Relatório 4 Fibras de carbono

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1 Relatório 4 Fibras de carbono

2 Este trabalho foi realizado com recursos do Fundo de Estruturação de Projetos do BNDES (FEP), no âmbito da Chamada Pública BNDES/FEP No. 03/2011. Disponível com mais detalhes em < O conteúdo desta publicação é de exclusiva responsabilidade dos autores, não refletindo, necessariamente, a opinião do BNDES. É permitida a reprodução total ou parcial dos artigos desta publicação, desde que citada a fonte. Autoria e Edição de Bain & Company 1ª Edição Abril 2014 Bain & Company Rua Olimpíadas, º andar São Paulo - SP - Brasil Fone: (11) Site: Gas Energy Av. Presidente Vargas, andar Rio de Janeiro - RJ - Brasil Fone: (21) Site:

3 Índice 1. Fibra de carbono Condições de demanda Mercado de fibras de carbono no mundo Mercado de fibras de carbono no Brasil Perspectiva de crescimento dos setores usuários de fibras de carbono Perspectiva de crescimento do mercado de fibras de carbono no Brasil Sofisticação dos consumidores Fatores de produção Tecnologia Matéria-prima Ambiente regulatório Infraestrutura Recursos humanos e acesso ao capital Dinâmica da indústria Players Escala global Indústrias relacionadas Diagnóstico Linha de ação REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 35

4 1. Fibra de carbono A cadeia de valor da fibra de carbono (FC) é composta pelo propeno, acrilonitrila, poliacrilonitrila (PAN) e a própria FC, como ilustrado na figura a seguir. A FC é transformada em compósitos Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) por meio de diversos processos, sendo o prepreg o caminho mais utilizado. Este relatório aborda o PAN, a FC e suas aplicações principais. Propeno US$1,5-3/kg Acrilonitrila US$4-5/kg PAN (Precursor) US$10-12/kg ~97% Fibra de Carbono ~3% ~0% Piche Rayon US$20-25/kg Prepreg Enrolamento Pultrusão Têxtil Tecidos de fibra de carbono impregnados com resinas não curadas Fibras banhadas em resina são enroladas no molde do componente a ser fabricado Consiste em puxar fibras através de um banho de resina para formar o compósito Tecidos de fibra de carbono, uni ou multidirecionais US$70-90/kg Método mais utilizado Compósitos Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) Legenda Segmento da fibra de carbono Aplicações(fibras inteiras*) Matéria prima Produtos finais Preço/kg FC contido US$ /kg *Não considera fibras picadas ou moídas Fonte: Platts, Orbichem, entrevistas com experts, sites das empresas produtoras, análise Bain / Gas Energy Figura 1: Cadeia da fibra de carbono A figura a seguir apresenta os preços de cada produto ao longo da cadeia, assim como a massa necessária de cada matéria-prima ou intermediário para fabricar 1 kg de FC. Com base nesses valores, é calculado o preço por kg de FC contida ao longo de toda a cadeia. É possível perceber que a FC possui um valor cerca de 5 vezes maior do que o de sua matériaprima, a acrilonitrila, quando se considera o rendimento dessa conversão. 4

5 Dado Propeno Acrilonitrila PAN precursor Fibrade Carbono (FC) Prepreg Produto Final (a) Preço (US$/kg) 1,0 2,1 2-2, (b) Quantidade (kg/kg FC) 1, ,7* 0,7* (a) x(b) Preço (US$/kg FC) 1, *Massa de fibra de carbono contida em 1 kg de prepregou produto final; considera preço da resina US$30/kg Fonte: Platts, Orbichem, entrevistas com experts, sites das empresas produtoras, análise Bain / Gas Energy Figura 2: Preços ao longo da cadeia da FC A FC compete com materiais tradicionais como o aço, titânio, alumínio e fibra de vidro em aplicações estruturais. Com isso, é relevante entender como as propriedades físicas da FC se comparam com as desses materiais. A FC possui módulo de elasticidade específico e resistência específica à tensão superiores aos de outros materiais comumente usados, como fibra de vidro, titânio, aço de alta resistência e alumínio aeronáutico. A figura a seguir compara as propriedades mecânicas de diferentes grades de FC com materiais estruturais tradicionais. 5

6 Propriedades de fibras de carbono e materiais concorrentes Fibras carbono base PAN Fibras carbono base piche Materiais tradicionais Fonte: MatWeb, Mitsubish Chemicals, Toray, Cytek, Zoltek Figura 3: Propriedades de fibras de carbono e materiais concorrentes Além disso, a FC possui a menor densidade entre os materiais concorrentes, como pode ser observado na figura a seguir. Por exemplo, a fibra de carbono é aproximadamente 35% menos densa do que o alumínio aeronáutico Densidadede FC e materiasconcorrentes(t/m 3 ) Fonte: MatWeb, Cytec Figura 4: Densidade de FC e materiais concorrentes (t/m 3 ) 6

7 Devido a esses dois fatores boas propriedades mecânicas e baixa densidade componentes de FC podem ser mais leves do que seus equivalentes feitos a partir de outros materiais. A figura a seguir compara a massa da carroceria de um veículo conceitual fabricada em aço, fibra de vidro e FC. A carroceria fabricada em FC seria cerca de 50% mais leve que uma carroceria de resistência equivalente fabricada em aço. Massa equivalente da carroceria de um veículo conceitual da Ford por material utilizado(% massa) Fonte: Material Systems Laboratory - MIT Figura 5: Massa equivalente da carroceria de um veículo conceitual da Ford por material utilizado (% massa) Apesar dessas propriedades, o custo da FC é uma barreira para a sua adoção. A figura a seguir apresenta o custo para produzir uma peça de mesma resistência utilizando FC, aço e fibra de vidro. 7

