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UNIVESP UNIVERSIDADE VIRTUAL DO ESTADO DE SÃO PAULO Claudinei Carvalho de Souza – RA 1704235 Eliton dos Santos da Silva – RA 1705103 Moacir Andrade de Carvalho – RA 1707731 Soraya Regina Martinez Silva Matias – RA 1715654 "Otimização de processos utilizando pilares da indústria 4.0 sob o tripé da sustentabilidade" Redução das emissões de CO2 pelas empresas de óleo e gás São Paulo - SP 2020 UNIVESP UNIVERSIDADE VIRTUAL DO ESTADO DE SÃO PAULO "Otimização de processos utilizando pilares da indústria 4.0 sob o tripé da sustentabilidade" Redução das emissões de CO2 pelas empresas de óleo e gás Relatório Técnico - Cientifico apresentado na disciplina de Projeto Integrador para o curso de Engenharia de Produção da Universidade Virtual do Estado de São Paulo (UNIVESP). São Paulo 2020 RESUMO Nos últimos 30 anos, o aumento exponencial de emissões do dióxido de carbono no meio ambiente vem sendo notado e acarretando uma série de fatores prejudiciais, como as mudanças climáticas, alteração da alcalinidade de lagos, desequilíbrio do ecossistema, entre outros. Porém, sua utilização é extremamente importante na exploração de petróleo e gás natural, produção de fertilizantes, na indústria alimentícia etc. Ainda assim, métodos tradicionais de sequestro do CO2 podem levar confrontos negativos quanto algumas problematizações, como o investimento de implantação, custo energético, armazenamento, transporte e perda da eficiência energética em plantas industriais. Este artigo teve por ordem explorar conhecimentos acerca da viabilidade de implantação de um novo segmento industrial do CO2, confrontando com novas tecnologias de sequestro disponíveis no mercado. Através da metodologia de análise SWOT foi possível concluir que a aplicação do sistema de sequestro do CO2 na indústria de óleo e gás, torna-se, extremamente viável por diversos meios. Desenvolvendo um novo cenário industrial na área do CO2 e explorando sua ampla gama de possibilidades de produção e utilização, não apenas como uma solução para a mitigação de danos ambientais, como também sendo um recurso útil na melhoria de processos de produção de petróleo e gás natural, produtos em diversos setores, como: Alimentício, químico, agropecuário, entre outros. PALAVRAS-CHAVE: Dióxido de Carbono; Captura de gases poluentes; Sustentabilidade. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 4 2. DESENVOLVIMENTO ..................................................................................................... 5 2.1 Objetivos ............................................................................................................................. 5 2.2 Justificativa ......................................................................................................................... 5 2.3 Fundamentação teórica ....................................................................................................... 5 2.4 Aplicação das disciplinas estudadas no Projeto integrador ................................................ 7 2.5 Metodologia ........................................................................................................................ 7 3. RESULTADOS .................................................................................................................... 9 3.1 Protótipo Inicial .................................................................................................................. 9 3.2 Protótipo Final .................................................................................................................. 10 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................................................................ 12 REFERÊNCIAS ........................................................................................................................ 