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Publicação
Melhoria da eficiência energética na indústria agroalimentar por incorporação de materiais de mudança de fase (PCM) em equipamentos produtivos
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Orientador(es)
Resumo(s)
De acordo com a Organização das Nações Unidas para a Alimentação e a Agricultura
(FAO), o sector agroalimentar é caracterizado por uma elevada dependência de combustíveis
fósseis, sendo responsável por 5% do consumo de energia a nível mundial. Estimando-se em
3% o peso da energia no custo do produto final, a exposição à variabilidade do preço da ener-
gia é um fator de risco para o sector. Sendo parte significativa da energia consumida utilizada
na produção de calor em operações de transformação de matérias-primas a baixa temperatura,
inferiores a 120 °C, torna-se determinante para a eficiência energética da indústria o desenvol-
vimento de soluções adequadas à valorização e armazenamento de energia térmica.
A oportunidade de exploração de materiais de mudança de fase (PCM) na indústria
agroalimentar, potencia o desenvolvimento de soluções de elevada estabilidade térmica e den-
sidade energética, mais eficientes que os atuais meios de armazenamento em calor sensível.
No entanto, migrar a infraestrutura tecnológica instalada, para soluções de armazenamento
de calor latente, coloca incertezas que podem exigir mudanças profundas na logística indus-
trial, equipamentos e cadeias de produção. Se esta transformação tecnológica pudesse ser al-
cançada, mantendo os equipamentos existentes, os processos e a dinâmica de operação, então
a perceção de valor para a indústria e a disseminação de resultados seria mais fácil e rápida.
No decurso do presente trabalho procura-se demonstrar a possibilidade desta mudança
de paradigma, transitando de soluções de armazenamento energético em calor sensível, base-
adas em arquiteturas centralizadas e de grande volumetria, para um modelo distribuído, sus-
tentado em materiais PCM, incorporados na estrutura dos equipamentos das linhas de produ-
ção. Na persecução desta hipótese selecionou-se, modelizou-se e simulou-se computacional-
mente e demonstrou-se experimentalmente, a operação de um equipamento representativo de
uma classe de máquinas industriais que operam em modelo de camisa de aquecimento.
Os resultados do estudo de caso validam a hipótese e sustentam a possibilidade de ex-
trapolação para outros equipamentos do sector, contribuindo para: i) melhorar a eficiência
energética; ii) simplificar o processo de captura e armazenamento de energia; iii) minimizar o
impacto de transformação tecnológica, promovendo a adoção ao nível dos equipamentos e
infraestruturas existentes; e por consequência, iv) contribuir para a redução da dependência
de fontes de energia externa, emissão de gases com efeito de estufa e custo do produto final.
According to the United Nations Food and Agriculture Organization (FAO), the agroin- dustry sector is characterized by a high dependence on fossil fuels, accounting for 5% of energy consumption worldwide. With an estimated contribution of 3% to the products final costs, the sector’s exposure to energy price variability is an important operational risk factor. As a significant part of the energy consumed is used in the production of heat for low temperature operations, below 120 °C, the development of adequate solutions for thermal en- ergy recovery and storage, are crucial for the energy efficiency of the industry. The opportunity to explore phase change materials (PCM) in the food industry boosts the development of solutions with high thermal stability and energy density, more efficient than current sensitive heat storage solutions. However, migrating the installed technological infrastructure to latent heat storage solutions poses several uncertainties, which may require profound changes in existing industrial logistics, equipment, and production chains. If this technological transformation could be achieved, keeping existing equipment, processes and operating dynamics, the perception of value for the industry and the dissemination of results, would be much easier and faster. In the course of this work, we seek to demonstrate the possibility of this paradigm shift, moving from energy storage solutions in sensitive heat, based on centralized and large-volume architectures, to a distributed model, supported on PCM materials, incorporated in the struc- ture of the production lines equipment’s. In pursuit of this hypothesis, it was selected, mod- eled, computationally simulated and experimentally demonstrated the operation of a repre- sentative equipment of a class of industrial machines that operate in a heating jacket model. The results of the case study validate the hypothesis and support the possibility of ex- trapolation to other agro-industrial equipment’s, contributing to: i) improve the sector’s en- ergy efficiency; ii) simplify the energy capture and storage process; iii) minimize the impact of technological transformation, promoting the adoption at the level of existing equipment and infrastructure; and, consequently, iv) contribute to reducing dependence on external energy sources, greenhouse gas emissions and cost of the final product.
According to the United Nations Food and Agriculture Organization (FAO), the agroin- dustry sector is characterized by a high dependence on fossil fuels, accounting for 5% of energy consumption worldwide. With an estimated contribution of 3% to the products final costs, the sector’s exposure to energy price variability is an important operational risk factor. As a significant part of the energy consumed is used in the production of heat for low temperature operations, below 120 °C, the development of adequate solutions for thermal en- ergy recovery and storage, are crucial for the energy efficiency of the industry. The opportunity to explore phase change materials (PCM) in the food industry boosts the development of solutions with high thermal stability and energy density, more efficient than current sensitive heat storage solutions. However, migrating the installed technological infrastructure to latent heat storage solutions poses several uncertainties, which may require profound changes in existing industrial logistics, equipment, and production chains. If this technological transformation could be achieved, keeping existing equipment, processes and operating dynamics, the perception of value for the industry and the dissemination of results, would be much easier and faster. In the course of this work, we seek to demonstrate the possibility of this paradigm shift, moving from energy storage solutions in sensitive heat, based on centralized and large-volume architectures, to a distributed model, supported on PCM materials, incorporated in the struc- ture of the production lines equipment’s. In pursuit of this hypothesis, it was selected, mod- eled, computationally simulated and experimentally demonstrated the operation of a repre- sentative equipment of a class of industrial machines that operate in a heating jacket model. The results of the case study validate the hypothesis and support the possibility of ex- trapolation to other agro-industrial equipment’s, contributing to: i) improve the sector’s en- ergy efficiency; ii) simplify the energy capture and storage process; iii) minimize the impact of technological transformation, promoting the adoption at the level of existing equipment and infrastructure; and, consequently, iv) contribute to reducing dependence on external energy sources, greenhouse gas emissions and cost of the final product.
Descrição
Palavras-chave
Agroindústria Armazenamento Descentralizado de Energia Térmica Eficiência energética Materiais de Mudança de Fase