em 2050.
Deve-se observar que certos processos químicos
intrinsecamente geram GEE como subprodutos. Essas
emissões diretas, não relacionadas a energia, são
inevitáveis.15 Para os 18 produtos químicos analisados
no cenário da DECHEMA, essas emissões são de
193 MtCO2-eq em 2010 e crescem para 527 MtCO2-eq
em 2050. Em consequência, a evolução das emissões
de GEE não é completamente correlacionada com a
redução de energia.
Implementação de
tecnologias da melhor
prática (BPT)
O desenvolvimento e a implementação de BPT
representam a melhor oportunidade de reduzir o
consumo de energia e de emissões nos próximos
20 a 40 anos, particularmente à medida que vão
sendo construídas novas plantas nas economias
emergentes, bem como em outras. Mas as decisões
quanto ao capital necessário para investimentos
em novas capacidades são submetidas a vários
fatores econômicos, entre eles o custo de energia
e outras utilidades, o custo total do investimento,
a disponibilidade e o preço de matérias-primas, as
limitações impostas por licenciamentos e as condições
concorrenciais. Esses fatores dependem da região e
do processo químico, sendo por isso difícil fazer uma
avaliação realista da taxa mundial de implementação
de BPT. Entretanto, podem ser apresentadas algumas
hipóteses simplificadas sobre retrofits de plantas
existentes e criação de novas plantas (Tabela 1).
O risco, especialmente nas atuais condições
econômicas mundiais, é que os produtores medem
a viabilidade econômica das plantas baseando-se
exclusivamente nos custos de investimento. Essa
mentalidade de “economia de encerramento” apoia
a ideia de continuar a operar plantas velhas que já
amortizaram seus custos de capital de investimento,
embora tenham equipamentos e tecnologias
desatualizadas. Isso também faz com que as plantas no
estado da arte, que ainda estão amortizando os custos
de capital e podem ter custos operacionais mais altos,
tenham dificuldade em ser competitivas.
A disseminação da implementação de BPT disponíveis,
por meio da substituição ou reforma de plantas
existentes e da construção de novas plantas ao mesmo
nível de eficiência das BPT, poderia trazer importantes
economias em 2050. No cenário BPT conservador (linha
amarela nas Figuras 7 e 8), a economia de energia é de
14. A Tabela 5 do Anexo 4 mostra fatores de melhoramento de
vários processos.
15. Um exemplo é a geração estequiométrica de CO2 na pro
dução de amônia a partir de gás (1 tCO2/tamônia), ou carvão
(2 tCO2/tamônia).
Tabela 1. Sumário de hipóteses para os cenários de implementação
de BPT na indústria química
Instalação
Retrofits de plantas existentes
BPT conservador
70% ao nível médio de SEC, 30% ao nível de BPT
BPT otimista
Todas têm SEC ao nível BPT
Implantação de novas plantas
50% ao nível médio de SEC, 50% ao nível de BPT
Todas têm SEC ao nível BPT
Melhoramento contínuo de
eficiência energética por ano
0,55%
1,1%
Notas: SEC = consumo específico de energia (specific energy consumption), BPT = tecnologia de melhor prática (best practice technologies)
Oportunidades tecnológicas
19
6,6 EJ e as emissões são reduzidas para 564 MtCO2eq.16 O cenário otimista (linha azul nas Figuras 7 e 8)
aumenta as economias para 10,9 EJ e a redução de
emissões para 854 MtCO2-eq.
Tecnologias emergentes
Apesar das indicações de benefícios potenciais, não
é fácil nem simples estimular um aumento substancial
na rapidez da adoção de BPT. Em termos de custo, a
forma mais eficiente de implementar BPT é durante
a construção de novas plantas. Nos Estados Unidos,
tipicamente 26% dos investimentos de capital vão
para a substituição de equipamentos e outros 26%
para aumentar a capacidade de plantas existentes
(que também são um alvo para BPT) (ACC, 2012). As
reduções de energia (e, em algumas regiões, as de GEE)
ajudam a economia, mas atualmente não fornecem uma
justificativa suficiente versus outras proposições de
valor (crescimento, novos mercados, etc.).
Para acelerar a adoção de BPT serão necessárias
melhores políticas, que possibilitem/encorajem
investimentos otimizados. Uma necessidade-chave são
estratégias para acelerar a implementação de BPT em
países em desenvolvimento, nos quais será construída a
maioria das novas plantas nas próximas décadas.
16 Os SEC para os processos investigados estão resumidos na
Tabela 5 do Anexo 4.
O modelo DECHEMA considera as tecnologias
emergentes como inovações que possibilitam grandes
saltos de progresso nas atuais rotas de fabricação
dos principais produtos químicos. Vários sumários de
visões de alto nível para a indústria química incluíram o
desenvolvimento de catalisadores nas áreas-chave, por
exemplo A indústria química do futuro: roadmap de novas
tecnologias de processos químicos (Chemical Industry
of the Future: New Process Chemistry Technology
Roadmap), de julho de 2001. O roadmap de 2010 para
pesquisa de catálise na Alemanha Catálise – tecnologiachave para crescimento sustentável (Catalysis – a Key
Technology for Sustainable Growth) examinou o
impacto potencial de várias tecnologias emergentes,
mas está longe de abranger todos os avanços de curto
prazo.
O impacto da implementação de craqueamento
catalítico (em lugar de craqueamento a vapor) para
produção química em larga escala é mostrado como
exemplo de tecnologia emergente pela linha rosada
nas Figuras 7 e 8. Usando as mesmas premissas de
velocidade de implementação do cenário otimista
de BPT, o potencial de economia de energia em 2050
seria de 2,3 EJ (além das economias viabilizadas
no cenário otimista de BPT). As economias de GEE
correspondentes seriam de 143 MtCO2-eq (Tabela
2). O impacto do craqueamento catalítico da nafta e
outras potenciais tecnologias emergentes justifica a
continuação da discussão.
Na realidade, as tecnologias emergentes enfrentam
um temível percurso de desenvolvimento desde o
laboratório até a escala industrial. Estima-se que
Tabela 2. Sumário do impacto potencial dos catalisadores sobre energia e GEE
em cenários de fabricação de produtos químicos
Economias acumuladas versus 2010
Impacto em 2050 (EJ) % de diminuição versus BAU em 2050
Aumento de energia em BAU versus 2010 (EJ)
Energia
Melhoramento incremental
BPT conservador
BPT otimista
Emergentes* GEE
Aumento de GEE em BAU versus 2010 (MtCO2-eq)
Melhoramento incremental
BPT conservador
BPT otimista
Emergentes*
* Substituição de craqueadores de nafta somente conforme hipóteses de BPT.
** Os números do impacto de BPT otimista incluem o cenário BPT conservador e não são aditivos.
20
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
mais de 3.000 boas ideias precisam ser testadas no
laboratório para produzir um único sucesso comercial
(Stevens; Burley, 1997). Um caminho para ajudar as
companhias a se dedicarem ao desenvolvimento
de modo a que uma maior quantidade de soluções
sobreviva a esse processo de seleção seria desenvolver
políticas para fornecer incentivos financeiros para
os principais candidatos a processos que tenham um
impacto positivo sobre a energia e as emissões de GEE.
É necessária uma regularidade no financiamento do
desenvolvimento por longos períodos de tempo para
gerar progresso constante, melhorar a confiabilidade e
o aspecto econômico e reter na área os trabalhadores
de conhecimento.
Produção de olefinas via
craqueamento catalítico de nafta
ou via metanol
O craqueamento a vapor, que converte matériasprimas constituídas de hidrocarbonetos (nafta, etano,
etc.) em olefinas (tais como etileno e propileno, que
estão entre as principais matérias-primas para diversos
produtos químicos) e outros produtos, é atualmente
a principal rota de processo para a produção de
olefinas; porém é um processo não catalítico e um
grande consumidor de energia. Devido aos volumes
de produção muito altos e à grande demanda de
energia mesmo quando se usam processos no estado
da arte, a DECHEMA considera que as tecnologias
emergentes para a produção de olefinas são as de
maior impacto potencial sobre a economia de energia.
Várias tecnologias avançadas de olefinas possibilitam
substanciais reduções do consumo de energia, sendo
que duas apresentam o maior potencial de todos.
Produção de olefinas via craqueamento catalítico
de nafta: Uma comparação recente entre o SEC de
craqueamento a vapor e tecnologias inovadoras
de olefinas mostrou que as tecnologias catalíticas
de olefinas que usam nafta poderiam proporcionar
economias de energia de 10% a 20% (Ren; Patel;
Blok, 2006). Foram desenvolvidas tecnologias para
craqueamento catalítico de nafta por diversos
institutos de pesquisa e companhias, tais como o
Korean Research Institute of Chemical Technologies
(Krict), LG (Chemical Week, 2002) e Asahi Kasei. Uma
planta-piloto operada pelo Krict demandou cerca
de 10 GJ a 11 GJ de energia por tonelada de produtos
químicos de alto valor (high-value chemicals –
HVC)17 (GJ/tHVC) (HAN, 2002), em comparação com
o valor de plantas de BPT para o craqueamento a
vapor tradicional (12 GJ/tHVC). O Krict implementou
agora a tecnologia na primeira planta comercial de
craqueamento catalítico na China. Uma vez que o
craqueamento de nafta no estado da arte consome
17. A expressão “produtos químicos de alto valor” (high-value
chemicals – HVC) refere-se a produtos do craqueamento da
nafta. Esse processo tem como principais produtos o etileno e
o propileno, mas também forma vários outros subprodutos de
valor, portanto o consumo de energia é alocado a toda a gama
de produtos HVC. Para detalhes, ver Anexo 1: Condições de
contorno para o modelo DECHEMA.
aproximadamente 20% menos energia que a atual
média mundial para o craqueamento a vapor simples,
a substituição de alguns craqueadores antigos por
tecnologias catalíticas para olefinas poderia levar a
economias totais de energia de 30% a 40%.
Produção de olefinas via metanol: O metanol é
um produto químico-base de uma plataforma, que
possibilita uma rota alternativa para produzir olefinas
pequenas, em particular etileno e propileno. O
processo chamado MTO contorna o craqueamento
a vapor da nafta ou etano, tornando possível a
produção de olefinas a partir de gás ou carvão em
lugar do petróleo. As tecnologias MTO licenciadas
pela UOP/Norsk Hydro, SYN Energy Technology Co.
Ltd./Lummus Technology e outras já entraram em
fase de comercialização (BARGER, 2003). Usando o
modelo DECHEMA, a análise do MTO como tecnologia
emergente não mostra potencial de economia de
energia em comparação com o craqueamento da nafta
(detalhes no Anexo 4). A produção de metanol como
parte da cadeia de processos que conduz às olefinas
domina claramente o consumo de energia para a rota
baseada em gás via metanol e MTO; efetivamente,
para essa cadeia de processo, é preciso quase o dobro
da energia do craqueamento a vapor.18 A DECHEMA,
portanto, não considera o MTO parte do cenário de
tecnologias emergentes visando a redução de consumo
de energia e emissões de GEE.
Outras tecnologias emergentes
Vários outros produtos químicos dentre os 18
principais poderiam se beneficiar da continuação
do desenvolvimento de tecnologias emergentes.
Por exemplo, entre diferentes rotas de síntese para
produzir óxido de propileno (PO), o processo de
peróxido de hidrogênio óxido de propileno (HPPO)
é uma tecnologia emergente.19 O processo HPPO é
um processo PO de um único produto (sendo que
o coproduto é água), que oxida o propileno com
peróxido de hidrogênio. Seu consumo de energia
é cerca de 35% mais baixo que o do processo
convencional. Entretanto, é preciso gastar energia
para produzir o peróxido de hidrogênio; e, levando
isso em conta, a redução de energia de toda a cadeia
de processos seria de 10% a 12%. No momento,
três plantas comerciais estão em operação: uma de
100 kt (quilotoneladas) em Ulsan, Coreia, baseada
em tecnologia da Evonik/Uhde; uma de 300 kt em
Antuérpia, Bélgica; e uma de 390 kt na Tailândia. As
duas últimas plantas baseiam-se em tecnologia da Basf/
Dow Chemical.
18. A energia necessária para a produção de metanol como
matéria-prima para o processo MTO foi incluída no limite de
bateria para a produção de olefinas (ver discussão da definição
de SEC nos Anexos 1 e 4).
19. Outras rotas para o óxido de propileno estão listadas no
Anexo 2.
Oportunidades tecnológicas
21
Boxe 5. De gás a líquidos a partir do gás de xisto
O gás de xisto tornou-se uma fonte cada vez mais
importante de gás natural nos Estados Unidos, e
o interesse espalhou-se para o potencial de gás
de xisto do Canadá, Europa, Ásia e Austrália. A
chegada do gás de xisto, seu impacto global e a
necessidade de seguir “regras” para possibilitar um
desenvolvimento continuado foram recentemente
descritos em Regras de ouro para uma era dourada
de gás (Golden Rules for a Golden Age of Gas. AIE,
2012).
A recente adoção da produção de gás de xisto
mudou consideravelmente a situação das
matérias-primas em várias regiões do mundo e,
portanto, merece menção, já que estão evidentes
significativas oportunidades para melhoramento
de catalisadores e seus respectivos processos. As
instalações catalíticas de gás para líquido (gasto-liquid – GTL) de pequena escala são chaves
para a exploração economicamente viável de
reservas de gás distantes e não convencionais.
Sendo transportáveis, tais instalações podem ser
Tecnologias de ruptura
As tecnologias de mudança de paradigma basicamente
reinventam a forma como algo é feito. Elas percorrem
um caminho de desenvolvimento ainda mais sinuoso e
difícil que as tecnologias emergentes e com frequência
precisam de avanços em várias frentes tecnológicas.
Sendo de escala muito maior e envolvendo riscos
muito maiores, as tecnologias de mudança de
paradigma podem ter períodos de desenvolvimento
mais longos que a carreira profissional de muitos
cientistas e engenheiros. Essas empreitadas, que são
legítimas, precisam de programas especialmente
ajustados aos desafios e necessidades de P&D
prolongado e de sua subsequente implementação.
Também precisam de um substancial financiamento de
longo prazo.
A reinvenção da maneira de fazer produtos químicos
de grande volume poderia trazer um melhoramento
potencial ainda maior que a implementação
incremental, BPT ou tecnologias emergentes para a
redução de GEE. Comparada com BPT, porém, ela pode
resultar em um maior uso de energia (considerando a
energia total necessária para operar esses processos no
futuro).
