Parâmetros Métricos e Medidas de Energia
Introdução
A demanda de energia para um processo de produção afeta, substancialmente, o impacto
ambiental. As razões para tal são as emissões e os resíduos gerados durante a produção de
energia (p. ex., queima de combustíveis fósseis). Estes apresentam um grande impacto
ambiental. É possível, até mesmo, encontrar resíduos nucleares em uma inofensiva reação de
laboratório1. Isto evidencia porque a diminuição do consumo de energia para reações
químicas em indústrias é considerada um aspecto importante. Levando em conta a proteção
ambiental e o desenvolvimento sustentável, isto é importante, também, como um objetivo de
ensino em laboratório.
Para atingir este objetivo é necessário determinar e avaliar o consumo de energia com a ajuda
de parâmetros métricos. Assim, o progresso de uma síntese pode ser avaliado.
Em
laboratório, a determinação e avaliação do consumo de energia podem ser facilmente
executadas usando dispositivos relativamente baratos. A seguir é descrita a estratégia para
medir o consumo de energia.
Determinando o consumo de energia
A energia elétrica usada em um dado procedimento pode ser determinada facilmente.
Medidores de energia, de baixo custo, com suficiente exatidão para reações de laboratório
estão disponíveis. Exemplos são:
Figura 1: exemplo do
medidor 1
Figura 2: exemplo do
medidor 2
1
Figura 3: exemplo do
medidor 3
O uso de resíduos nucleares está diminuindo a produção de energia elétrica de fontes típicas. A geração de
energia ocorre a partir do carvão, óleo e gás combustível, nuclear ou hidroeletricidade.
1
Durante a preparação da medida é necessário agrupar todos os itens que consomem energia
em uma etapa única de conversão para o medidor de energia. Se mais de um item de consumo
é envolvido isto pode ser simplesmente executado com um conector do tipo multimodo. Para
assegurar medidas comparáveis é recomendável colocar todos os dispositivos em condições
de operação antes de iniciar a medida. Isto significa, por exemplo, que a temperatura do
banho de óleo ou do criostato já esteja estabilizada. Isto é necessário pois o consumo de
energia, para o aquecimento ou resfriamento, depende da temperatura inicial. Uma vez que
todos os dispositivos estão ajustados em suas condições de operação a medida pode ser
iniciada. Tão logo a reação tenha terminado, a medida do consumo de energia pode ser
finalizada. O consumo de energia pode diferir dependendo do técnico de laboratório, dos
dispositivos e das quantidades empregados. Naturalmente, para a obtenção de medidas
comparativas o ajuste do equipamento não pode ser alterado.
Os medidores de energia determinam normalmente o consumo de energia em Wh.
Empregando o fator de conversão (de 3,6) o valor obtido pode ser convertido para unidades
internacionais (SI) em kJ. Algumas características da energia podem ser avaliadas com base
em seu consumo. Estas características podem ser interpretadas para mostrar os itens de maior
consumo de energia durante a síntese e indicar o potencial de otimização.
Parâmetros Métricos de Energia
Parâmetros ambientais de medida são definidos em analogia aos parâmetros econômicos
como "uma variável ambiental relevante a qual pode ser um parâmetro absoluto ou relativo,
permitindo a avaliação em algum assunto" [1]. Um grupo de parâmetros ambientais
adequados pode ser - como os parâmetros econômicos - um instrumento adequado para uma
decisão orientada da preparação de dados e processamento. Um tipo de parâmetro ambiental é
a medida de energia. No contexto de sínteses químicas, os parâmetros descrevem a relação da
energia e consumo de substâncias ou a razão do consumo de energia da reação e do
processamento, respectivamente. Eles podem indicar pontos fracos e podem ser usados para
otimização de resultados. A validade de um parâmetro depende da qualidade da aquisição de
dados. Quanto mais exata a medida, maior a significância do parâmetro de medida e assim são
possíveis melhoramentos mais eficientes. Por exemplo, é possível considerar tanto a reação
integral quanto somente o processamento. Ao avaliar o parâmetro gerado deve-se ter em
mente que somente o consumo de energia elétrica é levado em conta. O consumo primário de
energia, p. ex., da queima de combustíveis fósseis, é significantemente maior. Dependendo do
2
tipo de produção industrial um fator de até 3 pode ser assumido para o cálculo da energia
primária necessária.
Eficiência energética
A eficiência energética é a razão da energia elétrica usada na síntese e a do produto isolado da
reação.
