Urge modernizar/gerar eletric/rentabilizar, o esquecido setor cerâmico/carvão, 2o menos sustentável

No Mundo, é uma indústria em expansão, pois a demanda por tijolos está aumentando quase que universalmente, devido à aceleração do crescimento econômico, recente e até surpreendente, em alguns países, inclusive na África, Oriente Médio e leste europeu (inclusive agora com a COVID mundial, em que a construção civil, curiosamente, além de não parar, até acelerou no Brasil e outros países - e isto mesmo com os preços em forte elevação continuada dos materiais de construção e das construções/habitações - em especial de casas, ampliando muito nos últimos 24 meses), tudo indicando maior urbanização e certa prosperidade, mas de alguns.

Estatisticamente, cada cidadão asiático consome cerca de 250 tijolos por ano, embora os padrões de uso variem: o consumo é maior em áreas urbanas de rápido desenvolvimento, e, recente, também há uma forte tendência de uso de tijolos para a melhoria de casas rurais. O sonho mais comum dos pobres é substituir suas casas de barro por materiais de construção sólidos, e, como eles podem não ter dinheiro para construir sua casa de uma vez, eles fazem isso 'tijolo por tijolo' (dai o título).

Adicionalmente, em Bangladesh e nas planícies fluviais do norte da Índia, onde nenhuma pedra é encontrada (como acontece tb em muitos locais do Brasil), grandes quantidades de tijolos são utilizadas ??para fazer cascalho para a subestrutura de estradas ou como um agregado em concreto. Na Asia, mais de 1,0 bilhão de tijolos são produzidos e consumidos anualmente, um número quase que inimaginável. É o tamanho equivalente a 100.000 edifícios do Empire State de Nova York, e a área de superfície corresponde a 10 vezes a área atual de Manhattan. Esta inacreditável quantidade de área construída está sendo criada na Ásia ano após ano.

SOMENTE na Asia, para produzir esses 1,0 bilhão de tijolos/ano, a indústria, SOMENTE de tijolos, consome 110 milhões de toneladas de carvão por ano, outro número difícil de se imaginar. Se este carvão fosse carregado em caminhões transportando dez toneladas cada (pela elevada massa e com pouco peso), esta carga conjunta criaria o equivalente a um congestionamento de caminhões de três pistas ao redor do globo.

SOMENTE NAQUELA MACROREGIÃO - muito populosa e boa parte ainda em desenvolvimento ou sub-desenvolvida - as 110,0 milhões de toneladas de carvão sozinhos - sem contar a eletricidade usada na produção de tijolos mais o diesel para o transporte dos tijolos - produzem alguns 180,0 milhões de toneladas de CO2, cerca de 35% do total Emissões de CO2 da indústria aérea global (550,0 milhões toneladas de CO2).

Nas áreas rurais e no sul da Ásia, o contínuo, famoso e ainda dos mais usados "forno de trincheira com chaminés (também conhecido como “forno de churrasqueiras/assados" e chamado de forno BTK ou “Bull's Trench Kiln” –, pois baseados em projeto do engenheiro britânico W. Bull no final do século XIX) é muito popular. Ele possui uma chaminé móvel ou fixa e é um forno com fogo móvel por meio do qual as chamas se movem através dos tijolos empilhados em uma trincheira oval. Neles, uma trincheira oval ou circular é cavada, com 6–9 metros de largura, 2-2,5 metros de profundidade e 100–150 metros de circunferência. Uma chaminé alta para exaustão é construída no centro. Metade ou mais da trincheira é preenchida com tijolos "verdes" (não queimados), que são empilhados em um padrão de rede aberta para permitir o fluxo de ar. A estrutura é, ao final, coberta por uma camada de tijolo acabado. Quando em operação, novos tijolos verdes, juntos com os tijolos de cobertura, são, então, empilhados em uma das extremidades da pilha de tijolos. Os tijolos acabados e já resfriados são, então, removidos da outra extremidade para serem transportados até seus destinos. No meio, os operários criam uma zona de fogo, jogando combustíveis (carvão, madeira, óleo, entulho e assim por diante) através de orifícios de acesso no telhado acima da trincheira.