A catálise pode desempenhar um papel decisivo,
possibilitando que as tecnologias de mudança de
paradigma descubram rotas alternativas de reação,
como ocorreu no histórico exemplo do processo
Haber-Bosch de amônia (ver Boxe 4). Entre os esforços
mais recentes estão o melhoramento da geração de
hidrogênio para reformadores a vapor de metano,
22
usadas perto do local de produção (tanto em terra
como no mar) para converter gás de xisto, gás
inalcançável ou gás associado em combustíveis
líquidos via síntese de Fischer-Tropsch. Os
catalisadores também desempenham um papel
fundamental para tornar o mais energeticamente
eficiente possível a transformação de gás natural
em produtos químicos. O uso de etano e de
propano de gás de xisto já estimulou vários
produtores a anunciar a construção de novos
craqueadores de etano para produção de etileno e
plantas de desidrogenação de propano para fazer
propileno.
Esses fatos representam excelentes oportunidades
para a implementação de tecnologias catalíticas
emergentes para olefinas. Além das olefinas, as
rotas de gás de baixo custo para aromáticos (BTX)
também são interessantes. Esta última área ainda
está em seu estágio inicial e precisa de intensos
esforços de P&D.
ou a melhoria de bio-óleos (Jones; Elliot, 2011), bem
como a melhoria de alcanos leves (rota direta do
metano para metanol, propanol, etc.) (Topcombi,
2007). Outras áreas incluem: síntese de aromáticos
a partir de lignina, etanol ou metano; síntese direta
de peróxido de hidrogênio a partir de hidrogênio e
oxigênio, ou epoxidação direta de propileno com
oxigênio. A lista dessas potenciais “reações de sonho”
é longa, e a catálise desempenhará papel fundamental
na viabilização dessas novas rotas de reação.20 Este
roadmap considera dignas de menção duas tecnologias
de mudança de paradigma:
• Uso de hidrogênio de fontes renováveis de energia
para produzir amônia e metanol.
• Uso de biomassa como matéria-prima.
Produção de amônia e metanol com
base em hidrogênio
A geração de hidrogênio é um dos passos de maior
consumo de energia na produção de amônia e
metanol, que são dois precursores químicos cruciais. A
possibilidade de usar hidrogênio de fontes renováveis
de energia poderia reduzir significativamente o uso
de combustíveis fósseis e a pegada de GEE desses
processos. A catálise poderia ser um viabilizador
da geração eficiente de hidrogênio, especialmente
20. Notar que a catálise não supera as limitações termodinâmicas
intrínsecas, o que em alguns casos pode resultar em baixa
conversão, fluxos de reciclagem difíceis (separação intensa
em energia) ou grandes fluxos de reciclagem (intensos em
energia), ou ainda tornar uma reação impossível sob
condições de processo tecnicamente viáveis.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
• Síntese de metanol a partir de H2, usando carvão ou
CO2 como fonte de carbono.
em áreas como fotocatálise ou eletrólise de água
fotovoltaicamente assistida (uso de energia solar para
ajudar a decompor a água). Esta opção merece mais
pesquisas em três esferas:
Um dos passos-chave da atual produção de hidrogênio
é a decomposição eletrolítica da água, um processo
altamente intensivo em energia. Efetivamente, a
energia necessária para preparar o hidrogênio precisa
ser considerada em vários níveis (Figura 9).21
• Produção de H2 a partir de decomposição
eletrolítica da água, usando eletricidade de fontes
renováveis;
• Síntese de amônia a partir de H2 e nitrogênio gasoso
(N2), omitindo a reforma a vapor e/ou a reação shift
água-gás a partir de gás ou carvão.
21. Os detalhes da análise realizada encontram-se no Anexo 5.
Figura 9. Passos do processo de obtenção de hidrogênio
por decomposição da água
Shift reverso
água-gás
CO2
Carvão
H2
CO
Oxidação parcial
H2O
Síntese de MeOH
MeOH
H2
Água
Decomposição
eletrolítica da água
Ar
Unidade de
separação de ar
Compressão de H2
H2
Síntese de NH3
NH 3
N2
PONTO CHAVE: A produção renovável de hidrogênio é atualmente muito intensiva em energia.
Comparada ao consumo de energia da BPT para
a produção de amônia a partir de gás, a síntese
de amônia partindo de hidrogênio de fontes
renováveis de energia requer uma energia adicional
de aproximadamente 26 GJ/tamônia (NH3). Para o
metanol (MeOH) a partir de hidrogênio e carvão, são
necessários 15,7 GJ/tMeOH adicionais em comparação
com a rota da reforma a vapor de gás e 5,6 GJ/tMeOH
adicionais em comparação com a rota da oxidação
parcial de carvão. A rota de metanol a partir de
hidrogênio e CO2 requer a maior energia devido à sua
alta demanda estequiométrica de hidrogênio. Essa rota
é, porém, interessante sob a perspectiva de economia
de GEE.
Admitindo uma taxa de implementação de 30% no ano
de 2050 para as rotas de metanol e amônia partindo de
nitrogênio, o consumo de energia cresceria em 2,4 EJ
(barras de energia total na Figura 10). Assim, a energia
total necessária para produzir metanol e amônia,
usando hidrogênio de fontes renováveis de energia,
seria mais alta (1,16 EJ), embora tenha a vantagem
de um menor uso de combustíveis fósseis (barras de
economias de energia fóssil na Figura 10).
Oportunidades tecnológicas
23
Consumo total de energia versus economia de fósseis (EJ)
Figura 10. Demanda adicional de energia versus economias de energia fóssil
pela substituição dos atuais processos de amônia e metanol
pelas rotas baseadas em hidrogênio
Consumo total de energia - metanol
Consumo total de energia - amônia
Economia de energia fóssil - metanol
Economia de energia fóssil - amônia
Nota: % = taxa de implementação da rota de hidrogênio.
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: A produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis para uso na produção de
amônia e metanol aumentaria significativamente o consumo de energia para a cadeia
de processos como um todo.
Para que essa tecnologia de mudança de
paradigma se torne uma opção realista no
futuro, serão necessárias inovações radicais para
gerar hidrogênio com uma demanda de energia
significativamente mais baixa e para fornecer
quantidades expressivas de hidrogênio excedente
partindo de fontes renováveis de energia.
Se o hidrogênio excedente obtido a partir de
fontes renováveis puder ser fornecido para esses
processos, será possível uma significativa redução
de GEE. Admitindo mais uma vez uma taxa de
implementação de 30% de substituição de rotas
fósseis em 2050, as economias totais viabilizadas
ultrapassariam 200 MtCO2-eq (Figura 11). Isso
é em grande parte atribuído a uma geração de
hidrogênio neutra em CO2, mas também ao fato
de serem evitadas grandes emissões de CO2 no
processo da síntese de amônia graças à eliminação
de geração de CO2 durante a produção de gás de
síntese e durante a reação shift água-gás a partir
do gás natural (1 tCO2-eq/tMeOH) ou do carvão
(2 tCO2-eq/tMeOH).
24
Sob uma perspectiva econômica, o custo do
hidrogênio de eletrólise é atualmente cerca do
dobro do custo a partir de reforma a vapor de gás
(ver Anexo 5). Para o cenário de 30% de adoção
da produção de amônia e metanol via hidrogênio
em 2050, será necessária uma capacidade de
geração de energia eólica cerca de três vezes
maior que a atual. Apesar de terem potencial para
impactar favoravelmente as emissões de GEE,
serão necessários melhoramentos significativos da
eficiência energética e do custo dessas tecnologias
para que se tornem economicamente viáveis e
passíveis de ser seriamente consideradas para a
produção de HVC. A tecnologia necessária para
armazenamento de hidrogênio em grande escala
ainda está por ser desenvolvida.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Economias de GEE (MtCO2­eq)
Figura 11. Economias de GEE possibilitadas pela produção de amônia e metanol
com base em hidrogênio
Metanol
Amônia
Fonte: DECHEMA
PONTO CHAVE: A produção de hidrogênio partindo de fontes renováveis para uso na produção
de amônia e metanol poderia resultar em uma significativa diminuição das emissões de GEE.
Biomassa como matéria-prima
O uso de biomassa como matéria-prima para produtos
químicos também é considerado uma potencial tecnologia de mudança de paradigma, principalmente em
relação à redução das emissões de GEE, o que poderia
ser conseguido de três maneiras. Primeiramente, é
óbvio que o aumento do uso de biomassa reduzirá a
dependência de combustíveis fósseis, que são a fonte
da maior parte das emissões de GEE nos processos
químicos. A segunda vantagem das matérias-primas de
biomassa fica evidente quando os produtos são analisados usando uma ACV de “berço ao túmulo”. Nesse
caso, a contabilidade das emissões inclui o fato de que
os materiais da biomassa absorvem CO2 enquanto estão crescendo, o que pode ser usado para contrabalançar as emissões produzidas durante a fabricação ou até
mesmo durante a destruição ou o descarte. Em terceiro
lugar, as fontes de biomassa são renováveis, enquanto
os combustíveis fósseis são finitos e provavelmente
apresentarão maior volatilidade de preços no futuro.
Mas esses ganhos em termos de redução de emissões
precisam ser comparados com as necessidades de
energia de uma produção baseada em biomassa. Esses
pontos, bem como o desafio da produção sustentável
de fontes de biomassa, são discutidos mais detalhadamente nos parágrafos seguintes.
As rotas que se baseiam em biomassa são na maior
parte processos catalíticos e, portanto, dependem de
catalisadores na mesma medida que as rotas convencionais baseadas em fósseis. Os processos com base
em biomassa estão sendo desenvolvidos em um grande
número de projetos de P&D, plantas-piloto e plantas
em escala semicomercial. A maior atividade comercial tem lugar no Brasil, onde a empresa petroquímica
brasileira Braskem opera a primeira planta de etanol
em escala industrial baseada em cana-de-açúcar (capacidade de 200 kt/ano) para a posterior produção de
polietileno.
Diferentes rotas de produção são consideradas parte
da opção de biomassa enquanto tecnologia de mudança de paradigma e baseiam-se ou na gaseificação
da biomassa (com reações subsequentes que usam o
gás de síntese assim gerado), ou na fermentação da
biomassa. Para avaliar seu impacto total, toda a cadeia
de processos com base em biomassa precisa ser analisada.22 As subseções seguintes fornecem resumos para
as áreas em que a DECHEMA analisou a substituição por
biomassa.23
22. Conforme descrição adicional no Anexo 6. Ver também a
discussão da definição de SEC no Anexo 1.
23. No Anexo 6 encontram-se detalhes adicionais.
Oportunidades tecnológicas
25
Olefinas e síntese de polietileno a partir de biomassa
As olefinas, como etileno e propileno e seus derivados,
podem ser fabricadas a partir de biomassa de
diferentes maneiras, mas em todos os casos a biomassa
(matéria-prima) é convertida em uma matéria-prima
secundária, que é então usada para a produção de
olefinas. Uma rota comum é a conversão de biomassa
rica em açúcar ou amido (tal como cana-de-açúcar,
beterraba-sacarina e milho) em etanol (como
matéria-prima secundária), que é então convertido
(por desidratação) em etileno. Alternativamente,
a biomassa pode ser gaseificada, gerando um gás
sintético, que é então usado para a produção de
metanol (matéria-prima secundária). As olefinas são
então produzidas pelo processo MTO anteriormente
descrito. A conversão da biomassa (a matéria-prima
primária) no combustível (a matéria-prima secundária)
para a produção de HVC24 é um processo muito
intensivo em energia.
Como um todo, o consumo de energia das rotas de
biomassa relevantes é de 3,5 a 5 vezes maior que o
das rotas fósseis (Figura 12). A mais alta demanda
de energia é a do etanol a partir de cana-de-açúcar
(72,5 GJ/tHVC), refletindo a produção relativamente
ineficiente do etanol e a energia necessária para
a destilação do etanol das correntes de produto,
que contêm grandes quantidades de água, mas
concentrações relativamente baixas de etanol.
24. Para uma explicação do termo HVC, ver Glossário e Anexo 1:
Condições de contorno do modelo DECHEMA.
Em comparação com a demanda de energia para
craqueamento da nafta (5 GJ/tHVC), a demanda do
processo de produção de olefinas pela gaseificação de
lignocelulose seguida de síntese de metanol e MTO é
muito alta (64,5 GJ/tHVC).
Observa-se uma considerável variação entre os
sistemas estudados e o tratamento dos dados nesta
área, mas ainda assim todos os relatos concordam em
que as rotas de biomassa precisam de quantidades
substanciais de biomassa e grandes volumes de
energia baseada em biomassa. As duas rotas de
biomassa analisadas (via etanol de cana-de-açúcar e via
lignoceluloses de metanol) precisam de 20% a 200%
menos energia fóssil, mas no cômputo geral o uso de
energia aumenta substancialmente (Figura 13).
A Figura 14 compara as rotas de lignoceluloses via
metanol e cana-de-açúcar via etanol. Consideraram-se
as taxas de adoção de 2,5% de uso de biomassa em
2020, 5% em 2030 e 10% em 2040. A rota do etanol
tem o maior potencial de economia de combustíveis
fósseis, com 1,6 EJ em 2040, enquanto a rota do
metanol exige menos energia obtida da biomassa, isto
é, 2,3 EJ em lugar de 4,7 EJ (Figura 15).25 O consumo
total de energia, entretanto, cresce de 2,2 EJ para a
rota do metanol e 3,0 EJ para a rota do etanol.
25. As hipóteses básicas deste cenário estão resumidas
no Anexo 6.
Uso de energia (GJ/t HVC)
Figura 12. Uso de energia para as rotas de biomassa versus fóssil para
fabricação de HVC, incluindo a cadeia de processos total
Lignocelulose via MeOH
Produção de HVC
Cana-de-açúcar via EtOH
Produção da matéria-prima secundária
(nafta, MeOH, EtOH)
Craqueamento de nafta
Produção da matéria-prima primária
(petróleo, cana-de-açúcar,
biomassa lignocelulósica)
Nota: EtOH = etanol
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: O uso de biomassa como matéria-prima para produtos químicos pode ser de
10 a 15 vezes mais intensivo em energia comparado com as rotas já estabelecidas, que se baseiam
em combustíveis fósseis.