8 Custo estimado para resistência equivalente a uma peça de 1 kg de fibra de carbono (US$/kg fibra de carbono) Fonte: Material Systems Laboratory MIT, AliceWeb Figura 6: Custo estimado para resistência equivalente a uma peça de 1kg de fibra de carbono (US$/kg fibra de carbono) 2. Condições de demanda 2.1. Mercado de fibras de carbono no mundo Em 2011, o consumo global de FC foi de 38 mil toneladas, segundo a CCeV 1, associação de empresas e instituições de pesquisa de diversos países com foco em fibras de carbono. Tal consumo cresceu a uma taxa anual média de 8% a 10% entre 1984 e 2011, e deverá crescer em média 15% ao ano entre 2011 e 2020, ainda segundo a mesma fonte. O consumo de FC nos setores industrial e aeronáutico deverá crescer, respectivamente, a 17% e 14% ao ano entre 2011 e Esses setores deverão concentrar 95% do crescimento da demanda global por FC. As principais fontes de crescimento no setor industrial serão as pás de geradores eólicos e a indústria automotiva. Esses subsetores deverão crescer, respectivamente, a 18% e 17% ao ano entre 2011 e O aumento do consumo de FC no setor eólico se deve ao aumento do tamanho dos geradores, e consequentemente de suas pás, que necessitam maior rigidez e leveza. Na indústria automotiva, a FC substitui peças anteriormente fabricadas em metal, o que possibilita o desenvolvimento de veículos mais leves. As exigências por veículos de baixo consumo ou elétricos deverá aumentar a penetração da FC nessa indústria. 1 Carbon Composites e.v. (2013) 8

9 A figura a seguir detalha o consumo global histórico e projetado de FC. Demanda porfibrade carbono Mundo(kt) Projeção CAGR (84-05) 10% 8% 15% *Projeção de vendas considera o preço médioda fibra de carbono de 2011 **Inclui construção civil, offshore e outras aplicações Nota: não considera FC picada ou moída nem compósitos carbono/carbono de materiais de fricção Fonte: CCeV, Toray, Composites Forecast, JEC Composites, análise Bain/Gas Energy Figura 7: Demanda por fibra de carbono Mundo (kt) 2.2. Mercado de fibras de carbono no Brasil Entre 2005 e 2010, o consumo brasileiro de FC se manteve entre 100 e 200 toneladas por ano. A partir de 2011, tal consumo passou a crescer rapidamente, atingindo 3,7 mil toneladas em 2012 e 2,0 mil toneladas em A rápida evolução do consumo doméstico fez com que o Brasil representasse 9% da demanda mundial por FC em 2012 e 4% em A evolução da demanda doméstica por FC é resultado principalmente da demanda pelo produto no setor eólico. O comportamento desse setor será discutido na seção a seguir. Apesar da participação relevante no consumo mundial, o Brasil não produz FC. A importação do produto gerou déficits comerciais de 97 milhões de dólares em 2012 e 47 milhões de dólares em 2013 para o País. É importante notar que esses números não consideram a exportação da FC contida em produtos como pás eólicas e aviões. A figura a seguir detalha a demanda histórica por FC no Brasil. 9

10 Demanda porfibrade carbono Brasil(t) Fonte: AliceWeb Figura 8: Demanda por fibra de carbono Brasil (t) Como o material prepreg não possui um NCM específico, os números da figura anterior podem conter não só FC, mas também o prepreg. Uma vez que este contém cerca de 70% em massa de FC, a demanda brasileira real por FC pode ser um pouco mais baixa do que a ilustrada na figura anterior Perspectiva de crescimento dos setores usuários de fibras de carbono O crescimento da demanda por FC depende dos setores que a utilizam em seus processos produtivos. As perspectivas de crescimento para tais setores são detalhadas a seguir. Setor (% demanda 2020) Energia Eólica (41%) Aeroespacial (18%) Automotivo (14%) Esportes (9%) Construção civil (10%*) O&G Offshore (5%*) Alavancas de crescimento Substituiçãoda fibra de vidro por FC devido ao aumento do tamanho das pás dos geradores Novos aviões widebody(b787 e A350) com componentes estruturais primários de FC Regulação de eficiência energética incentiva a redução da massa dos veículos Demanda por tacos de golfe, raquetes de tênis, barcos, varas de pesca e bicicletas Recuperação de infraestrutura antiga e reforço em áreas sujeitas a terremotos Maior profundidade de exploração torna a FC viável vs. aço, de maior densidade Relevância no Brasil Brasil tem produção e exportação relevante de pás Aviões da Embraer demandam pouca FC Regulação de eficiência energética ainda pouco desenvolvida Fabricantes concentrados em países desenvolvidos e China Demanda concentrada em países desenvolvidos Brasil é um dos principais produtores offshore *Valores aproximados Fonte: CCeV, entrevistas com experts, análise Bain / Gas Energy Figura 9: Perspectiva de crescimento dos setores consumidores de FC no mundo e no Brasil 10

11 No Brasil, os setores eólico e de óleo e gás offshore podem ser fontes importantes de demanda por FC nos próximos 5 a 10 anos. Mudanças potenciais nos setores aeroespacial e automotivo também poderão gerar demanda adicional por FC. Além disso, a produção local de FC poderia aumentar a sua penetração em outros setores, como na construção civil e em artigos esportivos. Eólico A capacidade de geração eólica global deverá crescer a uma taxa anual média de 19% entre 2012 e 2020 e atingir GW no final desta década 2. O crescimento da capacidade de geração de energia eólica deverá ocorrer principalmente na China, Europa e EUA. O cenário de energia eólica em cada país é descrito a seguir. China A energia eólica está sendo utilizada para atingir a meta, determinada no Plano Quinquenal , de aumentar a participação de fontes não fósseis na matriz energética deste país. A China utiliza diversos mecanismos para incentivar a instalação de nova capacidade eólica: subsídios diretos, tarifas preferenciais e cotas obrigatórias de geração elétrica eólica. EUA A expansão da capacidade eólica está ligada ao Programa de Créditos de Impostos na Produção de Eletricidade Renovável (Production Tax Credit, ou PTC). Por esse programa, os produtores de eletricidade eólica recebem, durante 10 anos, um crédito de 2,3 centavos de dólar por KWh gerado. O PTC foi originalmente instituído como parte do Energy Policy Act, de Entre 1992 e 2013, o benefício expirou e foi renovado em cinco ocasiões. Em cada expiração, o ritmo de crescimento da capacidade eólica local caiu entre 80 e 90% em relação ao ano anterior. O PTC expirou novamente em dezembro de Há incertezas sobre a perspectiva de renovação do benefício e, portanto, do crescimento da energia eólica no EUA. A projeção considera um cenário no qual o PTC seja mantido até Caso o benefício não seja renovado, o crescimento do mercado americano poderá ser somente 10 a 20% do projetado para o período entre 2013 e Europa A União Europeia tem como meta produzir 20% de sua energia utilizando fontes renováveis até Em 2010, essas fontes representaram 9,8% da energia consumida pelo bloco. A contribuição de cada país membro é definida na EU Renewable Energy Directive 2009/28/EC. Cada país membro tem autonomia para definir as fontes e os incentivos necessários para atingir a meta. Em geral, os países utilizam diferentes combinações de subsídios e tarifas diferenciadas de eletricidade para incentivar a instalação eólica. 2 Global Wind Energy Council (2012) 11

