Pictures of the Future

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Pictures of the Future | 1/2008
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www.siemens.com/pof
Pictures of the Future
A Revista de Pesquisa e Inovação | 1/2008
www.siemens.com/pof
Publisher: Siemens AG
Corporate Communications (CC) and Corporate Technology (CT)
Wittelsbacherplatz 2, 80333 Munich
For the publisher: Dr. Ulrich Eberl (CC), Arthur F. Pease (CT)
[email protected] (Tel. +49 89 636 33246)
[email protected] (Tel. +49 89 636 48824)
Escritório Editorial:
Dr. Ulrich Eberl (ue) (Redator-Chefe)
Arthur F. Pease (afp) (Redator Executivo, Edição em inglês)
Dr. Norbert Aschenbrenner (na) (Diretor Superintendente)
Sebastian Webel (sw)
Ulrike Zechbauer (uz)
Outros autores neste número:
Bernhard Bartsch, Dr. Dagmar Braun, Bernhard Gerl, Harald Hassenmüller,
Andrea Hoferichter, Ute Kehse, Andreas Kleinschmidt, Michael
Lang, Katrin Nikolaus, Bernd Müller, Werner Pluta, Gitta Rohling,
Dr. Jeanne Rubner, Tim Schröder, Rolf Sterbak, Dr. Sylvia Trage,
Dr. Evdoxia Tsakiridou, Harald Weiss, Nikola Wohllaib
Edição de fotos:
Judith Egelhof, Irene Kern, Jürgen Winzeck, Publicis Munich
Fotos: Kurt Bauer, Natalie Behring, Thomas Langer, Andreas
Messner, Bernd Müller, Norbert Michalke, Ruppert Oberhäuser,
Andreas Pohlmann, Karsten Schöne, Marc Steinmetz, Volker Steger,
Jürgen Winzeck
Internet (www.siemens.com/pof): Volkmar Dimpfl
Informações Históricas: Dr. Frank Wittendorfer, Siemens Corporate
Archives
Endereço da Base de Dados: Susan Süß, Publicis Erlangen
Layout / Litografia: Rigo Ratschke, Büro Seufferle, Stuttgart
Ilustrações: Natascha Römer, Stuttgart
Gráficos: Jochen Haller, Büro Seufferle, Stuttgart
Traduções do alemão para o inglês: TransForm GmbH, Colônia
Traduções do inglês para o alemão: Karin Hofmann, Heiner Weidler,
Publicis Munique
Impressão: Bechtle Druck&Service, Esslingen
Materiais para
o meio ambiente
Novos materiais são a chave para
o fornecimento eficaz de energia
Pictures of the Future, syngo, PlantCalc, NX, Teamcenter, Tecnomatix e
outros nomes são marcas registradas da Siemens AG. ICE é marca registrada
do Deutsche Bahn AG. Second Life é marca registrada da Linden Research,
Inc. Outros produtos e nomes de empresas mencionados nesta revista
poderão ser marcas registradas de suas respectivas empresas.
O conteúdo editorial dos relatórios nesta publicação não reflete necessariamente as opiniões da publisher. Esta revista contém projeções para o
futuro, cuja precisão a Siemens não pode garantir de nenhuma forma.
Pictures of the Future é publicada duas vezes ao ano.
Impresso na Alemanha. A reprodução dos artigos no todo ou em parte só
será permitida com a autorização do escritório editorial,
o que também se aplica ao armazenamento em bases de dados eletrônicas
ou na Internet.
Edição em português: Comunicação Corporativa (CC) da Siemens no Brasil
Fotos: Divulgação Siemens/Única
Editoração: 2:d Comunicação e design
Impresso no Brasil pela Margraf Editora e Indústrias Gráficas Ltda.
Tiragem desta edição: 3 mil exemplares
© 2008 por Siemens AG. Todos os direitos reservados.
Siemens Aktiengesellschaft
Número do pedido: A19100-F-P113-X-7600
ISSN 1618-5498
Fábricas do Futuro / Materiais para o Meio Ambiente
Crédito das fotos: Universitätsklinikum Heidelberg (18 l., 19),
Airbus S.A.S. (26, t., 47 l.b.), F1online / Fancy (37 b.), Toho Tenax Europe (47 b.r.).
Todas as outras imagens: Copyright Siemens AG.
Energia verde
para o mundo
Tecnologia Siemens é aplicada na
produção do etanol de cana
Produção virtual
Testando produtos e seus processos de produção antes que eles sejam realidade
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Pictures of the Future | Editorial
Prezado leitor,
T
razemos a você a versão em português de “Pictures of the Future”,
uma das mais importantes publicações
corporativas da Siemens. Sua versão em
Inglês é distribuída em todos os países
onde estamos presentes. Como bem
sugere o título, esta revista aborda as
tecnologias que irão moldar a nossa
vida dentro de dez a vinte anos, a partir
de pesquisas e estudos desenvolvidos
pela Siemens, seja em parceria com
universidades ou participando de projetos de renomados centros mundiais de
pesquisa.
exemplo, um dos grandes desafios
deste século é encontrar o equilíbrio
entre fornecer energia elétrica e minimizar os impactos negativos sobre o
meio ambiente. As respostas podem ser
encontradas na seção “Materiais para o
Meio Ambiente” (páginas 22 a 50), que
mostra novas tecnologias aplicadas nos
revestimentos especiais de enormes
turbinas a gás, em novos sistemas de
acionamento para trens e em fontes altamente eficientes de iluminação.
Destacamos também a contribuição
do Brasil na produção do etanol de
Nossas respostas às questões globais
Adilson Primo
Presidente da Siemens no Brasil
Capa: A fábrica inteligente combina
o mundo virtual do desenvolvimento
de produtos e processos — neste
caso, o projeto de um trem de alta velocidade, em uma fábrica da Siemens
na Alemanha — com o mundo real da
fabricação automatizada. Os clientes
se beneficiam com produção mais
rápida e flexível a custos mais baixos.
2
Qualquer descoberta científica ou
produto inovador é resultado de muitos
meses ou anos dedicados a estudos e
experimentos. E a história de nossa empresa, desde seu início, é marcada pela
pesquisa e inovação nos três grandes
setores em que atuamos: Industry,
Energy e Healthcare. Há mais de 160
anos, Werner von Siemens apresentou
ao mundo o telégrafo de ponteiro, construído com simples materiais numa pequena oficina, em Berlim. Simples, mas
inovador, o invento exigia que seu operador fosse apenas alfabetizado sem a
necessidade de conhecer o Código
Morse. Alguns anos depois, Werner von
Siemens promoveu uma verdadeira
revolução na história da engenharia
elétrica com a invenção do dínamo, o
que tornou possível converter energia
mecânica em elétrica e, assim, tornar a
eletricidade amplamente disponível,
tanto para iluminação quanto para
novos tipos de motores.
Ao longo de todos esses anos, a
Siemens vem participando ativamente
da extraordinária revolução tecnológica
ocorrida no mundo. Para se manter
sempre à frente de seu tempo e dar
respostas às grandes questões da humanidade, nossos engenheiros, físicos e
pesquisadores se dedicam à descoberta
de novos e eficientes produtos que
visam melhorar a vida das pessoas e, ao
mesmo tempo, proteger o mundo. Por
cana-de-açúcar e na produção de
bioeletricidade, energia obtida com a
queima do bagaço da cana. Um fato importante: a Siemens participa de todo o
processo produtivo das usinas sucroalcooleiras, fornecendo soluções integradas de automação, além de um
modelo específico de turbina desenvolvido na nossa fábrica de Jundiaí (SP).
Contamos também com um centro de
referência e de competência tecnológica
em soluções de automação para as usinas. Isto muito nos orgulha, pois estamos falando de tecnologia nacional que
está ajudando a suprir o mundo de combustível e energia, a partir de uma fonte
limpa e renovável.
Outras questões apresentadas pela
sociedade estão embasadas no fenômeno decorrente das megatendências
de urbanização e mudanças demográficas. A concentração da população nas
grandes cidades apresenta desafios sem
precedentes na história do mundo e
exige respostas urgentes aos instigantes
problemas apresentados nas áreas de
saúde, saneamento e transportes de
massa. Você poderá conhecer nas páginas seguintes algumas de nossas respostas para questões cruciais e as
soluções que certamente impactarão
positivamente o nosso modo de vida
nos próximos anos.
Boa leitura!
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Pictures of the Future | Destaques
Destaques
Materiais para o Meio Ambiente
Fábricas do Futuro
6
Cenário em 2020
Surpreendentemente realista
22
Cenário em 2020
Revolucionários invisíveis
38
Turbinas Eólicas
Pegando vento
8
Tendências
Renascimento no universo virtual
28
Otimizando as Lâminas das
Turbinas
Agüentando o calor
41
Iluminação
Progressos na área de emissores de luz
12
Planejamento da Fábrica
Mesclando realidades
42
31
Blindagem de Cerâmica Contra
o Calor
Proteção feita com precisão
Etanol de Cana-de-Açúcar
Energia verde para o mundo
46
Transportes
O caminho para um futuro mais leve
A Maior Turbina a Gás do Mundo
Eficiência inigualável
48
Demanda de Energia
Identificando custos
50
Armazenamento de Energia
Cofrinhos para economizar energia
15
Sistemas sobre Trilhos
Trens de bits e bytes
18
Simulação das Instalações
Otimizando a produção
32
35
36
Reciclando
Placas de circuito se tornam
ecológicas
Materiais Renováveis
Plásticos: um ramo em crescimento
Reportagens
4
Curtas
Soluções inteligentes / Lendo as
mãos / Nova era da energia na
China / Missão com visão /
Tomografia computadorizada
com maior resolução
20
Acelerador de partículas em CERN
Resolvendo os mistérios do mundo
51
Prévia da próxima edição
Pictures of the Future | Outono 2008
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Pictures of the Future | Curtas
Solução Inteligente
U
m protótipo de tomógrafo para fins
médicos da Siemens combina tomografia por ressonância magnética (RM) e
processo de imageamento da medicina
nuclear, proporcionando conhecimentos
inteiramente novos do interior do cérebro
humano. Os especialistas acreditam que
esta ferramenta exclusiva aperfeiçoará o
diagnóstico do mal de Alzheimer em seus
estágios iniciais e permitirá que os médicos
avaliem com maior rapidez o estado dos
pacientes que sofreram AVCs e proponham
tratamentos.
O dispositivo combina RM (imagem superior) e tomografia por emissão de positrons
(imagem inferior). A RM contribui emitindo
imagens dos tecidos moles em alta resolução e contraste nítido, enquanto o PET
destaca as regiões que apresentam atividade metabólica aumentada, em detalhes
muito precisos. Até hoje, os neurologistas
que utilizam o PET não podiam diferenciar
de maneira conclusiva entre distúrbios
cognitivos de baixa intensidade e os estágios iniciais do mal de Alzheimer. Eles também
estavam impossibilitados de medir simultaneamente a redução do volume do
cérebro associada a Alzheimer. Com a
ressonância magnética combinada com o
PET (RM-PET) (imagem do centro), o exame
pode ser feito agora em uma única etapa.
Os médicos também podem usar o protótipo do tomógrafo para melhor monitorar
e investigar o processo de outros distúrbios
neurológicos, inclusive Mal de Parkinson,
epilepsia, depressão e esquizofrenia.
Os engenheiros do setor Healthcare da
Siemens utilizaram diodos de fotos tipo
avalanche, muito rápidos e sensíveis (APD),
para servir como detectores de PET. Estes
diodos não são afetados pelo campo magnético gerado pelo sistema de Ressonância
Magnética, que funciona também com a
unidade PET a uma intensidade de campo
de três teslas, permitindo fornecer uma
resolução de aproximadamente 0,2
milímetros. As imagens criadas pelos dois
sistemas são então superpostas, uma sobre
a outra, por computador, para produzir
imagens contendo um nível de informações
na
sem precedentes.
Um digitalizador manual complementa o software
de autorização de acesso biométrico.
Lendo
as Mãos
A
Siemens agora oferece um dispositivo
para leitura da palma da mão para autorização de acesso biométrico. A nova
versão do software biométrico ID Center
da Siemens suporta o leitor de superfície
da palma das mãos PalmSecure, produzido
pela Fujitsu, bem como todos os principais
digitalizadores de impressões digitais do
mercado e, é claro, SmartCards. O sistema
está equipado com digitalizador infravermelho que lê a palma da mão em segundos, quando a mão da pessoa é mantida a
uma distância de poucos centímetros. A
unidade digitaliza o padrão das veias sob
a pele e, em seguida, o computador compara os dados com amostras de palmas armazenadas. O dispositivo para leitura das
palmas das mãos é geralmente utilizado
em conjunto com um SmartCard. De
maneira diferente das técnicas de leitura
de impressões digitais, que exigem que o
dedo seja pressionado ou arrastado sobre
uma superfície especial, a confiabilidade
do leitor de palmas da mão não é afetada
pela sujeira ou lesões na pele. O sistema
na
pode até “ver” através de luvas.