26
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Uso de
energia
Uso de energia
(GJ/t
HVC)(GJ/t HVC)
Figura 13. Uso de energia de biomassa versus fóssil das rotas
comparadas na Figura 12
Lignocelulose via MeOH
Cana-de-açúcar via EtOH
Fóssil
Fonte: DECHEMA.
Lignocelulose via MeOH
Craqueamento de nafta
Base biomassa
Cana-de-açúcar via EtOH
Craqueamento de nafta
PONTO CHAVE: As rotas de biomassa têm potencial
energia fóssil, mas no cômputo
Fóssil de economizar
Base biomassa
geral demandam uma quantidade substancialmente maior de energia.
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: As rotas de biomassa têm potencial de economizar energia fóssil, mas no cômputo
geral demandam uma quantidade substancialmente maior de energia.
Uso da
energia baseada
excedente
emebiomassa e
Uso da energia
excedente
embaseada
biomassa
energia
economias economias
de energia de
fóssil
(EJ) fóssil (EJ)
Figura 14. Impacto das rotas de biomassa para olefina sobre o consumo de
energia da indústria química
Olefinas a partir de
Olefinas a partir de
Olefinas a partir de Olefinas a partir de Olefinas a partir de
biomassa lignocelulósica
cana-de-açúcar biomassa lignocelulósica cana-de-açúcar biomassa lignocelulósica
Fóssil
Olefinas a partir de
cana-de-açúcar
Baseada em biomassa
Nota: % Olefinas
= taxa de
implementação
uso de
a partir
de
Olefinasdo
a partir
de biomassa.
Olefinas a partir de Olefinas a partir de Olefinas a partir de
Fonte: biomassa
DECHEMA.
lignocelulósica
cana-de-açúcar biomassa lignocelulósica cana-de-açúcar biomassa lignocelulósica
Olefinas a partir de
cana-de-açúcar
Fóssil
Baseada em
PONTO CHAVE: A mudança de fóssil para biomassa
para a produção
debiomassa
olefinas é significativamente
Nota:
% = taxa em
de implementação
do uso de biomassa.
mais
intensiva
energia.
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: A mudança de fóssil para biomassa para a produção de olefinas é significativamente
mais intensiva em energia.
Oportunidades tecnológicas
27
A tendência de consumir menos energia fóssil, porém
mais energia total, para os processos com base
em biomassa continua válida, se for acrescentada
a produção de polietileno como um processo
subsequente à produção de etileno baseada em
biomassa.
A avaliação da produção de polietileno a partir da
cana-de-açúcar usando uma ACV de “berço ao portão”
mostra que as rotas de biomassa em geral têm um
forte potencial de redução de emissões, se for levado
em conta o CO2 capturado da atmosfera e sequestrado
como carbono no produto com base em biomassa
(HUNTER; PEREIRA; HELLING, 2008).26 Olhando para o
fim da vida do produto, a combustão de 1 t de HVC
com base em fósseis libera cerca de 3,5 tCO2-eq de
emissões de GEE. A liberação de carbono dos produtos
26. Por tonelada de polietileno (PE), a rota da cana-de-açúcar
precisa de 115 GJ de biomassa e 15 GJ de combustível
fóssil, enquanto o consumo de energia de PE com fósseis
foi quantificado em 75 GJ/t, incluindo o conteúdo energético
do produto (PE) na forma de poder calorífico inferior.
Isso significa 80% a menos de energia fóssil para a rota da
biomassa, mas 75% a mais de uso total de energia.
com base em biomassa, porém, é neutra em CO227, já
que o respectivo carbono foi originalmente adquirido
fotossinteticamente da atmosfera e sequestrado na
biomassa.
A Figura 15 ilustra as contribuições de diferentes
passos do processo para as emissões de GEE das rotas
de biomassa em comparação com o craqueamento
de nafta. Comparada com o craqueamento a vapor,
a produção de HVC com base na cana-de-açúcar
economiza 4,16 tCO2-eq/tHVC; e o MTO com base em
lignoceluloses, 3,65 tCO2-eq/tHVC. Usando-se o mesmo
cenário até 2040, tal como na Figura 14, a economia
anual seria de 260 MtCO2-eq para a rota do etanol
ou 110 MtCO2-eq para a rota do metanol. Visto que
uma avaliação de ciclo de vida abrangente está além
do escopo deste roadmap, essas afirmações refletem
uma visão idealizada e teórica. Os GEE associados
às mudanças de uso da terra, agricultura, colheita,
transporte e processamento da biomassa não são
considerados, o que pode tornar as rotas de biomassa
mais intensivas em GEE que as rotas de combustível
fóssil. Os impactos de carbono e energia da biomassa
precisam ser avaliados caso a caso, usando-se
metodologias de ACV.
27. Na verdade, o balanço total de CO2 da biomassa não é
neutro, pois este cálculo não inclui emissões geradas por
cultivo, colheita, transporte e processamento da biomassa,
nem as mudanças de uso da terra, que precisariam ser
levadas em conta.
GEE (tCO2­eq/t HVC)
Figura 15. Emissões de GEE para rotas de biomassa versus fósseis para HVC,
incluindo a cadeia de processos total
Lignocelulose via MeOH
Co2 captado pelo biomassa
Cana-de-açúcar via EtOH
Produção da
matéria-prima primária
Craqueamento de nafta
Produção da
matéria-prima secundária
Produção de HVC
Fonte: DECHEMA.
PONTO CHAVE: O conteúdo de carbono da biomassa usada como matéria-prima primária permite
que o processo se inicie a partir de um ponto de emissões “negativas”, reduzindo significativamente
o CO2 total do produto final e potencialmente chegando até a emissões neutras em CO2.
28
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Analogamente à tecnologia de mudança de
paradigma do hidrogênio, as atuais rotas de base
biológica para as matérias-primas químicas precisam
melhorar significativamente o consumo total de
energia e o custo para ser largamente usadas como
matérias-primas de grande escala. Além disso, estão
aumentando as preocupações sobre a quantidade de
terra agricultável necessária para uma infraestrutura de
matérias-primas de base biológica de grande volume
e sobre sua potencial concorrência com a produção
de alimentos. Está claro que são necessárias pesquisas
adicionais.
Ações e marcos tecnológicos
Tais constatações do cenário DECHEMA mostram que
a implantação de BPT oferece o maior potencial de
curto e de médio prazo para reduzir a demanda de
energia e as emissões de GEE na indústria química,
porém alcançar a verdadeira magnitude potencial dos
ganhos com catalisadores está além das possibilidades
das BPT, deixando aberta a questão a respeito de onde
os envolvidos podem realizar os melhores retornos
sobre P&D e investimentos. As pesquisas da DECHEMA
identificaram quatro áreas principais nas quais se
espera que os investimentos em tecnologias catalíticas
produzam um retorno médio ou alto sobre o
Tabela 3. Principais oportunidades de desenvolvimento de catalisadores/
processos e necessidades tecnológicas
Tecnologia
Melhoramentos necessários
Atual estágio de desenvolvimento
Eficiência de produção de matérias-primas: olefinas
Retorno sobre investimento: ALTO
Craqueadores catalíticos de
nafta e craqueador de
etano/propano
Viabilidade para craqueadores de gás
natural
Escala-piloto para craqueadores
catalíticos de nafta; escala de laboratório
para desidrogenação oxidativa de etano
Metanol para olefinas
Melhoramentos de eficiência e
catalisadores MTO
Meios alternativos de produção de combustíveis: combustíveis
Tecnologias gás para líquido:
Síntese de Fischer-Tropsch com
subsequente conversão dos
produtos via hidroisomerização
e hidrocraqueamento, bem como
oligomerização de olefinas
Melhoramentos de processo, pequenas
instalações móveis para produção em
áreas longínquas para acessar gás até
então inalcançável
Emergente, primeiras plantas comerciais
Retorno sobre investimento: ALTO
Comercial
Biomassa como matéria-prima: etanol/etileno e aromáticos
Retorno sobre investimento: MÉDIO
Sacarificação de lignocelulose
para bioetanol como matériaprima para etileno
Processos e sistemas biocatalíticos
Estágio de pesquisa
Lignina a aromáticos (BTX)
Despolimerização de componentes de
lignina e desfuncionalização
Pesquisa fundamental
Retorno sobre investimento: MÉDIO
Produção de hidrogênio
Eletrólise da água
Processos otimizados para operação
irregular; melhoramento da estabilidade
para operação sob pressão (30 a 40
bars); desenvolvimento de eletrodos
com baixo teor de metais nobres e
outros elementos raros
Decomposição fotocatalítica
da água
Desenvolvimento em escala de
laboratório de materiais de eletrodo
altamente eficientes (desempenho) e
resistentes à corrosão (longevidade)
bem como de tecnologias de
processamento; desenvolvimento de
eletrodos sem metais nobres e outros
elementos raros e com redução > 50%
de sobrepotencial na geração de H2 em
relação ao estado atual
Comercialmente disponível em
instalações de tamanho pequeno a médio
Pesquisa fundamental
Oportunidades tecnológicas
29
investimento: eficiência de produção de matériasprimas para olefinas, rotas alternativas para produção
de combustíveis, uso de biomassa como matéria-prima
para etanol/etileno e BTX e produção alternativa de
hidrogênio (Tabela 3).
O fato de que o trabalho a ser realizado é de longo
prazo justifica o estabelecimento de marcos de alto
nível (Tabela 4), e as substanciais barreiras técnicas e
os altos custos de investimento (particularmente para
áreas com alto retorno sobre investimento) criam a
necessidade de um esforço coletivo de todos os envolvidos, inclusive academia, institutos de pesquisa e
parceiros industriais. Os governos precisam desempenhar o papel de viabilizador, estabelecendo políticas
que encorajem colaborações e investimentos de longo
prazo.
Tabela 4. Marcos para melhoramentos tecnológicos dos principais processos
30
Marco
Passos dos avanços em tecnologia catalítica
Fazer avançar o craqueamento
catalítico até a implementação
comercial.
Catalisadores com maior rendimento
de olefinas leves;
Reduzir coqueificação;
Gerenciamento do catalisador gasto
Fazer avançar a desidrogenação
oxidativa catalítica de alcanos
leves a etileno até a escala
de demonstração.
Evitar oxidação adicional, oxidação parcial ou
craqueamento térmico a temperaturas de
reação mais altas;
Aumento do rendimento de olefinas
com maiores conversões.
Hidrogênio por eletrólise da água.
Eficiência igual ou superior a 80%;
Operação dinâmica flexível
Época
2018-2023
2023-2028
2018-2023
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Uma visão para a indústria química de avanços nos
melhoramentos em catálise e processos relacionados
Tendo explorado alguns caminhos potenciais para
melhorar a eficiência energética e reduzir as emissões
da indústria química, esta seção, de caráter visionário,
delineia alguns achados específicos do trabalho de
modelagem da AIE e da DECHEMA. Deve-se recordar
que ambas as abordagens partem dos atuais volumes
de produção com base em dados fornecidos pela SRI
Consulting (IHS) e outras previsões de crescimento
semelhantes.
O crescimento esperado para os 18 produtos
químicos28 com base nos dados fornecidos pela SRI
Consulting é apresentado na Figura 16. Esses números
foram usados para o trabalho de modelagem da
DECHEMA. Os números para além do ano de 2030
foram extrapolados linearmente.
28. Os BTX estão representados como produtos separados e por
esse motivo aparecem 20 produtos.
Os volumes de produção esperados para amônia e
metanol na China estão fundamentados em dados
gentilmente fornecidos pela China Petroleum and
Chemical Industry Federation (CPCIF). Segundo se
espera, os volumes de produção crescerão por um
fator de 2,0 entre 2010 e 2030 e de 2,8 em 2050. Isso
corresponde a um crescimento anual de produção de
2,6% para 2010-2050, ou 3,3% para 2010-2030.
No mundo em geral, o impacto potencial dos
volumes crescentes de produção variarão conforme
o estágio de desenvolvimento de cada país, sua
maturidade industrial, seu crescimento esperado e
sua disponibilidade de matéria-prima. O consumo
de energia e as emissões de GEE acompanharão o
crescimento da produção, que, segundo se espera, será
mais alto nos países emergentes (Figura 22). Os mais
altos crescimentos de volume de produção química
Volume de produção (Mt)
Figura 16. Previsão de volumes de produção química entre 2010 e 2050
Amônia
Metanol
Etileno
Propileno
Benzeno
Acrilonitrila
Caprolactama
Cumeno
Etileno glicol
Óxido de etileno
Polietileno
Polipropileno
Óxido de propileno
Estireno
Ácido tereftálico
Tolueno
Para-xileno
Xileno misto
Fenol
Monômero de cloreto de vinila
Fonte: Dados da SRI Consulting (IHS).
PONTO CHAVE: Espera-se um crescimento significativo do volume de produção no
setor químico e petroquímico.
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
31
esperados para o período considerado (2010-2050)
deverão ocorrer na China e na América Latina (> 400%
em ambos), seguidas da Índia (340%) e do Oriente
Médio (320%), enquanto a América do Norte (210%)
e a Europa (170%) têm um crescimento mais lento ou
uma taxa de crescimento menor. Um fator que poderia
alterar esse panorama regional seria a chegada do
gás de xisto em algumas regiões, tais como a costa
do golfo nos Estados Unidos, o que poderia impactar
positivamente o crescimento nessa região.
Embora as projeções de produção e a análise regional
dos modelos AIE e DECHEMA sejam similares, os
resultados finais para o potencial de economias de
energia e redução de emissões em 2050 são um tanto
diferentes. Isso é um reflexo das divergências entre
os dois modelos em termos do que cada um mede e
como os resultados são calculados (como será descrito
nas duas seções seguintes e na Tabela 5). Um ponto
importante é que ambos encontram oportunidades
para economia em ambas as áreas.
Tabela 5. Economias de energia e redução de emissões projetadas
para 2050 pelos dois modelos
Modelo
Economias de energia
Redução de emissões
AIE
16,0 EJ
1,6 GtCO2/ano
(Caso de baixa demanda)
1,8 GtCO2/ano
(Caso de alta demanda)
DECHEMA
13,2 EJ
Cenários da AIE: catálise
e mais...