Na Índia e na China, a pesquisa já está se mexendo e propondo os usos do Forno de Tijolo de Eixo Vertical de nome VSBK (“Vertical shaft brick kiln”), desenvolvido na China (vide apresentação de apenas 4 pg. -em inglês mais fotos em https://www.shareweb.ch/site/Climate-Change-and-Environment/about%20us/about%20gpcc/Documents/04%20Vertical%20Shaft%20Brick%20Kiln%20(VSBK).pdf). Neles - bem mais eficientes em energia, até porque o calor sobe, isto apesar de parecerem bastantes com um prédio antigo e não como um edifício de alta tecnologia – consome-se apenas 110 gramas de carvão para produzir um tijolo de 3 kg, em vez de 250-700 gramas usados nos fornos tradicionais. Eles até ofuscam o moderno forno túnel que usa o equivalente a cerca de 200 gramas de carvão para fazer o mesmo tijolo.

Curioso é que a maior eficiência dos VSBK se baseia, apenas e literalmente, na adição de mais furos aos tijolos. Segundo os autores, um bom tijolo oco faz o mesmo trabalho que um sólido, vez que apenas a massa - e não os buracos – precisa ser queimada e, assim, o consumo de energia térmica é menor. Um tijolo com apenas 20% da superfície total já na forma de buracos nos locais certos usará quase 20% menos de carvão (fineza não confundir tijolos ocos com blocos/lajotas de concretos frios, também ocos e apenas pré-formados/não queimados, estes com baixos custos, mas, idem, com baixíssimas resistências físicas e que já estão sendo abandonados aos poucos, até pelo baixo benefício/custo imediato ou em médios prazos).

O interessante, e desejado, - especialmente para as classes médias urbanas de rápido crescimento nas megacidades da Ásia - é se ter uma propriedade com melhor isolamento de um tijolo oco, o que pode economizar uma quantidade significativa de energia também no ar-condicionado. E isto é apenas o começo: muito mais economia pode ser feita através de edifícios em conformidade com os padrões de consumo ideal de energia.

Assim, AMBIENTALMENTE descrevendo, até 40% das 180,0 milhões de toneladas/ano de CO2 emitidas pela indústria asiática de tijolos poderia ser salvar muitos e apenas mudando para fornos mais eficientes, como o VSBK. Já bem maiores economias de energia podem ser feitas com a introdução - rápida e maçicas/incentivadas/premiadas - de tais tijolos ocos. Isso pode reduzir diretamente a energia usada para queimar (pela menor massa de argila a ser queimada), mas também por meio de melhor isolamento das paredes residenciais feitas com tijolos ocos, reduzindo assim a energia necessária para os aquecimentos e resfriamentos dos edifícios. Este aspecto é especialmente relevante, como em áreas urbanas da Ásia, onde a parcela de edifícios com ar condicionado está aumentando muito e rapidamente.

Mesmo se calcularmos de forma muito conservadora que apenas 25% dessas emissões de CO2/ano podem ser economizadas, cerca de 44,0 milhões de toneladas de economia potencial de CO2 são possíveis com a introdução de olarias/industrias mais eficientes, conforme medições e diagnosticos da propria indústria de tijolos asiática. Se considerarmos economias de energias superiores a 60% na produção de tijolos, tudo pode resultar na economia de 108,0 milhões de toneladas / ano de CO2, o que equivale a a economia potencial prevista na indústria aérea através da introdução dos novos Boeing 787 Dreamliner (isto se todas as companhias aéreas mudassem para tal aeronave 787, em que se alegou ter uma eficiência energética 20% maior ante os demais).