Identificação sem contato. O scanner é adequado para
ambientes hospitalares estéreis.
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Nova Era para a Energia
A
O satélite-radar TerraSAR-X oferece uma resolução
de um metro a 514 km da Terra.
Missão
com visão
D
esde junho de 2007, o satélite TerraSAR-X tem fornecido imagens com
resolução de até um metro conforme órbita em torno da Terra. Durante sua missão de cinco anos, o satélite alemão digitalizará o planeta inteiro com radar, de
uma altitude de 514 km, sem ser afetado
por nuvens, condições meteorológicas ou
de iluminação. O TerraSAR-X aumentará
os detalhes do mapeamento de estradas,
rodovias, estradas de ferro e edifícios,
fornecendo importantes informações para
o planejamento de infra-estruturas. Além
disso, o satélite medirá as alterações nas
calotas de gelo da Terra, fornecendo dados
sobre as mudanças climáticas. A Siemens
desenvolveu componentes-chave para o
centro de controle da missão do satélite,
em Oberpfaffenhofen, na Alemanha.
O sistema de controle, que foi originalmente desenvolvido para a Agência Espacial Européia (ESA), foi adaptado e expandido para a missão TerraSAR pela
Siemens. O sistema controla e monitora
um satélite de cinco metros de comprimento, pesando 1.200 quilos. Como parte
da modificação do sistema, os especialistas da Siemens IT Solutions and Services,
PSE, na Áustria, instalaram uma solução
especial de base de dados, que documenta a história completa do satélite e
compila todos os dados relativos a controle,
propulsão, posicionamento e configuração
do satélite. A base de dados está programada para crescer até sete tera-bytes ao
longo dos próximos cinco anos, o que é
equivalente às informações contidas em
na
cerca de 1000 DVDs.
Siemens está construindo a linha de energia
de corrente contínua de
longa distância com a maior
capacidade do mundo. A
ligação transportará energia
por 1.400 quilômetros para
o delta do Rio Pérola, na
província de Guangdong,
onde abastecerá Hong
Kong, Shenzen e Guangzhou,
megacidades com uma população total de aproxiLinha HVDC transfere energia das áreas rurais para os centros
madamente 30 milhões de
urbanos.
habitantes. O sistema de
transmissão em corrente contínua de alta tensão (HVDC) que a Siemens e seus
parceiros chineses estão construindo trará uma nova era de transmissão de
energia. Será o primeiro sistema a atingir a capacidade de 5.000 megawatts e
alcançar 800 quilovolts. A alta tensão permite transmitir mais energia com
menores perdas. As linhas HVDC que a Siemens instalou anteriormente funcionam a 500 quilovolts e fornecem até 3.000 megawatts. Como a energia para
a linha HVDC é gerada por usinas hidrelétricas na província de Yunnan, não
na
haverá emissão de gás carbônico (CO2).
CT de Alta Resolução
E
ngenheiros no centro de
pesquisas Roke Manor da
Siemens, em Romsey, no
Reino Unido, desenvolveram
um novo método que permite
que os tomógrafos computadorizados (em inglês, CT)
gerem dados muito mais rapidamente. O processo possibilita que uma unidade de
transmissão óptica na parte
rotatória do tomógrafo transfira os valores das medições
Imagens para diagnósticos médicos mais nítidas, graças à
contidos nessa seção para um
rápida transmissão óptica.
receptor óptico estacionário
sem fazer contato. A Siemens planeja usar o novo método em sua próxima
geração de tomógrafos, que atingirão uma taxa de dados de 8,5 gigabits por
segundo, em comparação com a taxa atual de cinco gigabits por segundo.
“Esta inovação torna possível transmitir maiores quantidades de dados no
mesmo período, possibilitando a geração de resoluções mais elevadas de
seções transversais e, em última análise, melhorando a qualidade dos dados”,
diz o diretor de Marketing de Roke Manor, Paul Smith. As instalações de
pesquisa de Roke Manor foram criadas há 50 anos e pertencem à Siemens
na
há 17 anos.
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F á b r i c a s d o f u t u r o | Cenário para 2020
Destaques
8
Renascimento no Universo
Virtual
Ainda é um desafio transformar
produtos virtuais em peças ou
produtos equivalentes no mundo
real. No entanto, a Siemens está
fechando essa lacuna: um universo de possibilidades está se
materializando.
12
Mesclando Realidades
Fábricas simuladas contêm milhares de parâmetros de máquinas
reais. Estes modelos estão sendo
utilizados para calcular layouts e
aspectos de ergonomia otimizados.
15
Trem de Bits e Bytes
A Siemens e seus parceiros
internacionais estão usando
a realidade virtual para projetar,
montar e testar trens completos.
18
Otimizando a Produção
Como o funcionamento de um
hospital pode se beneficiar de
soluções criadas para processos
industriais? A Siemens explica,
com um projeto em Heidelberg.
2020
Uma empresa especializada em produzir protótipos virtuais de produtos e seus processos
de produção associados é solicitada a projetar um assento de carro que pode funcionar
também como veículo independente e
autônomo. Trabalhando em conjunto com o
cliente e com fabricantes e fornecedores de
máquinas, os engenheiros projetam e testam
cada aspecto do novo produto e de sua linha
de produção no mundo virtual.
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Surpreendentemente realista!
você pode descrevê-lo, nós podemos proPor volta de 2020, os fabricantes serão capazes de passar da ” ejetá-lo.”
Esse é o nosso lema. Somos uma
idéia para o produto acabado em uma fração do tempo
empresa de médio porte especializada em sinecessário atualmente. O motivo: mesmo os produtos mais mulações industriais. Exemplo: há dois meses,
um importante fabricante do setor automocomplexos, e seus processos de produção associados, serão bilístico fez uma solicitação que nos forçou a
colocar nosso “Chapéu-Pensador” de professor
projetados e testados no mundo virtual até a perfeição.
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Fábricas do futuro | Cenário em 2020
Pardal para trabalhar. Eles queriam que desenvolvêssemos um assento de carro robótico que
pudesse se liberar do veículo com o usuário sentado nele, seguisse um percurso em um shopping center ou em um aeroporto, fosse operado
por comandos de voz ou via internet e/ou por
controles tipo joystick, fosse capaz de se deslocar
até dez milhas e, se necessário, fosse capaz de
voltar sozinho ao veículo-base ou pudesse ser enviado em missões independentes. Prazo: 60 dias
para criar um protótipo virtual compatível para
produção.
Quando meu chefe me pediu para tomar
conta do projeto, tudo que eu pude dizer foi
“Uau!” Nossos engenheiros estavam viajando a
trabalho – Dubai, Paris. Todo lugar. Mas isso não
é nenhuma novidade. Então, eu montei uma
equipe de especialistas e informei a todos sobre
o novo arquivo que havia aberto na nossa base
de dados de projetos online. O arquivo, que eu
chamei de “XtraSit,” tinha todas as especificações
do cliente e também modelos interativos em 3D
de veículos, nos quais o protótipo poderia ser um
item opcional.
Assim que o arquivo foi ativado, um programa começou a procurar automaticamente
tudo nas bases de dados de nossos fornecedores,
desde pneus auto-infláveis e luminescentes a sistemas de freios do tipo cunha para motonetas,
fabricados sob encomenda. Após alguns minutos, tinha sido montada uma lista completa de
componentes potencialmente aplicáveis, com as
especificações, preços, disponibilidade, possíveis
datas de entrega e modelos interativos em 3D.
Essas informações, junto com tudo que cada
equipe havia desenvolvido, estavam disponíveis
instantaneamente para todos, de forma interativa, utilizando um backbone (rede de alta velocidade) seguro de dados.
O projeto foi dividido de maneira convencional: engenheiros mecânicos, engenheiros
elétricos e especialistas em software e automação e, é claro, planejadores de produção. À
medida que o projeto foi tomando forma, um
programa mecatrônico integrou os dados desses
especialistas em um objeto funcional holístico.
Quando algumas linhas de software eram alteradas, por exemplo, as pessoas trabalhando em
sistemas mecânicos e elétricos relacionados podiam ver como a mudança afetava seu trabalho.
Naturalmente, muita coisa foi encontrada
facilmente, pois se tratava de material de
prateleira. Os componentes de visão, radar e de
navegação, por exemplo, foram problemas comuns para qualquer carrinho de compras no
mundo. Afinal, por que ter o trabalho de empurrar um carrinho pesado se você pode ter um
que pode segui-lo? Em aeroportos, no entanto, a
coisa é mais complicada. O cliente desejava que o
XtraSit fosse capaz de levar usuários através de
8
inspeções de segurança por ondas milimétricas
sem sequer parar, ou seja, cada peça tinha que
ser transparente às ondas de inspeção – em outras palavras: as peças deveriam ser fabricadas em
materiais bioplásticos, materiais compostos, etc.
À medida que o projeto do protótipo virtual
avançava, os programas montavam automaticamente um protótipo virtual correspondente ao
processo de produção que poderia produzi-lo.
Modelos digitais funcionais, fotograficamente realistas, de braços robóticos e pistolas de soldagem completos, com especificações de hardware e software, podiam ser chamados e
interconectados na estação de trabalho do engenheiro. Um grande número de empresas otimizou peças ou programas, valendo-se de nosso arquivo centralizado, realizando simulações e
atualizando seus respectivos dados até o ponto
em que o protótipo pudesse ser reproduzido perfeitamente no mundo real. Além disso, cada peça
foi projetada para ser reciclada e cada alteração
foi documentada automaticamente.
Os protótipos virtuais de conjuntos mecânicos foram testados, assim como os passos de usinagem necessários para produzi-los. Nada foi
deixado ao acaso. Depois de 60 dias – exatamente como o cliente havia solicitado – protótipos virtuais do assento, do processo de produção
e de sua cadeia de suprimentos, incluindo embalagem e programação de entrega, estavam prontos para a simulação.
O gerente de projeto do cliente, um sujeito de
fala mansa, de nome Carson, que esteve envolvido no processo de desenvolvimento do produto e da produção desde o início, visitou nosso
walk-in website – um serviço de protótipo que
utiliza software de presença virtual em 3D para
criar a ilusão de interatividade em tempo real em
um ambiente simulado.
Já no “site,” Carson examinou a aparência do
assento em um dos carros top-de-linha de sua
empresa. Ele andou pela linha de produção estudando os movimentos ágeis dos braços robóticos, ouvindo o ruído das correias transportadoras
e o som vívido dos componentes sendo encaixados pelos avatares à distância. Parado ao lado
de uma blindagem de proteção de acrílico de
uma prensa de grande porte, ele deslizou distraidamente sua mão pela borda da prensa enquanto observava o braço da máquina descer
impetuosamente, emitindo um ligeiro chiado
pneumático. Uma fina película vermelha apareceu onde sua mão havia passado sobre a superfície transparente do acrílico. “Ai,” ele exclamou,
olhando subitamente para baixo, para seu dedo
indicador onde estava se formando uma gota de
sangue. “Surpreendentemente realista” ele murmurou, praticamente para si mesmo. “Sim,” eu
disse, “muito mais do que uma pessoa poderia
esperar.”
Arthur F. Pease
| Tendências
Renasci m
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Mundos virtuais permitem que planejadores
visualizem e testem processos de produção futuros.
O mesmo vale para produtos individuais – como o
relé de sobrecarga da Siemens (imagem menor).
Interligando Ciclos de Vida e Cadeias de
Suprimento. A avançada tecnologia que está
permitindo a fábricas, como a de Amberg,
fazer a transição de ultrapassados diagramas
em papel, documentos em Excel e soluções
CAD para bancos de dados globais que permitem o uso interativo de imagens funcionais
em 3D, em diversas fábricas, está baseada em
um conceito chamado Gerenciamento do Ciclo
de Vida de Produto (PLM, na sigla em inglês).
O PLM envolve a integração e a documentação de todas as informações associadas a um
produto – desde matérias-primas e fornecedores ao projeto e fabricação, e da entrega para
o cliente à manutenção e descarte do produto –
em uma base de dados única e coesa. Hoje,
este processo está "ganhando gás". De acordo
com o antigo presidente da unidade A&D (hoje
desmembrada em Industry Automation &
Drives Technologies), Helmut Gierse, “soluções
independentes antigamente isoladas em projeto de produto, produção e software de
manutenção estão sendo moldadas naquilo
i mento no Universo Virtual
Produtos e
Products
and
processos
manufacturing
de fabricação
processes
já estão
are sendo
already
desenvolvidos
being developed
e testados
and tested
em
in virtual environments.
ambientes
virtuais. Porém,
But
transformar
translatingprodutos
them into
virtuais
their real-world
em peças ou
counterparts
produtos is
still a challenge.
equivalentes
no mundo
As Siemens
real ainda
drawsé closer
um desafio.
to bridging
À medida
this que
gap,anew
Siemens
possibilities
chega
are materializing,
perto
de preencherincluding
essa lacuna,
factories
novasthat
possibilidades
design themselves
estão se materializando,
and walk-in
Websites in
incluindo
fábricas
whichque
consumers
se autoprojetam
build their
e websites
own products.
interativos (walk-in) nos quais
os clientes montam seus próprios produtos.