Esta seção descreve o potencial para melhoramentos
de processos catalíticos e outros processos
relacionados, com base nas tecnologias necessárias
para alcançar o 2DS mencionado no ETP 2012 da AIE
(ver Boxe 2). Assim como o trabalho da DECHEMA, esta
abordagem avalia as opções de tecnologia cobertas
nesta análise, inclusive a implementação de BPT a curto
prazo; e a longo prazo avalia as novas tecnologias que
permitiriam que o setor reduzisse significativamente
tanto sua demanda de energia quanto sua intensidade
de CO2. Entretanto a gama de tecnologias exploradas
é mais ampla, incluindo desenvolvimento de
catalisadores, membranas e outros processos de
separação; intensificação de processos; processos de
base biológica e captura e armazenamento de carbono
(CAC) em plantas de amônia; cogeração industrial; e
produção de HVC. A reciclagem e a recuperação de
energia também desempenham papéis importantes.
32
1,0 GtCO2-eq/ano
Atual potencial para economias de
energia no setor químico
A energia e as matérias-primas no setor químico e
petroquímico responderam por aproximadamente 10%
da demanda final de energia no mundo em 2010, o que
equivale a 36 EJ (AIE, 2012). Com base nos níveis de
produção do mesmo ano, as potenciais economias de
uma implantação mais ampla de BPT (incluindo calor e
eletricidade de processo) são estimadas em 5,6 EJ/ano
(Figura 17), no entanto isso representa apenas 53% do
potencial total de economias, calculado em 10,5 EJ/ano
na análise da AIE com base em volumes de produção de
2010. Podem ser realizadas economias adicionais com
intensificação de processo, cogeração, reciclagem
e recuperação de energia. Em 2050, esse nível de
economias de energia proporcionaria uma redução de
emissões de 346 MtCO2/ano (AIE, 2009).
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Consumo de energia (EJ)
Figura 17. Atual potencial de economias de energia para produtos químicos e
petroquímicos, com base na implementação de BPT
Japão
Coreia
Estados
Unidos
Tecnologia de melhor prática (potencial de
economia de calor de processo)
Canadá
China
Índia
Brasil
Potencial de economia de eletricidade
Co-geração
Europa OCDE
Outros
Reciclagem e recuperação de energia
Intensificação de processo
Nota: O potencial de economias de energia está baseado nos níveis de produção de 2010.
Fonte: AIE.
PONTO CHAVE: A análise da AIE mostra que o potencial mundial de economia de energia do setor
químico é de cerca de 10,5 EJ. As contribuições mais significativas vêm da implementação de BPT
e da reciclagem e recuperação de energia.
Boxe 6. Casos de Baixa e Alta Demanda de produtos químicos da AIE
Dada a incerteza de uma projeção do crescimento
de longo prazo do consumo de materiais, a AIE
desenvolveu duas variantes para cada um dos
cenários usados para analisar o setor químico neste
roadmap. A hipótese do produto interno bruto (PIB)
é a mesma para ambas as variantes, entretanto
as duas variantes refletem diferentes níveis de
desacoplamento entre crescimento econômico e
demanda de produtos químicos e petroquímicos.
Considerando-se um ponto de partida no qual
a demanda média anual de HVC é de 44 kg/cap
(quilogramas per capita) em 2010, as variantes
projetam para 2050:
• Um aumento para 105 kg/cap no Caso de Alta
Demanda, com taxa média de crescimento anual
de 2,2%.
As variações de produção são explicadas em grande
medida pelo aumento da reciclagem de lixo plástico
pós-consumo, que poderia reduzir a demanda de
HVC (Tabela 6).
Nota: Os números de produção (da SRI e CPCIF) usados no cenário
DECHEMA estão na mesma faixa e, de modo geral, correspondem
ao Caso de Alta Demanda.
• Um aumento para 87 kg/cap, sendo 1,7% a taxa
média de crescimento anual no Caso de Baixa
Demanda.
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
33
Caso de Baixa Demanda
Caso de Alta Demanda
Tabela 6. Produção de produtos químicos de alto valor, amônia e
metanol por cenário, em 2050
Etileno
Propileno
Caso de Baixa Demanda
Caso de Alta Demanda
Aromáticos BTX
Total
de HVC
Etileno
Amônia
Propileno
Metanol
Aromáticos BTX
Notas:
BTX
benzeno, tolueno e xileno misto; HVC = produtos químicos de alto valor.
Total
de= HVC
Fonte: AIE
Amônia
Metanol
Notas: BTX = benzeno, tolueno e xileno misto; HVC = produtos químicos de alto valor.
Fonte: AIE
Entre 2010 e 2050, a produção de HVC cresce 125%
no Caso de Baixa Demanda e 134% no Caso de Alta
Demanda. O maior crescimento na demanda de HVC é
esperado na África e no Oriente Médio. Espera-se que
a produção de metanol mais que triplicará no Caso
de Baixa Demanda e quase quadruplicará no Caso de
Alta Demanda. A produção de amônia cresce entre
63% (Caso de Baixa Demanda) e 89% (Caso de Alta
Demanda).
Redução projetada de emissões de
CO2 no cenário da AIE
Os melhoramentos na eficiência energética, sendo
estreitamente vinculados ao roadmap da catálise,
respondem pela maior fatia – mais que 60% – da
redução de emissões projetada no 2DS da AIE (Figura
18). Outras reduções importantes são obtidas por
meio de CAC (25%) e recuperação de energia (8%).
A substituição de combustível de carvão para gás
responde por apenas 4% ou menos. Em 2050, as
economias anuais são aproximadamente 1,6 GtCO2 no
Caso de Baixa Demanda e aproximadamente 1,8 GtCO2
no Caso de Alta Demanda.
Figura 18. Impacto potencial de tecnologias de redução de emissões
diretas de CO2, 2DS versus 6DS
Alta Demanda
Baixa Demanda
Alta Demanda
Baixa Demanda
Eficiência energética
Recuperação de
energia
Substituição de
combustível
CAC
Fonte: AIE.
PONTO CHAVE: A eficiência energética, CAC e recuperação de energia dão as contribuições mais
Recuperação
de
Eficiência
Substituição de
CAC
significativas para a redução
deenergética
emissões de
CO .
energia2
combustível
Fonte: AIE.
34
PONTO CHAVE: A eficiência energética, CAC e recuperação de energia dão as contribuições mais
significativas
para a redução de emissões de CO2.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia
e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Boxe 7. Captura e armazenamento de carbono (CAC)
A CAC poderia ser uma tecnologia de vital
importância para o setor químico, bem como
para a indústria em geral, com base no impacto
projetado de redução de 25% das emissões de
CO2 em 2050, como foi observado no CAC no
Roadmap de Aplicações Industriais (AIE, 2011).
Seu uso na indústria química, porém, apresenta
desafios específicos. A CAC é uma tecnologia
de redução de emissões relativamente cara
devido à grande necessidade de energia e é mais
eficiente e econômica quando captura grandes
quantidades de CO2 de pureza relativamente alta.
As grandes instalações de produção de amônia,
metanol, óxido de etileno, hidrogênio e produtos
da gaseificação de carvão poderiam ter escala
suficiente para tornar a CAC financeiramente
viável (dependendo da localização). Os
craqueadores também podem ser fontes de
grande volume (1 MtCO2/ano), mas seu gás de
combustão é mais diluído (4% a 7% de CO2, o que
é uma concentração mais baixa que a das usinas
termoelétricas a carvão, que podem ter de 10%
a 12% de CO2), elevando os custos de captura de
CO2.
A CAC é uma tecnologia nova, que precisa de
desenvolvimento e investimento significativos
para chegar à escala industrial. Existem projetos
de grande escala em andamento para desenvolver
Resultados regionais
No Caso de Baixa Demanda do 6DS29, o uso de energia
no setor químico poderia crescer de 42 EJ em 2010 para
85 EJ em 2050. No Caso de Alta Demanda, cresce para
96 EJ. No Caso de Baixa Demanda do 2DS, projeta-se
que o consumo de energia vá crescer para apenas 65 EJ,
porque a maior eficiência energética e o aumento
da reciclagem reduzem a intensidade de energia. O
2DS também assume um nível mais alto de uso de
a captura de CO2 em um craqueador de refinaria
(Noruega) e em uma instalação de amônia (Texas,
Estados Unidos). O transporte de CO2 é o elo
crucial entre as fontes de emissão de CO2 e os
locais de armazenamento, mas até esta data
as necessidades de tecnologia e infraestrutura
receberam atenção insuficiente.
O 2DS do ETP sugere que, no ano de 2050, o
sequestro anual no setor químico deverá alcançar
467 MtCO2. Desenvolver a tempo a CAC no
setor químico exigirá um arcabouço coerente de
políticas mundiais, que forneçam regulamentação
apropriada, bem como incentivos econômicos por
meio de preços de carbono e outros instrumentos
para garantir que haverá instalações de transporte
de CO2 e espaço para armazenamento de CO2 nas
proximidades das instalações químicas.
As partes interessadas no setor também devem
aproveitar oportunidades de usar o CO2, em vez
de meramente armazená-lo, como está sendo
feito atualmente em projetos de recuperação
secundária de petróleo (CO2-RSP). Vários projetos
de CO2-RSP bombeiam CO2 captado de fontes
químicas para reservatórios de petróleo para
aumentar a pressão e dessa forma facilitar a
recuperação de hidrocarbonetos. Podem ser
concebidos procedimentos para reter CO2
adicional na formação.
biomassa e lixo, o que corresponde a 4% no Caso de
Baixa Demanda e 5% no Caso de Alta Demanda do
uso total de energia química em 2050. Espera-se que
mais da metade do potencial de economia de energia
no 2DS venha da China (8,4 EJ) e do Oriente Médio
(4,7 EJ). Espera-se que menos de um terço do potencial
de economias de 16 EJ venha das regiões da OCDE
(Figura 18).
29. Para descrições do 6DS e 2DS, ver Boxe 2.
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
35
Consumo de energia (EJ)
Figura 19. Economias de energia por região no Caso de Baixa Demanda
OCDE América
OCDE Europa
OCDE Pacífico
China
Índia
Outros em
desenvolvimento Ásia
Não OCDE Europa e Eurásia
América Latina
África
Oriente Médio
Nota: Exclui mudanças de uso de matéria-prima.
Fonte: AIE.
PONTO CHAVE: O maior potencial de economia de energia do setor químico está nas regiões de
mais forte crescimento projetado, isto é, China e Oriente Médio.
Cenários da DECHEMA
De acordo com o cenário de melhoramento
incremental da DECHEMA, entre 2010 e 2050 a
intensidade média de energia de todos os processos
vinculados aos 18 produtos poderia diminuir em 19%,
passando de 11,0 GJ/tproduto para 9,0 GJ/tproduto (Figura 6);
entretanto pode ser um equívoco calcular economias
de energia por tonelada de produto em termos de uso
de energia e emissões de GEE totais. Mesmo com os
avanços de tecnologia e eficiência assumidos, o grande
aumento de consumo esperado para esses 18 produtos
químicos e o consequente volume global de produção
poderiam ainda resultar em um aumento de 6,5 EJ no
consumo total de energia no ano de 2050.
Os avanços em catálise e processos relacionados
podem dar uma significativa contribuição para
neutralizar a esperada elevação de uso de energia à
medida que a indústria cresce para atender à demanda
de materiais da sociedade. Embora as economias
de energia não contrabalancem completamente
a elevação total de energia esperada para o
crescimento de produção projetado (Figura 7), o
potencial de economias acumuladas até 2050 é igual
à atual demanda primária de energia de um país
industrializado de tamanho médio.
36
Vários impulsores poderiam influenciar as taxas de
crescimento projetadas. Em 2050, os melhoramentos
incrementais, a implementação de BPT e as tecnologias
emergentes poderiam proporcionar 13,2 EJ de
economia de energia (Figura 20) – cerca de 50%
da demanda total sob condições de BAU à época.
A implementação das tecnologias de mudança de
paradigma que foram investigadas (isto é, processos
com base em biomassa e hidrogênio) precisaria
de energia adicional, o que é representado como
economias negativas de energia na Figura 20.
Analogamente, a implementação de melhoramentos
incrementais, BPT e tecnologias emergentes mostra
um significativo potencial de proporcionar reduções
de emissões de GEE: em 2050, poderiam ser evitadas
997 MtCO2-eq/ano, em comparação com o cenário de
BAU, o que equivale a 80% das emissões da indústria
química em 2010 (Figura 21). As tecnologias de ruptura
(game changers) de paradigma poderiam acrescentar
contribuições ainda maiores mais futuramente,
se os riscos forem reduzidos e os investimentos
tecnológicos forem feitos.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Economias
Economias totais
totais de
de energia
energia (EJ)
(EJ)
Figura 20. Potencial de economia de energia por meio de avanços em
catalisadores e processos relacionados em todas as categorias
Melhoramentoincremental
incremental
Melhoramento
BPTconservador
conservador
BPT
BPTotimista
otimista
BPT
Tecnologiasemergentes
emergentes
Tecnologias
Hidrogênio
Hidrogênio
Biomassa
Biomassa
Nota:AAlinha
linhapreta
pretarepresenta
representaooeixo
eixozero.
zero.
Nota:
Fonte:DECHEMA.
DECHEMA.
Fonte:
PONTOCHAVE:
CHAVE:As
Astecnologias
tecnologiasde
demudança
mudançade
deparadigma
paradigmapodem
podemproporcionar
proporcionarreduções
reduçõesde
deGEE,
GEE,
PONTO
maspodem
podemconsumir
consumirenergia
energiaadicional.
adicional.
mas
Economia
Economia total
total de
de GEE
GEE (GtCO
(GtCO22­eq)
­eq)
Figura 21. Potencial de evitar emissões de GEE por meio de avanços
em catalisadores e processos relacionados em todas as categorias
em comparação a BAU
Melhoramentoincremental
incremental
Melhoramento
BPTconservador
conservador
BPT
BPTotimista
otimista
BPT
Tecnologiasemergentes
emergentes
Tecnologias
Biomassa
Biomassa
Hidrogênio
Hidrogênio
Nota:Os
Oscenários
cenáriosde
debiomassa
biomassaeehidrogênio
hidrogênioincluem
incluemoocenário
cenáriode
detecnologias
tecnologiasemergentes.
emergentes.
Nota:
Fonte:DECHEMA.
DECHEMA.
Fonte:
PONTOCHAVE:
CHAVE:As
Astecnologias
tecnologiasde
demudança
mudançade
deparadigma
paradigmapoderão,
poderão,aalongo
longoprazo,
prazo,permitir
permitiruma
uma
PONTO
reduçãoadicional
adicionaldas
dasemissões
emissõesde
deGEE.
