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