C
omponentes minúsculos prosseguem indefinidamente em linhas de produção automatizadas. Uma linha monta placas de circuito impresso para sistemas de automação.
Outra produz os contatores que irão ligar e
desligar motores. Uma terceira produz o mais
emblemático dos dispositivos de automação:
uma botoeira.
Os dispositivos são produzidos ininterruptamente em três turnos em uma fábrica operada
pelas divisões de Industrial Automation &
Drives Technologies, próxima a Amberg, uma
cidade há uma hora a leste de Nuremberg. A
fábrica é uma das 23 instalações similares da
Siemens ao redor do mundo, que produzem
componentes para um mercado de automação
de 121 bilhões de euros por ano. É um mercado que – graças à sua capacidade em economizar tempo, dinheiro e energia – é praticamente insaciável.
Para atender à demanda de produtos atuais
e futuros, a fábrica de Amberg está criando
uma cópia digital de si mesma. Dez engenheiros liderados pelo gerente de Projeto
Holgerg Griesenauer estão usando um processo
sofisticado e ferramentas de simulação e
otimização de fábrica da UGS – agora uma
divisão da A&D conhecida como Siemens PLM
Software – para entender as especificações de
cada produto produzido na fábrica, cada
máquina usada na produção e cada ligação entre essas máquinas.
que será, na realidade, um sistema integrado.”
Porém, para ser abrangente, a visão do PLM
de um produto deve ser complementada pela
sua visão de Gerenciamento da Cadeia de Suprimento (SCM). O SCM fornece uma visão geral
correspondente de dados logísticos e financeiros de um produto. A visão da Siemens – de
acordo com Gierse – é que até 2020 o software
necessário para produzir a visão PLM-SCM do
produto estará tão holisticamente integrado
que “cada faceta de seu ciclo de vida poderá ser
simulada, levando assim ao comissionamento
virtual e à geração automática de uma solução
de produção no mundo real.”
Embora a tecnologia de simulação baseada
em PLM-SCM ainda esteja em seu início, ela
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Fábricas do futuro | Tendências
está alterando profundamente a maneira como
as empresas conduzem seus negócios. No momento, de acordo com a AMR Research, empresa líder em consultoria para a otimização de
cadeias de suprimento, cerca de 20% de todas
as alterações em produto e produção são
realizadas no mundo virtual.
E com um bom motivo. Estudos realizados
pelo instituto alemão Fraunhofer indicam que
tecnologias de simulação avançadas, como as
que estão sendo implementadas em Amberg e
nas instalações de Mobility (antiga Transportation Systems), em Krefeld, Alemanha, resultam
em uma redução de 15% no tempo de desenvolvimento de produto, melhoria de 10% em
produtividade, corte de 20% nos custos de
planejamento de novas instalações de produção e melhoria de 15% na qualidade do
produto.
locomotivas e turbinas para moinhos de vento,
produzidos em lotes relativamente pequenos.
“Como cada pedido de projeto é específico, a
simulação tem um papel importante em termos
de minimizar o tempo de desenvolvimento,” comenta Robert Neuhauser, que chefia setoreschave na Cadeia de Suprimento e Compras Corporativas da Siemens e é um dos líderes da
Iniciativa Conjunta de Inovação e Fabricação da
empresa (veja o box ao lado).
À medida que essas tendências tomam
forma, a Siemens vislumbra que as fábricas atuais vão evoluir para fábricas digitais inteligentes.
“As representações digitais de fábricas vão permitir a modernização de suas instalações físicas
necessária uma alteração no mundo real, nós
poderemos simular uma solução tão precisa
que ela gerará automaticamente o software
para alterar o comportamento da máquina para
atender à nova especificação.
Atender ao Desafio da Mecatrônica. Entretanto, antes que a visão coletiva da Siemens de
um cenário de informações de produção virtual /
real totalmente integrado possa ser concretizada, terá que ser superado o que os especialistas chamam de “o desafio mecatrônico” –
um tipo de Monte Everest tecnológico no qual
os dados relativos às características mecânicas e
físicas de objetos são combinados com suas
Atualmente, cerca de 20% de todas as alterações de
produto e de produção ocorrem no mundo virtual.
Seja aplicada para visualizar linhas de produção automotivas (à esquerda) ou para planejar fábricas completas (à direita), a simulação pode otimizar praticamente
todos os aspectos da produção.
A simulação é atrativa não apenas devido às
vantagens econômicas, mas também porque
representa a única resposta realista às principais
tendências que afetam a maioria das empresas.
Essas tendências incluem maior individualização
do produto, cadeias crescentes de valor distribuído, aumento na complexidade e funcionalidade do produto e pressão interminável para
passar da idéia do produto à introdução no mercado no menor intervalo possível.
Fábricas Autoconfiguráveis. Além disso, à
medida que a empresa se afastou dos negócios
com commodities em componentes para comunicações e peças automotivas, a Siemens testemunhou outra tendência que exige o uso intensivo de simulação: um forte aumento em
negócios relacionados a projetos — itens como
10
muito mais rapidamente e com maior precisão
do que é possível no momento”, diz Ralf-Michael
Franke, da Divisão de Sistemas de Automação
Industrial. “Assim, quando os componentes
forem instalados na fábrica física, eles irão se autoconfigurar e estabelecer a comunicação entre si,
eliminando desta forma o tempo de partida.
Uma vez em operação, os processos de produção se otimizarão e até se corrigirão entre si.
O ponto-chave é que os mundos virtual e real estarão cada vez mais entrelaçados.”
Gerd Ulrich Spohr, diretor de Tecnologia Estratégica, explica exatamente como o grau de
entrelaçamento desses mundos pode vir a se
concretizar: “Queremos que as máquinas e os
processos no chão-de-fábrica gerem informações que irão ajustar com precisão suas contrapartes no mundo virtual. Então, quando for
funções elétricas e de software em protótipos
virtuais, dinâmicos e em tempo real.
Alcançar isto envolverá a superação do fato
de que as engenharias mecânica, elétrica e de
software “cresceram como disciplinas separadas, cada qual com seu próprio conjunto de
ferramentas de projeto”, destaca Bernhard
Nottbeck, diretor da divisão de Processos de
Produção da Siemens Corporate Research and
Technology (CT). “Se pudermos combinar essas
três disciplinas, será uma grande conquista”, diz.
Além dos desafios de combinar os sistemas
em um protótipo holístico, os desenvolvedores
devem lidar com interações em tempo real de
diversos parâmetros físicos, como temperatura,
pressão e campos magnéticos no mundo virtual. “O resultado das interações entre tais
forças é uma explosão de complexidade,” co-
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menta Albert Gilg, diretor do Departamento de
Projeto Virtual da Siemens CT.
A Siemens será capaz de enfrentar esses desafios? No momento, partes importantes da
visão integrada da empresa estão trabalhando
em conjunto. Sem dúvida, a maior delas é a recente adição da Siemens PLM Software às divisões Industry Automation & Drives Technologies. A ampla oferta de produtos nessas
divisões será complementada em breve pelo
Simatic Automation Designer, uma suíte de ferramentas multifacetadas que, de acordo com o
Líder do Projeto, Wolfgang Schlögl, “permitirá
que engenheiros mecânicos, elétricos e de automação trabalhem em conjunto nas mesmas
atividades de planejamento e de engenharia”.
Quando adicionada às ferramentas de simulação da Siemens PLM Software, esta tecnologia poderá resultar em uma nova maneira de
desenvolver produtos nos quais as informações
de fabricação são geradas automaticamente a
partir das suas especificações.
Respostas na Fabricação. Muitas outras
partes estão se juntando para montar a visão da
Siemens. Na Divisão de Software e Engenharia
(SE) da CT, por exemplo, os pesquisadores estão
explorando como as informações relacionadas à
fabricação podem ser estruturadas, para que
possam ser transferidas sem problemas, sem
precisarem ser digitadas/informadas mais de
uma vez. “Em função da nossa pesquisa,
podemos determinar agora como ferramentas
de software distintas poderão trabalhar bem em
conjunto,” diz Ulrich Löwen, diretor do Departamento de Engenharia de Sistemas da SE.
E na Siemens Corporate Research (SCR), em
Princeton, Nova Jersey, George Lo e colaboradores estão examinando como hierarquias de
software centralizadas em sistemas de fabricação podem ser reconceitualizadas para tornálas imunes a panes. “O que estamos desenvolvendo,” diz Lo, “é um sistema caracterizado por
controladores altamente distribuídos, capazes
de se auto-reconfigurarem após um evento
catastrófico para manter operações críticas.”
Além disso, com o objetivo de criar ambientes de informação abertos, porém também
inteiramente compatíveis, nos quais simulações e máquinas reais possam interagir, a SCR
e as divisões de Automation & Drives estão testando uma plataforma de software baseada
em modelos semânticos comuns. “Imagine que
todas as pessoas em uma sala fossem solicitadas a desenhar uma casa, você teria tantos
modelos quanto pessoas presentes. Bem, isso
também ocorre com o software utilizado por
nossas unidades de negócio. Entretanto, se pudermos padronizar a semântica, então a comunicação será muito mais eficiente”, diz Lo.
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As simulações se tornarão cópias precisas da
realidade – mas com uma flexibilidade de
produção virtualmente sem limites.
Onde todos esses desenvolvimentos nos
levarão nos próximos vinte anos? “Estamos nos
direcionando para uma representação virtual da
cadeia de valor completa – tudo, desde
matérias-primas à manutenção permanente,
atendimento remoto e planejamento de produto e de produção em um ambiente holístico,
coeso, de gerenciamento do ciclo de vida do
produto e da cadeia de suprimentos,” informa
Paul Camuti, CEO da Siemens Corporate Research. “Em vinte anos, os mundos real e virtual
estarão integrados coesamente. Nossas simulações replicarão a realidade até o último detalhe. O resultado será uma flexibilidade de
fabricação praticamente sem limites.”
O resultado também poderá ser uma revolução no varejo e nas compras do consumidor. No momento, algumas lojas de roupas
fornecem itens personalizados e “customizados
em massa”. Entretanto, à medida que a tecnologia de simulação amadurece, quiosques de alta
tecnologia e “websites interativos (walk-in)”,
que nos conectam aos fabricantes e seus
fornecedores, poderão nos permitir individualizar, testar e mesmo experimentar de forma
profunda e realista a aparência e as "personalidades" de tudo, desde telefones e motonetas a
roupas e o projeto e decoração de nossos lares.
Nós poderemos até mesmo nos aventurar nos
Arthur F. Pease
mundos virtuais.
A fabricação é importante na Siemens
Com mais de 300 grandes fábricas, cada uma com vendas acima de 50 milhões de euros, a Siemens é
um dos maiores fabricantes do mundo. De fato, na Siemens, mais de 150.000 pessoas (55% na Europa,
22% na América do Norte e 23% na Ásia) estão envolvidas em produzir de tudo, de LEDs a litotriptores.
Em vista disso, a empresa estabeleceu recentemente uma “Iniciativa Conjunta de Inovação e Fabricação”,
que faz a interface com representantes de todos as suas divisões. “Ao trabalhar com as divisões, estamos
identificando os temas importantes, as melhores práticas e as melhores maneiras de compartilhar resultados”, diz Reinhold Achatz (foto), diretor de Pesquisa e Tecnologias Corporativas, que lidera a iniciativa.
“Nossa meta é direcionar para a fabricação inovações relacionadas com tecnologia e relacionadas ao
processo.” Isso faz sentido, considerando o fato de que melhorias na produtividade da fabricação na
Siemens se traduzem em cerca de um bilhão de euros em economia por ano, de acordo com Robert
Neuhauser, que trabalha em conjunto com Achatz na Iniciativa e lidera partes importantes das atividades
da Cadeia de Suprimento e de Compras Corporativas da Siemens. “A fabricação mudou radicalmente nos
últimos anos”, comentou. “Há dez anos, o planejamento a longo prazo era tudo. Hoje, o segredo do
sucesso é flexibilidade. Em função disso, estamos treinando uma nova geração de gerentes de fábrica
que entendam de P&D, de gerenciamento da cadeia de suprimento e, naturalmente, de fabricação.”
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Fábricas do futuro | Planejamento de Fábrica
Uma representação virtual de um local de produção
futuro permite que os planejadores otimizem os processos e a ergonomia de fabricação. A fábrica de motores
da Siemens em Tianjin, China, está ilustrada aqui.
Mesclando realidades
Os especialistas da Siemens simulam fábricas novas em computadores bem antes
de qualquer coisa ser construída. Esses modelos 3D virtuais contêm milhares de
parâmetros, a maioria deles de máquinas reais. Os modelos são usados para
calcular layouts ideais de máquinas, rotas de movimentação de componentes,
os riscos associados com a transferência da produção para outro local e, até
mesmo, os esforços exigidos dos trabalhadores.