GEE.
redução
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
37
Resultados de impacto regional do
cenário da DECHEMA
Os cenários da DECHEMA dão uma projeção das
economias potenciais de energia de 13,2 EJ/ano em
2050. Como os cenários com base em catálise não
incluem (ou incluem parcialmente) as contribuições
da reciclagem, da recuperação de energia ou da
cogeração e estão limitados aos 18 principais produtos
viabilizados pela catálise, esse valor é um tanto
menor que os 16 EJ calculados pelo modelo da AIE. A
distribuição regional do impacto é semelhante nas
modelagens da DECHEMA e da AIE.
Figura 22. Impacto regional dos cenários incremental, BPT otimista e emergente
da DECHEMA comparados a BAU
Economias: incremental (EJ/ano)
Economias: incremental + BPT + emergentes (EJ/ano)
Economias de energia
Incremental
Economias de GEE
Incremental
Incremental + BPT + tecnologias emergentes
Economias: incremental +
BPT + emergentes (GtCO2-eq/ano)
Economias: incremental (GtCO2-eq/ano)
Incremental + BPT + tecnologias emergentes
OCDE América
OCDE Europa
OCDE Pacífico
China
Índia
Outros em
desenvolvimento Ásia
Não OCDE Europa e Eurásia
América Latina
África
Oriente Médio
Fonte: DECHEMA
PONTO CHAVE: A escala dos resultados da DECHEMA é semelhante à da abordagem da AIE,
esperando-se os maiores aumentos de consumo de energia e de emissões de GEE na China e no
Oriente Médio.
38
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
possível diminuição (OCDE Europa) ou pelo menos
a uma estagnação (OCDE Pacífico) do consumo
de energia (Figura 23). Algumas reduções somente
serão possíveis se for viabilizado o alto nível de
investimentos necessários para BPT e tecnologias
emergentes. O presente trabalho não consegue ver
uma redução maior, se for mantida a base de produção.
Com relação a matérias-primas, a Europa e partes
da Ásia já recorrem pesadamente à nafta, de modo
que os avanços no craqueamento catalítico com
base em nafta (isto é, uma tecnologia emergente)
provavelmente serão aplicados em primeiro lugar
e terão um impacto maior nessas regiões. As
tecnologias de mudança de paradigma também seriam
influenciadas por diferenças regionais. À medida que o
uso de biomassa se torna mais estabelecido na América
do Sul, essa tecnologia de mudança de paradigma
poderia ter um impacto nesse continente mais cedo
que nos outros. As regiões com uma grande fatia de
energia renovável podem ter maior oportunidade
de combinar os avanços da catálise associada à
produção de gás de síntese e de se tornar líderes do
desenvolvimento de hidrogênio a partir de fontes
renováveis.
A expectativa é que o crescimento na China continue
forte. À medida que são construídas novas plantas,
é grande o potencial para se instalarem BPT e operar
essas instalações com as melhores práticas. Em 2050, a
China poderia responder por cerca de 5,3 EJ (40%) das
potenciais economias de energia de 13,2 EJ. Em 2008, a
indústria petroquímica da China usou 430 Mt de carvão
comum (1 EJ corresponde a aproximadamente 34 Mt de
carvão comum). Os dados sugerem que essas reduções
de energia poderiam ser uma contribuição significativa
para a meta de redução de 20% do 12º Plano
Quinquenal. Será crítico ter uma forte implementação
da propriedade intelectual para estimular a adoção
das melhores tecnologias globais na China. Não
obstante, esse valor mostra que, para alcançar maiores
potenciais de melhoramento, será importante ter
políticas que permitam acessar os melhoramentos em
BPT, tecnologias emergentes e tecnologias de mudança
de paradigma.
Os impactos potenciais dos catalisadores variam com a
região, os avanços tecnológicos e as matérias-primas.
Nas regiões industrializadas, onde o crescimento
da produção é modesto, a implementação de BPT
e tecnologias emergentes poderia levar a uma
Figura 23. Consumo de energia por cenário para quatro diferentes
regiões do mundo
China
Energia (EJ)
Energia (EJ)
OCDE Europa
Oriente Médio
Energia (EJ)
Energia (EJ)
OCDE Pacífico
BAU
Melhoramento incremental
BPT conservador
BPT otimista + tecnologias emergentes
Nota: Os cenários BPT aqui incluem a implementação de tecnologias emergentes.
Fonte: DECHEMA
PONTO CHAVE: As regiões industrializadas poderiam estabilizar ou diminuir o consumo de energia
por meio da implementação de melhoramentos. As regiões em desenvolvimento, porém, ainda terão
um aumento, devido ao mais forte crescimento da produção.
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
39
A maior rapidez de crescimento de emissões acontece
na Ásia, na África e no Oriente Médio, o que está de
acordo com os aumentos esperados para a produção
química e petroquímica. A recíproca é que, se essas
regiões implementassem impactos incrementais, BPT
e tecnologias emergentes, teriam maior potencial
para contribuir substancialmente para a redução de
emissões de CO2. Nos países da OCDE, as emissões
diminuem à medida que os melhoramentos de
eficiência contrabalançam o pequeno aumento
associado a um crescimento relativamente pequeno da
fabricação de produtos químicos.
Necessidades de recursos
A fim de realizar economias de escala na fabricação de
produtos químicos de grande volume, os fabricantes
tendem a construir plantas muito grandes. Isso torna a
indústria muito intensiva em capital e também significa
que cada planta geralmente consome quantidades
muito grandes de energia. Demonstra também que os
custos de capital para modificar ou substituir esses
ativos a fim de melhorar a eficiência energética são
significativos.
Usando-se um banco de dados administrado pelo
American Chemistry Council (ACC), que mantém
informações históricas detalhadas sobre a indústria
química dos Estados Unidos, inclusive volumes,
investimentos e consumo de energia, é possível
estimar os custos de capital necessários para um
melhoramento energético continuado. Nos Estados
Unidos, de 1995 a 2010, a eficiência energética do
setor melhorou em média cerca de 2% ao ano (o
equivalente a cerca de 0,13 EJ/ano)30. Os dados do ACC
sobre investimentos dos Estados Unidos destinados
a “melhoramentos energéticos” apontam para gasto
contínuo de aproximadamente 600 a 700 milhões
de dólares por ano, o que equivale a cerca de 4% do
investimento total do setor. É possível que esse valor
esteja subestimado, já que muitos investimentos em
melhoramentos energéticos estão embutidos em
investimentos de base e não em projetos isolados de
eficiência energética.
A fim de melhor estimar o investimento total
referente à energia, podemos considerar as economias
monetárias médias obtidas por ano e determinar qual o
nível de investimento que poderia ter sido sustentado
por essas economias, admitindo um retorno sobre o
investimento razoável. O cálculo partiu de um custo
de energia de US$ 4,75/GJ e um retorno em cinco
anos, antes dos impostos. Isso sugere um investimento
anual nos Estados Unidos para eficiência energética
de US$ 2,4 bilhões (base 2010), cerca de 11% do
investimento químico total dos Estados Unidos.
Essa é uma estimativa mais realista dos gastos totais
de capital necessários para sustentar as taxas recentes
de melhoramento energético.
Falando de maneira simplista, visto que a produção dos
Estados Unidos representa cerca de 19% da produção
química mundial, poderíamos estimar que seria
necessário um nível global de investimento energético
de cerca de US$ 13,2 bilhões por ano (base 2010)
para sustentar uma taxa global de melhoramentos
energéticos de 2% ao ano a curto prazo. No modelo de
projeção da DECHEMA, isso representa melhoramentos
incrementais constantes e, além disso, um nível
significativo de implementação de BPT. É de se esperar
que os investimentos para implementar BPT adicionais
sejam economicamente menos atraentes e mais
intensivos em capital, já que os investimentos mais
atraentes recebem os primeiros financiamentos.
Um melhoramento contínuo de 2% até 2050 é um
cenário altamente otimista, melhor que o modelo
BPT otimista. À medida que as principais plataformas
amadurecem ainda mais e se aproximam da eficiência
energética “teórica máxima”, seriam necessários níveis
de investimento muito mais altos para sustentar essa
taxa de melhoramento. Os incentivos relativos para
investimentos em eficiência energética precisarão
crescer para manter um ganho anual de 2%.
Fatores tais como volume específico de crescimento
regional, disponibilidade e custo de matérias-primas
e época da obsolescência das plantas afetarão as
decisões sobre investimentos em eficiência energética,
assim como a importante questão do desenvolvimento
e do ciclo de vida de novos catalisadores. Até
mesmo um catalisador “drop-in” (intercambiável sem
necessidade de modificar as instalações) tipicamente
leva três anos ou mais para ser desenvolvido e
testado. A plena implementação comercial muitas
vezes é atrasada devido ao agendamento de paradas
planejadas da planta. Dez anos é um prazo típico
para uma taxa de adoção de 80% em todo um
processo para um catalisador com benefícios claros e
substanciais. Os novos catalisadores que precisam de
investimento substancial de capital demoram mais para
ser plenamente comercializados. As necessidades de
recursos e o cronograma de tecnologias emergentes
são muito difíceis de estimar devido aos muitos passos
envolvidos, incluindo quantidades significativas de
P&D, engenharia, planta-piloto, aumento de escala,
autorizações e decisões de investimento. Não
existem atualmente estudos abrangentes para tais
desenvolvimentos, mas é possível ter um panorama
com dois exemplos históricos:
• Foram desenvolvidos nos anos 1980 significativos
melhoramentos nos processos de polipropileno
na forma do processo Spheripol em suspensão da
Montell e do processo de fase gasosa da Unipol,
30. 0,13 EJ/ano = 126 trilhões de BTU/ano.
40
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
ambos viabilizados por catalisadores de maior
rendimento ou maior seletividade. Esses processos
de maior eficiência substituíram muitas plantas de
suspensão mais antigas, mas a transformação ainda
não está 100% completa.
• Os catalisadores de metaloceno começaram a
substituir os catalisadores Ziegler-Natta para
a produção de polietileno nos anos 1990. Nos
últimos 20 anos, foram realizados numerosos
melhoramentos, e o número de plantas que usam
essa tecnologia cresceu significativamente. Ela está
atualmente sendo usada em diversas plataformas de
processo e famílias de produtos.
Um salto no melhoramento de catalisadores e processos relacionados requer um esforço exclusivo durante
muitos anos e consequentemente precisa de financiamento contínuo por um período relativamente longo.
A colaboração entre indústria e governo é muitas vezes eficaz para financiar novas descobertas e superar
as barreiras técnicas fundamentais.
Uma visão para a indústria química de avanços nos melhoramentos em catálise e processos relacionados
41
Outras áreas relacionadas a
processos catalíticos
Embora esteja fora do escopo deste roadmap, o
impacto dos catalisadores em algumas grandes
aplicações fora da área química e petroquímica
justifica um breve exame. As informações quantitativas
para essas áreas foram difíceis de obter. Os sumários
abaixo destacam os impactos que a DECHEMA
conseguiu vislumbrar. Visto que os dados disponíveis
eram limitados, e a análise foi, quando muito,
semiquantitativa, é bem possível que os impactos
sejam mais importantes que o relatado neste roadmap.
Seriam necessários estudos adicionais para chegar a
conclusões mais rigorosas.
Refinarias
Alguns processos de refino de óleo bruto são
fortemente dependentes de catalisadores, o que
torna as refinarias uma das maiores aplicações
de catalisadores. O processo de refino envolve
a separação do óleo bruto em frações de
hidrocarbonetos, bem como o craqueamento, a
reestruturação, o tratamento e a mistura das moléculas
de hidrocarbonetos para gerar os produtos de
petróleo. Os principais passos catalíticos do processo
são o craqueamento catalítico, a reforma catalítica,
e o hidrotratamento catalítico31. A BP estima que a
capacidade mundial das refinarias de petróleo em 2010
era de 91,8 milhões de barris/dia (BP, 2011). Alguns
dados representativos: os Estados Unidos têm cerca
de 150 refinarias, correspondendo a cerca de 25%
da produção mundial (AMO, 2007), consomem 3,4 EJ
de energia e emitem cerca de 244 MtCO2-eq de GEE
relacionados a processos (AMO, 2012). Esses números
refletem todas as operações das refinarias, inclusive
os primeiros passos da destilação do óleo bruto, que
são os maiores consumidores de energia e não são
catalíticos.
Para os três processos catalíticos citados, o consumo
mundial total de energia é estimado em cerca de 2 EJ/
ano. Estudos mostram que nos Estados Unidos as
refinarias BPT consomem 20% a 30% menos energia
que a média do setor (Energetics Incorporated, 2006)
(ver Anexo 7). Presumindo-se que essa redução é
globalmente aplicável por meio de uma implementação
completa de BPT, as economias potenciais de energia
seriam de 0,5 EJ/ano. Isso ainda está bem acima
da mínima energia teórica para esses processos e
portanto ainda é possível que se realizem economias
adicionais com inovações radicais na tecnologia de
catálise ou de processo.
Embora esta visão seja de alto nível e incompleta,
as potenciais oportunidades da catálise no refino
sugerem que ainda podem ser alcançadas significativas
economias de energia e GEE, mesmo em uma indústria
muito madura como essa. Seriam necessários estudos e
análises adicionais para construir uma visão abrangente
das oportunidades da catálise e um roadmap detalhado
para o refino.
31. Explicado no Anexo 7.
42
Outras aplicações industriais de
catalisadores
Os catalisadores também podem impactar a eficiência
energética e a redução de emissões em outras
aplicações industriais, e algumas estão sumarizadas a
seguir.
• Detergentes de baixa temperatura: As enzimas
agem como biocatalisadores em detergentes
de lavagem e permitem maior eficiência de
limpeza e/ou menores temperaturas de lavagem,
proporcionando economias de energia e GEE. Um
estudo quantificou as economias potenciais anuais
de GEE em 81 MtCO2-eq e as economias relacionadas
ao uso de produto em 92 MtCO2-eq (McKinsey,
2009). Possibilitando limpeza eficaz a temperaturas
de lavagem mais baixas (30°C em lugar de 40°C a
50°C), as enzimas detergentes reduzem o consumo
de energia em 50% na fase de uso de detergente
(para cerca de 240 gCO2-eq por ciclo de lavagem).32
• Decomposição catalítica de óxido nitroso em
processos industriais: O óxido nitroso (N2O) é um
potente GEE com um potencial de aquecimento
global (GWP) 300 vezes maior que o CO2. Entre 1990
e 2009, as emissões de N2O na produção de ácido
adípico diminuíram de 82%, embora os volumes de
produção tenham crescido, graças a tecnologias
de abatimento de N2O (decomposição térmica e
catalítica).