14 4 1. INTRODUÇÃO Diante do cenário atual onde a quantidade de gases de efeito estufa lançado ao meio ambiente deu um salto exponencial nos últimos anos, indústrias de energia, especialmente, petrolíferas e termoelétricas são as principais recordistas de emissões. Tal consequência agrava- se no planeta onde tais agressões ambientais causam alterações climáticas, das águas oceânicas e continentais, do ecossistema, entre outros. O principal poluente responsável por todo este deslize ambiental é o dióxido de carbono (CO2), atingindo uma concentração, nos dias atuais, aproximadamente de 400 ppm, onde apenas China, Estados Unidos e Índia são responsáveis por 50% da emissão global. A questão é: Quais ações poderiam reduzir os gases causadores do efeito estufa já concentrados no ar atmosférico e, também, prevenir futuras emissões? Quais são os pontos positivos e negativos, que podem viabilizar a sua implantação? A implementação de um sistema de sequestro de CO2 em industrias com grandes potenciais de emissão, como mitigação apenas ao aquecimento global, tende-se a não ser lucrativa aos olhos das companhias industriais, a não ser, pela aplicação de uma forte política e leis para o controle de emissões. No entanto ainda melhor que isto, porque não otimizar todo este processo e observar o CO2 como um ativo valioso, e não como um passivo a ser reduzido ou neutralizado, utilizar o CO2 como um grande potencial de insumo para a produção de fertilizantes para a agricultura, gaseificação de bebidas, embalagens, congelamento e resfriamento, fabricação de metais, plástico expandido, cimentos, cal, solventes e combustíveis, também para sua utilização direta no mercado petrolífero como meio de melhorias nos processos de produção e extração e produção de carvão. Assim, ampliando a cadeia de novos negócios de desenvolvimentos de produtos baseados com matéria prima o dióxido de carbono, promovendo e viabilizando a implementação de um novo cenário industrial do CO2. Primeiramente, está exposto o cenário atual global de emissão e o potencial de produção de CO2; em seguida, um breve resumo do atual mercado do carbono; na terceira parte, uma visão estratégica para o desenvolvimento de um segmento industrial do CO2; na quarta parte, apresento as novas tecnologias de sequestro de CO2; na quinta e penúltima parte, está esclarecido o comércio do CO2 e suas utilidades; e, por fim, é feito uma análise SWOT em contraponto entre viabilidade econômica, social e seus princípios. 5 2. DESENVOLVIMENTO 2.1 Objetivos O objetivo geral deste estudo é implantação desta nova tecnologia em industrias com grandes potenciais de emissões de dióxido de carbono e contrapor essa questão da viabilidade econômica, gerando uma hipótese de que os processos de captura, transporte, injeção e armazenagem não, apenas, como medidas mitigadoras. Os objetivos específicos, este estudo busca: Conceituar o cenário de emissões de dióxido de carbono; Apresentar soluções de mitigação do problema; Realizar um estudo de viabilidade para a inovação proposta. 2.2 Justificativa Como justificativa para a realização deste estudo, temos que o mesmo se apoia nos seguintes pilares: Serve como referência para utilização por empresas que buscam diminuir suas emissões de carbono; Contribui para a sustentabilidade das indústrias; Oferece alternativas para que as empresas se enquadrem dentro das exigências dos órgãos ambientais. 2.3 Fundamentação teórica A partir de 1987, o conceito de sustentabilidade vem ganhando espaço no mercado. A partir desse ano, a comissão definiu sustentabilidade como um conceito econômico de desenvolvimento que permite atender às necessidades da geração atual sem comprometer o modelo de desenvolvimento que permite a recorrência das gerações futuras em atender às necessidades da geração atual sem comprometer Assim, a sustentabilidade é um conceito multidimensional, com a capacidade dos futuros de atender às suas próprias necessidades (ESTEVES, 2014). A sustentabilidade é um conceito multidimensional que vem abrangendo dimensões ambientais, sociais e econômicas. Tais dimensões formam uma visão que abrangem as dimensões ambientais, sociais e econômicas. A dimensão ambiental da sustentabilidade foca na compatibilidade entre as tendências da sua dimensão ambiental e na compatibilidade entre as 6 tendências de uso e renovação de recursos naturais. Referindo-se às organizações, essa dimensão se manifesta na renovação de