Em complemento, em diagnóstico de 2010 pelo Centro Cerâmico de Bolonha (Itália) junto a Cerâmica Castelvetro comprovou-se, desde 2003, a possibilidade de co-geração elétrica em forno cerâmico de rolos para produção de porcelanatos – ainda simples e não na forma que prevemos patentear - de 3,8 MWh de eletricidade na substituição de fornos por outros bem mais modernos (capacidade de produção de 8.300 m2/dia de grés porcelanato esmaltado), mas com geração elétrica ainda via pequenas, mas caríssimas, turbinas a gás. Somente o calor perdido no resfriamento do forno equivalia a 1.595 KWh e a ser somado aos 628,00 kwh de calor recuperado, chegando a 39,4% do calor total recuperado somente no resfriamento e a 20,4% do calor total produzido no forno (portanto, ainda com baixa recuperação geral, entre as que projetamos). De futuro, planejava-se também certa auto-suficiência elétrica pela instalação de painéis fotovoltaicos nos telhados dos edifícios industriais, que têm dezenas de milhares de metros quadrados.

Em caso comparativo de resultados e de perdas térmicas elevadíssimas também na produção de telhas cerâmicas vermelhas, a UFRN mais a UFSJDel-Rey mais Univ. Fed. Viçosa realizaram em 2015 diagnósticos de campos sobre a qualidade final e as elevadas perdas de renda, pela menor qualidade, devido às elevadas perdas térmica em fornos do tipo caipira, ainda rudimentares, MAS COMUNS EM TODO O BRASIL pelo baixo custo de construção e de manutenção de operação, porém  com baixíssima eficiência energética.

 Os fornos tinham 9,95 m de largura × 3,02 m de comprimento × 2,26 m de profundidade; as câmaras de combustão apresentaram dimensões de 54 cm de largura × 49 cm de altura × 372 cm de profundidade. Esses fornos acomodavam aproximadamente 37 a 42 mil telhas por queima. Não possuem grelhas na estrutura das câmaras de combustão, sendo que as cinzas são retiradas (manualmente) ao final de cada ciclo. O processo de enchimento de forno com lenhas locais, com 14% até 30% de umidade (quanto maior o teor de umidade da madeira, maior a quantidade de energia necessária para retirar a água, o que implica em perda de material que será efetivamente queimado), infelizmente, ainda era feito por uma abertura na parte da frente, que em seguida era fechada com barro (situação comum no Brasil, em especial rural e nas pequenas cidades). Após o fechamento dessa entrada dá-se início ao processo de queima, e ao final desse processo inicia-se o resfriamento dos produtos cerâmicos; em seguida pode-se realizar a retirada dos produtos fabricados.

EMBORA, fossem necessários atingir-se temperatura de 900º C a 950º C e já nas partes baixas do forno para uma boa sinterização/queima (outros indicam a necessidade média de 850º C para tanto), a parte central do forno foi a área que atingiu maiores temperaturas de maneira homogênea, com maior concentração de telhas de primeira qualidade; a curva de temperatura ocorreu com temperatura APENAS de 100 °C a 400 °C, mas – mesmo - se obtendo média de apenas 18,66% de produto de primeira qualidade. As médias das temperaturas observadas durante a queima nos tratamentos não ultrapassaram 250° C.

EM TERMOS DE PERDAS DE RENDAS REAIS, comprovou-se, infelizmente, que ao final das queimas e dos resfriamentos que somente cerca de 20,0% nos fornos comuns (ampliando para cerca de 35,0% nos com queimas bem controladas, em termos de locais térmicos e de tempos de queima) eram de telhas de primeira qualidade (queimadas mais no centro e abaixo). A produção de telhas de segunda qualidade chegava a 70% nos com queimas controladas e a 85% nos sem controles.