• Aplicações automobilísticas: A maioria dos veículos
movidos a gasolina está equipada com um conversor
catalítico de três vias que usa uma reação oxidante
para converter monóxido de carbono (CO) e
hidrocarbonetos não queimados em CO2 e água
e uma reação de redução para converter óxidos
de nitrogênio (NOx) em nitrogênio e oxigênio.
Em motores diesel, um catalisador oxidante de
diesel converte CO em CO2 e hidrocarbonetos
em água e O2. Embora os conversores catalíticos
reduzam eficientemente os poluentes-alvo (CO,
hidrocarbonetos e NOx), não reduzem as emissões
de CO2 especificamente. Pesquisa recente sugere
que os catalisadores poderiam reduzir emissões de
metano, que é um forte GEE (R. Gorte, 2012).
• Materiais com propriedades (foto)catalíticas:
Vários produtos fotocatalíticos já são
comercializados, tais como itens autolimpantes
(lâmpadas, revestimentos de automóveis e
materiais de construção), materiais antineblina
(espelhos e vidros), revestimentos de uso interior
e exterior para controle do ar e decomposição de
compostos orgânicos voláteis (COVs, ou VOCs
na sigla em inglês), etc. Embora essas aplicações
não visem diretamente à eficiência energética ou
32. Usando-se os 158,5 bilhões de ciclos de lavagem estimados
por McKinsey (ICCA, McKinsey, 2009), isso resultaria em
economias de 38 MtCO2-eq.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
ao abatimento de GEE, poderiam ajudar a reduzir
o consumo de energia, substituindo soluções que
atualmente usam mais energia.
• A combustão catalítica possibilita a combustão
completa a temperaturas mais baixas do que é
possível de outras maneiras. O processo proporciona
a queima de misturas “pobres” de gás, reduzindo
dessa maneira as emissões de hidrocarbonetos e de
monóxido de carbono do combustível não queimado
ou incompletamente queimado. Isso permite que a
operação a temperaturas mais baixas tenha emissões
de NOx próximas de zero. A combustão catalítica de
COVs33 pode baixar a temperatura de combustão
de 800°C para a faixa de 200°C a 400°C, evitando a
formação de produtos prejudiciais (NOx, CO).
• Redução de metano na mineração de carvão:
Globalmente, o setor de mineração de carvão emitiu
mais de 377 MtCO2-eq de metano em 2000, o que
corresponde a 3,3% das emissões antropogênicas
totais de metano. Foram introduzidas tecnologias
de oxidação térmica e estão surgindo tecnologias
33. A. Buekens, Thermal and Catalytic Combustion. In: Encyclopedia
of Life Support Systems (EOLSS). COBs
catalíticas de oxidação.34 Se a tecnologia de
oxidação for aplicada a todos os sistemas de
ventilação de minas com concentração superior
a 0,15% de metano, cerca de 97% do metano
proveniente da mineração de carvão poderiam ser
mitigados (EPA, 2006).35
• Conversão de CO2: O CO2 cativo costuma ser
reusado internamente em plantas de amônia e
metanol (por exemplo Mitsui). A conversão de CO2
em produtos químicos seria termodinamicamente
desafiadora e implicaria custos da energia e do
hidrogênio necessários para a conversão em
produtos úteis. Os resultados da AIE apresentados
mostram que a CAC poderia ter certo impacto
na indústria química, especialmente se houver
disponibilidade de CO2 puro e de baixo custo para
ajudar nos esforços de conversão química do CO2.
Isso dependerá em grande parte de uma redução das
atuais barreiras de custo, já que as fontes de CO2
diluído de craqueadores são opções muito caras.
34. Best Practice Guidance for Effective Methane Drainage
and Use in Coal Mines, UNITED NATIONS Publication, (ECE Ener
gy Series, n. 31). New York-Geneva, 2010.
ISBN 978-92-1-117018-4.
35. Global Mitigation of Non-CO2 Greenhouse Gases; United
States Envirometal Protection Agency,
Office of Atmospheric Programs. June 2006.
Outras áreas relacionadas a processos catalíticos
43
Emissões evitadas na fase de uso
A fim de ter uma visão equilibrada do impacto total
da indústria química e dos catalisadores, é importante
considerar o impacto dos produtos químicos durante
sua fase de uso. Isso pode ser feito pela metodologia
da Avaliação de Ciclo de Vida (ACV), que examina
rigorosamente os impactos de um produto desde a
extração da matéria-prima até a disposição no fim de
sua vida. A ACV compara os resultados de produtos
quimicamente obtidos com os não quimicamente
obtidos que têm função igual ou semelhante.
No setor de embalagem de alimentos, por exemplos,
os materiais com base em poliolefinas (filmes, sacos,
garrafas, etc.) substituíram muitas aplicações que
antes eram supridas por metais, vidro ou papelão.
Esses materiais anteriores precisavam de maior
quantidade de matéria-prima e mais energia para ser
fabricados e resultavam em emissões de GEE mais
altas que suas alternativas de plástico. Além disso, o
menor peso das embalagens de plástico economiza
energia no transporte. Assim, a ACV mostra benefícios
significativos na fase de uso para as embalagens
plásticas (mesmo sem considerar o benefício adicional
de reduzir a deterioração de alimentos, que por
sua vez reduz o uso de energia, água e terra para a
agricultura e diminui o volume dos aterros sanitários).
Podem ser identificadas eficiências semelhantes na
fase de uso nos setores automobilístico, de saúde e de
consumo. Um estudo abrangente de ACV (executado
pelo ICCA/McKinsey) de produtos químicos em
uma ampla gama de aplicações concluiu que o uso
de produtos químicos economiza de 2,1 t a 2,6 t
de GEE para cada tonelada de emissões associadas
à sua produção (ICCA, 2009). Sobrepondo-se a
estimativa mais conservadora (2,1 t de GEE) ao caso
de crescimento de emissões diretas em regime de BAU
deste roadmap, temos uma visão do possível impacto
líquido do crescimento dos produtos químicos sobre as
emissões futuras de GEE (Figura 24).
Figura 24. Potencial impacto de GEE na fase de uso, utilizando-se o impacto das
emissões diretas em BAU deste estudo e a taxa de impacto da
McKinsey de 2,1 t de GEE economizadas por tonelada produzida
Mudança total de GEE (GtCO2­eq)
Aumento direto de
GEE no cenário
BAU
Abatimento líquido
Abatimento tipo 3
na fase de uso
PONTO CHAVE: Os produtos químicos reduzem as emissões de GEE por meio da substituição de
produtos mais intensivos em GEE.
Isso provavelmente representa o cenário do pior
caso. Conforme sugere este roadmap, existem muitas
oportunidades para melhorar as emissões diretas para
além do cenário BAU, e a taxa de GEE evitados pode
ser melhorada com inovações adicionais nos produtos
e constante substituição de materiais intensivos em
44
GEE. O estudo ICCA/McKinsey sugeriu que estratégias
focalizadas poderiam levar a proporção de abatimento
de GEE a ultrapassar 4:1 em 2030.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
A capacidade que a catálise possui de reduzir
energia e emissões de GEE de produtos químicos,
tanto as diretas quanto as da fase de uso, precisa
ser considerada, quando se discutem opções de
políticas sobre o tema. A indústria química pode
ter um impacto maior ao aplicar seus produtos em
aplicações economizadoras de energia do que ao
reduzir sua pegada durante a fase de produção. Ambos
os caminhos devem ser percorridos, mas o potencial é
ainda maior na aplicação dos produtos.
Um forte exemplo da tecnologia catalítica melhorando
os atributos de ACV e a sustentabilidade pode ser
encontrado no desenvolvimento, na comercialização
e no rápido crescimento de poliolefinas baseadas em
metalocenos nas últimas duas décadas. Em comparação
com catalisadores mais antigos, tais como o ZieglerNatta, a tecnologia catalítica de metalocenos
representou um enorme passo adiante, possibilitando
um controle mais exato tanto da composição quanto
da estrutura do polímero, bem como a capacidade
de copolimerizar níveis mais altos de comonômeros
com etileno para fazer novas composições. Por
exemplo, os polietilenos com base em metaloceno
têm peso molecular e distribuição de composição
mais uniformes, resultando em materiais mais fortes
e resistentes e possibilitando o desenvolvimento
de filmes mais finos e leves. A copolimerização com
alfa-olefinas mais altas permitiu novas famílias de
polietilenos de densidade muito baixa (plastômeros),
que se revelaram eficazes modificadores de impacto
em misturas de polipropileno. Tais misturas (chamadas
olefinas termoplásticas ou TPOs) substituíram metais
mais pesados e mais intensivos em recursos em muitas
aplicações automobilísticas exteriores. Estima-se que
uma redução de 10% do peso de um automóvel gera
uma economia de combustível de cerca de 7%, o que
mostra o impacto energético dessas substituições.
Emissões evitadas na fase de uso
45
Políticas, finanças e colaboração internacional:
ações e marcos
Muitas regiões e países adotaram recentemente
políticas para reduzir as emissões de fontes
industriais. Algumas políticas são voluntárias (por
exemplo acordos setoriais voluntários), outras são
obrigatórias (por exemplo mecanismos de mercado
de emissões); mas, como mostra este roadmap,
a redução das emissões requer um arcabouço de
políticas mais amplo, que apoie o desenvolvimento, a
demonstração e a implementação de tecnologias que
serão necessárias. Visto que o desenvolvimento requer
esforço dedicado ao longo de décadas, os custos são
altos. Não ocorrerá progresso sem a intervenção ou o
estímulo proporcionado por políticas. Além disso, as
situações políticas específicas de cada país precisam
ser consideradas. Para estimular o desenvolvimento
de tecnologias emergentes e tecnologias de mudança
de paradigma para processos de HVC intensivos em
energia, são necessárias políticas que encorajem a
indústria, a academia e os laboratórios nacionais
a colaborarem na P&D, focalizando as principais
barreiras referentes a desafios de investimento, risco e
incerteza (Tabela 7).
Tabela 7. Principais barreiras
Alto custo de capital para substituições, novas construções, retrofits.
Incerteza quanto aos custos futuros de energia.
Proteção da propriedade intelectual.
Financiamento constante de pesquisa de longo prazo para grandes avanços.
Oportunidades competitivas, taxa de retorno em projetos de eficiência energética.
Baixo financiamento para inovações.
Passagem à escala comercial de tecnologias novas e ainda não testadas.
Equilíbrio entre pesquisa de processos convencionais de hidrocarbonetos e novas tecnologias.
Dentro do setor, os melhoramentos de eficiência
energética, o aprimoramento de catalisadores e os
retrofits permitindo a instalação de catalisadores
mais eficientes podem ser considerados opções “sem
chance de arrependimento”. Mesmo assim, precisam
competir com outros projetos em um contexto de
disponibilidade limitada de capital. Conforme se
observou na seção de necessidades de recursos, o
setor já investe bilhões de dólares em melhoramentos
relacionados à eficiência energética para alcançar a
taxa de melhoramento de cerca de 2% ao ano. Uma
justificativa de implementação substancialmente maior
de melhoramentos (incrementais, BPT) precisaria levar
em conta os seguintes pontos que pesam contra ela:
• O custo relativamente alto do capital de
modernização versus os modestos retornos na forma
de economias de energia, especialmente quando os
custos de energia são desconhecidos e podem variar
consideravelmente.
• A ineficiência e a perda de receita em razão da
parada de processos para a implementação de
melhoramentos.
• O investimento em equipamentos já estabelecidos,
que estão funcionando bem, versus esperar uma nova
construção.
• A concorrência com projetos com um retorno de
maior valor.
46
Políticas de apoio a pesquisa
e desenvolvimento
Para se realizarem as metas deste roadmap, é
necessário um reavivamento de P&D em catálise
para processos de grande volume e grande consumo
de energia, o que implica uma substancial injeção
de capital a longo prazo. Para se estimular toda a
cadeia de inovação – desde o estudo e treinamento
na faculdade até a P&D em escala industrial – precisa
haver contribuições dos governos, da academia, da
indústria, dos fornecedores de equipamentos e de
outras partes interessadas. A P&D para tecnologias
emergentes e tecnologias de mudança de paradigma
deveria inicialmente se concentrar em obter avanços
com base em catálise nas seguintes áreas (ver Anexo 7
para mais detalhes):
• Matérias-primas alternativas que são necessárias
para a produção de olefinas, aromáticos e seus
derivados a partir de gás natural e gás de xisto, bem
como outras matérias-primas não convencionais.
Será necessário, em várias regiões, um apoio para
biocombustíveis com base em matérias-primas
renováveis.
• Novas rotas para polímeros, viabilizadas por maior
eficiência energética na produção de monômeros e
sua polimerização. Ambos são tópicos centrais de
P&D de engenharia de catálise e de processo.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
• A produção de hidrogênio a partir de biomassa
cultivada ou da exploração de materiais secundários
é a primeira prioridade, seguida de perto pelo
melhoramento de processos de eletrólise da
água, tanto no controle de processo quanto
na decomposição da água com novos sistemas
catalíticos.
Este roadmap recomenda políticas para:
• Sustentar uma colaboração de P&D de longo
prazo (tanto doméstica quanto internacional,
entre instituições de pesquisa públicas e privadas
e indústria) para tratar das barreiras fundamentais
diante dos principais processos necessários para
o desenvolvimento e a aplicação de tecnologias
emergentes e tecnologias de mudança de paradigma.
• Promover P&D multidisciplinar, por exemplo em
fotocatálise e decomposição de água, para a
produção de hidrogênio a custo menor e seu uso
posterior para produção de amônia e metanol.
• Estimular projetos conjuntos de pesquisa em ciência
e engenharia sobre processos catalíticos, tanto no
aspecto químico quanto no tecnológico.
Assegurar financiamento,
inclusive incentivos em
momentos apropriados
É necessário um substancial investimento – e maior
certeza de investimento – para se alcançarem as
metas delineadas neste roadmap. Deverá haver mais
inovação em finanças e incentivos, a fim de acelerar os
investimentos nas áreas catalíticas de impacto citadas.
