[In Industrial Manufacturing, Efficiency Falls as Technology Advances]

Um estudo compreensivo sobre velhos e novos processos de manufatura, da usina­gem de metais à frabricação de nano-fibras de carbono, mostra que as tecnologias mais avançadas são menos eficientes no uso de energia e matérias primas por qui­lo de produto comercial

1 de maio de 2009

No século passado, a manufatura industrial foi dominada por processos em larga escala, de­­voradores de energia, tais como a fusão de minérios e a usinagem de metais. Atualmen­te, o cenário industrial apresenta um conjunto de técnicas modernas que funcionam em es­calas muito menores, produzindo chips de computador, nano-fibras de carbono e outros pro­dutos sofisticados. Essa evolução no sentido de uma manufatura mais avançada em tecno­logia ocorreu ao custo de uma acentuada queda na eficiência — é o que mostra um novo es­tudo. Os processos mais hi-tech podem consumir até um milhão de vezes mais energia e matérias primas para uma dada quantidade de produtos finais do que os processos industri­ais tradicionais — uma tendência que pode fazer fracassarem os esforços para construir uma economia industrial mais consciente no emprego da energia que use matriais e tecno­logias de ponta.

Qualquer processo de manufatura usa energia para transformar as matérias primas em um produto desejado. Porém, algo das matérias primas geralmente irá para o lixo e a energia nem sempre é usada de maneira tão eficiente quanto podia ser. Para compreender melhor essas perdas, Timothy Gutowski do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) em Cambridge, Mass., e seus colegas desenvolveram um modelo, com base nas leis da termo­dinâmica, que rastreia tanto as transformações energéticas, como as físicas ou químicas dos materiais, na medida em que passam pelas fases de um processo industrial.

Os cientistas pesquisaram 20 técnicas de manufatura. Os processos tradicionais incluíram a fusão e a fundição de metais, moagem e usinagem, e a moldagem por injeção de plásti­cos, juntamente com inovações mais recentes tais como o uso de lasers e jatos d’água para a modelagem de materiais. Completando a lista de técnicas, aparece a vasta gama de processos usados no setor de micro-eletrônica, tais como a deposição química por vapor e sputtering (pulverização catódica), bem como a produção de nano-fibras de carbono.

Com exceção dos métodos que envolvem a fusão de metais, as demandas de energia para cada processo foram surpreendentemente similares, variando entre 5 a 50 kilowatts de ele­tricidade. Por outro lado, as quantidades de material processadas variava enormemente, indo de centenas de quilogramas por hora ou mais, para os processos mais antigos, até umas poucas miligramas por hora para as duas técnicas mais recentes. Uma tendência es­pantosa começou a aparecer: na medida em que os processos se tornavam mais sofistica­dos tecnologicamente, tendiam a manipular quantidades cada vez menores de material em ritmos cada vez mais lentos, mas, como o consumo de energia por processo continuava a ser quase o mesmo, a quantidade de energia necessária para gerar uma dada quantidade de produto acabado crescia rapidamente.

Gutowski e seus colegas concedem que um processo ineficiente, funcionando sobre uma pe­quena quantidade de material, pode não ser muito importante quando comparado a todo o consumo de energia pela indústria. Entretanto, eles observam que o mundo produz atual­mente mais de 20.000 toneladas de silício com pureza para a indústria eletrônica por ano, consumindo cerca de 50 bilhões de quilowatts-hora de eletricidade nesse processo. A pro­dução de fibras de carbono, cuja utilização é frequentemente proposta para aplicações em larga escala, fica na mesma faixa em termos de energia usada por quilograma de produto. Ambas as indústrias envolvem processos que caem nas faixas inferior e média de eficiên­cia descobertas pelos pesquisadores do MIT, de forma que a falta de atenção para o uso mais eficiente de energia pode ter consequências significativas.

As modernas técnicas industriais frequentemente requerem materiais e processos elabora­dos cujos custos energéticos e de matéria prima não são diretamente incorporados no pro­duto. Por exemplo, gases altamente reagentes podem ser empregados para a limpeza de equipamentos de produção de chips de silício, em preparação para etapas subsequentes, e esses gases podem ter que ser quimicamente tratados depois do uso por questões de se­gurança ou de controle de poluição. Esses elementos marginais, porém essenciais, de um processo de manufatura hi-tech podem reduzir enormemente seu “grau de perfeição” — a razão entre o valor termodinâmico do produto e o valor termodinâmico de tudo o que é ne­ces­sário para fazê-lo. Quanto mais “ideal” for um processo, mais essa razão se será de um para um. Na verdade, os processos podem variar significativamente em seus graus de per­fei­­ção. Por exemplo, a equipe do MIT calculou que uma fornalha elétrica que derrete sucata e outros tipos de ferro para gerar um produto metálico refinado, pode ter um grau de perfei­ção de 0,79. Em comparação, um processo de deposição química de vapor, usado pela in­dústria de semicondutores para produzir finas camadas de dióxido de silício, pode ter um grau de perfeição menor um pouco do que 4 milionésimos (0,000004).

No projeto de processos que transformam materiais caros em pequenas quantidades de pro­dutos hi-tech, os fabricantes se focalizaram em diversas questões tais como tamanho e qualidade, mas, como diz Gutowski, “não tiveram fortes incentivos para reduzir o consumo de energia”. Mas isso pode estar mudando. Fabricantes de painíes solares, por exemplo, estão bem conscientizados do processo gastador de energia que usam, e o incluem nas estimativas do prazo de auto-compensação — em termos tanto de energia, quanto de di­nheiro — dos produtos que fabricam. Para ser realmente “verde”, em outras palavras, um painel solar deve produzir uma quantidade substancialmente maior de energia, durante sua vida útil, do que a consumida para produzí-lo.

Este tipo de racicínio ainda não tomou pé em outras áreas, tais como a dos nano-materiais, acrescenta Gutowsk, onde os custos energéticos da manufatura não são amplamente co­nhecidos. Quanto mais as apliações desses materiais ganhar atenção, especialmente no contexo da tecnologia “verde”, “terá que ocorrer uma negociação mais séria com relação aos custos energéticos. Apresentando um modelo analítico compreensivo que pode conta­bilizar tanto o material quanto a energia usados na manufatura industrial, o estudo do MIT disponibiliza uma linguagem na qual essa negociação pode ser conduzida.

Investigadores

Timothy Gutowski

Instituições/Organizações Relacionadas

Massachusetts Institute of Technology