Concluíram, então, que: 1) O forno do tipo "caipira" apresentou perfil térmico heterogêneo, verificou-se que houve o encerramento do processo antes de se atingir uma temperatura adequada à produção de maior quantidade de telhas de melhor qualidade; 2) O parâmetro de esticar-se e de medir-se as dilatações nos fios de cobre, internalizados e com as pontas para fora, para as medições térmicas -  técnica primária, comum e antiga, quase medieval - foi significativo para todos os tratamentos, mas a variação de oscilações foi diferenciada entre os tratamentos, demonstrando que o fio não deve ser usado de forma genérica e exclusivamente como o único critério para finalização do processo de queimas; 3) A parte central do forno foi à área que atingiu maiores temperaturas e de maneira mais homogênea, havendo assim a maior concentração de produtos de primeira qualidade; 4) Recomendam-se aumento na espessura das paredes do forno, juntamente com isolantes e utilização de grelhas para suspensão das cerâmicas, visando melhorar na eficiência térmica. Vide tudo detalhado em https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-67622015000500963

Assim, sobram elevadas termias internas, e até externas, no topo mais nos pisos e partes das paredes, que podem ser melhores utilizadas/até encapsuladas-isoladas-manteadas com mylar ou laminas finíssimas de aço AISI 316 ou até AISI 304 (OBS: NÃO SE TRATA DE INSULAGEM = ISOLAMENTO, MAS DE ENCAPSULAGEM PARA A MANUTENÇÃO, AMPLIAÇÃO E CAPTURAS TÉRMICAS INTERNAS, EXCEDENTES E CONTROLADAS/TERMO-PAREADAS/COMPUTACIONADAS, COMO NOS FORNOS DE FOGÃO, e sem ampliar as termias internas, ao contrario, pois roubando-as/sequestrando-as/ESTOCANDO-AS/utilizando-as de forma inteligente para ampliar a renda com geração ELÉTRICA e/ou outras demandas de aquecimentos e até refrigerações locais , como se faz nos chiller de absorção para resfriamentos e condicionamentos de ar local). Quando externas, tais capsulas vedadas, recebendo calor de dentro para fora, até podem ser muito bem ENSOLARADAS externa e adicionalmente, MAIS bem medidas/bem acompanhadas/bem coletadas, BEM ADMINISTRADAS computacionalmente, tudo para sair do “zero” resultados socioeconômicos e ambientais e, agora, para gerar muita eletricidade conjunta e/ou aquecimentos industriais e/ou residenciais e até para refrigeração pelo fluxo reverso, do tipo chiller de absorção. AO FINAL, TUDO ISTO SEGUIRÁ - DE FORMAS ISOLADAS OU SOMADAS - PARA USOS PRÓPRIOS E/OU PARA VENDAS PARA BEM MAIORES RENTABILIZAÇÕES SETORIAIS E COM CUSTOS MUITO BAIXOS, ATÉ POR SE TRATAREM DE REAPROVEITAMENTOS TÉRMICOS E COM CUSTOS JÁ PAGOS. Outros estudos no Brasil (UFSC) apontam que em cada forno cerâmico pequeno se perde até 296,6 KWh somente pela não geração elétrica. ASSIM,  a meu ver, os ganhos elétricos, ambientais e, sobretudo, socioeconômicos com tais possíveis “retrofit” agroindustriais/setoriais ou novos modelos a instalar seriam gigantes e extensíveis a pelo menos uns 10 outros setores (até concorrenciais por carvão, lenhas, pneus velhos, resíduos da indústria da madeira e agrícolas etc.., além dos nefastos GLP, óleos combustíveis ou do GN nos que ainda suportam custos bem maiores), todos em que ocorrem as mesmas perdas térmicas internas/externas de qualquer porte e local, em até milhares de unidades agroindustriais agregadoras/transformadoras, inicialmente na América do Sul e após em outros países.

ASSIM, SEM DUVIDAS, RECUPERAR-SE CALOR EXCESSIVO/- JOGADO FORA/DESPERDIÇADO/ABANDONADO - PARA BOAS GERAÇÕES ELÉTRICAS E/OU DE AQUECIMENTOS E/OU DE REFRIGERAÇÕES REVERSAS PARA USOS PRÓPRIOS/VENDAS, NESTE MOMENTO SOCIOECONÔMICO E AMBIENTAL CRUCIAL (em que poucas empresas pequenas e médias sobreviverão), É UM TEMA NOVO, EXCITANTE,  NECESSÁRIO E POUCO EXPLORADO NO MUNDO (EM ESPECIAL NO BRASIL MAIS EM TODA A AMÉRICA DO SUL) E DE FUTURO BRILHANTE E NECESSÁRIO/FUNDAMENTAL PARA A MAIORIA DAS EMPRESAS DE QUALQUER PORTE E LOCAL.