Isso contribuiria para o melhor equilíbrio entre riscos e
benefícios.
O Banco Europeu de Investimento (European
Investment Bank – EIB) apoia projetos de P&D e capital,
ajudando a financiar (em até 50%) iniciativas que
atendam a uma série de critérios, entre eles uma meta
de melhoramento de eficiência energética de 20%. As
baixas taxas de empréstimo do EIB, sua avaliação AAA
e sua capacidade de fazer projetos avançarem poderão
trazer benefícios a longo prazo.
Os incentivos para projetos incrementais e de BPT
precisam ser aumentados, pois esses projetos locais
muitas vezes não têm conseguido atrair investimentos
em comparação com outras oportunidades globais.
Além disso, os incentivos devem ser graduados, com
maior retorno para tecnologias comercialmente
atraentes que permitam maior salto na redução do
uso de energia ou de emissões de GEE. As tecnologias
emergentes, ou tecnologias de mudança de paradigma,
devem receber o mais alto nível de apoio, com foco na
viabilização de P&D e na primeira demonstração
da tecnologia à medida que melhora a eficiência em
termos de custo e escala.
Nos casos em que se usa apoio de investimento ou
certificados verdes para cofinanciar BPT, tais medidas
idealmente deveriam se restringir a financiar o
início da operação, a fim de evitar a interrupções da
concorrência ou a dependência de subsídios a longo
prazo. Além disso, as políticas de incentivo devem
ser tecnologicamente neutras, isto é, devem apoiar
investimentos em novas tecnologias sem tentar
“escolher” vencedores ou perdedores.
Os incentivos econômicos podem também estimular
melhoramentos periódicos de BPT em termos de
eficiência energética, bem como o desenvolvimento
técnico.
Este roadmap recomenda políticas para:
• Eliminar subsídios de energia que funcionem
como barreiras para a implantação de tecnologias
energeticamente mais eficientes.
• Favorecer incentivos por estágios, que promovem
melhoramentos em eficiência energética factíveis
hoje, mas que precisam de um empurrão para
ser atraentes em face de outras oportunidades.
Essa abordagem fornece um encorajamento
de longo prazo para a implementação de BPT,
transformando-a na melhor opção economicamente;
e promove os investimentos futuros em tecnologias
emergentes ou tecnologias de mudança de
paradigma.
• Estabelecer uma sinalização global de preços de
carbono para incentivar todo o setor, e vincular
os mercados de carbono a mecanismos que
efetivamente levem o setor à adoção de tecnologias
mais limpas.
• Evitar custos isolados ou unilaterais.
Políticas para promover
colaboração internacional e
compartilhamento de dados,
informações, melhores
práticas e P&D
As reduções totais obtidas por melhoramentos em
energia e emissões devem ser visíveis para os
fornecedores locais de energia, de maneira a que
estimulem tais investimentos por meio de seus
próprios incentivos. A implementação de BPT pode
ser facilitada, empoderando-se as associações
industriais regionais e as industrias para que
colaborem com foros ativos para intercâmbio (de
maneira compatível com a legislação que rege a
concorrência).
Políticas, finanças e colaboração internacional: ações e marcos
47
Este roadmap recomenda políticas para:
• Fortalecer a cooperação internacional para: coletar
dados confiáveis sobre energia e emissões de GEE
em nível de setor; apoiar o desenvolvimento de
políticas eficazes; monitorar o desempenho; e
identificar e publicar lacunas de desempenho e BPT
regionais e nacionais.
• Fomentar o compartilhamento de políticas de
melhores práticas para a promoção da eficiência
energética e a redução de emissões de GEE na
indústria química.
• Promover a colaboração e o compartilhamento
internacional de custos em projetos de P&D.
Políticas de regulamentação
A regulamentação da indústria química deve ser bem
integrada com o tecido legislativo geral, mas evitando
a dupla regulamentação, por exemplo em jurisdições
onde já estejam sendo implementadas políticas
de redução de emissões de GEE ou de eficiência
energética para estimular BPT.
As correspondentes diretrizes e normas precisam
ser bem equilibradas, desenvolvidas e atualizadas
mediante estreita consulta aos setores envolvidos da
indústria. Tais consultas salvaguardam a viabilidade e a
competitividade internacional, mas ao mesmo tempo
evitam respostas proibitivamente caras ou a perda
de retorno de investimentos devido a mudanças na
regulamentação.
Este roadmap recomenda políticas que:
• Sejam de longo prazo, a fim de encorajar os
desenvolvimentos de tecnologias emergentes e
tecnologias de mudança de paradigma, bem como
opções de matéria-prima (tais como biomassa).
• Acelerem a aprovação de permissões para projetos
de eficiência energética.
• Apoiem sistemas de gerenciamento de energia (tais
como ISO 50001), que estimulam as companhias
a seguir um plano de melhorias contínuas para a
energia.
Colaboração entre as partes
interessadas, inclusive
parcerias público-privadas
A colaboração internacional desempenha um
importante papel na aceleração do progresso
tecnológico na fase de demonstração. Precisam ser
definidas novas formas de parceria público-privada
(PPP) para que os governos, as instituições de P&D,
o setor químico e os fornecedores de equipamentos
trabalhem juntos para organizar, financiar, filtrar,
desenvolver e demonstrar as tecnologias selecionadas
dentro de cronogramas mais curtos.
Há um bom exemplo no setor do aço: o projeto
Produção de Aço com Ultrabaixa Emissão de CO2
(Ultra-Low CO2 Steelmaking – Ulcos).36 É um
consórcio de 48 companhias e organizações europeias,
apoiado financeiramente pela Comissão Europeia, que
realiza P&D em caráter cooperativo sobre a redução
de emissões de CO2 na produção de aço.
As indústrias de processo, incluindo a indústria
química na Europa, recentemente propuseram uma PPP
europeia dedicada à inovação em eficiência energética
nas indústrias de processo e viabilizada por elas
próprias.37
Tais associações de indústrias podem ajudar de muitas
maneiras, por exemplo desenvolvendo/anunciando uma
meta comum, organizando oficinas, sumarizando o
progresso e promovendo apoio aos melhores projetoscandidatos. Seria importante haver várias “camadas”
de interação, que facilitem a colaboração entre
laboratórios governamentais, parceiros acadêmicos,
desenvolvedores de tecnologia e entidades
financiadoras, para ajudar a alcançar os objetivos
(Figura 25). As ONG, os parceiros de sustentabilidade e
outras partes interessadas também participariam deste
amplo espaço de interação.
36. www.ulcos.org/en/index.php.
37. SPIRE; www.spire2030.eu/.
• Produzam incentivos por estágios, que poderiam
significar um incentivo mais alto, se as companhias
implementarem e melhorarem BPT (reduzindo a
carga energética e ambiental); e encorajariam a
participação em P&D de longo prazo para melhorar
substancialmente o processo (por exemplo sobre
tecnologias emergentes e tecnologias de mudança
de paradigma).
48
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Figura 25. Colaboradores com os laços mais estreitos com o desenvolvimento de
catálise e processos relacionados
Institutos de
pesquisa
Parceiros
acadêmicos
ICCA e
associações
Fabricantes de
catalisadores
Companhias de
engenharia
Refinarias
Metas de redução
Energia
GEE
Clientes
Desenvolvedores
de tecnologia
Licenciadores
Companhias
industriais de gás
Terceiros
financiadores
PONTO CHAVE: São necessárias várias partes interessadas para alcançar metas de redução de
energia e emissão de GEE.
Este roadmap recomenda:
• A criação de parcerias público-privadas que ajudem
a minimizar os riscos tecnológicos e financeiros e
que ao mesmo tempo fomentem a aceleração da
atividade por meio de esforços conjuntos e metas
compartilhadas.
• A definição conjunta, por parte do governo e da
indústria, de políticas nacionais eficazes. As ações
locais e regionais precisam ser orientadas com
base em uma boa coordenação com as associações
profissionais.
• A colaboração governo-indústria dentro da
Convenção-Quadro das Nações Unidas sobre a
Mudança do Clima (UNFCCC) para explorar os
elementos-chave de quadros bem-sucedidos, por
exemplo assegurar que o quadro político global
efetivamente limite o risco de vazamento de
carbono.
Políticas, finanças e colaboração internacional: ações e marcos
49
Conclusão: ações de curto prazo para as partes
interessadas
Este roadmap estabelece marcos que podem ser usados
pela comunidade internacional para medir o progresso
e avaliar se a indústria química está no caminho certo
para alcançar as reduções de emissões necessárias para
2050, a fim de limitar a média global de elevação de
Principal
parte envolvida
temperatura a 2°C. O roadmap é um documento “vivo”,
no sentido de que será atualizado regularmente para
refletir os avanços e identificar os ajustes necessários.
Ações
Identificar as principais oportunidades em catálise.
Indústria
Tomar a iniciativa de colaborar com a academia e laboratórios governamentais.
Compartilhar as políticas de melhores práticas para a promoção da eficiência
energética e a redução de emissões de GEE.
Acelerar os investimentos de capital e P&D.
Encorajar P&D sobre matérias-primas alternativas e novas rotas catalíticas para
polímeros com menor uso de energia e pegada ambiental; e colaborar em estudos
sobre produção e uso do hidrogênio e sua economia.
Aumentar os incentivos e diminuir as barreiras ao melhoramento da eficiência
energética; estabelecer incentivos por estágios, estimulando o desenvolvimento de
tecnologias emergentes e tecnologias de mudança de paradigma.
Governos
Criar quadros de políticas de longo prazo para revigorar a P&D de catalisadores e
processos para processos de alto consumo de energia.
Introduzir políticas para facilitar o uso das melhores práticas onde forem construídas
novas instalações.
Eliminar subsídios à energia e instrumentos de políticas (inclusive esquemas com base
no mercado) que criem uma carga de custos local e que constituam barreiras ao
investimento em tecnologias de eficiência energética.
Estimular pesquisas de laboratório nacionais e acadêmicas sobre processos de grande
volume ou de grande consumo de energia. Fomentar P&D multidisciplinar em áreas que
envolvam matérias-primas alternativas, tais como H2 (inclusive fotocatálise ou
decomposição de água para produção de hidrogênio a custos mais baixos); e o uso de
biocombustíveis, de maneira a diminuir as barreiras econômicas, auxiliar o
desenvolvimento e ajudar a transição para uma escala maior.
Assegurar que esteja em funcionamento uma forte proteção à propriedade intelectual
em países em desenvolvimento, a fim de estimular os líderes globais da indústria a
investir lá e incentivar P&D.
Facilitar parcerias público-privadas que ajudem a minimizar os riscos tecnológicos e
criar opções para aumentar a eficiência energética ou reduzir as emissões de CO2.
Discutir com líderes do setor as principais perspectivas de avanço em pesquisa
fundamental que apresentem um bom retorno sobre o investimento.
Universidades e
outras instituições
de pesquisa
Estimular estudantes e pares a realizar projetos de pesquisa em química e engenharia
que reduzam o uso de energia e a pegada de GEE dos processos químicos
industrialmente relevantes.
Promover a flexibilidade na indústria e nas instituições financeiras a fim de apoiar
projetos atraentes e de baixo risco econômico de longo prazo.
Instituições
financeiras
Promover a flexibilidade nas parcerias entre indústria e fornecedoras de energia para
economizar energia.
Organizações
não governamentais
50
Apoiar as iniciativas do setor para reduzir o uso de energia e as emissões de GEE via
melhoramentos de catálise e processos relacionados.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Anexos
Mais detalhes e recursos para assuntos de várias áreas
estão disponíveis nas páginas de internet do ICCA e
da AIE em vários anexos. Os tópicos cobertos estão
listados a seguir.
Anexo 6: Rotas de processo baseadas em biomassa
Anexo 7:. Refinarias
Anexo 1: Abordagem dos dados e hipóteses
Anexo 8: Descrição dos cenários da AIE
e detalhes adicionais
Anexo 2: Rotas de processo para óxido de propileno
Anexo 9: Necessidades de pesquisa
Anexo 3: Potencial teórico
Anexo 10: Participantes do workshop
Anexo 4: Opções de melhoramentos
Anexo 5: Opção de hidrogênio
http://iea.org/media/freepublications/
technologyroadmaps/
TechnologyRoadmapCatalyticProcessesAnnexes.pdf
www.icca-chem.org/en/Home/ICCA-initiatives/
Energy--Climate-Changewww.DECHEMA.de/industrialcatalysis
Anexos
51
Glossário
Agência Internacional de Energia (AIE):
Organização autônoma que trabalha para assegurar
o abastecimento de energia de maneira confiável,
acessível e limpa para seus 28 países-membros, bem
como para outros. Fundada em função da crise do
petróleo de 1973-1974, seu papel inicial era ajudar
os países a coordenar uma resposta coletiva às
grandes interrupções do suprimento de petróleo
por meio da liberação para o mercado de estoques
de emergência de petróleo. Embora esse continue
a ser um aspecto-chave do trabalho da agência, a
AIE evoluiu e se expandiu, abrangendo agora a gama
completa de recursos energéticos. Ela está no coração
do diálogo global sobre energia, fornecendo pesquisas,
estatísticas, análises e recomendações abalizadas e não
tendenciosas.
Análise de ciclo de vida (ACV): Avaliação do efeito de
dado produto sobre o meio ambiente (por exemplo
consumo de energia, emissões de GEE) durante todo
seu ciclo de vida.
BAU (“Business as usual”): Cenário em que o atual
estado da tecnologia é projetado para o futuro.
Biocatálise: Uso de catalisadores de fontes biológicas,
geralmente chamados “enzimas”, para reações
químicas.
BTX: Abreviatura e descrição sucinta dos compostos
aromáticos benzeno, tolueno e xilenos.
Captura e armazenamento de carbono: Uma série de
passos de processo que visa a capturar CO2 dos gases
de combustão e transferi-lo para armazenamento em
formações geológicas.
Catálise: Um conceito em química pelo qual a
velocidade de uma reação em direção a um resultado
específico é melhorada usando-se um catalisador.
A catálise não é capaz de tornar possíveis reações
termodinamicamente impossíveis, nem muda o
balanço total de energia das reações; entretanto
pode mudar as condições de processo, levando-as a
um ambiente tecnicamente mais acessível e trazendo
fortes melhoras no rendimento do produto composto
desejado.