recursos na natureza que podem ser reproduzidos, bem como a atitude de consumir apenas os recursos que produzem baixas emissões de poluentes (COLE, 2003). Essa dimensão é realizável através da reciclagem e regeneração de recursos, redesenho de processos e produtos para minimizar o uso de recursos, substituição de fontes não renováveis por recursos renováveis e adoção de modelos da economia circular. A dimensão social da sustentabilidade refere-se à atitude organizacional de preservar e desenvolver capital humano e social das comunidades nas quais as organizações operam para criar valor (FERREIRA, 2013). A sustentabilidade social abrange aspectos como satisfação no trabalho, qualidade de vida, integração social nas comunidades, solidariedade, equidade e justiça na distribuição de bens e serviços e igualdade de oportunidades na educação. Por fim, a dimensão econômica da sustentabilidade refere-se à atitude organizacional de criar valor e equilibrar custos e receitas na produção e distribuição de bens e serviços, estando relacionadas também às dimensões de desempenho econômico e financeiro da organização (ESTEVES, 2014). Essas dimensões interagem, se sobrepõem e às vezes entram em conflito. Por exemplo, a sustentabilidade ambiental pode ser prejudicial à sustentabilidade econômica devido aos investimentos extras necessários para processos de produção mais limpos. No entanto, as organizações precisam agir holisticamente para perseguir todas elas. Cada dimensão representa uma condição necessária, mas não suficiente, para alcançar a sustentabilidade. Quando as organizações não apoiam uma dessas dimensões, elas não agem de maneira sustentável. Embora as organizações tenham sucesso em ter sinergias entre as dimensões ambiental e econômica da sustentabilidade, ainda estão lutando para abordar esse conceito (COLE, 2003). Segundo (Braungart & Mulhall, 2012, p. 01), a solução para viabilizar a implantação de projetos de sequestro de CO2 para a mitigação de emissões de dióxido de carbono, é ver as emissões de gases do efeito estufa como recursos, em vez de problemas. Seguindo essa linha de raciocínio, para que ocorra a implantação de projetos combatente as emissões de gases do efeito estufa, deverá ser atrativo aos olhos da companhia. Onde ao analisar o CO2 como um recurso lucrativo a tal ponto, que seja viável a implantação de projetos mitigadores como o sequestro de carbono. O conceito de uma economia circular, onde o CO2 passa a ser de um agente poluente a um insumo para diversos produtos e serviços, para isso tais princípios devem ser levados em consideração, como o controle de estoques finitos e equilibrando os fluxos de recursos renováveis, isso começa com a desmaterialização dos produtos, sempre que possível. Devido a 7 necessidade de recursos, aumentaria a viabilidade do sistema de sequestro de CO2, as tecnologias e processos que utilizam recursos renováveis ou apresentam melhor desempenho. A otimização da produção e desenvolvimento de recursos dos produtos finais, incentivando a produção de produtos que utilizam o CO2 como matéria prima também surge como um fator importante para a implementação deste sistema. O custo é um dos aspectos mais importantes na implementação do sistema de captura de CO2. Visto que é necessário o consumo de energia para o funcionamento do sistema, onde o processo diminui o rendimento energético das indústrias. Com a implementação do sistema de captura a termelétrica sofre uma perda de aproximadamente 9% de sua eficiência energética. (ESBER III,2006, p. 62). Tais complicações como as limitações das reservas naturais, a implantação dos métodos tradicionais de captura de carbono é relativamente cara, também o transporte do CO2 como em caminhões e oleodutos exigem investimento de capital significativo. 