C
om oito galpões de fabricação, cada um
tão grande quanto um campo de futebol e
tão alto quanto um prédio de cinco andares, a
unidade de produção de motores da Siemens
Electrical Drives Ltd. (SEDL) em Tianjin, China
(a duas horas de carro de Pequim), é extremamente imponente. São construídos aqui motores elétricos do tamanho de um homem
adulto, e também turbinas eólicas do tamanho
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de um caminhão pequeno, painéis de seccionamento e unidades de controle. Os planos
exigem que a fábrica de Tianjin seja expandida
ainda mais e assuma seu lugar como a
unidade líder de produção de motores elétricos na China.
No entanto, quando a unidade foi originalmente construída, ela apresentou um grande
desafio porque tinha que ser planejada e
construída desde as fundações em apenas
dois anos e meio. E, é claro, não é possível projetar simplesmente uma unidade de produção
de tal magnitude em pranchetas de desenho.
Devido ao escopo muito abrangente do
projeto, o Departamento de Processos de Produção (PP) da Siemens Corporate Technology
(CT), em Munique, foi chamado para auxiliar
nessa empreitada. O departamento é espe-
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cializado em criar modelos tridimensionais
computadorizados de fábricas.
Bem antes de o primeiro trator começar a escavar o solo, os componentes estavam se movimentando ao longo de linhas de montagem virtuais. O objetivo era claro: quanto mais
realisticamente uma fábrica pode ser detalhada
na fase de planejamento, mais rapidamente os
erros podem ser detectados e evitados quando
a construção real começar.
Os especialistas da Siemens já estão produzindo versões digitais de fábricas há 20 anos,
e se eles aprenderam algo nesse período foi que
as melhores ferramentas digitais são inúteis se
os planejadores não entenderem os processos
da fábrica em detalhes. “Você precisa primeiro
analisar detalhadamente o processo de planejamento completo antes de poder começar a usar
as ferramentas virtuais,” diz Bernd Korves,
diretor do Centro de Competência em Redes de
Produção e Planejamento de Fábrica na CT PP. O
fator-chave aqui é entender totalmente o ciclo
de vida completo, desde o projeto até os
fornecedores e a produção. Os especialistas
chamam isto de Gerenciamento do Ciclo de
Vida do Produto (PLM).
O resultado do processo de projeto – um
produto digital – é a ponte para a fábrica digital.
“Uma ampla interligação desses dois blocos
de processo oferece um potencial enorme,” diz
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As melhores ferramentas 3D são inúteis se você
não entender os processos de fábrica em detalhes.
e a seqüência e velocidade ideais dessas etapas.
Eles determinam os tipos de estações de trabalho
necessários para cada etapa e como o layout da
fábrica deve ser disposto. Os planejadores trabalham em seguida com as divisões Siemens
pertinentes, chegando, em geral, a diversas alternativas. Cada proposta é ilustrada em um
computador, como uma fábrica em 3D cujas
operações, incluindo o fluxo do material, são
simuladas em detalhes. Ao longo desse processo,
os planejadores fazem uso intensivo de bibliotecas digitais para visualizar estações de trabalho,
máquinas e processos individuais.
Na fábrica de Tianjin, os modelos virtuais
permitiram que equipes de planejamento em
todo o mundo “voassem/circulassem” pelos
átrios das fábricas ao simples toque de um
botão. Grandes tubos cinzas podem ser vistos
nesses locais – os estatores dos motores. Próximos deles estão os avatares – humanos simulados que apanham e inserem fios de cobre nos
tubos. Os vôos virtuais permitem que os empregados da SEDL identifiquem rapidamente se
cada posto de trabalho tem espaço suficiente
para mover grandes motores ao seu redor, por
exemplo. Alterações podem ser introduzidas
em qualquer momento e seus impactos são
mostrados imediatamente na simulação. Um
desafio especial no projeto de Tianjin foi o fato
de que a unidade virtual passou por um desenvolvimento simulado de mais de cinco anos, e
isso significa que as capacidades de produção
tiveram que ser expandidas com o passar do
tempo e a demanda variável de produtos precisou ser considerada.
Graus de Abstração. A arte de simulação envolve principalmente ser capaz de imaginar
quais locais exigem informações detalhadas a
partir do mundo real. “Muitos iniciantes tentam
reproduzir a realidade com precisão, o que é
um erro”, diz Korves. Isso também é contraprodutivo porque exige muito esforço e despesa.
O sucesso aqui depende em determinar o grau
de abstração adequado. “Se você estiver simulando fluxos de material para chegar a um layout, você não precisa de tudo muito detalhado
até o menor parafuso – mas precisa desse tipo
de informação para simulações de montagens
complexas”, explica.
O sistema SmartAutomation da Siemens
permite que novos componentes e todos os
Albert Gilg, diretor do Centro de Competência
de Projeto Virtual. “Isto porque o projeto do produto determina em última instância se você cria
obstáculos para a produção ou melhora a eficiência do processo de fabricação.”
Os dados de projeto são, portanto, o ponto de
partida para uma análise exaustiva de um futuro
sistema de produção. Os especialistas determinam quais etapas de produção serão necessárias
seus parâmetros sejam testados em um
modelo virtual (à esquerda). Os dados ideais
resultantes são descarregados em seguida
em uma cópia no mundo real do modelo
(à direita), que inclui um braço robótico
(centro), para ser usado para o controle
de qualidade em uma unidade de
envasamento futura.
Korves precisou de fato entrar em muitos
detalhes em outro projeto em que trabalhou
com a Siemens VDO, envolvendo a produção de
um painel de instrumento de um novo veículo.
A tarefa exigiu ilustrações detalhadas de células
de fabricação como um meio de simular suas
propriedades ergonômicas. Aqui, a CT usou o
software da UGS, que agora faz parte do setor
Industry e é conhecida como Siemens PLM Soft-
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Fábricas do futuro | Planejamento de Fábrica
ware. A ferramenta utiliza valores padrão para
registrar o tamanho e a estatura de um trabalhador e o número de vezes que ele ou ela
repete determinados movimentos. Isto permitiu
otimizar as estações de trabalho, ajustando
itens como alturas das bancadas e distâncias ao
alcance do comprimento do braço para
máquinas vizinhas.
A maioria dos modelos virtuais hoje é criada
usando objetos de bibliotecas digitais. Por exemplo, em conjunto com a Universidade Técnica
de Munique, a equipe decidiu usar o Plant Calc,
uma ferramenta de planejamento sofisticada. O
software Plant Calc pode comparar locais de
produção usando uma avaliação sistemática entre diversas alternativas, que também leva em
conta planejar incertezas. Em um estudo realizado pelo CT para uma fábrica da Siemens no
norte da Alemanha, o Plant Calc determinou
que, sob determinadas condições, expandir a
produção na Alemanha seria melhor do que
transferi-la para a Europa Oriental. O estudo
descobriu que, embora os custos de salários na
Alemanha fossem maiores, o potencial para
otimização no país tornou-a um local de produção mais econômico.
Testes Virtuais tão Verdadeiros como a
Vida Real . A realidade e o mundo virtual estão
se aproximando nas áreas de automação da
Siemens, que operam dois centros de pesquisa
“SmartAutomation”, em Nuremberg e Karlsruhe,
que serão usados para desenvolver soluções de
automação virtualmente e na vida real. Os
pesquisadores configuraram uma instalação de
envasamento em Nuremberg e uma unidade de
A fábrica que vem até você
O planejamento de uma
fábrica não termina de forma
alguma quando as chaves são
entregues ao cliente – afinal,
novas gerações de produtos
substituem os mais antigos e
as máquinas devem ser atualizadas ou substituídas em algum
momento. Com o passar do
tempo, os galpões das fábricas
assumem, em geral, uma
aparência diferente, pois novos
cabos são lançados e máquinas
são reposicionadas. Portanto, é
difícil para os planejadores ter
uma visão geral, como forma
de comparar a situação real com um modelo virtual, especialmente quando as instalações estão localizadas longe dos centros de pesquisa. O sistema Suporte de Serviço Visual (VSS) desenvolvido pela
Siemens Corporate Technology (CT), em Munique, pode simplificar muito o processo de modernização
de fábrica. O VSS é um sistema de transmissão de dados remoto móvel que envia imagens e som ao
vivo para centros de serviço via telefonia móvel. Para esta finalidade, um trabalhador em uma fábrica
usa um fone de ouvido equipado com uma câmera e um microfone. O centro de manutenção da fábrica
é capaz de visualizar a unidade ao vivo se uma máquina falhar e técnicos de manutenção especialmente
treinados podem, em seguida, usando o fone de ouvido, guiar um trabalhador para o melhor local para
visualizar a máquina. É como se você estivesse lá – e o técnico pode até tirar uma foto da máquina,
marcar áreas para onde o trabalhador deve se deslocar e, em seguida, enviar a foto para o PC portátil
do trabalhador. “Nossa experiência tem mostrado que após vários anos, você não pode mais depender
cegamente dos desenhos originais de uma fábrica”, comenta Joachim Häberlein, responsável pelo
desenvolvimento de soluções VSS específicas para clientes na Industry Automation, em Erlangen.
O modelo virtual não ajuda muito aqui de qualquer forma. “Ele é tão bom quanto a informação original”, explica Häberlein. “Porém, o VSS torna possível validar rapidamente o modelo no local e registrar
qualquer alteração feita nesse meio tempo.” O sistema funciona com o padrão internacional de telefonia móvel GSM e testes realizados no Egito, China, e em outros países mostraram que o VSS funciona
de modo confiável em diversas regiões. Os especialistas, portanto, não têm mais que fazer longas viagens para fábricas distantes. Graças ao VSS, a fábrica vem até eles.
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processamento químico em Karlsruhe; ambas
permitem que novas idéias sejam implementadas rapidamente em equipamentos reais pela
primeira vez. Entre outras coisas, os pesquisadores estão construindo agora um robô que
pega garrafas à medida que passam por ele,
leva-as para a estação de controle de qualidade,
examina-as e devolve-as exatamente no ponto
correto na linha de produção.
Tudo isso foi planejado e testado no mundo
virtual. Para fazer isso, os desenvolvedores da
Siemens inseriram o robô virtual em sua posição
real futura em uma imagem da unidade existente. Todos os parafusos, sistemas de medição,
ligações elétricas, comunicação de dados e sistemas de pressão foram verificados antes da implementação real. Os pesquisadores executaram até mesmo uma simulação em tempo
real dos parâmetros de operação do robô. Por
outro lado, os dados iniciais digitados no sistema para simular este robô vieram da unidade
física de envasamento.
Lego para Fábricas. Uma abordagem similar é
empregada pelo projeto “SmartFactoryKL”,
gerenciado pelo Centro de Pesquisa Alemão
para Inteligência Artificial (DFKI), em Saarbrücken. O centro é um consórcio de empresas
e institutos de pesquisa que também está trabalhando em uma versão miniatura de uma
unidade de produção real. A Siemens, um dos
membros fundadores do consórcio, também
fornece fundos para a SmartFactory, que, assim
como a SmartAutomation, simula produção no
mundo virtual. Um dos objetivos da fábrica é
demonstrar como componentes de diferentes
fabricantes podem ser combinados. É uma idéia
visionária que prevê fábricas construídas a partir de módulos padrões, como blocos gigantes
de Lego. Isto poderia exigir que cada módulo do
produtor fosse equipado com interfaces padrão.
Além disso, todos os componentes da
fábrica SmartFactory para a unidade de produção miniatura serão equipados com etiquetas de identificação por radiofreqüência, tornando possível assim automatizar o registro de
estoque e indicar com precisão as posições das
máquinas. Isto, por sua vez, facilitará a ampliação ou transformação de fábricas existentes.
Os locais das máquinas podem ser alimentados
em modelos virtuais para permitir aos planejadores determinar exatamente onde os
equipamentos novos devem ser instalados.
“Muito trabalho – e muita informação – são
necessários nos modelos de fábrica virtual”, diz
o coordenador do projeto DFKI Eric Pohlmann.
“Portanto, faz sentido usar essa grande variedade de dados mais e mais novamente.”
Tim Schröder
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Simulações abrangentes em 3D. Na Siemens, novos
| Sistemas Sobre Trilhos
trens são desenvolvidos e testados até o último detalhe
por equipes internacionais em realidade virtual, antes
da montagem de um único componente físico.
Trens de Bits e Bytes
Para fabricar produtos de alta tecnologia, você precisa de um ambiente de desenvolvimento de alta tecnologia. É por isso que a Siemens, em Krefeld, Alemanha,
confia em um produto e em um sistema de desenvolvimento de produção puramente
virtuais, que permitem projetar trens inteiros nos computadores. E ainda mais, ela
espera digitalizar o processo completo de produção até 2009.