Nos EUA (não no Brasil, infelizmente), sei que há Consultorias especializadas em diagnosticar, projetar, implantar, treinar e até gerir equipamentos, até simples, para roubos térmicos mais gerações elétricas próprias, com capturas via chiller de absorção, instaláveis/até penduráveis nos equipamentos e máquinas e em todos os tipos de empresas em que haja usos continuados de calor e seus desperdícios/fugas/abandonos.  

Infelizmente, boa parte da indústria mundial também não vem ligando muito ou dando a importância devida e fundamental para tais temas de perdas térmicas e de seus necessários, e caros, “retrofit” industriais. A maioria ainda está alojada, contente e acomodada nas fonte, quase que eternas e antes baratas, com os derivados e petróleo, gás natural e, mais recente, como solar apenas fotovoltaica e eólica (e suas GD - Gerações Distribuídas caríssimas e que todos pagam nas linhas de transmissão/distribuição), mas seus clientes já não mais suportam receber/pagar por tais custos elevados transmitidos e que eles, indústrias de base e outras, sequer percebem. Contudo, encontrei no município de Contagem, no entorno de Belo \Horizonte (Minas Gerais -Brasil) dados e o portfólio da filial da empresa alemã Kuttner (https://kuttner.com.br/Defaultc11d.html?ID=61) .Ela é altamente especializada na recuperação de energias térmicas (obviamente, sem os usos de minhas propostas de patentes, pois, erroneamente, eles até indicam a incineração de lixo como tecnologia ambiental, possível e necessária, sendo que ela - sabida, sábia e correta ambientalmente - já é proibida no Brasil e diversos países). Sem deméritos, vide descritivos na chave de “Recuperação e Aproveitamento de Energia”, o tema de aproveitamento do calor residual com redução de energia primária. Também confiras as técnicas e possiblidades fazendo o download do seu catálogo amplo (não faço propagandas, mas apenas indico, pois necessárias).

No meu caso pessoal (meus próximos pedido de futuras patentes de Invenção ou de Modelos de utilidades acerca, mas, inversamente, somente solicito/apresento após as prototipagens/testes iniciais necessários, tudo para não se ter pesquisas/desenvolvimentos inúteis, mesmo que baratos), já se diagnosticou em 2009 e no Brasil, com base - em ótimo e raro  - estudo comparativo de perdas térmicas por pesquisadores de renome da UFSC (disponível em https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1678-58782009000400003) que as perdas térmicas, isoladas e conjuntas, dos fornos antigos do tipo túnel (63,3 m de comprimento e 0,85 m na parede isolante mais larga) e utilizados para produzir  4.020  ud/dia variam de 15,8% da termia total produzida nos fornos insulados = com isolamentos, seguindo 64,6% para os processamentos reais +19,1% de perdas durante os resfriamentos) a 49,4% nos não-insulados= sem isolamentos (e, assim, bem mais baratos e mais usados), sendo 27,3% nas paredes laterais + 19,0% no teto + 3,1% na base=fundo, restando/usando 44,4% da termia total para os processamentos reais + apenas 5,8% de perdas para resfriar), conforme seu tipo, finalidade e resultados esperados. Também já me informei que as temperaturas internas – sobretudo no topo e no piso onde ocorrem os acúmulos de calor ou as injeções térmicas ou os depósitos dos combustíveis, como carvões e lenhas – oscilam, internamente, entre 600º C e 1.200º C, sendo que somente se precisam de 150º C a 500º C na maioria dos casos para tais intentos industriais, sem perder a qualidade/quantidade, mas, com estas ainda operando em boa parte até com baixas rendas liquidas.