EF =
EF
mproduto
Esíntese
m produto
E síntese
= eficiência energética [kg/kJ]
= massa de produto [kg]
= consumo de energia da síntese (reação e processamento) [kJ]
Levando-se em consideração a carga ambiental referente à produção de energia, esta carga
diminui com o aumento da eficiência energética. Ao se trabalhar com eficiência energética
tem-se notado que reações diferentes não podem ser comparadas, pois elas possuem diferentes
consumos de energia teóricos. Portanto, somente é válido comparar as mesmas reações. A
eficiência energética é uma característica muito grosseira, similar a "vista da caixa preta". Por
meio dela é possível somente determinar se o consumo de energia elétrica da síntese
melhorou ou não. Para a obtenção de informações mais detalhadas é preciso refinar esta
característica.
Gasto Energético do Processamento
O processamento de uma mistura reacional toma uma parte substancial do trabalho de uma
síntese química. Além das quantidades das substâncias químicas necessárias, as quais são
freqüentemente elevadas em comparação com a reação, há também freqüentemente uma
grande quantidade de eletricidade necessária para o isolamento e purificação. A característica
"gasto energético do processamento" torna possível obter informações acerca da quantidade
de energia necessária por unidade de produto. Ela pode ser calculada pela razão da energia
necessária para o processamento e a massa de produto.
AE =
AE
Eprocessamento
mproduto.
E processamento
m produto
= gasto energético do processamento [kJ/kg]
= energia necessária para o processamento [kJ]
= massa de produto [kg]
3
Razão reação/processamento
O consumo de energia da reação e do processamento contribui substancialmente para o
impacto ambiental total das reações do laboratório. É interessante notar que, muito
freqüentemente, um desequilíbrio do consumo de energia ocorre devido ao processamento. A
causa disto são reações paralelas e seqüenciais bem como a presença de catalisadores e
solventes residuais na mistura reacional, que precisam ser comumente separados em muitas
etapas. Comparando-se o consumo de energia da reação e do processamento é possível obter
informações sobre a quantidade de processamento necessário após a reação.
Er/p =
Er/p.
Eprocessamento
Ereação
Eprocessamento.
Ereação
= razão consumo de energia da reação/processamento
= consumo de energia para o processo [kJ]
= consumo de energia da reação [kJ]
Quanto menor a razão, melhor a reação. Quanto maior a medida, mais necessário torna-se
otimizar a reação para simplificar o processamento.
Equivalentes de metano gerados pela energia
A característica da geração de energia em equivalentes de metano permite descrever a
demanda de energia de uma reação e seu processamento. O princípio básico é que a maior
parte da energia elétrica é obtida pela queima de combustíveis fósseis. Para a determinação
dos equivalentes de metano é assumido que a eletricidade é obtida somente pela queima de
metano (HU2 = 47,5 MJ/kg). Uma usina térmica modelo não trabalha com o método de
acoplamento de potência-calor e produz eletricidade com uma eficiência de 43%. Neste caso,
a quantidade de metano em moles, que é necessária para o suprimento de energia da reação, é
calculada na síntese ou de um ponto de vista holístico da reação (1 MJ = 3052 moles de
metano). Portanto, a energia real não é mais o foco de atenção, mas a reação
CH4 + 2O2
energia
CO2 + 2H2O + energy
para produção de energia pode ser usada para comparação no laboratório de síntese. Esta
abstração enfatiza a significância do consumo de energia da carga ambiental de reações
químicas. Para possibilitar uma reação química em laboratório é necessária, simultaneamente,
a conversão de combustíveis fósseis em energia em outra reação. A característica
2
HU (valor calorífico líquido): porção utilizada de energia gerada na combustão
4
“equivalentes de metano, KM“ é calculada pela divisão do rendimento da reação (em moles)
pela quantidade calculada de metano.
KM =
n metano
n produto
KM
= equivalentes de metano induzidos energeticamente
n metano
= quantidade de metano para suprimento de energia [mol]
n produto
= quantidade de produto [mol]
Este parâmetro de medida descreve a unidade de energia elétrica kJ ou Wh (a qual pode ser
muito abstrata para os químicos). Adicionalmente, esta característica mostra algo mais acerca
da contribuição da reação para o efeito antropogênico do efeito estufa.
Literatura:
[1] Loew, T. und Kottmann, H. 1996. Umweltkennzahlen im Umweltmanagement [On-line].
UMIS-MAGAZIN. http://www.umis.de
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