12 Brasil No Brasil, a capacidade de geração eólica cresceu a uma taxa anual média de 61% entre 2002 e 2012 e deverá crescer em média 25% ao ano entre 2012 e Entretanto, o País não é globalmente relevante no setor: a capacidade nacional de geração eólica representará cerca de 1% da capacidade global em A figura a seguir ilustra o crescimento histórico e projetado da capacidade eólica global. Capacidade instalada de geração de energia eólica Mundo(GW) Projeção 25% 19% Fonte: Global Wind Energy Council, ABE Eólica, análise Bain / Gas Energy Figura 10: Capacidade instalada de geração de energia eólica Mundo (GW) A evolução tecnológica do setor eólico tem levado ao crescimento do tamanho médio das turbinas instaladas. Em 2005, uma turbina média tinha uma capacidade de 1,36 MW, enquanto, em 2013, esta capacidade média aumentou para 2,13 MW. A figura a seguir ilustra a capacidade média das turbinas instaladas no mundo entre 2005 e

13 Tamanho médio dos geradores instalados Mundo(MW) Fonte: GWEC, NREL Figura 11: Tamanho médio dos geradores instalados Mundo (MW) O aumento do tamanho dos geradores demanda o aumento do tamanho das pás 3. Para pás maiores, a rigidez do sistema passa a ser o principal requisito de projeto. O uso da FC se torna economicamente viável para pás maiores que 40 a 45m de comprimento (equivalente a geradores maiores que 1,5 a 2MW). Nesses casos, a FC aumenta a rigidez e diminui a massa das pás, o que pode reduzir o custo total do sistema, apesar do maior custo das pás. Por exemplo, a massa de uma pá do gerador GE 1.6MW- 100, que possui 48,7 metros e é fornecida pela brasileira Tecsis, foi reduzida de 9 toneladas para 6 toneladas com o uso da fibra de carbono. A figura a seguir segmenta os geradores eólicos instalados no mundo por suas respectivas capacidades. A participação dos geradores com capacidade maior do que 2MW cresceu de 23% para 28% entre 2005 e 2009, enquanto a dos geradores menores que 1MW diminuiu de 40% para 33%. Espera-se que o tamanho dos geradores eólicos continue a crescer 4. A razão para isso é que turbinas maiores são mais eficientes em locais com menores velocidades de vento. 3 Zoltek 4 NREL (2012) 13

14 Turbinas eólicas instaladas por ano Mundo(% unidades) Fonte: GWEC, NREL, análise Bain/Gas Energy Figura 12: Turbinas eólicas instaladas por ano Mundo (% unidades) O Brasil tem pouca relevância na demanda mundial por pás eólicas. Entretanto, o País produziu 12% das pás instaladas no mundo em 2009, e 20% em Esse fato é explicado pela exportação de pás, principalmente da empresa Tecsis, para os EUA. A Tecsis é uma empresa nacional, fundada em 1994 por engenheiros oriundos da indústria aeronáutica. A figura a seguir ilustra a participação do Brasil na produção e demanda de pás no mundo. Participação do Brasil no mercado global de pás eólicas(% unidades) Fonte: GWEC, sites das empresas, análise Bain/Gas Energy Figura 13: Participação do Brasil no mercado global de pás eólicas (% unidades) 14

15 Considerando o crescimento global projetado pela CCeV, a demanda por FC no setor eólico deverá atingir 53,1 mil toneladas em A demanda brasileira por FC nesse setor poderá atingir de 5,3 a 10,6 mil toneladas em um cenário no qual as fabricantes nacionais de pás eólicas mantenham sua participação atual, entre 10% e 20% na produção global. A figura a seguir apresenta a demanda estimada por FC para o setor eólico. Demanda estimada por fibra de carbono no mercado de turbinas eólicas(kt) Projeção Fonte: CCeV, GWEC, sites das empresas, análise Bain/Gas Energy Figura 14: Demanda estimada por fibra de carbono no mercado de turbinas eólicas (kt) É importante notar que a projeção apresentada possui incertezas. As principais são o crescimento do setor eólico global, a produção nacional de pás eólicas e a quantidade de FC contida em cada pá produzida no Brasil. Em 2013, 87% das pás eólicas produzidas no País foram exportadas, principalmente para os EUA. Assim, a demanda por FC no setor eólico nacional dependerá do desenvolvimento e da produção de pás vendidas para mercados internacionais. Aeroespacial Segundo a CCeV, a demanda mundial por FC no setor aeronáutico deverá crescer a uma taxa média de 14% ao ano entre 2011 e Segundo especialistas do setor, os aviões Boeing 787 e o Airbus A350 deverão representar a maior parte do crescimento da demanda por FC no setor aeronáutico. Tal participação é explicada pela intensidade de uso do material nesses aviões. Enquanto a FC representa 10 a 15% da massa da estrutura de aviões tradicionais (por exemplo, B737 e A320), no B787 e no A350 ela representa aproximadamente 50%, como indicado na figura a seguir. Em decorrência disso, a demanda por FC no B787 e no A350 é de cerca de 23 toneladas por avião. Já o A330, de porte semelhante, usa somente 6 toneladas por avião. 15