Em adição, um diagnostico de 2018 - também bom e raro – e no Brasil pela UFPB, demonstrou-se que a temperatura externa de fornos cerâmicos insulados experimentais para produção de itens de cerâmicas vermelhas (telhas, tijolos, vasos etc..) atingia termias entre 100º C e 250º C e por até cerca de até 18 horas seguidas = cerca de 1.100 minutos (figura 8), implicando em desconforto térmico para o operador (ou seja, já sobrando temperatura, E APENAS EXTERNA, a roubar/coletar para diversos usos), além de grandes riscos de acidentes de trabalho. Além disso, foi observado que a temperatura interna máxima atingida pelo forno durante o experimento foi aproximadamente de 900º C, valor muito próximo ao utilizado na queima de cerâmicas. Também, QUANTO MENOR A ESPESSURA DO ISOLAMENTO UTILIZADO, ENTRE 00 CM E 10 CM EM FORNOS INSULADOS COM DIVERSOS ISOLANTES TESTADOS, MAIOR ERA A PERDA TÉRMICA PARA A AREA EXTERNA E VICE-VERSA (figura 12). Em termos de resultados dos diversos isolamentos testados para as menores fugas térmicas externas, os objetivos principais do trabalho, concluiu-se que: 1) Fibra de vidro é o isolamento térmico mais eficiente para reduzir o máximo a temperatura externa e em qualquer espessura analisada; 2) Enquanto 5 mm (0,5 cm) de fibra de vidro são suficientes para reduzir ao máximo em 134 ° C a temperatura externa, os mesmos 5 mm de fibra cerâmica a reduzem apenas em 104 ° C; 3) A partir de 60 mm (=6 cm) de espessura, o tipo de isolamento térmico tem pouca influência na temperatura externa máxima; 4) Quanto menor for a condutividade térmica do material isolante, maior será a redução na temperatura externa máxima. O uso de isolamento térmico com menor condutividade térmica implica uma menor perda de calor e, consequentemente, uma menor energia deve ser fornecida ao forno, resultando em maior ganho de energia; 5) Para o forno experimental analisado não é economicamente viável trabalhar com isolantes com espessuras acima de 25 mm. Um exemplo disso é que para uma espessura de 25 mm (2,5 cm), o ganho de eficiência fornecido pela fibra de vidro é de 35,7%, mas, dobrando-se essa espessura para 50 mm o ganho tornava-se 36,8%, dando um aumento no ganho de energia de pouco mais de 1,1%. Assim, esta troca, geralmente, não justifica o uso de duas vezes mais material para essa mesma finalidade. Vide em inglês: (PDF) Thermal Analysis in an Intermittent Ceramic Kiln (researchgate.net).

Em outro diagnostico de abril/2019, os mesmos super pesquisadores de ciência aplicada acima da UFPB + UF Campina Grande (PB) informam na tabela 8 que nos fornos para cerâmica vermelha insulados (com isolamentos térmicos), a temperatura máxima externa reduz para 79,5º C (ainda capturável para diversos roubos e usos), ante até 249,3º C expulsos externamente nos fornos não insulados. Adicionalmente, informam na tabela 7 que nos fornos sem isolamentos térmicos (não insulados) cerca de 63,0% das termias perdidas somente em suas paredes (cerca de 70% da perda total e por até 1.100 h continuadas) provem de radiações térmicas, isto é próprias, e cerca de 37,0 % de convecções térmicas continuadas (tipo bate e volta e pressiona e amplia). Já nos fornos com isolamentos, em níveis bem menores como descrito, cerca de 53,0% provem das termias perdidas somente em suas paredes provem de radiações térmicas, isto é próprias, e cerca de 41,0% de convecções térmicas continuadas e ainda cerca de 6,0% ficam estocadas nas camadas isolantes. Vide em inglês e DE FORMA BEM DETALHADA em: https://www.mdpi.com/1996-1073/12/8/1568/pdf

Vide link do diagnóstico na Índia em inglês em: https://www.poverty.ch/wp-content/uploads/2017/10/brick.pdf