O
maquinista que opera o trem de alta velocidade Velaro ajusta os controles no seu
painel de instrumentos. De repente, abre-se um
dispositivo (flap) no piso do trem, o ângulo de
visão volta-se para o espaço sob o trem e os componentes voam para todos os lados. Milagrosamente, no entanto, o trem se recompõe sozinho.
Bem-vindo ao laboratório de realidade virtual da Divisão Mobility, em Krefeld, na Alemanha. Nem o trem nem o maquinista são verdadeiros. Eles são objetos virtuais animados.
Não há flipcharts na sala de conferências. Em
vez disso, há uma parede energizada na qual
protótipos em escala fiel, e em ambiente espacial, gerados por computador podem ser observados com o auxílio de óculos de 3D e discutidos. “Esta é uma grande ajuda, por exemplo,
quando estamos planejando instalações,
analisando a facilidade da manutenção e realizando estudos ergonômicos”, comenta
Reinhard Belker, chefe de Gerenciamento do
Processo de Engenharia na Mobility.
O sistema de Realidade Virtual (VR) é parte
integrante do processo de desenvolvimento na
Mobility. Aqui, os projetistas se reúnem com
regularidade para estudar novos trens no espaço
virtual, conforme eles vão sendo desenvolvidos,
e discutem com seus colegas das unidades
contíguas. Eles também fazem “reuniões de
colaboração” com a sua fábrica de produção
irmã em Praga, na República Tcheca, onde o
mesmo sistema é utilizado. No momento, os sistemas são os únicos do seu tipo no mundo.
Mas o sistema VR é somente uma das ferramentas inovadoras que dão apoio ao produto e
ao processo de desenvolvimento de produção
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Fábricas do futuro | Sistemas Sobre Trilhos
puramente virtuais na Mobility. Hoje, o projeto
de veículos sobre trilhos começa e termina em
uma cadeia de processo ininterrupta em CAD
(Computer Aided Design) de 3D. Cada etapa, do
conceito inicial, desenvolvimento, preparo da
produção, fabricação, montagem e documentação, é trabalhada em três dimensões utilizando os sistemas CAD.
Todos os envolvidos trabalham juntos nesse
ambiente virtual. Isso torna possível alinhar, em
tempo real, os estágios do desenvolvimento alcançados na principal fábrica de produção, em
Krefeld, com aquelas em Erlangen e em Kassel
(na Alemanha), Graz e Viena (na Áustria), e
Praga e Ostrava (na República Checa). Além
disso, os fornecedores de suprimentos e serviços
estão integrados no processo de desenvolvimento de veículos sobre trilhos de todos os tipos.
Ferramentas de alta tecnologia são absolutamente essenciais em Krefeld porque as demandas
do mercado crescem cada vez mais. Clientes
de todo o mundo estão exigindo prazos de desenvolvimento mais curtos, com igual qualidade
de produto ou ainda melhor, e alto grau de sofisticação tecnológica. “Alguns anos atrás, desenvolveríamos e produziríamos um trem de alta velocidade em três anos. Agora, nossos clientes
estão nos pedindo a mesma coisa em dois anos e
meio”, diz Martin Olbrich, chefe da unidade de
Preparo do Processo de Montagem da Mobility.
Trens de alta velocidade podem agora ser desenvolvidos e produzidos em dois anos e meio.
3D do começo ao fim.
Em 2006, a empresa pôs para funcionar em
todos os seus locais uma cadeia de processo
abrangente em 3D que cria animações digitais
durante a fase inicial do projeto, com base em
dados do CAD em 3D, e realiza simulações iniciais. Os desenvolvedores montam em 3D, o que
então é disponibilizado para os parceiros no
mundo inteiro. Isto é feito utilizando um sistema de gerenciamento de dados uniformes
para produtos – antes mesmo de pegarem
uma única chave de fenda do mundo real. Até
hoje, as peças desses processos correm em
paralelo, permitindo que os passos do desenvolvimento inicial possam ser imediatamente
incluídos nos processos de planejamento de
outras unidades.
Reuniões em Realidade Virtual. Como o
CAD em 3D necessita de muita memória, ele
não é usado em todas as áreas de processo. Alguns desenvolvedores trabalham com “dados
visualizados”, o que requer muito menos
memória e é mais barato e simples de utilizar.
Aqui, todos os dados são automaticamente con-
vertidos para o formato visualizar. Este recurso
permite aos projetistas praticamente ter reuniões mundiais virtuais, nas quais podem compartilhar suas idéias sobre o estado atual do
projeto. Essas reuniões eliminam a necessidade
de viagens que consomem tempo. E ainda
mais, tornam todo o processo de desenvolvimento mais rápido e menos sujeito a erros,
porque cada desenvolvedor sabe exatamente o
que seus colegas estão fazendo. É claro que os
dados fornecidos pelos fornecedores e parceiros
externos do projeto têm de ser revistos, convertidos e integrados, porque em alguns casos, os
parceiros trabalham com sistemas diferentes.
Mas aqui, também os especialistas em tecnologia estão trabalhando nas soluções.
Com base nos dados tridimensionais da
equipe de desenvolvimento, os especialistas
na preparação da produção podem planejar e
simular os processos de fabricação e montagem, por exemplo, visualizando as diferentes seqüências da montagem. Por sua vez, as
unidades de produção utilizam os dados em
3D como base para várias etapas do trabalho.
Apesar da utilização abrangente de dados
A simulação dos processos de desenvolvimento e produção vale muito a pena,
Além disso, os preços caíram muito, em conseqüência da acirrada concorrência no mercado
de veículos para trilhos. “Essas demandas não
podem mais ser atendidas utilizando métodos
convencionais. O que nós trabalhadores precisamos agora são inovações, não só em termos
de produtos, mas também em nossos processos
de produção e desenvolvimento”, diz Belker.
Passo a passo, os engenheiros na Mobility alcançaram um nível inigualável de sofisticação
técnica. Desde 1999, os desenvolvedores têm
projetado seus produtos utilizando a tecnologia
16
especialmente para veículos sobre trilhos,
que geralmente são produzidos em pequenas
quantidades. Utilizando simulações, os
especialistas em tecnologia sobre trilhos da
Siemens podem passar por todas as possibilidades de otimização no mundo digital em
um estágio inicial do processo de
desenvolvimento, quer estejam trabalhando
na seção da extremidade frontal do trem
(à esquerda) ou a ergonomia da cabine do
maquinista (à direita).
em 3D em todas as unidades, desenhos em
2D ainda são necessários nas áreas de produção e montagem. Isto ocorre porque, em
alguns casos, os desenhos contêm informações que são muito complexas para serem
incorporadas nos modelos 3D sem despender
muito tempo e esforço. De acordo com Belker,
“provamos que, em princípio, podemos viver
sem desenhos em 2D, mas ainda não há uma
ferramenta de TI que apóie este processo de
maneira eficaz. Agora, estamos trabalhando
para reduzir o tempo e o esforço necessários
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Simulações substituem o papel nas instruções de
montagem. Imagens em 3D tornam a tarefa mais
simples, rápida e precisa (à esq.). À direita: Trens
Velaro, na área de montagem.
A partir de 2009, a vida útil dos produtos será
simulada – do projeto aos reparos e à manutenção.
para criar os modelos em 3D”.
Montagens com animação tornam mais fácil
para os colaboradores a execução de suas tarefas,
“porque eles podem intuitivamente entendê-las
muito mais rapidamente que em desenhos de
2D, com seus incontáveis números de posicionamento”, diz Olbrich. Os dados em 3D servem
como instruções de montagem virtual. Os trabalhadores da montagem têm uma visão geral
rápida da situação inteira, bem como informações
mais precisas sobre como integrar os componentes a serem montados. Com menos tempo
para aprender os passos da montagem, são
necessárias menos perguntas e há menos erros.
Os dados em 3D também são muito valiosos
para as descrições de produto e instruções de
manutenção no final da cadeia de processo. Mas
os desenhos em 2D são utilizados aqui também,
primeiro porque a documentação do veículo em
2D é costumeira e, segundo, porque ainda não
há formato reconhecido que torne a implantação de dados em 3D possível no longo prazo.
No entanto, uma das prioridades na Mobility é
convencer os envolvidos das vantagens da documentação do veículo em 3D.
Em conjunto, o sistema permite que a cadeia
inteira de processo seja representada de forma
virtual. “Nossos clientes estão impressionados
com a maneira como integramos essas tecnologias inovadoras em nossos processos de desenvolvimento”, diz Belker. Andy Neuschulz, da
empresa regional Deutsche Regionalbahn
GmbH, concorda. “O desenvolvimento de produtos por meios virtuais torna o processo mais fácil
de reconstituir e monitorar. Conseqüentemente,
na apresentação inicial de um veículo, podemos
oferecer aos políticos visitantes um retrato bas-
tante realista e muito impressionante de nossos
trens bem no início da produção”, diz ele.
Atualmente, a empresa opera 20 trens que
correm em três linhas na Alemanha. Depois da
próxima mudança na programação ferroviária,
ela começará a operar ao longo da rota de
Colônia para Mainz, via Kolenz, para o qual utilizará um total de 16 trens Desiro ML fabricados pela Siemens.
De volta a Krefeld, Reinhard Belker anda
pela ala de produção da Mobility e passa por filas de vagões ferroviários adornados com cabos. Tudo na ala está limpo e em ordem.
“Agora que dominamos o produto e o desenvolvimento da produção de maneira virtual”,
diz ele, “o próximo passo é o que chamamos
de fábrica digital. Já estamos trabalhando nela
desde abril de 2007”. Está planejado que ela
ficará pronta até o final de 2009.
Simulando Ciclos de Vida Inteiros. A fábrica
digital é um conceito de instalações de produção nas quais não só a fábrica física é visualizada e simulada no computador, mas também seus processos. O conceito inclui a vida útil
inteira do produto, desde o planejamento, desenvolvimento e produção, até serviço, manutenção,
vendas e marketing.
Diferentemente do setor automotivo, que
abraçou o conceito de fábrica digital, outros setores em geral o evitam devido a seus baixos
volumes de produção, que não parecem justificar os grandes investimentos que são
necessários para simular processos de maneira
realista. Mas, neste setor em particular, a simulação abrangente da vida útil do produto é crucial. Este ponto é muito bem esclarecido por
Robert Neuhauser, diretor de Fabricação e SCM
na Corporate Supply Chain and Procurement da
Siemens, que lidera o programa sobre fabricação no futuro que abrange a empresa inteira.
“Para produtos que são fabricados em grandes
quantidades durante um período de anos,
podemos melhorar e otimizar constantemente
a produção durante longos prazos. Em contraste, o projeto e negócio de pequenas quantidades é caracterizado por curtos prazos de início de produção e volumes menores de
fabricação. Isso significa que tudo tem de funcionar de maneira ótima na primeira vez,
porque o processo de fabricação terminará
antes que qualquer otimização significativa
possa ocorrer. A simulação torna viável passar
por todas as medidas possíveis de otimização
digitalmente antes da produção. Assim,
podemos detectar problemas bem antes de eles
alcançarem o mundo real”.
A simulação também beneficia a fábrica
de Krefeld, que produz em média 450 veículos ferroviários por ano. Um estudo preliminar e uma análise da eficiência realizada pela
divisão Mobility em cooperação com o Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering
and Automation (IPA) demonstraram as vantagens da fábrica digital. Seus benefícios potenciais incluem planejamento mais rápido e de
melhor qualidade, além de ferramentas integradas que aliviam os planejadores das atividades de rotina e lhes dão mais tempo para
planejar produtos menos dispendiosos e qualitativamente mais sofisticados e fazer com que
eles apresentem a melhor relação custo-benefício possível desde o início. Belker está ansioso pela chegada da fábrica digital.
Pesquisando uma longa fileira de trens reluzentes que estão prontos para serem
despachados, ele prevê que, “no futuro, poderemos entregá-los aos nossos clientes ainda
mais rapidamente”.
Gitta Rohling
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Fábricas do Futuro | Simulação de Instalações
Uma instalação de terapia de partícula (à direita)
é um sistema complexo, projetado para destruir
tumores com alta precisão. A configuração e os
fluxos de trabalho são simulados.
Otimizando a produção
Neste ano, o centro de terapia de íon pesado em Heidelberg começará a tratar
pacientes com câncer. A Siemens configurou as instalações e otimizou seus
fluxos de trabalho usando a especialização em simulação obtida ao projetar
processos de produção para fábricas.
P
or definição, fábricas e hospitais não têm
muito em comum. Mas ambos são sistemas
complexos que precisam funcionar de maneira
rápida e eficiente. Levando isto em conta, a
Siemens direcionou sua especialização em
simular e otimizar sistemas de automação e
aplicou este conhecimento para visualizar a
configuração e o fluxo de trabalho – e em última análise realizando – um novo centro de
terapia de íons pesados no Centro Médico da
Universidade de Heidelberg (Alemanha).