2.4 Aplicação das disciplinas estudadas no Projeto integrador Atualmente o CO2 vem sendo utilizado de diversas maneiras de aplicações, podendo ser classificadas em 3 grupos (Vega, 2011): Utilização tecnológica ou direta de CO2; Melhoria dos usos relacionados e aplicações biológicas; Utilização de CO2 em processos químicos. Segundo Veja (2011), a produção anual de CO2 é equivalente a $6.7 bilhões, onde 71% é destinado a utilização tecnológica ou de forma direta. Na indústria petrolífera utiliza-se o CO2 como forma de recuperação terciária, o processo consiste na injeção de CO2 em reservatórios de petróleo, para recuperar então o óleo remanescente. Acredita-se que os métodos de recuperação podem alcançar uma quantidade de até 65% do óleo original do reservatório. O CO2 também pode ser utilizado como aplicações biológicas para a produção de biocombustíveis de algas e processos químicos para obtenção de solventes, polímeros, concreto/cimento, grafeno, entre outros. 2.5 Metodologia Para o desenvolvimento do presente estudo, foram estabelecidas as seguintes etapas de execução d mesmo. 8 Para a coleta de dados, foi realizada uma pesquisa bibliográfica acerca das possibilidades de inovações atualmente debatidas pelo meio científico. Para a análise dos dados, foi realizada uma avaliação acerca da tecnologia que se mostra viável do ponto de vista econômico e de resultados, simultaneamente. Como contexto do desenvolvimento do estudo, foi escolhida o setor de produção de óleo e gás. Para a elaboração do protótipo a ser desenvolvido, foram considerados os conhecimentos inerentes aos processos de captura de CO2 atualmente discutidos na literatura. Assim, o protótipo inicial estabelece de forma teórica como seria o funcionamento do mesmo, procurando entender como seria o processo de captura de CO2 a ser realizado numa empresa de óleo e gás. Já o protótipo final, será desenvolvido um fluxograma de funcionamento do sistema, determinando como seria as etapas de funcionamento do processo que se pretende implantar na empresa. 9 3. RESULTADOS As novas tecnologias de sequestro de CO2 através do ar, mostram uma promessa de custos bastante reduzidos, tal que a redução de níveis de risco da concentração de carbono na atmosfera se torna economicamente viável. (EISENBERGER, 2009, p.981). O sistema de captura de CO2 através do ar se torna distinto de outras formas de captura, a medida em que o processo extrai CO2 diretamente da atmosfera em baixas temperaturas com uma concentração de cerca de 400 ppm (partes por milhão). A primeira planta piloto, já em operação, pode capturar 1000 t/ano (toneladas por ano) de CO2. O transporte para o CO2 gasoso em grande volume tem custos significativos para os sistemas convencionais de captura de CO2. Já nos processos de captura através do ar, esses custos são drasticamente reduzidos ou eliminados; a mobilidade de implantação deste sistema é enorme. Podendo ser construída ao lado de um campo de petróleo ou processador de alimentos, eliminando a necessidade de canalizar o CO2 em longas distancias. (CHICHILNISKY, 2011, p.06). 3.1 Protótipo Inicial De forma geral, o sistema funciona com uma matéria-prima de custo zero, carbono diretamente do ar, e acessível em qualquer lugar do mundo. Onde realiza-se a captura do CO2 do ar através de monólitos revestidos com adsorvente de amino polímero. Após, ocorre a regeneração, o CO2 puro é liberado em 85°- 90°C e o solvente é regenerado. A transferência de calor é realizada por duas câmaras de regeneração operando 50% do calor de transferência, reduzindo a necessidade de calor pela metade. Contudo, a implantação da tecnologia de captura se tornaria economicamente viável apenas com um mercado global de carbono forte e consolidado, com preços bem acima da faixa de US$ 25 a 30 por tonelada equivalente de carbono. 10 3.2 Protótipo Final Para o protótipo final, foi desenhado um pequeno esboço de como o sistema funcionaria dentro da planta industrial. O dimensionamento dos equipamentos vai variar de acordo com a demanda de utilização de CO2 pela planta petroquímica, onde sua localização também deverá ser colocada de forma estratégica, de preferência já interligado com as linhas de alimentação de CO2 industrial já existentes para os processos da empresa.. Para atestar a viabilidade do processo aqui proposto, foi feita uma análise SWOT do protótipo. Essa análise se mostra necessária para se levantar todos os pontos fortes e fracos do protótipo, bem como as oportunidades e riscos inerentes à sua utilização. Através