Bombas de calor: visão vs. realidade

Visão versus realidade - porque é que a intervenção política é essencial para desencadear o potencial de poupança energética das bombas de calor em aplicações industriais e comerciais.

Os edifícios precisam de uma temperatura interior confortável e qualidade do ar, os níveis de temperatura nos processos industriais precisam de ser regulados ao ponto, os bens em armazenamento e transporte precisam de uma atmosfera controlada - estes são apenas alguns exemplos onde o aquecimento e a refrigeração são essenciais numa sociedade moderna.

Demasiadas vezes ambos os serviços ainda são abordados separadamente. Caldeiras são instaladas para aquecer, ar condicionado e equipamento de refrigeração para arrefecer. Raramente são ambos vistos como duas faces da mesma moeda. Como consequência, a energia armazenada no ar residual ou na água é descarregada para o ambiente e assim perdida para posterior utilização.

Se num edifício, a água quente é aquecida por uma caldeira e um sistema a/c é utilizado para arrefecer a temperatura do ar interior, a energia é desperdiçada. Se num processo industrial, a energia fóssil é queimada para fornecer aquecimento na primeira etapa e depois um produto intermédio ou final é arrefecido, a energia é desperdiçada. Se as instalações de produção industrial forem arrefecidas por equipamento de refrigeração/refrigeração ou se os escritórios próximos forem aquecidos por aparelhos separados, a energia é desperdiçada. Em suma, sempre que os requisitos de aquecimento e arrefecimento são resolvidos independentemente um do outro, sem tomar uma perspectiva de sistema, a probabilidade de desperdício de energia é elevada. A tecnologia de bombas de calor fornece aquecimento e

arrefecer ao mesmo tempo, sempre. É uma questão de concepção adequada do sistema para fazer uso de ambos os lados e assim transformar a estrada de sentido único de utilização de energia numa economia de energia circular. O potencial dos ciclos fechados é particularmente elevado em aplicações industriais. Em 2015, o grupo de trabalho de bombas de calor industriais e comerciais (ICHP) da Associação Europeia de Bombas de Calor estudou o potencial das aplicações de bombas de calor não domésticas para aquecimento e arrefecimento. Os autores desse estudo, Philippe Nellissen e Stefan Wolf, chamaram ao relatório "potencial para uma revolução industrial" [1].

As tecnologias de bombas de calor são reconhecidas pelo facto de contribuírem para os objectivos energéticos e climáticos da UE. Eles

• reduzir a procura de energia e as emissões de CO2.
• integrar as energias renováveis e ajudar a descarbonizar o sistema.
• pode fazer uso do calor desperdiçado.
• proporcionar um potencial de resposta à procura e ajudar a estabilizar a rede eléctrica.
• proporcionar emprego local e manter o know-how em I&D
• utilizar a energia local e reduzir a dependência das importações.

A tecnologia das bombas de calor é amplamente aceite como uma solução viável no sector residencial onde utilizam principalmente energia renovável do ar, água e solo para fornecer aquecimento e água quente. Muito menos conhecida é a oportunidade de valorizar os fluxos de calor desperdiçado, actualizando a sua temperatura e, assim, utilizá-los para cobrir as necessidades de calor dos utilizadores localizados perto de si. Isto aplica-se sempre que é necessário arrefecer e aquecer simultaneamente, por exemplo, em muitos processos industriais na indústria alimentar, de papel ou química.[1]

A tecnologia da bomba de calor pode aumentar ou baixar o nível de energia destas fontes para o nível desejado de outra aplicação, ligando assim laços individuais de energia numa cascata que pode eventualmente ser fechada novamente. Enquanto o mercado das bombas de calor residenciais é dominado pelas bombas de calor de compressão eléctrica, uma variedade de tecnologias de bombas de calor são utilizadas em aplicações industriais e comerciais (ver fig. 1).