16 Massa de compósitosde fibrade carbonoporavião(% massada estrutura) Narrow body Wide body Uso no interior e componentes estruturais secundários/terciários(ex. flaps, winglets) + estruturas primárias (asa e fuselagem) Fonte: Airbus, Boeing, Hexcel Investor Presentation, análise Bain/GasEnergy Figura 15: Massa de compósitos de fibra de carbono por avião (% massa da estrutura) A Embraer produz aviões regionais, executivos e militares no Brasil. Devido ao seu menor tamanho, os aviões da empresa em geral utilizam um menor percentual de fibra de carbono na sua estrutura, entre 5% e 10%. Por consequência, o crescimento do uso de FC pela Embraer deve ser menor do que o do setor aeronáutico no mundo. Considerando a elasticidade histórica entre o crescimento da demanda da Embraer por FC e o crescimento dessa aplicação no mundo, projeta-se que o consumo nacional de FC para a indústria aeroespacial cresça a uma taxa anual média de 6% até A prova da viabilidade técnica do uso da FC no B787 e A350 poderá incentivar maior penetração do material na aviação regional e executiva. Nos próximos cinco anos, não há perspectiva de lançamento de aviões Embraer com penetração maior que 10% de FC. Porém, a médio prazo, a empresa poderá produzir um avião de maior porte ou que requeira maior utilização do material. Automotivo Como descrito anteriormente, a demanda por FC no setor automotivo deverá crescer a uma taxa média de 17% ao ano entre 2011 e No Brasil, não há expectativa de uso da FC para essa aplicação nos próximos cinco anos. Isso se deve a diferenças de regulação em relação aos países desenvolvidos. Essas diferenças serão detalhadas no capítulo Fatores de produção. Convém ressaltar, entretanto, que, a médio prazo, a demanda nacional por carros elétricos e de baixo consumo, viabilizada por possíveis incentivos regulatórios, poderá representar uma fonte relevante de demanda por FC. 16

17 Óleo e Gás (O&G) Offshore A produção mundial de petróleo em águas profundas deverá crescer em média 5% ao ano entre 2012 e A produção brasileira em águas profundas deverá crescer a uma taxa anual média de 9% e representar 75% do crescimento da produção mundial do setor entre 2012 e 2020, como indicado na figura a seguir. Produção de petróleo em águas profundas(mbpd) 5% Fonte: IEA, análise Bain / Gas Energy Figura 16: Produção de petróleo em águas profundas (Mbpd) Segundo um fabricante de tubos de FC para o setor offshore, há uma tendência de que novos campos não só estejam em águas mais profundas (com mais de 3000 metros de profundidade), mas que também contenham fluidos mais corrosivos (com maior concentração de CO2 e H2S) e operem com maiores pressões. Ainda de acordo com a mesma empresa, a FC seria capaz de atender às demandas do setor offshore por materiais mais leves e com maior resistência mecânica e à corrosão. A fibra de carbono tem maior potencial de uso em quatro aplicações no setor offshore: risers de perfuração, risers de produção, linhas de controle umbilicais e amarras 6. A figura seguinte detalha a demanda potencial por FC em uma sonda de perfuração ou FPSO/plataforma de produção em águas profundas. 5 IEA 6 Composites World (2009) 17

18 Aplicação FC por comprimento (Kg/metro) Comprimento do tubo (quilometro) Quantidade por plataforma (#) Massa total de FC (tonelada) Risers de perfuração 67 X 1,5 X 1 = 100 Total de FC = 100 t porsondade perfuração Risers de produção 15 X 1,5 X 22 = 491 Umbilicais 9 X 1,5 X 2 = 27 Amarras 24 X 1,5 X 16 = 571 Total de FC = t porfpso/plataforma de produção Fonte: Composites World, análise Bain / Gas Energy Figura 17: Uso potencial de FC em FPSOs, plataformas e sondas de perfuração (t) A utilização de risers de FC ainda não é comum no setor, mas o uso do produto em umbilicais e em tubos de menor diâmetro tem-se popularizado 7. Por exemplo, a empresa Aker utilizou 60 t de fibra de carbono nos umbilicais de duas plataformas de produção, no Golfo do México (2.800m de lâmina d água) e Angola (2.100m). No Brasil, a Petrobras tem demonstrado interesse em avaliar o uso da FC em risers de produção. Segundo notícia publicada em , a companhia está qualificando risers flexíveis de materiais compósitos para uso em seis unidades de produção do pré-sal, a serem instaladas entre 2017 e Segundo os especialistas citados na notícia, o uso de compósitos seria necessário nos seis projetos, para lidar com as lâminas d água entre 2.000m e 3.000m. Como pode ser observado na figura anterior, grande parte da FC utilizada em aplicações offshore é destinada à produção de amarras. Segundo especialistas, as amarras são utilizadas em geral para lâminas d água de até 1500 metros. Como os campos nacionais a serem desenvolvidos estão, em geral, em lâminas d água superiores a essa profundidade, a demanda doméstica por FC para uso em amarras deverá ser limitada. Considerando a participação projetada do Brasil no crescimento da produção offshore de O&G global, em 2020 o País deverá consumir cerca de 1,6 mil toneladas de FC para essa aplicação. 7 Composites World (2009) 8 Of Seas (2013) 18

19 O uso da FC nos novos projetos domésticos de exploração e produção de óleo e gás em águas profundas dependerá das soluções técnicas acordadas entre os operadores (por exemplo, Petrobras) e seus fornecedores Perspectiva de crescimento do mercado de fibras de carbono no Brasil O Brasil poderá consumir entre 7 e 12 mil toneladas de FC em O setor eólico tem potencial para ser o principal consumidor de FC no Brasil, e representar entre 75% e 85% da demanda doméstica pelo produto. Se as empresas nacionais tiverem uma participação de 10% da quantidade de pás eólicas produzidas no mundo (estimativa base), elas poderão consumir cerca de 5,3 mil toneladas de FC. Se tiverem uma participação de 20% (estimativa máxima), elas poderão consumir cerca de 10,6 mil toneladas. As importações de FC em 2020 poderão atingir cerca de 290 milhões de dólares no cenário de estimativa máxima. A figura a seguir ilustra a demanda histórica e projetada por FC no Brasil. Demanda por fibra de carbono- Brasil (kt) Projeção 9-16% 7,1 (estimativa máxima) 3,5 (estimativa base) Fonte: CCeV, GWEC, AliceWeb, entrevistas com experts, análise Bain / Gas Energy Figura 18: Demanda por fibra de carbono Brasil (kt) Em resumo, como mostra a figura a seguir, o consumo da indústria eólica deve continuar sendo a principal alavanca de crescimento da demanda por fibras de carbono no Brasil. Os desafios do pré-sal devem tornar significante a demanda por FC no setor de Oil & Gas. 19