de tal análise, pode-se perceber que o mesmo possui uma viabilidade de aplicação dentro de uma planta industrial de óleo e gás, pois os pontos fortes e oportunidades identificados se sobressaem em relação aos pontos fracos e aos riscos possíveis de ocorrerem. Assim, tal protótipo pode ser considerado viável no que diz respeito à sua fabricação e aplicação dos testes que se fazem necessários. Um ponto primordial para a aplicação de tal protótipo é que as plantas de óleo e gás já utilizam equipamentos com funcionalidades similares à do protótipo, o que torna seu entendimento e aprovação um processo mais rápido. ENTRADA DE CO2 ATMOSFÉRICO CÂMARA DE CONCENTRAÇÃO CO2 ATMOSFÉRICO CÂMARA DE CAPTURA DO CO2 A PARTIR DOS MONOLITOS POLIMÉRICOS CÂMARA DE REGENERAÇÃO DO CO2 CÂMARA DE TROCA DE CALOR PARA SEPARAÇÃO DO CO2 SAÍDA DE CO2 CAPTURADO PARA PROCESSOS INDUSTRIAIS 11 PONTOS FRACOS AMEAÇAS Relacionados com a tecnologia: • Possibilidade de melhorias na tecnologia em escala industrial. Relacionadas com a escala: • Os valores de uso de CO2 hoje não são altos em relação a quantidade de emissões (1,2% de emissões). Administrativa e de gestão: • A necessidade de maior divulgação de suas vantagens. Estratégica: • Ampliação dos tipos de negociações para a implantação do sistema. Sociológica: • Falta de informação sobre o potencial âmbito do setor na sociedade e legisladores. Relacionados com a tecnologia: • Resistência ao investimento inicial. Questões legais relacionadas: • Não haver legislação adequada para facilitar o desenvolvimento industrial. • Baixos valores da tonelada de CO2 no mercado do carbono. Estratégica: • Declínio possível nos preços de outras fontes de energia. Sociológica: • Superar a rejeição inerente a toda inovação. • Não obtendo um retorno econômico em um médio prazo. PONTOS FORTES OPORTUNIDADES Relacionados com a tecnologia: • A utilização direta de CO2 que permite melhorar a qualidade de vida. • O crescimento de microalgas por CO2. • Propriedades físicas, química e inocuidade, ajudando diversos setores produtivos. • O CO2 pode ser usado em muitos outros processos industriais substituindo por compostos mais prejudiciais ao meio ambiente. • As plantas que capturam CO2 através do ar possuem um custo bem menor do que fontes tradicionais de gás de combustão ou ar ambiente. • Existem unidades de sequestro de CO2 modulares “plug and play” que podem ser implantadas em qualquer lugar. Relacionadas com a escala: • Métodos inovadores de captura podem oferecer uma oferta ilimitada de CO2. Estratégica: • Ganho ambiental líquido, além do benefício econômico. • Acumulo de experiência em industrias sobre seu uso e vantagens sobre outros produtos. Sociológica: • A partir de resíduos de recursos: o CO2 é um composto útil e inofensivo, ofuscando a imagem negativa de hoje em dia. • As culturas de microalgas não competem com a agricultura tradicional para a quantidade ou a qualidade do solo, não requer o uso de pesticidas ou herbicidas. Relacionados com a tecnologia: • O desenvolvimento e aperfeiçoamento de tecnologias relacionadas com o CO2, vai permitir abertura de novos campos de pesquisa e desenvolvimento em diferentes setores materiais industriais, água, alimentos, energia, etc. • Interesse e crescimento de produtos químicos ou combustíveis, com valor acrescentado e oportunidades na indústria. Relacionadas com a escala: • Ampla gama de aplicações industriais onde acarretará uma alta demanda de CO2. • Vantagem da produção de combustíveis, a partir da reação de metano com CO2, não é necessário utilizar vapor para reativar o catalisador. Estratégica: • Os usos industriais de CO2 permitem fazer um composto, por vezes, considerado resíduo como um recurso. • CO2 como uma matéria-prima para produzir compostos químicos, como solventes, polímeros, grafenos. Com novas oportunidades para a indústria química. • A produção de energia e outros produtos como microalgas que transformam o CO2. Sociológica: • Em si é um composto útil com um vasta gama de aplicações. • Vantagens do CO2 em relação a outros produtos mais prejudicial ao meio ambiente. • Grande impacto do uso de CO2 como fonte de energia renovável na produção de combustível. 