Como a recuperação de calor desperdiçado irá mudar as paisagens

Todos os anos, as indústrias de toda a Europa permitem que uma fonte valiosa de energia térmica simplesmente fuja das suas chaminés. Um projecto financiado pela UE chamado ETEKINA reimaginou uma tecnologia com décadas de existência chamada permutadores de calor de tubos de calor que permitem às empresas reutilizar o calor que geram. Até agora, três locais que instalaram a tecnologia protótipo reduziram os seus custos de combustível em 40% - uma fábrica de fundição de alumínio em Espanha (Fagor Ederlan), uma aciaria na Eslovénia (SIJ Metal Ravne) e um produtor de cerâmica em Itália (Atlas Concorde).

Hussam Jouhara, professor de Engenharia Térmica na Brunel University London é o coordenador técnico do projecto e partilhou as suas ideias sobre o projecto com ESCI.

Entrevistador: Professor Jouhara, o senhor e a equipa do projecto ETEKINA encontraram uma forma de acrescentar um novo tipo de permutador de calor para recuperar calor de um processo industrial e reutilizá-lo noutra parte da fábrica. O que é que está no centro desta tecnologia?

Hussam Jouhara: Um tubo de calor é um supercondutor térmico. A chave é não precisar de forçar um fluido utilizando bombas ou tubagem de fluido entre a região quente e a região fria para facilitar o processo de transferência de calor. O próprio tubo de calor pode fazê-lo de forma passiva desde que lhe permita o acesso ao fluxo quente e ao fluxo frio sob as condições correctas de transferência de calor.

Quando se olha para o sistema a partir do exterior, este parece bastante simples. Os tubos entram entre duas câmaras, e estes tubos estão apenas a absorver o calor e a entregar o calor para onde é necessário. Mas se olharmos mais para dentro de cada tubo, temos uma ciência muito complexa. Está a lidar com a transferência de calor em duas fases - líquido alterando a sua fase de líquido para vapor e, no processo, transportando o calor latente para o entregar à secção do condensador, onde este vapor condensa, que depois aquece o fluido de aquecimento.

Pode dar alguns exemplos sobre os diferentes líquidos que pode estar a utilizar ou os diferentes materiais?

No projecto ETEKINA utilizámos dois fluidos dentro desses sistemas de tubos de aquecimento. Um fluido é água ultra-pura. Mas quando temos aplicações a altas temperaturas, também temos fluidos que são capazes de ser utilizados eficazmente dentro do próprio permutador de calor para que os tubos de calor funcionem com segurança. Como estes fluidos estão confinados dentro do sistema, há apenas uma pequena quantidade deles que está a ser utilizada.

O projecto ETEKINA começou há quatro anos. Qual foi a sua intenção para o projecto? O que vos deu início a esta ideia?

A ideia de montar o projecto ETEKINA foi realmente apenas para demonstrar a importância e o potencial da tecnologia de tubos de calor e como pode ser utilizada para recuperar o calor desperdiçado de correntes muito difíceis que outros sistemas convencionais não conseguiram recuperar e reutilizar o calor que está a ser recuperado na própria instalação. Isto leva então à redução da pegada de carbono da instalação e à redução da procura de energia e ao aumento da eficiência energética da instalação em geral.

Penso também que a ETEKINA está a contribuir através do aumento da eficiência destes sistemas, utilizando a tecnologia certa que facilitará isso. O objectivo da ETEKINA era a recuperação de 40% do calor disponível que está a ser desperdiçado dos fluxos de escape. Tenho o prazer de dizer que após quatro anos e tendo instalado as três unidades, o consórcio conseguiu obter os 40 por cento como mínimo.

Na verdade, estamos acima disso nos três casos de demonstração. Isto é algo que é um prazer de relatar, e é um sucesso para todo o consórcio.

A outra intenção era a de entregar um projecto de permutador de calor de tubagem de calor de TRL elevado que possa ser entregue directamente à comunidade industrial em geral. Além disso, os IDT envolvidos neste projecto desenvolveram capacidades de modelização de sistemas que podem ajudar qualquer indústria interessada na modelização de várias opções de recuperação de calor residual para alcançar a maior eficiência térmica possível.

Penso que é uma questão crítica - porque é que só agora é que fomos capazes de conceber, construir e implementar esta tecnologia de tubos de calor? O princípio tem cerca de quarenta anos .

É preciso ter uma compreensão adequada da química. É preciso compreender a ciência material. É preciso ter uma compreensão adequada do caso comercial para assegurar que isto é algo que fará sentido comercial para qualquer empresa que a adopte. Tem também de compreender fenómenos muito complexos de transferência de calor; principalmente transferência em duas fases, fluxo em duas fases, termos complexos. Tem de combinar o conhecimento de todos eles para compreender os requisitos para o desenho.

E tem sido um verdadeiro prazer trabalhar em estreita colaboração com a nossa empresa de fabrico no País de Gales, no Reino Unido, para desenvolver as capacidades de fabrico desses tubos de calor. Concebemos o processo de fabrico e instalação em conjunto.