20 Setor (% demanda mundial 2020) Alavancas de crescimento Relevância no Brasil Demanda Brasil (kt, 2020) CAGR (12-20) Energia Eólica (41%) Substituiçãoda fibra de vidro por FC devido ao aumento do tamanho das pás dos geradores Brasil tem produção e exportaçãorelevantes de pás Min:5,3 Max:10,6 Min:5,2% Max:14,7% Aeroespacial (18%) Novos aviões widebody(b787 e A350) com componentes estruturais primários de FC Aviões Embraer demandam pouca FC 0,2 6,1% Automotivo (14%) Regulação de eficiência energética incentiva a redução da massa dos veículos Regulação de eficiência energética ainda pouco desenvolvida - - Esportes (9%) Demanda por tacos de golfe, raquetes de tênis, barcos, varas de pesca e bicicletas Fabricantes concentrados em países desenvolvidos e China - - Construção civil (10%) Recuperação de infraestrutura antiga e reforço em áreas sujeitas a terremotos Demanda concentrada em países desenvolvidos - - O&G Offshore (5%) Maior profundidade de exploração torna a FC viável vs. aço, de maior densidade *CAGR de 2013 até 2020 Fonte: CCeV, GWEC, entrevistas com experts, análise Bain / Gas Energy Brasil é um dos principais produtores offshore 1,6 11,3%* Figura 19: Alavancas de crescimento e demanda projetada para 2020 dos setores consumidores de FC no Brasil 2.5. Sofisticação dos consumidores A FC tende a ser usada em produtos que possuem requisitos de desempenho elevados, nos quais falhas sejam críticas e onde a menor densidade e maiores resistência e rigidez da FC compensem seu maior custo. Como consequência disso, os consumidores de FC tendem a ser intolerantes com defeitos de fabricação e variações nas especificações do produto. No Brasil, a FC é historicamente usada nos setores eólico e aeroespacial, que exigem produtos com propriedades específicas. Os fabricantes aeronáuticos possuem normas próprias que especificam as características da FC utilizada (por exemplo, Boeing BMS8-276) e também definem, durante o projeto de seus produtos, o grade de FC a ser utilizado. Não há padronização dos grades de FC entre os fabricantes, que possuem a capacidade de customizar o produto de acordo com as demandas de mercado. A fibra T800S da Toray, por exemplo, foi desenvolvida para uso no Boeing 787. Segundo Andrea Dorr, da Toray, A Boeing e a Toray investiram recursos significativos para desenvolver e qualificar os 20

21 materiais que atendam aos rigorosos requisitos mecânicos, físicos e de processo produtivo do No setor eólico, a tendência dos consumidores é optar por fornecedores tradicionais. Segundo um fabricante de pás eólicas no Brasil, a reputação do fornecedor é um critério de compra importante. Segundo ele, experiências próprias com FC mais barata de fornecedores não tradicionais não foram satisfatórias. 3. Fatores de produção 3.1. Tecnologia Precursor Existem três precursores principais para a produção de FC: PAN, Piche e Rayon. Como pode ser observado na figura a seguir, a rota via PAN atualmente representa 97% da produção mundial de FC. A rota via piche, em geral, produz FC com maior módulo de elasticidade, mas menor resistência à tração e com um custo maior, se comparado ao da rota PAN. O processo Rayon produz fibras de menor qualidade e não é usado atualmente em grande escala. Rota de origemda FC, 2011 (% massa) Rota Módulode elasticidade (GPa) Resistência à tração (MPa) Custo (US$/kg) Histórico PAN Inventado em 1959 Primeira planta comercial em 1969 Uso em grande escala atualmente Piche Inventado nos anos 60 Produz fibras de alta resistência, mas tem alto custo Pouco usado atualmente Rayon Inventado em 1959 Breve períodode uso nos anos Uso em grande escala encerrado nos anos 90 * Não usado em grande escala para produção de compósitos Fonte: MatWeb, Mitsubish Chemicals, Toray, Cytek, Zoltek, entrevistas com experts, análise Bain / Gas Energy Figura 20: Comparativo entre os processos produtivos de FC 9 Composites World (2007) 21

22 O processo produtivo de cada precursor é detalhado nos parágrafos a seguir. PAN: A acrilonitrila, produzida com base no propeno e na amônia, é polimerizada para formar uma solução de poliacrilonitrila (PAN). Em seguida, a solução é transformada na fibra precursora. A etapa de fiação da fibra precursora determina parte das características da FC resultante. O precursor deve ter poucos vazios, diâmetro pequeno e constante, baixo teor de co-monômero e elevado módulo de elasticidade e resistência à tensão. Cada empresa possui um processo diferente para produzir o precursor. O domínio dessa etapa de produção é uma barreira de entrada para novos players. Piche: O piche é uma mistura complexa de hidrocarbonetos que pode ser proveniente de petróleo ou carvão. Ele deve ser pré-tratado para se obter a viscosidade e o peso molecular adequados à fiação do precursor de FC. O precursor de piche é preparado pela polimerização deste a temperaturas de cerca de 400⁰C, por mais de 24 horas. Embora possa produzir fibras com um maior módulo de elasticidade, o método via piche é, normalmente, mais caro do que o via PAN, além de as fibras resultantes terem menor resistência à tensão. o No Brasil, o Centro Tecnológico do Exército (CTEx), está pesquisando a produção de FC com base no piche. Segundo representantes desse centro, o novo processo poderá reduzir o custo de produção da FC por essa rota. Caso tal tecnologia se viabilize, o Brasil poderá ter uma vantagem competitiva na produção da FC. Rayon: O precursor Rayon é produzido com base na celulose, que deve ser transformada em fibras contínuas de viscose. As fibras produzidas pelo método Rayon têm propriedades mecânicas inferiores àquelas produzidas via PAN ou piche. Esse precursor já foi produzido por empresas como Avtex, Celanese Corp e Industrial Rayon Corp, mas, atualmente, é uma rota pouco relevante devido à menor qualidade em relação aos outros precursores. Em geral, os produtores de FC têm consumo cativo do precursor PAN e não o vendem para empresas terceiras. Desta maneira, há dificuldades para se atuar em FC sem a capacidade de produzir o precursor PAN. Uma exceção é a China National Blue Star Corp. A empresa chinesa adquiriu uma planta de PAN precursor no Reino Unido e o exporta principalmente para plantas de FC na China. Transformação do precursor em FC Inicialmente, a fibra precursora passa por uma oxidação a ⁰C, em uma atmosfera rica em oxigênio. Durante esse processo, que dura cerca de duas horas, a fibra sofre um esticamento preciso, que alinha suas moléculas. A fibra intermediária é carbonizada a ⁰C, por 5-10 minutos, numa atmosfera inerte, resultando em um conteúdo de carbono na fibra de aproximadamente 95%. A última etapa é o tratamento superficial, que consiste na limpeza e adição de grupos funcionais na superfície da fibra, os quais facilitarão a posterior ligação com resinas. A duração, a temperatura e a tensão da FC nos processos de oxidação e carbonização, assim como os métodos e materiais empregados no tratamento superficial são segredos industriais dos produtores. Seu domínio representa uma barreira à entrada de novas empresas. 22