12 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Com a retomada dos temas do Protocolo de Quioto, extinto desde 2012, através do Acordo de Paris em 2015, vem-se desenvolvendo metas de redução de emissões de gases do efeito estufa, fomentando o desenvolvimento de créditos de carbono, incentivando novas alternativas como: Energia limpa, captura de CO2, o desenvolvimento de utilidades o CO2 e outros métodos de redução de emissões. Há basicamente duas alternativas para o financiamento setorial de créditos de carbono. A longevidade da perturbação atmosférica especialmente ao CO2, danos como a mudança climática são irreversíveis, quanto às emissões de dióxido de carbono que já ocorreram e as possíveis futuras. Devido a um elevado investimento de $ 53 trilhões em plantas existentes de usinas de energia e a crescente demanda global de energia, dificultam o abandono destas. Devido a estes cenários, importante seria, além da redução de emissões, algum método que combata com as emissões já ocorridas e as possíveis futuras. O sistema de captura de CO2 através do ar vem se destacando entre as tecnologias tradicionais devido a sua eficiência energética, sua mobilidade e transporte, conseguindo produzir o CO2 com custos relativamente baixos. Assim alavancando ainda mais as possibilidades de sua implantação. Conseguir produzir o CO2 em larga escala significa, além de contornar os problemas causadores do efeito estufa, consolidar um novo mercado industrial; criando novos postos de trabalho, possibilidades e vantagens para a utilização do CO2 como um recurso, por exemplo: A sua ampla utilização na indústria química e sua vasta possibilidade desenvolvimento de novos produtos, e suas vantagens em comparação a outros produtos que são nocivos ao meio ambiente e a saúde humana, também melhorias nos processos de produção de petróleo, carvão e biocombustíveis de algas; contribuindo em uma inovação do mercado industrial, econômico, social e ecológico. Deve-se destacar também como uma nota importante, seria de se esperar que a expansão de programas de financiamento sustentáveis que incentivem financeiramente: por exemplo, uma política geradora de um programa de desenvolvimento de produtos e materiais que utilizam como sua principal matéria prima o CO2 de forma a reduzir seus custos de transação nas etapas de registro, certificação e validação. Além destes princípios de metas à incentivos de sustentabilidade para viabilizar a implementação desta tecnologia de captura e armazenamento, o desenvolvimento de um mercado de CO2 poderá, também, ser um grande aliado para o incentivo desta tecnologia. Com um 13 comércio consolidado de CO2, sendo produzido e comercializado pela própria companhia. Utilizando o método de captura não apenas como uma forma de mitigar as emissões, mas sim construindo um ciclo ecológico inteligente. Diante de claras evidencias, a ausência de incentivos ao conhecimento e desenvolvimento é o principal fator confrontante para a aplicação desta tecnologia. 14 REFERÊNCIAS BRAUNGART, Michael; MULHALL, Douglas. Point of View: Treat Emissions as Resources, 2012. CHICHILNISKY, Graciela. Global Thermostat: Carbon Negative Power Plants and Their Impact on Environment, 2018. COLE, L. Assessing sustainability on Canadian university campuses: development of a campus sustainability assessment framework. Royal Roads University. Victoria, 2003. EISENBERGER, Peter M. Global Warming And Carbon- Negative Technology: Prospeects For a Lower-Cost Route To a Lowerrisk Atmosphere, 2009. ESBER III, George Salem. Carbon Dioxide Capture Technology For The Coal-Powered Electricity Industry: A Systematic Prioritization Of Research Needs, 2006. ESTEVES, G. B. Sustentabilidade Ambiental em Universidades: Um estudo comparativo entre duas universidades dos EUA e do Brasil. Universidade Nove de Julho. São Paulo, 2014. FERREIRA, D. Desenvolvimento Sustentável ou Mercantilização e Financeirização da Natureza? Revista de Administração e Negócios da Amazônia, v. 5, n. 3, p. 49-62, 2013. VEGA, Lourdes F. El CO2 como recurso de la captura a los usos industriales. Edición Gas Natural. Ed.II, 2011.