CO2-eq: Unidade de medida do efeito de aquecimento
global de um gás de efeito estufa na atmosfera.
1 tCO2-eq significa que o gás em questão tem o mesmo
efeito que se houvesse sido emitida 1 tonelada métrica
de CO2.
Cogeração: Geração conjunta de calor e energia
na mesma usina, o que traz um forte aumento da
eficiência energética geral da planta.
52
Conselho Internacional de Associações Químicas
(ICCA): A voz mundial da indústria química,
representando fabricantes químicos de todo o
mundo. Corresponde a mais de 75% das operações de
fabricação química, com uma produção anual acima
de US$ 1,6 trilhão. O ICCA promove e coordena o
programa Atuação Responsável (Responsible Care®)
e outras iniciativas voluntárias da indústria química. O
ICCA tem papel central no intercâmbio internacional
de informações dentro do setor e no desenvolvimento
de declarações de posição em questões de políticas.
É também o principal canal de comunicação entre o
setor e várias organizações internacionais voltadas
para saúde, meio ambiente e assuntos comerciais,
incluindo o Programa das Nações Unidas para o
Meio Ambiente (Unep), a Organização Mundial do
Comércio (OMC) e a Organização para a Cooperação e
Desenvolvimento Econômico (OECD).
Consumo específico de energia (sigla inglesa SEC):
A quantidade de energia, expressa em GJ/t, de que
necessita uma planta média para fabricar dado
produto.
DECHEMA (Sociedade de Engenharia Química
e Biotecnologia): A DECHEMA Gesellschaft für
Chemische Technik und Biotechnologie e.V. é uma
sociedade científica e técnica sem fins lucrativos
com base em Frankfurt, Alemanha. Tem mais de
5.500 membros, privados e institucionais, entre eles
cientistas, engenheiros, companhias, organizações e
institutos. Uma das metas da DECHEMA é a promoção
e o apoio à pesquisa e ao progresso em Tecnologia
Química e Biotecnologia. A DECHEMA considera-se
uma interface entre a ciência, a economia, o Estado e
o público.
Decomposição catalítica: Transformação de
compostos termodinamicamente instáveis em outros
termodinamicamente mais estáveis com auxílio de
catalisadores (por exemplo N2O em N2 e O2).
Economia de encerramento: Uma planta antiga já
amortizou seu custo original de investimento de
capital. A viabilidade econômica da planta é definida
somente por seu custo operacional e, portanto, muitas
vezes continua competitiva, embora baseada em
tecnologia “não mais no estado da arte”.
Emissões – diretas, indiretas e de processo: As
emissões de GEE podem vir de diferentes fontes. As
emissões diretas incluem por exemplo aquelas causadas
pela queima de combustível para geração de calor.
As emissões indiretas são causadas por usinas que
produzem a eletricidade necessária para o processo. As
emissões de processo são emissões estequiométricas
causadas pela reação química na qual o processo se
baseia, ou aquelas causadas por superoxidação em um
processo químico.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Especialidades químicas: Uma categoria de produtos
químicos de valor relativamente alto, em rápido
crescimento, com diversos mercados para o produto
final.
Estequiometria: Relação quantitativa entre os vários
reagentes e produtos de uma reação química.
Exajoule: Unidade de energia = 1018 Joules.
Fotocatálise: Processos catalíticos que usam a luz
como fonte de energia para a reação química.
Gás de síntese (em inglês, syngas): Mistura dos gases
CO e H2 gerada pela gaseificação de combustíveis
fósseis. A quantidade de hidrogênio na mistura pode
ser melhorada, aplicando-se à mistura uma reação shift
água-gás, convertendo H2O e CO em H2 e CO2.
Gás de xisto: Gás natural aprisionado dentro de
formações rochosas de xisto.
Gases de efeito estufa (GEE): Gases que, liberados
na atmosfera, reduzem a radiação infravermelha
líquida emitida pela superfície da Terra para o espaço,
aumentando assim a temperatura média global da
atmosfera. O mais importante GEE na atmosfera
terrestre é o CO2. Outros GEE incluem metano, N2O,
ozônio e refrigerantes.
Gigajoule: Unidade de energia: 109 Joules.
Integração de calor: Acoplamento eficiente entre
fontes e consumidores de calor dentro de um mesmo
processo ou entre processos diferentes.
Intensidade de energia: Quantidade de energia
necessária para fabricar um produto, expressa na
unidade de GJ por tonelada métrica do produto.
Intensidade de GEE: A quantidade de GEE emitida
para fabricar dado produto, expressa em CO2-eq por
tonelada métrica de produto.
Intensificação de processo: Melhoramentos
específicos de determinado processo que levam a
grandes saltos de melhoramento na maneira de operar
o processo.
Matéria-prima: Substâncias precursoras de um
processo químico. Dentro das cadeias de processo
da indústria química, a maioria das matérias-primas
origina-se de combustíveis fósseis (carvão, petróleo,
gás natural).
Melhoramento incremental: Todos os melhoramentos
executados em uma planta química ou petroquímica
durante sua vida operacional que não envolvam
grandes retrofits.
Metaloceno: Compostos catalíticos em que o metal
cataliticamente ativo é resguardado por compostos
aromáticos para torná-lo mais seletivo.
Metanol para olefina (MTO): Processo de produção de
etileno e propileno a partir de metanol.
Nafta: Certa fração de refino na destilação do
petróleo, contendo uma ampla variedade de
compostos. Geralmente a nafta é passada por
craqueadores para produzir a maioria dos precursores
químicos básicos da cadeia de valor da indústria
química.
Polietileno (PE): Composto plástico obtido ligando-se
unidades de etileno.
Produtos químicos de alto valor (HVC): Termo geral
que descreve os produtos do craqueamento da nafta.
Etileno e propileno são os principais produtos, mas
os HVC incluem também, por exemplo, butadieno
e aromáticos. O termo HVC é também usado no
contexto de tecnologias catalíticas de olefinas e
tecnologias metanol para olefina.
Produtos químicos de base: Produtos químicos de base
ou commodities químicas são uma categoria química
ampla que inclui polímeros, petroquímicos a granel e
intermediários. São o ponto inicial para uma enorme
gama de produtos finais.
Produtos químicos de consumo: Grande grupo de
produtos químicos vendidos para o consumidor final,
tais como sabões e detergentes, bem como perfumes e
cosméticos.
Limite termodinâmico: Diferença energética entre
reagentes e produtos de uma reação química. É a
mínima quantidade de energia necessária para que uma
reação química ocorra.
Glossário
53
Superoxidação: Os processos de oxidação química
geralmente visam a um produto específico, que na
maioria dos casos práticos pode ainda ser submetido
a uma oxidação adicional. Frequentemente não se
consegue evitar certo grau de superoxidação do
produto desejado, e essa é uma característica inerente
ao processo.
Tabelas de contabilização de emissões por uso não
energético (Neat): Método usado para dividir o
consumo geral de combustíveis fósseis dos processos
químicos em dois tipos de uso: energéticos e não
energéticos.
Tecnologia de melhor prática (BPT): As tecnologias de
processo energeticamente mais eficientes que estão
disponíveis em dado momento. Dentro da projeção,
a opção BPT conservadora e a opção BPT otimista
representam diferentes taxas de implementação da
tecnologia de melhor prática em comparação com a
tecnologia média, em plantas novas ou submetidas a
retrofit.
54
Tecnologia de ruptura (game changers):
Tecnologias de mudança de paradigma que mudam
significativamente o status quo da produção e a cadeia
de valor atuais na indústria química e petroquímica.
Tecnologias emergentes: Tecnologias que
demonstraram sua viabilidade técnica e têm alto
potencial de ser economicamente competitivas em
escala industrial.
Vazamento de carbono: É definido como o aumento
de emissões de CO2 em um país (A) resultante da
redução de emissões em outro país (B) que tem
restrições mais rigorosas. Frequentemente reflete o
custo vinculado à redução de emissões: à medida que
as restrições aumentam os custos de produção no país
B, as companhias podem optar por produzir os mesmos
bens no país A, onde as restrições menores ajudam a
manter baixos os custos.
Roadmap de tecnologia Reduções de energia e de GEE na indústria química via processos catalíticos
Referências
ACC (American Chemistry Council), (2012), Guide to
the Business of Chemistry, ACC, Washington, DC.
AMO (Advanced Manufacturing Office, US
Department of Energy) (2007), Energy and
Environmental Profile of the U.S. Petroleum Refining
Industry, US DoE, Washington, DC.
AMO (2012), Manufacturing Energy and Carbon
Footprint - Sector: Petroleum Refining (NAICS 324170),
US DoE, Washington, DC, March 2012.
Barger, P.T., B.V. Vora and UOP LLC (2003),
Methanol-to-Olefin Process with Increased Selectivity
to Ethylene and Propylene, US Patent 6,534,692, US
Patent and Trademark Office (USPTO), DesPlaines, IL.
Benner, J.H.B., M. Lieshout and H.J. Croezen (2012),
Identifying Breakthrough Technologies for the
Production of Basic Chemicals, CE Delft 2012, Delft.
GeCatS (2010), Catalysis - A Key Technology for
Sustainable Economic Growth, Roadmap for
Catalysis Research in Germany, 3rd edition, 2010,
German Catalysis Society, Frankfurt.
Han, S.S., J.N. Kim, C.W. Lee and Y.K. Park (2002),
Catalytic Cracking of Heavy Naphtha and Olefin
Separation in Atmospheric Temperature, Korea
Research Institute of Chemical Technology (KRICT)
Advanced Chemical Technology Division, Seoul, Korea.
Hunter, S., B. Pereira and R. Helling (2008), Life Cycle
Assessment of Sugarcane-Based Polyethylene,
Dow Chemical Company, 2008.
ICCA (International Council of Chemical
Associations) (2009), Innovations for Greenhouse
Gas Reductions: A Life-Cycle Quantification of Carbon
Abatement Solutions Enabled by the Chemical
Industry, ICCA, Amsterdam.
Blauwhoff, P.M.M., J.W. Gosselink, E.P. Kieffer, S.T.
Sie and W.H.J. Stork (2012), Zeolites as Catalysts
in Industrial Processes; in Catalysis and Zeolites —
Fundamentals and Applications, B.J. Weitkamp and
L. Puppe (eds.), Springer, Berlin.
ICCA (2010), ICCA Annual Report 2010, ICCA,
Amsterdam.
BP (British Petroleum) (2011), BP Statistical Review of
World Energy 2011, BP, London.
IEA (2011), CCS in lndustrialApplications Roadmap,
OECD/IEA, Paris.
CEFIC (European Chemical Industy Council) (2012),
Facts and Figures 2012: The European Chemicals
Industry in a Worldwide Perspective, CEFIC, Brussels.
IEA (2012), Energy Technology Perspectives 2012,
OECD/IEA, Paris.
Chemical Week (2002), “LG Develops Catalytic
Naphtha Cracking Process”, ChemicalWeek, New
York/London, 22 May 2002.
Edwards, R., J.-F. Larivé, V. Mahieu and P.
Rouveirolles (2011), Well-to-Wheels Analysis ofFuture
Automotive Fuels and Powertrains in the European
Context: WELL-to-TANK Report Version 3c, July 2017,
European Commission, Brussels.
Energetics Incorporated (2006), Energy Bandwidth
for Petroleum Refining Processes, Energetics
Incorporated, for the US Department of Energy,
Office of Energy Efficiency and Renewable Energy
Industrial Technologies Program, Columbia, MD,
October 2006.
Erismann, J.W. (2008), How a century ofammonia
synthesis changed the world, Nature Geoscience
2008, Vol. 1, 636-39.
IEA (2009), Energy Technology Transition in Industry,
OECD/IEA, Paris.
IFA (International Fertilizer Association) (2009),
Energy Efficiency and CO2, Emissions in Ammonia
Production, IFA, Paris, December 2009, retrieved
from www.ifa.org.
Jones, M. and D. Elliott (2011), Workshop on
Conversion Technologies forAdvanced Biofuels, Pacific
Northwest National Laboratory, 6-8 December2011.
Lange, J.P. (2001), Fuels and Chemicals
Manufacturing: Guidelines for Understanding and
Minimizing the Production Costs, CATTECH 2001, Vol.
5, No. 2, 82-95.
Neelis, M.L., M.K. Patel, P. Bach, WC. Haije and K.
Blok (2007), “Approximation of Theoretical EnergySaving Potentials for the Petrochemical Industry
Using Energy Balances for 68 Key Processes”, Energy,
Vol. 32, pp. 1104-23.
NREL (National Renewable Energy Laboratory)
(2004), Analysis of Current-Day Commercial
Electrolyzers, NREL, Washtington, DC.
Referências
55
NREL (2011), 2011 Interim Update, Technical Plan:
Production, NREL, Washington, DC, retrieved from
NREL’s Office of Energy Efficiency and Renewable
Energy - Fuel Cell Technologies Program in 2009:
www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/
mypp/pdfs/production.pdf.
Saygin, D., M. Patel, C. Tam and D. Gielen (2009),
Chemical and Petrochemical Sector, OECD/IEA, Paris.
Observ’ER (L’Observatoire des énergies
renouvelables) (2011), Worldwide Electricity
Production From Renewable Energy Sources: Stats and
Figures Series: Thirteenth Inventory - Edition 2011,
Observ’ER, Paris.
Weiss, M., M.L. Neelis, K. Blok and M.K. Patel
(2008), Non-Energy Use and Related Carbon Dioxide
Emissions in Germany: A Carbon Flow Analysis
with the NEAT Model for the Period of 1990-2003,
Resources, Conservation and Recycling 2008, Vol.
52, pp. 1252-65.
Ren, T., M. Patel and K. Blok (2006), Olefins from
Conventional and Heavy Feedstocks: Energy Use in
Steam Cracking and Alternative Processes, Energy,
Vol. 31, No. 4, pp. 425-51.
TOPCOMBI (2007), TOPCOMBI, Sixth Framework
Programme Annex, NMP-CT2005-515792 - 22.05.2007,
lnstitut für Mikrotechnik Mainz GmbH, Mainz, Germany.
Yoneyama, M.W. (2010), Catalysts: Petroleum and
Chemical Process, SRI Consulting, Menlo Park, USA.
Ren, T. (2009), Petrochemicals from Oil, Natural
Gas, Coal and Biomass: Energy Use, Economics and
Innovation, Utrecht University, 2009.
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