23 3.2. Matéria-prima A matéria-prima para 97% da produção mundial de FC é a acrilonitrila. Esta é produzida em larga escala no mundo e é usada, principalmente, para a produção de fibra acrílica, utilizada em tecidos. Em 2011, menos de 2% da produção mundial de acrilonitrila foi destinada para a produção de FC. Essa matéria-prima é uma commodity, cujo fornecimento não representa uma barreira à atuação em FC. Por esses motivos, as empresas produtoras de FC em geral não produzem acrilonitrila. O Brasil possui excedente de produção de acrilonitrila. Em 2012, o País exportou cerca de 52 mil toneladas do produto Ambiente regulatório A questão regulatória mais relevante à FC, identificada pelo Estudo, foi no setor automobilístico. Os veículos tradicionais produzidos em grande escala não usam, em geral, fibra de carbono na sua estrutura. A crescente preocupação com emissões está estimulando o desenvolvimento de carros que consumam menos combustível. Nessa categoria estão, por exemplo, veículos mais leves e veículos elétricos. O uso da FC na estrutura desses veículos permite a redução de seu peso. A figura a seguir compara o Mini Cooper, veículo tradicional (motor a combustão interna, estrutura de aço) com o BMW i3, veículo de baixo consumo (motor elétrico, estrutura de FC). Apesar de incentivos governamentais, o i3 ainda é cerca de 50% mais caro que o Mini nos EUA. Embora a estrutura do BMW seja cerca de 200 quilogramas mais leve, os dois têm aproximadamente o mesmo peso, devido ao peso adicional da bateria do carro elétrico. Dessa forma, a FC ajuda a viabilizar o carro elétrico, ao compensar o peso adicional da bateria com uma estrutura mais leve. O BMW i3 é mais econômico que o Mini, podendo rodar até 65 km com um dólar, cerca de quatro vezes mais que o veículo tradicional. Apesar de ser mais econômico, o carro de baixo consumo ainda é mais caro do que o tradicional. A sua aceitação depende, além de incentivos governamentais, da vontade da população de pagar um prêmio por um veículo menos poluente e mais econômico. 23

24 Figura 21: Comparativo entre veículos de baixo consumo e tradicional nos EUA Quando se compara o ambiente regulatório para carros de menor consumo no Brasil, EUA e Noruega, é possível perceber que o Brasil possui muitas oportunidades de avanço na área. Enquanto na Noruega há diversos tipos de incentivos e nos EUA há redução de até dólares no preço do veículo, no Brasil os incentivos são tímidos. Alguns estados, como Maranhão, Piauí, Ceará, Rio Grande do Norte, Pernambuco, Sergipe e Rio Grande do Sul, concedem isenção de IPVA para veículos elétricos. Outros oferecem diminuição da referida taxa, como, por exemplo, Rio de Janeiro (de 4% para 1% do valor do veículo), São Paulo (de 4% para 3%) e Mato Grosso do Sul (redução de até 70%). Considerando que os veículos elétricos podem ser substancialmente mais caros que os convencionais, esses incentivos não são suficientes para viabilizar sua adoção em larga escala. O Brasil também está atrás de países desenvolvidos na regulação de eficiência energética. O programa Inovar-Auto, criado em 2008, incentiva as montadoras de automóveis com a redução do IPI, desde que seus veículos limitem suas emissões e alcancem outras metas de desempenho. Os incentivos a carros elétricos no Brasil, descritos no parágrafo anterior, não são suficientes para tornar este tipo de veículo economicamente atrativo para o consumidor. A figura a seguir compara o preço de um Nissan Leaf (veículo elétrico básico) nos EUA e o seu preço hipotético no Brasil, caso fosse importado. No Brasil, os carros elétricos têm a alíquota de IPI de 25%, contra 10% para os carros a gasolina - o que equivale, para o preço base dos EUA, a um acréscimo de dólares. Considerando-se a redução no IPVA ao longo da vida útil do carro (de 4% para 3% do valor do automóvel no Estado de São Paulo), estimada em 10 anos, o desconto total seria de

25 dólares. Esses dois efeitos somados fazem com que o carro elétrico seja dólares mais caro do que um equivalente a gasolina. Preço de um Nissan Leafnos EUA, fev/14 (US$k) Desconto EUA (US$k) 7,5 (% valor carro) 26% Preço hipotético de um Nissan Leaf importado para o Brasil, fev/14 (US$k) Carros elétricos tem IPI de 25% na importação, contra 10% para carros à gasolina Desconto Brasil Redução de IPVA de 4% para 3% (SP), ao longo da vida útil (considerada de 10 anos) (US$k) -2,0 (% valor carro) -3,6% Fonte: ABVE, secretaria da fazenda de SP, Nissan, Receita Federal, análise Bain Figura 22: Comparativo do preço e desconto de um Nissan Leaf no Brasil e EUA Dessa maneira, o primeiro passo para estimular a penetração desses veículos no mercado brasileiro é o estabelecimento de uma política de incentivos para veículos de baixo consumo e elétricos. A produção nacional de veículos dessas categorias poderia criar demanda pela FC no setor automotivo doméstico Infraestrutura A disponibilidade local de energia a preços competitivos é essencial para o desenvolvimento do segmento de FC no Brasil. A energia térmica, em especial o gás natural, é um insumo essencial para a fabricação do precursor da FC, o PAN. A energia elétrica, por sua vez, é fundamental para a produção da própria FC 10. Segundo especialistas da indústria, a energia elétrica representa cerca de 30-40% do custo caixa de conversão do precursor PAN em FC. Por este motivo, o custo da eletricidade é um fator competitivo relevante na produção de FC. De fato, a FC usada no BMW i3, fabricado na 10 Fonte: ABRAFAS (2014). 25

