Tese de Doutorado

Indústrias de diversos segmentos com papéis relevantes no cenário mundial utilizam processos eletroquímicos em seus sistemas de produção. As indústrias de cloro-soda desempenham um papel relevante neste segmento, no qual representam mundialmente um consumo energético de cerca de 200 GWh/ano. A energia representa mais de 30% dos custos variáveis de produção das plantas que envolvem este tipo de processo. Este estudo está focado na importância do hidróxido de sódio e do cloro como produtos intermediários para o setor industrial mundial, e no alto consumo energético específico envolvido na etapa de eletrólise de tais processos (2500 kWh/t de NaOH). A tese propõe um modelo matemático para células eletrolíticas em processos industriais, considerando todos os principais fatores que afetam a eficiência energética. Trata-se de uma ferramenta importante para auxiliar na seleção de condições favoráveis na operação industrial, o que pode resultar em economia significativa de energia e melhoria de desempenho. Vários cenários foram testados, nos quais foi possível identificar as melhores condições operacionais e o momento para realização de troca das membranas e dos revestimentos dos eletrodos, em que a função objetivo lucro operacional é maximizada. Os resultados mostram que o lucro operacional depende muito dos preços da energia elétrica, gás natural, cloro, soda e hidrogênio, bem como o custo da membrana e dos revestimentos. Sendo assim, não há uma única resposta. Isto depende do local onde a unidade está instalada e a política de preços dos produtos e insumos, assim como as condições das células. O presente trabalho disponibiliza uma ferramenta em que todas essas variáveis são consideradas, permitindo sua aplicação em qualquer unidade de eletrólise com membrana, podendo deste modo contribuir para redução no consumo de energia, melhoria na eficiência de conversão, redução nas emissões de CO2, e melhoria do lucro operacional.

Industries from various segments with relevant roles in the world scenario use electrochemical processes in their production systems. Chlorine-soda industries play a relevant role in this segment, in which they represent an energy consumption around the world of 200 GWh/year. Energy represents a significant fraction of the production costs for these industrial segments. In the case of the chlorine-soda segment, this represents, on average, more than 30% of the variable costs of the plants involving this type of process. This study is focused on the importance of sodium hydroxide and chlorine as intermediate products to the industrial sector worldwide and on the high specific energy consumption involved in the electrolysis step of such processes (2500 kWh/t of NaOH). Given the present trend towards higher prices of energy sources and consequently higher participation of energy in production costs, the mathematical model for the electrolytic cells in industrial processes, as proposed in this study, is an important tool to assist in the selection of favorable conditions in industrial operation, which can result in significant energy savings and performance improvement, with all direct and indirect benefits. Several scenarios were tested, in which it was possible to identify the best operating conditions and the time to change the membranes and electrode coatings, in which the operating profit objective function is maximized. The results show that the operating profit depends largely on the prices of electricity, natural gas, chlorine, soda, and hydrogen, as well as the cost of the membrane and coatings. Therefore, there is no single answer. This depends on the location where the unit is installed and the pricing policy of products and inputs, as well as the conditions of the cells. This study provides a tool in which all these variables are considered, allowing its application in any electrolysis unit with a membrane, thus contributing to reducing energy consumption, improving conversion efficiency, reducing CO2 emissions, and improving operating profit.