Pode dar alguns exemplos daquilo com que mencionou a tecnologia de tubos térmicos, por exemplo, a caixa de aço? Sabe com que tipo de temperaturas estamos a lidar? Qual é a situação de um forno de aço?

Temos um caso de demonstração em Itália - o produtor de cerâmica Atlas Concorde - e a exigência é fornecer água quente a alta pressão até cem e setenta graus para utilização no próprio processo em várias áreas. E esta água será aquecida utilizando o calor residual que recuperamos do nosso permutador de calor.

A característica única do permutador de calor que construímos foi o facto de o fluxo de escape passar por uma secção que se encontra a uma pressão atmosférica próxima. Portanto, não há um investimento real que seja necessário para o equipamento de alta pressão no fluxo de escape, o que torna o sistema rentável. Além disso, gerimos a sujidade que é esperada a partir da carga de partículas neste escape.

A aciaria SIJ Metal Ravne na Eslovénia tem requisitos para dissipadores de calor múltiplos. Os fluidos dos dissipadores de calor são os fluidos que estão a ser aquecidos a partir do calor que é recuperado. Assim, na Eslovénia, a unidade lá tinha dois dissipadores de calor. O primeiro recupera o calor de um escape de alta temperatura que entra, e este calor tem uma utilização directa no pré-aquecimento do ar que é utilizado na câmara de combustão, o que levará directamente à redução do combustível que está a ser utilizado para lhes dar a temperatura que necessitam no processo.

Este escape deixará essa secção com energia suficiente que também pode ser recuperada para aquecer a água a 90 graus. A empresa não está apenas a reutilizar o calor, que eles recuperam. Também exporta energia para a área mais vasta, tornando-a mais integrada com a comunidade.

Quanto à linha de produção de ligas de alumínio Fagor Ederlan em Espanha, que é a unidade numa das nossas instalações parceiras, essa unidade está a lidar com temperaturas muito elevadas. Altas temperaturas que normalmente requerem desenhos muito complexos e uma abordagem muito iterativa para assegurar que em qualquer circunstância não haja contaminação cruzada entre os dois fluxos, e que se gere a alta temperatura para dar ao processo aquecedores de alta temperatura e fluidos que possam utilizar no processo. É algo que efectivamente gerimos na ETEKINA de uma forma rentável e que instalámos com sucesso a unidade.

Cada uma das unidades que entregamos neste projecto tratou de um complexo e desafiante fluxo de escape de uma forma específica. É isso que é tão único na tecnologia de tubos de calor. Pode fornecer soluções para cenários complexos.

Além disso, do ponto de vista do investidor, tem números surpreendentes.

Neste projecto, não é apenas um desafio académico. É um projecto aplicado. Tivemos de entregar três sistemas com um valor de retorno do investimento no prazo de 24 meses ou menos. Caso contrário, não conseguimos convencer a indústria em geral a adoptá-lo.

Portanto, como disse, a argumentação empresarial para as unidades foi bastante surpreendente, e a validação veio dos dados que recolhemos até agora. Estamos a alcançar o nosso objectivo se estas unidades forem instaladas ou concebidas para um processo semelhante em qualquer parte da Europa ou do mundo.

Então, o que se segue? Será que vamos salvar o mundo com esta tecnologia?

Bem, espero que sim. Hoje em dia na Europa, se pensarmos no nosso continente, o custo das emissões é extremamente caro. O interessante sobre este projecto é que a meio caminho da ETEKINA e a realizar algumas experiências num dos locais, percebemos que poderíamos fazer ainda mais coisas com esta tecnologia.

Ao trabalharmos neste projecto e ao trabalharmos com parceiros muito capazes, desbloqueámos outra ideia que estamos agora a explorar no âmbito de outro projecto. E esse projecto, espera-se, salvará novamente o mundo porque não só recuperará o calor desperdiçado, mas também as águas residuais.

E que tipo de exploração vê para a ETEKINA a nível comercial?

Agora temos uma tecnologia que está ao nível certo de prontidão tecnológica (TRL) que permitirá ao fabricante neste caso, Econotherm, ter mercados muito mais amplos para entregar estas unidades às indústrias ao nível certo de caso comercial.

Ainda se podem ver chaminés a emitir vapores. Diz-lhe que há algo mais que podemos fazer, e há algo que podemos fazer para eliminar essas chaminés e reciclar tudo na própria fábrica, o que não é um sonho. Pode ser uma realidade com a abordagem correcta.

Que tipo de impacto tem a ETEKINA no meio académico?

Tínhamos o objectivo de fornecer novas soluções para indústrias bem estabelecidas e líderes nos seus campos. Mas em paralelo, trabalhamos em conjunto como universidades e institutos de investigação.

Por exemplo, alcançámos novas capacidades de modelização. Normalmente, estas capacidades de modelização tornam a investigação muito dispendiosa. Ou seja, se for feito em laboratório, seria extremamente dispendioso poder fazer essa investigação e utilizar equipamento informático. E tivemos estes publicados.

Estes estão agora disponíveis para a comunidade de investigação mais vasta em todo o mundo que tem acesso a estes artigos. Isto torna a ETEKINA tão útil para o meio académico como foi útil para o sector industrial.