26 Alemanha, é produzida no estado de Washington, nos Estados Unidos, para aproveitar os custos competitivos da eletricidade local 11. Devido a isso, é interessante comparar o preço da eletricidade no Brasil com o de países produtores de FC, como mostrado na figura a seguir. Apesar de ser, aproximadamente, duas vezes mais caro do que o americano, o preço médio da energia praticado no Brasil foi inferior ao da Alemanha e ao do Japão em 2013, indicando que o Brasil poderia ter uma vantagem competitiva diante desses dois países produtores de FC. Preço da eletricidade para consumidores industriais em 2013 (US$/MWh) 194,3 149,3 179,4 72,1 *Apenas EUA continental **Valores até jun/13 ***Valores de Valores máximo e mínimo não disponíveis Nota: considera câmbio médio de 2013 Fonte: EIA, IEA, Aneel, Eurostat, Destatis Figura 23: Preço da eletricidade para consumidores industriais em 2013 (US$/MWh) 3.5. Recursos humanos e acesso ao capital O Estudo não identificou fatos relativos aos fatores de produção recursos humanos e acesso ao capital que afetem, de forma significativa, o desenvolvimento do segmento no Brasil. 4. Dinâmica da indústria A produção mundial de FC é concentrada em poucas empresas, principalmente japonesas, americanas e europeias. As empresas normalmente são integradas desde a produção do 11 SGL (2010) 26

27 precursor PAN até os produtos finais. Algumas aplicações que exigem propriedades específicas, como nos setores aeronáutico e eólico, requerem trabalhos exclusivos com os fornecedores tradicionais. Os parágrafos a seguir detalham a dinâmica da indústria Players A maior parte da capacidade produtiva de FC está concentrada em empresas de origem japonesa, americana e europeia, que juntas representam cerca de 80% do mercado mundial. Essas empresas por vezes possuem plantas em outras geografias, destacando-se as empresas japonesas com plantas nos EUA ou na Europa. Esse fato se deve a duas razões principais: Aproveitamento de fatores de produção mais favoráveis em outras geografias o Podemos citar como exemplo a energia elétrica nos EUA, que é mais barata do que no Japão ou na Europa. Como descrito anteriormente, a alemã SGL produz fibra de carbono nos EUA para ser usada na fabricação do BMW i3, que, por sua vez, é produzido na Alemanha 12. Proximidade de grandes consumidores o Empresas produtoras de FC instalam plantas próximas a seus principais consumidores, com quem normalmente têm acordos de longo prazo. Pode-se citar, por exemplo, a planta da japonesa Toray em Washington (EUA), instalada para suprir a demanda por FC do Boeing 787. Analogamente, a Hexcel inaugurou, em 2008, uma planta em Nantes (França) principalmente para fornecer FC para a produção do Airbus A380. A figura a seguir apresenta as maiores empresas que atuam em FC e seus escopos de atuação. As maiores empresas do mundo são a japonesa Toray, a americana Zoltek e a japonesa Toho. A maioria dos players é integrada desde o precursor PAN até as aplicações, passando pela FC. Apenas a Mitsubishi Rayon atua em acrilonitrila, que representa somente cerca de 20% do custo de produção de FC. 12 SGL (2010) 27

28 Figura 24: Escopo de atuação das principais empresas produtoras de FC Algumas aplicações da FC, como as do setor aeronáutico e eólico, exigem propriedades específicas e certificações que podem dificultar a entrada de novos players nesse mercado. A figura a seguir mostra os setores de atuação das principais empresas produtoras de FC. Embora todas forneçam o produto para o setor industrial, apenas as mais tradicionais atuam nos setores eólico e aeronáutico. Figura 25: Setores de atuação das principais empresas de FC 28

29 As plantas de FC historicamente possuem um baixo fator de utilização. No entanto, segundo especialistas do setor, os valores nominais de capacidade são dificilmente atingidos, devido ao tempo de manutenção (5%-10%) e ao tempo de setup para produzir diferentes produtos, o que pode reduzir a capacidade em mais de 50%, dependendo do número de grades diferentes produzidos. Desta forma os produtores evitam produzir diversos produtos na mesma planta. Mesmo considerando plantas modernas, que produzem no máximo dois produtos, a capacidade real de produção é aproximadamente 20% menor do que a nominal. Apesar do excesso de capacidade existente atualmente, as plantas já existentes e previstas não seriam suficientes para suprir a demanda global em 2020, projetada em 130 mil toneladas. Desse modo, haverá espaço para construção de novas plantas de FC. A figura a seguir apresenta as margens EBIT do negócio de FC dos principais players. As empresas Cytec, Hexcel e Toray têm foco no mercado aeroespacial, o mais sofisticado entre os consumidores de FC. A margem EBIT média das três empresas, que variou de 10% a 17% entre 2010 a 2012, foi a maior entre os players de fibras de carbono. Durante esse mesmo período, a Zoltek passou de margens negativas para positivas. Essa mudança na rentabilidade foi causada pela reestruturação da empresa em três unidades de negócios com diferentes focos: energia eólica, compósitos intermediários e fibras técnicas. O setor de compósitos intermediários desenvolve fibras de baixo custo, buscando aumentar a penetração da FC em novos mercados. No setor de fibras técnicas, estão os freios de aeronaves e produtos resistentes ao fogo e ao calor, para os mercados automotivo e de roupas de proteção. A SGL apresentou resultados negativos no período de 2010 a Segundo a empresa, os principais fatores causadores desses resultados foram os baixos preços da FC e o atraso nos projetos dos clientes (principalmente no mercado eólico e aeroespacial). Segundo especialistas, a empresa tem adotado uma estratégia de reduzir seus preços para aumentar a sua participação no mercado. 29

30 Margem EBIT do negócios de fibra de carbono dos principais players (%) Fonte: Cytec, Hexcel, Zoltek, Toray, SGL, análise Bain / Gas Energy Figura 26: Margem EBIT dos negócios de fibra de carbono dos principais players (%) 4.2. Escala global O mercado de FC é pequeno, sendo a capacidade nominal instalada no mundo, em 2012, de aproximadamente 110 mil toneladas (90 mil toneladas de capacidade real). Com isso, a escala das plantas desse produto é consideravelmente menor do que a de outros produtos químicos, chegando, no máximo, a cerca de 8 mil toneladas. Segundo especialistas, o grupo de maiores plantas do mundo possui capacidade anual entre 5 mil e 8 mil toneladas, normalmente pertencentes a grandes empresas globais de FC, como Toray, Zoltek, Toho e Mitsubishi Rayon. Juntas, essas empresas possuem cerca de 56% da capacidade instalada no mundo. As plantas chinesas são menores, com capacidade de no máximo 1500 toneladas por ano. 30