O centro será especializado no tratamento
de pacientes com tumores que são muito difíceis ou muito arriscados para um cirurgião retirar. Os tumores serão bombardeados com íons
de carbono – os núcleos atômicos do carbono –
de um acelerador de partículas. As partículas
penetram no corpo do paciente e destroem os
tumores com extraordinária precisão e sem
causar danos importantes aos tecidos ao redor
(Pictures of the Future, primavera de 2004,
página 36) www.siemens.com/pof.
A terapia por íons pesados foi desenvolvida e testada pela Sociedade para a
Pesquisa com Íons Pesados ou GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung), em Darmstadt. A missão da GSI é a pesquisa básica,
18
não a comercialização. Portanto, ela buscava
uma parceira no setor e encontrou a
Siemens. Em 2003, a Siemens comprou as
patentes principais de terapia com íons pesados da GSI e do Centro de Pesquisa de Câncer
da Alemanha, em Heidelberg, e fez um esforço significativo para trazer o método para
o mercado.
A Siemens está fornecendo todas as tecnologias relacionadas com o paciente para o centro
de Heidelberg, inclusive equipamento para direcionar o feixe de íons para o paciente, posicionamento do paciente e controle do tratamento, segundo explicações de Klaus Staab,
gerente de projeto do centro de terapia com
íons de Heidelberg, que vê com bons olhos
a estreita cooperação com a Siemens. Em
outro centro de terapia, o Rhön-Klinikum, em
Marburg, a Siemens está fornecendo tudo,
exceto o prédio, inclusive o acelerador de
partículas. A cerimônia de inauguração foi
realizada em agosto de 2007.
Visualizando um Novo Terreno. Os pesquisadores da GSI já comprovaram que a nova terapia funciona conforme se pretende. “Mas o
que está nos faltando é a experiência de como a
projeção das etapas dos tratamentos individuais
afetará o desempenho do centro como um
todo”, disse Thomas Lepel, da Siemens Corporate Technology (CT). A terapia por partículas é
um elemento em funcionamento totalmente
novo em clínicas. É por isso que Lepel e seus
colegas desenvolveram uma simulação que
representa todo o fluxo de trabalho do centro
de terapia, o que torna possível analisar os
efeitos que as exigências específicas dos
clientes podem ter na produtividade operacional de pacientes – e nos custos operacionais
das instalações.
Com um preço avaliado em cerca de €150
milhões – com pelo menos €100 milhões para
a unidade de radiação e aproximadamente
mais €50 milhões para o prédio, dependendo
de como for equipado – a produção operacional dos clientes deve ter um papel fundamental na saúde econômica das instalações. As
projeções atuais prevêem cerca de 1.300 pacientes por ano, com tratamentos financiados
igualmente pelos governos estadual e federal.
Mas um hospital ou instalação de saúde típico,
que confie exclusivamente em financiamentos
privados, terá de tratar pelo menos 2.000 pacientes ao ano para cobrir os custos de capital
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Os íons são acelerados para até 60 por cento da veloci-
| Simulação de Fluxo de Trabalho
dade da luz, armazenados em um sincroton (à esquerda) e fornecidos aos pacientes por meio de um complexo sistema de direcionamento do feixe (à direita).
estimados da instalação. E esta equação teria
de incluir pagamentos de cerca de €20,000 por
paciente de fornecedores de seguros de saúde,
o que corresponde ao acordo entre as seguradoras e o Centro Médico de Heidelberg.
Em comparação, as empresas de seguro de
saúde pagam somente €8.000 por terapia de
radiação convencional. De qualquer forma, o
custo mais elevado do tratamento com íons
pelo centro de terapia é justificado, tendo em
vista que os custos totais do tratamento de
câncer, inclusive cirurgia, quimioterapia e terapia
de radiação, com freqüência, vão além de
€100.000 por paciente.
componentes que precisam ser manuseados
de maneira diferente, há uma variedade de
processos diferentes funcionando em um hospital”. A simulação distingue entre os tipos de
tumor, por exemplo, e leva em conta os diferentes tempos de preparo necessários.
Na frente de cada uma das três salas de radiação, há uma sala onde o paciente é
preparado para o tratamento e imobilizado em
uma mesa, enquanto outro paciente está
sendo submetido a radiação na área de tratamento. Alimentada com dados do paciente de
um sistema de informações oncológicas, o
sofisticado Otimizador de Programa da
Eficiência econômica não é o único critério; os médicos
agora terão mais tempo para seus pacientes.
E mais: estudos clínicos demonstraram que
a nova terapia parece estar ligada a recorrências muito menores de alguns tumores. Para
Dr. Konstanze Gunzert-Marx, diretor de vendas
do setor Healthcare da Siemens, em Erlangen,
a terapia particulada tem tudo para ser um
sucesso. “Extrapolando o número de diagnósticos de novos cânceres demonstram que este
tipo de centro se paga para uma área demográfica entre oito e dez milhões de pessoas”,
diz ele.
Simulação do Tratamento. A conclusão é
confirmada pelo plano de negócio do centro de
tratamento, que leva em conta em seu investimento e custos operacionais os pagamentos a
empresas fornecedoras de seguros de saúde.
Para calcular a relação custo-benefício, o
número de pacientes atendidos é simulado e
automaticamente otimizado. “Essencialmente,
aplicamos o know-how que obtivemos da
análise dos processos de produção”, diz Lepel.
“Como nas fábricas, onde você tem milhares de
Siemens otimiza a ocupação dos quartos e
também o uso do feixe de íon para garantir o
mínimo de interrupção possível. Isto reduz os
custos e diminui os tempos de espera para os
pacientes.
Se ficar claro que os preparativos do paciente irão demorar mais do que o planejado,
outro paciente poderá ser informado a tempo
e passado à frente na programação do tratamento. A preparação e o tratamento estão
uniformemente integrados, além de encurtar
o processo todo de cada paciente para uma
média de menos de 30 minutos. Como a simulação de Lepel indica, este processo – e, portanto, a produtividade operacional para o
paciente – está otimizado com a configuração compreendendo três ou quatro salas
de tratamento.
Robôs Trabalhando. Uma fábrica de produção somente poderá funcionar de maneira
eficiente se os processos de trabalho forem
coordenados. O mesmo é verdade para os hos-
pitais. Com isto em mente, o setor de Healthcare da Siemens desenvolveu uma mesa de
tratamento de alta tecnologia em fibra de carbono que é, ao mesmo tempo, forte e leve. A
mesa é adequada tanto para o planejamento
de tratamentos com tomógrafo computadorizado como para o próprio tratamento com
íons. Uma vez que o paciente esteja imobilizado na mesa, um braço de robô agarra a
mesa e automaticamente a movimenta para a
posição correta. A mesa viabiliza o preparo dos
pacientes fora da sala de tratamento.
Os desenvolvedores da Siemens em Erlangen ganharam percepção quanto às necessidades dos hospitais e clínicas ao entrevistarem
médicos e administradores de instituições de
saúde. Funcionários da Healthcare visitaram o
Harvard Medical Cyclotron, em Boston, por exemplo, e o Midwest Proton Radiotherapy Institute
em Bloomington, Indiana – sempre fazendo a
mesma pergunta: do que os médicos e seus pacientes realmente precisam? As respostas revelaram que a simulação desenvolvida pela CT estava muito próxima do que eles queriam.
“Quando se trata de levar em conta o sistema inteiro e a análise do fluxo de trabalho associado, a Siemens está anos à frente de todos”, diz Gunzert-Marx. Outros fornecedores
estão tentando desenvolver componentes
semelhantes e um processo integrado de trabalho para terapia com partículas, mas nenhum
deles oferece a flexibilidade, combinada com
os processos de diagnóstico por imagem e integração de TI.
É por isso que o sistema da Siemens – que é
único em todo o mundo – foi projetado para diversos tipos de íons. Além de carbono, oxigênio,
íons e prótons, os núcleos de hidrogênio podem
também ser utilizados alternativamente no sistema no centro de Heidelberg. Este é um recurso muito atraente para os investidores em
todo o mundo. Os planos são abrir muito mais
centros de terapia de partícula nos próximos
anos.
Bernd Müller
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Cooperação em Pesquisa | Acelerador de partículas CERN
Detector ATLAS, 25 m de altura e 50 m de comprimento,
o maior experimento da física de partículas (foto maior).
Controladores Siemens mantêm a temperatura dos
magnetos de supercondução (fotos menores).
Resolvendo os mistérios do mundo
O Laboratório Europeu
para a Física de Partículas
(CERN) está construindo
um acelerador que foi
projetado para resolver
alguns dos grandes mistérios
do universo. Os componentes
da Siemens desempenham
um papel-chave em garantir
que os magnetos supercondutores do acelerador
sejam mantidos abaixo
de 271ºC.
20
Q
uando os físicos de partículas vão caçar,
eles levam grandes espingardas que disparam balas invisíveis. Em meados de 2008,
eles abrirão a temporada de caça bem abaixo
do solo na fronteira entre a França e a Suíça,
perto de Genebra, de uma forma nunca vista
antes. Mais especificamente, eles farão com
que as partículas colidam em um túnel em anel
(tunnel ring) de 27 quilômetros, a níveis de
energia anteriormente inalcançáveis, em uma
tentativa de resolver alguns dos grandes mistérios do Universo. Por exemplo: por que as
partículas têm massa? E o chamado bóson de
Higgs é responsável por essa massa, como o
Modelo Padrão da física de partículas afirma?
Os cientistas estão trabalhando para concluir
o Large Hadron Collider (LHC) em um local a 100
metros de profundidade. O túnel é dominado
por uma tubulação de aço com 1,2 metro de es-
pessura, que contém magnetos supercondutores e tem uma ligeira curvatura conforme se
distancia. Vários cabos e tubulações menores estão montados nas paredes, enquanto um túnel
anexo aloja um enorme número de gabinetes de
chaves para sistemas eletrônicos de alta tensão
e sistemas de controle para as unidades de ventilação. Duas tubulações com a espessura de
braços humanos correm paralelamente dentro
de uma grande tubulação de aço. Dentro das
tubulações, prótons ou íons de chumbo serão
acelerados quase à velocidade da luz. Há quatro
áreas separadas nas quais os feixes de partículas
colidirão frontalmente. Estas colisões de partículas – que ocorrerão 600 milhões de vezes por segundo – permitirão que o Large Hadron Collider
recrie as condições que prevaleceram a menos
de um bilionésimo de segundo após o Big Bang
(a “grande explosão”).
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A instalação do LHC poderá gerar energia
muito mais elevada do que seu predecessor, o
acelerador LEP, era capaz de produzir. Também
criará um feixe com 100 vezes a densidade de
partículas. Esta alta “luminosidade” é muito importante, porque aumenta a probabilidade de
uma colisão e, portanto, as chances de descobrir o bóson de Higgs, que deve ser pelo menos
100 vezes mais pesado do que um próton. Quatro grandes detectores colocados nos pontos
em que os feixes se cruzam registrarão a
matéria e a chuva de partículas criadas pelas
colisões. Os experimentos deverão resultar em
cerca de 15 milhões de gigabytes de dados por
ano. Os dados serão analisados pelos físicos em
uma nova rede de computadores dedicados.
Além de descobrir o bóson de Higgs, os cientistas do CERN esperam que o novo acelerador
forneça percepções para dentro do buraco negro, que constitui cerca de 25% do Universo.
grande de líquido superfrio será transportado
por longas distâncias ao redor do anel, enquanto a temperatura em todo o sistema de
refrigeração não poderá desviar mais do que
0,1ºC. Essas exigências colocam demandas exclusivas nos materiais utilizados. As unidades de
magneto com 15 metros de comprimento, por
exemplo, que são uniformemente conectadas
uma à outra, encolherão 4,5 centímetros devido ao resfriamento. Amortecedores especiais
(buffers) garantirão que o sistema permaneça
selado. Uma vez que as temperaturas ultrabaixas sejam atingidas, elas terão de ser mantidas por meses.
Controladores Especiais Mantêm Componentes Refrigerados. A distribuição de hélio é
regulada por válvulas especialmente projetadas
para uso nas temperaturas mais baixas. O sistema requer mais de 1.000 elementos com tu-
ocasionalmente falhar”.
Em outra parte da instalação LHC, mais precisamente no Ponto de Acesso 1, um corredor
estreito, fortemente iluminado, termina em
uma porta de aço azul. Localizado atrás desta
porta está o detector ATLAS – uma máquina de
quase 50 metros de comprimento e 25 metros
de altura (correspondendo aproximadamente a
um prédio de cinco andares). Nas paredes da
sala de 53.000 pés cúbicos que aloja esta
máquina, estão plataformas ascendentes de
metal que permitem que os técnicos possam ter
acesso aos vários níveis do detector, que consiste de vários milhões de componentes, muitos
dos quais têm de se encaixar com a precisão de
um centésimo de milímetro.