Figura 1: Classificação das tecnologias de bombas de calor. Fonte: Wolf/Nellissen 2015 [1]

Com a tecnologia actualmente disponível, as bombas de calor podem fornecer calor em níveis de temperatura até 100°C com uma dispersão entre a fonte e a temperatura do lavatório de aproximadamente 50 K por fase. Isto é importante notar, uma vez que as instalações de bombas de calor de duas fases podem cobrir uma dispersão maior.

A utilização de bombas de calor para aplicações com uma procura de calor superior a 100°C é ainda um desafio. Embora os princípios subjacentes a tais bombas de calor sejam conhecidos e existam protótipos para estes níveis de temperatura, estes ainda não estão disponíveis em produtos padrão. O actual nível de projectos de investigação e desenvolvimento, bem como o interesse crescente por parte de novos intervenientes no segmento das grandes bombas de calor, deixam espaço para o optimismo. Nos próximos anos, espera-se uma série de novos produtos no mercado.

Sem soluções existentes para aplicações de bombas de calor para níveis de temperatura superiores a 150°C , este segmento não foi incluído na actual avaliação do potencial. Com isto em mente, os dados disponíveis do Eurostat foram avaliados para determinar o potencial para a aplicação de bombas de calor nestes sectores industriais:

1. Ferro e aço/metais não ferrosos
2. Químico e petróleo
3. Minerais não metálicos
4. Papel, pasta e impressão
5. máquinas alimentares e de tabaco
6. Madeira e produtos de madeira
7. Equipamento de transporte
8. Têxtil e couro
9. Outros

Os dados de 2012 para a UE-28 revelam que a indústria está a utilizar 3200 TWh de energia final e uma procura de calor de aproximadamente 2000 TWh. A figura 2 mostra a divisão desta procura de calor por sector analisado e a gama de temperaturas coberta.

Figura 2: Distinção da procura de calor na indústria por sector e gama de temperaturas. [1]

Esta avaliação revela um potencial praticamente alcançável para bombas de calor na gama de temperaturas até 100°C de 68 TWh, principalmente nas indústrias química, de papel, alimentar/tabaco e de madeira (ver barras azuis sombreadas na fig. 2). A adição dos sectores de água quente e aquecimento de espaços revela um adicional de 74 TWh (ver barras sombreadas de cor laranja na fig. 2). Com o progresso técnico, um potencial adicional de 32TWh na gama de temperaturas de 100 a 150°C pode ser tornado acessível (ver barra azul mais escura na fig. 2). No total, 174 TWh ou 8,7% de toda a procura de calor na indústria podem ser fornecidos por bombas de calor.

As gamas de temperatura mais elevadas mostradas a cinzento no gráfico acima permanecem inacessíveis para a tecnologia das bombas de calor.

O resultado desta avaliação mostra o potencial realista das aplicações de bombas de calor. O potencial técnico é muito maior, mas muitas vezes não pode ser plenamente utilizado devido a considerações práticas. Uma análise mais refinada, baseada em modelos executados por Wolf e Blesl chega à conclusão de que o potencial técnico da utilização de bombas de calor na indústria nos 28 estados membros da UE é de 1717 PJ (477 TWh), com apenas 270 (75 TWh) ou 15% do mesmo sendo acessível se forem aplicadas considerações económicas e práticas. [2] Assim, a abordagem baseada em modelos conduz a um potencial técnico maior, mas a um potencial económico muito menor.

Os principais factores que influenciam a perspectiva económica das operações com bombas de calor são

• Custo dos combustíveis fósseis
• Custo da electricidade
• Taxa de juro
• Eficiência do sistema de bomba de calor
• Disponibilidade simultânea de fornecimento e procura de calor, procura simultânea de aquecimento e arrefecimento
• Diferenças de custos de investimento.

São possíveis poupanças de custos de funcionamento devido à utilização de bombas de calor, se o custo relativo dos combustíveis fósseis e da electricidade for menor do que a eficiência do sistema de bomba de calor. Com um preço da energia bastante distorcido, isto é cada vez mais difícil, já que muitos governos recuperam o custo de tornar o sistema eléctrico mais ecológico através do próprio custo da electricidade. Ao mesmo tempo, o preço dos combustíveis fósseis não reflecte o impacto ambiental negativo da sua utilização. Assim, o custo relativo do fornecimento de calor aponta a favor dos combustíveis fósseis.