31 5. Indústrias relacionadas As entrevistas com especialistas do setor não identificaram qualquer entrave em indústrias relacionadas que possa afetar o desenvolvimento da produção local de FC. Os equipamentos para a produção de FC são fornecidos por diversas empresas como C. A. Litzler, Despatch Industries e Harper International, o fornecimento é global e não existem contratos de exclusividade com produtores tradicionais de FC. Além disso, as empresas estão dispostas a vender os equipamentos para novas fabricantes de FC em países emergentes, como ocorreu com a Aksa, na Turquia, e com fabricantes chineses. 6. Diagnóstico O consumo global de FC cresceu a uma taxa anual média de 8% a 10% entre 1984 e 2011 e deverá crescer em média 15% ao ano entre 2011 e As maiores fontes de crescimento serão os setores eólico, aeronáutico e automotivo. O Brasil está em uma posição privilegiada para capturar parte do crescimento da demanda por FC. O País poderá representar de 5% a 10% da demanda global por FC em O crescimento da demanda brasileira deverá se concentrar em dois setores: Pás eólicas: A produção nacional de pás eólicas representou 12% da produção global em 2009 e 20% em Em 2013, os produtores nacionais de pás eólicas consumiram 1,9 mil toneladas de FC, e poderão consumir entre 5,3 e 10,6 mil toneladas em Óleo e gás offshore: A produção de óleo e gás em águas profundas no Brasil poderá aumentar de 1,6 milhão de barris por dia, em 2012, para 3,2 milhões em Com isso, o País deverá concentrar cerca de 75% do crescimento mundial do setor. Maiores profundidades deverão resultar em maior uso da FC em risers de perfuração e produção e umbilicais. O setor local poderá usar cerca de 1,6 mil toneladas de FC em Outros setores nacionais também poderão representar fontes relevantes de demanda a médio prazo. Por exemplo: Construção de novos aviões da Embraer que utilizem FC em estruturas primárias; Maior penetração em veículos em decorrência de mudanças regulatórias que incentivem maior eficiência. Além dessas outras fontes, é esperado que a existência de produção local de FC naturalmente aumente a sua penetração em outros setores, como na construção civil e em artigos esportivos. 31

32 Atualmente o Brasil não produz FC. O aumento da demanda nos setores eólico, offshore e aeroespacial poderá elevar o déficit da balança comercial do produto de 47 milhões de dólares, em 2013, para 167 a 291 milhões, em A viabilidade de uma fábrica local dependeria da disponibilidade de matéria-prima (acrilonitrila) e energia (térmica e elétrica) a preços competitivos, similares aos praticados no mercado internacional 13. É importante notar que a FC contida nos produtos finais tem um valor agregado de 17 a 20 vezes maior que o valor da própria FC, o que torna a soma da importação de FC e da exportação dos produtos finais positiva para o País. Desta maneira, eventuais políticas destinadas a incentivar a produção doméstica de FC devem considerar a importância de não onerar os seus consumidores, que possuem exportação relevante dos produtos finais. A demanda prevista por FC em 2020 deverá se situar entre 7,1 e 12,4 mil toneladas. Como descrito anteriormente, as plantas normalmente são capazes de operar a cerca de 80% da capacidade nominal, devido a paradas para manutenção e tempo de setup para diferentes produtos. Desta forma, para suprir a demanda nacional, seria necessária uma planta com capacidade nominal entre 9 e 16 mil toneladas por ano. Tal escala é superior à das maiores plantas globais (que possuem no máximo 8 mil toneladas por ano de capacidade instalada nominal) e suficiente para atrair produtores estabelecidos. A atração de produtores estabelecidos permitiria que o Brasil avançasse rapidamente na curva de experiência. A produção nacional de FC poderia ocorrer em duas etapas: A primeira envolveria a produção da FC utilizando o PAN precursor importado. Esta etapa depende da instalação no Brasil de uma empresa tradicional em FC, devido à restrição dessas empresas em vender o PAN precursor para terceiros; A segunda envolveria aproveitar o excedente local de acrilonitrila para produzir o PAN precursor. Esta proposta de estratégia busca facilitar a atração de um produtor tradicional, ao reduzir o seu investimento inicial e, portanto, o risco do projeto. A produção local do PAN precursor poderia acontecer em um segundo momento, após o mercado local de FC ter sido desenvolvido pelo produtor. Conforme indica a figura a seguir, a produção nacional da FC poderá reduzir o déficit comercial previsto em cerca de 40% a 50%, para 78 a 136 milhões de dólares em Caso a produção do precursor também seja feita no País, este déficit pode ser reduzido para 32 a 56 milhões de dólares em Fonte: ABRAFAS (2014). 32

33 Cenários de balança comercial Brasil 2020 Fibras de carbono (US$M) Deficit da balança comercial FC PAN Acrilonitrila 32 1 Produção de FC com importação de PAN (precursor) 2 Produção de PAN com acrilonitrila local Fonte: CCeV, GWEC, AliceWeb, entrevistas com experts, análise Bain / Gas Energy Figura 27: Cenários da balança comercial Brasil 2020 Fibras de carbono (US$M) A criação de um polo de compósitos permitiria o fortalecimento do setor nacional. Empresas eólicas poderiam ser âncoras ao redor das quais outras empresas se instalariam. É importante considerar que o setor eólico tem potencial para ser o principal consumidor de FC no Brasil e representar entre 75% e 85% da demanda doméstica. Porém, há incertezas nessa projeção, e a demanda por FC no setor eólico nacional dependerá do desenvolvimento e da produção de pás vendidas para mercados internacionais. Dessa maneira, o principal fator necessário para o desenvolvimento do setor doméstico de FC é o fortalecimento e expansão dos produtores de pás eólicas. O setor global de FC está expandindo sua capacidade para suprir a demanda projetada: é urgente, portanto, que o Brasil se movimente para capturar parte dessa oportunidade Linha de ação a) Incentivos à demanda: i. O Brasil tem potencial representar 5% a 10% da demanda global por FC em Para que esse cenário se concretize, é interessante estimular os seus mercados consumidores, com ações como: 33