A zona interna do detector contém cerca de
dez bilhões de transistores. O detector ATLAS é
o maior arranjo de componentes experimentais
já construído por físicos de partículas. Ele é basi-
Para manter os feixes de partículas exatamente no curso, o LHC conta com os magnetos
de supercondução, que precisam ser esfriados
com hélio superfluido a uma temperatura de
menos 271ºC. “Se não usássemos esses magnetos, a instalação teria de ter 120 quilômetros de
circunferência e exigiria 30 vezes mais energia”,
diz Laurent Tavian, que é responsável pelos sistemas criogênicos do CERN. Ele explicou que enquanto os magnetos convencionais alcançam intensidade de campo de aproximadamente dois
teslas, as bobinas/molas magnéticas supercondutoras alcançam oito teslas e, assim, podem
dobrar bruscamente os feixes de partículas. No
entanto, mais de 1.600 magnetos superfrios são
necessários para alcançar este resultado. “Basicamente, estamos construindo o maior refrigerador do mundo”, brinca Tavian, acrescentando
que a “Siemens tem um importante papel no
projeto”.
A maior instalação até hoje necessitou de
3.600 litros de hélio superfluido pressurizado; o
LHC precisará de aproximadamente 600.000
litros. É a primeira vez que um volume tão
bos de comunicação de suprimento e retorno,
que controlam o resfriamento dos magnetos e
de outros componentes. As válvulas serão
movimentadas por unidades impulsionadas por
ar comprimido, cuja posição será regulada pelos controladores de posição da Siemens. “Não
podemos usar controladores normais Sipart PS2
diretamente no anel”, diz o gerente de produto
Klaus-Peter Heer, do setor Industry, em Karlsruhe, na Alemanha. “Isso ocorre porque a radiação é muito intensa, a ponto de afetar ou destruir os sensíveis sistemas eletrônicos”.
Para resolver esse problema, os desenvolvedores criaram uma versão dividida do
controlador de posição Sipart PS2, que tem todos os microprocessadores localizados em um
túnel separado, próximo à prova de radiação.
“Os componentes da Siemens são cruciais
para o controle do processo de resfriamento”,
diz Tavian. “Se um dos controladores de
posição parar de funcionar, é possível em alguns casos fazer com que outros assumam
seu lugar. Mas, na maioria dos casos, a
maquinaria toda de refrigeração poderia
camente feito de três sistemas de detecção. O
ATLAS também tem oito magnetos supercondutores. “Mais 130 de nossos controladores de
posição na versão dividida serão utilizados aqui
também”, diz Heer. A Siemens entregou 1.400
controladores de posição Sipart na versão dividida e 400 convencionais.
Os complexos controladores de posição não
são as únicas soluções que a Siemens forneceu ao
LHC ou ao CERN. Nos últimos dez anos, a empresa também entregou diversos produtos, como
dispositivos de controle Simatic, componentes
para fornecimento de energia, computadores e
laptops. Conforme se aproxima a conclusão do
projeto, milhares de cientistas de todo o mundo
mal podem esperar para a instalação ser ligada
em maio de 2008. Laurent Tavian é um deles.
“Uma coisa é certa”, ele diz, “se há uma partícula
Higgs, vamos achá-la muito rapidamente”. E se
não houver bóson de Higgs? “Aí é que as coisas
vão ficar muito emocionantes. Poderemos
acabar descobrindo algo inesperado, que poderá
mudar a face da física de partículas como nós a
conhecemos”.
Norbert Aschenbrenner
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Materiais para o Meio Ambiente | Cenário 2020
Destaques
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Agüentando o Calor
O conteúdo energético de um
combustível pode ser explorado
de maneira mais eficiente a temperaturas de combustão mais elevadas. Novos tipos de revestimentos fazem as lâminas de muitas
turbinas mais resistentes ao calor
e à corrosão.
31
Proteção Feita com Precisão
Blindagem de cerâmica contra
calor desenvolvida e produzida
pela Siemens protege as câmaras
de combustão de turbinas a gás.
36
Plásticos: Um Mercado em
Crescimento
Bactérias que crescem no campo
podem produzir plásticos orgânicos. Estes novos materiais podem
ser utilizados para fabricar produtos eletrônicos que respeitam o
meio ambiente.
38
42
Pegando Vento
Pás de rotor com até 52
metros de comprimento podem
produzir até 3,6 megawatts.
Em 2007, a Siemens instalou
1500 megawatts.
Energia Verde para o Mundo
A produção de combustível a
partir da cana-de-açúcar é uma
alternativa aos derivados do
petróleo. A Siemens fornece
soluções para este setor que também
está gerando bioeletricidade.
Nanopartículas na fachada do Hotel Retro
2020
high tech substituem os aparelhos de ar
condicionado (1). Os pisos do hotel são repelentes à água e à sujeira (2). Fibras luminosas
são tecidas nas roupas (3), revestimentos de
cerâmica nas lâminas das turbinas (4) garantem alta eficiência energética. Supercaps (5)
armazenam a energia dos freios de um
sistema ferroviário; e as partículas nano nas
tintas dos carros consertam os pequenos
arranhões (6).
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4
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5
3
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Revolucionários
Invisíveis
Outubro de 2020. Na inauguração de
um hotel de luxo, representantes do
setor de hotelaria chegam para admirar
suas inovações: o edifício pode gerar
quase toda a energia de que necessita,
graças em parte aos materiais
empregados na construção.
E
stá quente lá fora – o que combina com o
tema “Roma Antiga”. Tenho de correr ou
chegarei atrasado. É ótimo que a administração
do novo hotel tenha organizado um evento de
informações como este para os gerentes de hotel como eu. E estou realmente entusiasmado
com o que vou ver aqui, especialmente, porque
nosso próprio hotel precisa muito de uma reforma. Uma coisa que precisamos fazer é baixar
o nosso consumo de energia. Bem, este prédio
fica ótimo brilhando difusamente à luz do sol.
É iridescente! Ora fica vermelho, ora fica azul,
agora está roxo... “Bem-vindos, senhoras e
senhores, ao nosso novo Retro Hotel high-tech.
Tenho o prazer de lhes contar tudo sobre
nossa nova jóia atual”, diz a gerente do hotel
com orgulho.
Oh, não! Parece um longo tour. “Mas,
primeiro, vou lhes oferecer alguns refrescos”,
ela continua. Suco gostoso, supergelado, em
um cálice romano – muito refrescante. Porém,
esperem: o que são essas togas? Eles não esperam que eu vá usar uma toga, ou será que
sim? “Tudo aqui se enquadra perfeitamente
com nosso tema. Vá em frente, experimente as
roupas feitas por uma de nossas empresas parceiras. Unidades de armazenamento de energia
flexível são integradas ao tecido e fornecem
energia para iluminar os diodos tecidos no
pano. Essas pequenas luzes spot são também
etiquetas com nomes”. “Agora, por favor, me
acompanhem. A fachada externa do prédio é
realmente fantástica. A tinta das paredes contém nano partículas metálicas que funcionam
como um ar condicionado, deixando entrar somente o calor do sol quando os quartos no prédio não estão suficientemente aquecidos.
Quando a temperatura externa cai abaixo de
23ºC, as nano partículas são retidas em um tipo
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Materiais para o Meio Ambiente | Cenário em 2020
de invólucro protetor, o que significa que os
raios de calor podem penetrar no prédio.
Quando a temperatura sobe acima de 23ºC, as
propriedades materiais do invólucro protetor
mudam e as nano partículas são liberadas, por
assim dizer, e recomeçam a sua tarefa de refletir
o calor. Em dias quentes como hoje, elas agem
como um isolante”.
“E o que acham da própria fachada”? Pergunta a charmosa gerente do hotel. “Dependendo da temperatura e do ângulo da luz do
sol, nosso hotel reluz em cores diferentes. Há
também nano partículas na tinta externa que
tornam a fachada repelente à água e à sujeira”.
Não há diversão para grafiteiros aqui.
“No telhado, vocês podem ver nossa grande
unidade de energia solar, que fornece água
quente. Também temos outras células solares
de última geração, com uma seqüência de camadas que fornecem utilização otimizada da luz
solar. Estas células fornecem eletricidade para
as paredes iluminadas em 3D que mostram esculturas, templos e cenas cotidianas romanas.
“Além disso, temos energia eólica e instalações geotermais na área, portanto nosso
saldo em CO2 é muito impressionante, como
devem imaginar. De fato, em vez de termos de
comprar créditos de carbono, estamos capacitados a vendê-los. Falando em abastecimento de
energia, se tiverem tempo mais tarde, vocês devem ver a termelétrica de ciclo combinado, bem
próxima daqui. Como amante da arte, devo
dizer que a arquitetura das instalações é fantástica – mas para aqueles de vocês que estão mais
interessados na tecnologia, vão achá-la fascinante também.”
“Agora, por favor, me acompanhem até o
lobby. Como vocês vêem, o lobby é o paraíso da
iluminação e tenho certeza de que usa muita
eletricidade. Temos um sistema sofisticado e extremamente eficiente em termos de energia
que consiste em lâmpadas que poupam energia, diodos emissores de luz, sensores e
eletrônica high-tech. Tudo isto reduziu o consumo de energia em quase 80% em comparação ao que é considerado normal. Todos os
corredores e apartamentos têm detectores de
movimento e também misturam luz natural
com artificial, o que não só contribui para um
ambiente de iluminação mais natural, como
também conserva energia”. Qualquer um que
sofra de jet lag (desconforto com viagens longas) – e quase todos sofrem atualmente – pode
se recuperar com um chuveiro que funciona ao
impulso da luz em nossas termas romanas. E
eles até têm quedas de água, luzes baixas, jarras com vinho, óleos aromatizados e mesa de
massagem – Oh! quase tropecei na fonte ali. O
que é esta estranha vibração sob os meus pés?
A gerente do hotel, sorri. “Você tem sorte! Qual-
24
quer um que chegue perto de nossa fonte da juventude, como a chamamos, recebe um alerta
de sensores vibratórios integrados ao piso”.
Olho para baixo e vejo um maravilhoso piso de
mosaico romano antigo. “O mosaico no lobby,
bem como a mobília, são selados com revestimento que repele a sujeira”, a gerente continua.
“A recepção e a mobília dos apartamentos são
feitas de plásticos orgânicos – é difícil acreditar
que a cadeira de aspecto antigo ali é feita de
goma ou açúcar, você não acha?”
Gostamos de usar materiais que respeitam o
meio ambiente porque eles geralmente mudam
o tema de nosso hotel duas vezes ao ano, inclusive toda a mobília interior. Não são necessários
combustíveis fósseis para fabricar a mobília. E
quando a jogamos fora, a mobília emana não
mais dióxido de carbono do que as plantas das
quais são feitas absorviam do ar enquanto estavam vivas. Todos os produtos da decomposição também são atóxicos. Ah, um momento! Acabo de receber uma mensagem
urgente de nosso serviço de segurança. Com licença, alguém aqui é o dono de um sedan com
portas retráteis de placa M-UZ-2000?”
Sim, é meu... “Parece que um de nossos
hóspedes bateu em seu carro ao estacionar,
mas não aparenta ser nada sério”. Ele teve
sorte, parece ser apenas um pequeno arranhão
que se consertará sozinho, porque em apenas
poucas horas, a tinta da carroceria regenerará
a pintura. Portanto, não precisarei levá-lo à
oficina.
“Para concluir, senhoras e senhores, gostaria
de lhes mostrar o serviço sobre trilhos. O Retro
Hotel high tech patrocinou a construção de um
novo sistema de trem de curto percurso que respeita o meio ambiente e também compartilha os
seus custos de funcionamento. Este sistema sobre trilhos, que recebeu recentemente um
prêmio ecológico, tem vagões equipados com
motores elétricos e capacitores de dupla camada,
chamados de supercaps. Ao aproveitar a energia
cinética liberada quando o trem freia, os motores servem como geradores”. Assim, a energia
ganha é armazenada nos supercaps e reutilizada
quando o trem entra em movimento de novo.
“Este sistema de recuperação de energia
sozinho reduz o consumo energético em cerca
de 25%. Eu bem que gostaria de ter mostrado a
vocês os apartamentos do hotel, que receberam um prêmio de design. Mas como estamos lotados, espero que vocês entendam que
não poderei fazer isso. Como prêmio de consolação, vamos dar a cada um de vocês uma toga
romana e um certificado de presente do hotel
para estada de uma noite. Espero poder dar
boas-vindas a vocês novamente aqui, no ano
que vem, quando o nosso tema será “na Corte
do Rei Sol”.
Ulrike Zechbauer
| Tendências
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O Nanolab da Siemens está investigando como as
nanopartículas se comportam em solução, para
evitar que elas se amontoem e sejam aplicadas de
maneira homogênea nas superfícies.
A
s conseqüências serão dramáticas, salvo
se a velocidade da mudança climática
puder ser reduzida: seca, enchentes, fome, extinção de espécies e migração em massa.