Figura 3: Potencial da bomba de calor industrial na UE-28 [2]

Uma vez que existe uma relação directa entre a redução da procura de energia e as emissões de CO2, o alargamento do potencial económico de redução da procura irá também reduzir as emissões de CO2 do sector industrial. O estudo conclui um potencial total de redução das emissões de CO2 de 86,2 Mt com 21,5 Mt (25%) economicamente viável.

Obstáculos, desafios e oportunidades

Os principais obstáculos que limitam a utilização de bombas de calor na indústria são os seguintes:

• Requisitos extremos de retorno do investimento, muitas vezes não mais de 2 anos, são aceites. Isto é ainda mais complicado devido a um preço comparativamente baixo da energia fóssil.
• Aversão ao risco, em particular contra bombas de calor que não são confiáveis, mas vistas como uma tecnologia nova e não comprovada.
• A disponibilidade de exemplos de melhores práticas que poderiam criar confiança em novas soluções é limitada ou inexistente.
• Barreiras estruturais na indústria

o

Alto custo de transacção para a conversão de processos, já que muitos processos antigos são baseados em vapor

o

Necessidade de integrar competências e responsabilidades para realizar uma perspectiva de sistemas a fim de optimizar energeticamente os processos industriais e as aplicações comerciais

Tanto a poupança de energia como o potencial de redução de CO2 das bombas de calor em aplicações industriais ainda está largamente por utilizar. A criação de condições de enquadramento político mais favoráveis permitirá inverter esta tendência. Estas incluem

• Adicionando um sinal de preço à utilização de combustível fóssil
• Reduzir a carga dos impostos e das taxas sobre a electricidade cada vez mais limpa
• Fornecer taxas de juro baixas e garantias de empréstimo a investimentos energeticamente eficientes utilizando tecnologias de baixa emissão de carbono, tais como bombas de calor
• Aumentar a investigação e desenvolvimento de soluções padronizadas de bombas de calor para os sectores industriais identificados
• Fornecer mais exemplos de melhores práticas.

Há um esforço conjunto necessário tanto dos decisores políticos como da indústria para desenvolver o potencial técnico e económico das aplicações das bombas de calor na indústria. É necessário que ambos puxem o mesmo cordel (e na mesma direcção) para libertar totalmente o potencial.

Autor: Thimas Nowak, EHPA

O autor agradece a Stefan Wolf, da Universidade de Estugarda e aos membros do grupo EHPAs ICHP pela contribuição fornecida.

Fontes:

[1] Nellissen, P.; Wolf, S.: Bombas de calor em aplicações não domésticas na Europa: Potencial para uma revolução energética. Apresentação feita no 8º Fórum Europeu de Bombas de Calor EHPA, 29.5.2015, Bruxelas, Bélgica .

[2] Wolf, S.; Blesl, M.: Quantificação baseada em modelos da contribuição das bombas de calor industriais para a estratégia europeia de mitigação das alterações climáticas. Em: 2016: Actas da Conferência sobre Eficiência Industrial da ECEEE 2016. Berlim, 12.-14.09.2016. Estocolmo, 2016

Nota sobre a Associação Europeia de Bombas de Calor (EHPA) aisbl:

AEHPA é uma associação industrial com sede em Bruxelas que tem como objectivo promover a consciencialização e a implantação adequada da tecnologia das bombas de calor no mercado europeu para aplicações residenciais, comerciais e industriais. A EHPA fornece contributos técnicos e económicos às autoridades europeias, nacionais e locais em questões legislativas, regulamentares e de eficiência energética. A EHPA introduziu recentemente um grupo de trabalho sobre bombas de calor industriais e comerciais (ICHP) para aumentar o reconhecimento desta área de aplicação e o seu potencial de contribuição para os objectivos climáticos e energéticos da UE.