Ainda assim, há tempo de evitar que o pior
aconteça – se uma substancial redução nas
emissões globais de gases de efeito estufa, tais
como o dióxido de carbono (CO2), puder ser
obtida.
“Graças ao uso de novos materiais, podemos
melhorar a eficiência na geração, na transmissão e no consumo de energia, tanto na parte
dos serviços de utilidade pública quanto dos
consumidores”, diz Thomas Grandke, chefe do
departamento de Materiais & Micro-sistemas na
Siemens Corporate Technology (CT).
Atualmente, a pesquisa de materiais está
partícula de uma substância específica, suas
características físicas e químicas, tais como condutividade elétrica, dureza, magnetismo e
reatividade química permanecem as mesmas.
Porém, tão logo entramos no mundo nano, essas propriedades mudam de uma forma fantástica”, explica Grandke. “Partículas na escala
nano têm uma ampla área de superfície em proporção ao seu volume, e sofrem efeitos quantum-mecânicos”.
O resultado desta diferença básica é uma diversidade de materiais totalmente novos.
Abaixo de 150 nanômetros, por exemplo, o pigmento branco do dióxido de titânio se torna um
eficaz absorvedor de luz UV, e é o motivo pelo
qual a nanotecnologia está causando impacto
até em produtos como cosméticos (loções para
Partículas
promissoras
Materiais especiais aumentam a eficiência das termelétricas,
mantêm o ar puro e limpam a água. Quanto menores as
partículas, mais efetivo o combate às substâncias
prejudiciais e maior a qualidade do meio ambiente.
passando por uma verdadeira revolução. No entanto, os próprios revolucionários são com freqüência invisíveis a olho nu. Muitos deles são
menores do que 100 nanômetros – um
nanômetro é um bilionésimo de um metro.
Cinco anos atrás, os institutos de pesquisa estavam orgulhosos quando produziam alguns
poucos gramas das chamadas nanopartículas;
hoje, cada vez mais produtores estão comercializando essas substâncias. O palco está montado para o advento das aplicações industriais
em grande escala. Mas isto exigirá mais do que
apenas nanopartículas de metal ou óxidos de
metal que estão atualmente disponíveis no
mercado.
Suas propriedades especiais não se desenvolvem completamente até que as nanopartículas tenham sido dotadas de determinadas
funções e firmadas em um meio estabilizado. É
somente então que elas de fato abrem a porta
para propriedades de materiais aperfeiçoadas
ou completamente novas – e, portanto, também para materiais que podem reduzir ainda
mais o peso para o ambiente. “Não importa se
você pega um bloco maciço ou uma pequena
bronzear). Outro exemplo é o ouro. Embora
conhecido como extremamente inerte e, portanto, um agente anticorrosão preferencial, o
ouro, como uma nanopartícula, é de fato extremamente reativo – uma nova propriedade
do material que está agora sendo explorada no
desenvolvimento de novos catalisadores.
Mais uma vez, o motivo para isto é a diferença entre uma área de superfície da
nanopartícula e o seu volume. Enquanto um
cubo sólido de um centímetro cúbico tem uma
área de superfície de seis centímetros quadrados, um cubo do mesmo tamanho preenchido
de partículas, cada uma com 10 nanômetros
de diâmetro, tem uma área de superfície de
aproximadamente 450 m2 – 740.000 vezes
mais. “O que é importante é que cada elemento
e cada estrutura, em princípio, podem ser
reduzidos à nanoescala, onde exibirá propriedades completamente diferentes”, diz
Grandke.
Dr. Jens Dahl Jensen tem uma comparação
que causa impacto para explicar o tamanho do
mundo nano. “Imagine a Terra próxima a uma
bola de futebol, e a bola de futebol próxima a
25
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Materiais para o Meio Ambiente | Tendências
Revestimentos de compostos nano do ar condicionado
podem fornecer uma forma eficiente, do ponto de
vista energético, para limpar o ozônio antes que ele
entre na cabine de aviões, como o Airbus A380.
uma nanopartícula: esta é a escala de magnitude de que estamos falando”. Jensen dirige o
campo de competência em nanopartículas na
Siemens CT em Berlim e lidera o NanoBase, um
projeto patrocinado pelo Ministério de Educação e Pesquisa (BMBF) da Alemanha, que envolve a Siemens bem como outras empresas e
estabelecimentos de pesquisa. O objetivo do
projeto é desenvolver novos tipos de revestimento na base de nanopartículas funcionalizadas, as quais melhorarão as tecnologias existentes e também possibilitarão novas
aplicações de maneira total.
No Nanolab, Jensen e seus colegas estão
atualmente investigando como terão de modificar as nanopartículas, a fim de lhes conferir
propriedades especiais. São considerações primordiais aqui a segurança no trabalho e a proteção ambiental. No laboratório, são aplicados
regulamentos rigorosos. Os pesquisadores
realizam experiências em ambientes contra
Melhor Qualidade de Ar na Cabine. A
pesquisa da Siemens para o projeto NanoBase
também está focando em revestimentos
catalíticos altamente ativos – quando incorporados em um conversor catalítico apropriado
poderá, por exemplo, decompor o ozônio no ar
ao redor. “Estes conversores de ozônio poderiam ser utilizados em unidades de ar condicionado de aeronaves”, explica Jensen.
A uma altitude de 10.000 metros, o ar contém até 550 ppb (partes por bilhão) de ozônio
por metro cúbico, o que significa que precisa ser
tratado antes de ser alimentado para a cabine.
Isso ocorre porque o ozônio é um gás agressivo
e nocivo. Os regulamentos estipulam um
volume máximo permitido de 100 ppb em um
período de três horas. Os atuais sistemas de ar
condicionado das aeronaves transformam o
ozônio em oxigênio, mas somente a temperaturas entre 150 e 200ºC antes de resfriá-lo para
a temperatura da cabine. A estas altas tem-
A nanotecnologia abre as portas para vários
materiais com novas propriedades.
vapores (fume hood) e usam roupas de proteção. Da mesma forma, o ar condicionado do
laboratório é separado do sistema utilizado
para o restante do prédio. Tanto o ar que entra
quanto o que sai é especialmente filtrado, a
fim de evitar que qualquer nanopartícula escape para a atmosfera.
“Os futuros produtos contendo nanopartículas terão de fixar estas substâncias em tinta de
proteção ou revestimento de superfície. Temos
de garantir que estas substâncias não possam
escapar para o meio ambiente”, explica Jensen.
“Quaisquer riscos potenciais à saúde desta fonte
também estão sujeitos à discussão no atual debate sobre particulados de diesel”.
26
peraturas, os conversores catalíticos usando
metais preciosos podem decompor o ozônio de
maneira eficiente em oxigênio.
O objetivo do projeto NanoBase da Alemanha é desenvolver materiais que suportarão
a transformação do ozônio em oxigênio sem a
utilização de metais preciosos e a temperaturas
bem abaixo de 100ºC, o que poderia dar mais
flexibilidade aos projetistas dos sistemas de ar
condicionado das aeronaves, tendo em vista
que os conversores não seriam mais dependentes do uso de altas temperaturas. Isto será
especialmente importante para aviões que, por
exemplo, usam compressores elétricos para
chegar à pressão da cabine utilizando ar ex-
terno. Esses aviões não mais precisarão usar ar
que tenha sido aquecido pelos motores, a fim
de alcançar temperaturas catalíticas.
Embora este objetivo esteja longe de ser plenamente alcançado, um modelo inicial para
demonstração deverá estar pronto dentro de
dois anos. Isto permitirá converter ozônio a temperaturas bem abaixo de 100ºC. “Agora, estamos desenvolvendo este protótipo para o projeto NanoBase em cooperação com EADS e
outros parceiros”, diz Jensen. “Estamos combinando um método apresentado no final da década de 1960 – o chamado processo químico de
níquel – com nanotecnologia”. Como regra,
estes revestimentos químicos de liga de níquelfósforo estão sendo depositados em um material de base – principalmente materiais metálicos, mas cada vez mais plásticos e vidros
também – para protegê-los contra desgaste e
corrosão. Este processo envolve mergulhar o
material-base em um tanque de imersão.
Sozinha, no entanto, a liga de níquel é má catalisadora. “Mas, se penetrarmos/embutirmos de
maneira uniforme nanopartículas de metal ou
óxido de metal na camada mais superior da liga,
isto cria os chamados revestimentos de compos-
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tos nano, com altas propriedades catalíticas”,
explica Jensen.
Estes revestimentos modificados decompõem ozônio a temperaturas muito mais baixas
e também funcionam muito mais depressa do
que acontece com conversores convencionais.
Os pesquisadores da Siemens estão atualmente
refinando o processo de deposição e testando
uma variedade de nanopartículas, o que é uma
tarefa que consome muito tempo. “Apenas
manter as nanopartículas estáveis e verificar
que elas não se amontoem em um tanque de
imersão e afundem até a parte inferior do
tanque já é uma ciência em si”, diz Jensen.
“Outro grande desafio é garantir que elas estejam embutidas de maneira uniforme na liga de
níquel. Utiliza todo o nosso know-how e nós
ainda aprendemos algo de novo todos os dias”.
Porém não é só o setor aeroespacial que está
interessado nesses catalisadores de alta tecnologia. “Em apenas alguns anos, poderemos
muito bem ver nossos revestimentos de
nanocompostos em trens e em carros de alta
velocidade. É um mercado enorme”, diz Jensen.
“Em vagões, por exemplo, eles poderiam ser
usados não só para ar condicionado, mas também para manter limpas as carrocerias dos
veículos. Isso ocorre porque as superfícies cataliticamente ativas e autolimpantes também
seriam impenetráveis a grafite”.
Isto representaria um grande benefício para
as empresas de transportes sobre trilho, que gastam atualmente uma grande quantidade de
tempo e dinheiro para remover a tinta em
aerosol. São necessários dois a três funcionários
trabalhando um dia útil inteiro para limpar um
trem suburbano, por exemplo. Com freqüência,
o grafite só pode ser removido com o auxílio de
poderosos produtos químicos que não só dão
sumiço aos rabiscos e garatujas como também à
pintura e aos revestimentos por baixo.
“Somente a Deutsche Bahn, empresa responsável pelas rodovias alemãs, poderia poupar
Page 27
dezenas de milhões de euros nesta área todos
os anos”, diz Jensen. “Outra alternativa: revestimentos de nanocompostos também podem
ser utilizados nos elementos de filtração para
sistemas de tratamento de água. Além disso,
eles podem aumentar a sensibilidade dos sensores químicos utilizados para detectar rápida e
facilmente drogas e explosivos”.
Resistindo aos Elementos. Além do desenvolvimento de revestimentos catalíticos altamente ativos, o projeto NanoBase também está
examinando revestimentos de proteção aprimorados para produtos e sistemas utilizados
em engenharia elétrica e transportes. Atual-
sivos nano que oferecem o efeito de uma barreira radicalmente melhorada. “Em nossos laboratórios em Erlangen, estamos sintetizando
nanocompostos na base de silicatos modificados em lâmina (modified sheet silicates). Estes
consistem de nanopartículas com a espessura
de um nanômetro e comprimento e largura de
500 nanômetros. Estas dimensões geram o
efeito de barreira desejado. Só para dar um
exemplo, as moléculas de água levam cerca de
dez vezes mais tempo para penetrar neste
revestimento em comparação com as tintas
convencionais de proteção”, explica Gröppel
E, mais ainda, as tintas protetoras convencionais têm uma desvantagem adicional. Em
Catalisadores do futuro funcionarão com mais
rapidez e mais eficiência, usando menos energia.
mente, invólucros de plástico são normalmente
utilizados para proteger componentes e sistemas eletrônicos contra os elementos. Ainda
assim, isso nem sempre é suficiente, especialmente quando os componentes são expostos a
condições severas, tais como aquelas nos compartimentos do motor do veículo e em
maquinaria industrial.
As moléculas de água, ar ou gases prejudiciais podem penetrar no plástico e fazer com que
os componentes eletrônicos dentro dele comecem a falhar. “Isto pode até fazer parar fábricas
industriais completas ou sistema de controle de
tráfego, algumas vezes com conseqüências
muito sérias para a segurança humana e o meio
ambiente, sem deixar de mencionar o impacto
financeiro”, diz Peter Gröppel, químico na
Siemens CT, em Erlangen.
Da mesma forma, a vida útil dos LEDs
orgânicos diminui acentuadamente quando
eles são expostos à umidade e ao oxigênio. Por
isso, Gröppel trabalha em novas tintas e ade-
Sai
Entra
Catalisador
O ar flui por um canal especializado
preparado com nanopartículas catalíticas
que oxidam as substâncias gasosas.
muitos casos, elas contêm solventes orgânicos
que são prejudiciais ao meio ambiente. “No projeto NanoBase, nossa meta para 2009 é desenvolver uma nanotinta protetora sem solventes e
baseada em água que também possui propriedades de produto muitíssimo aperfeiçoadas”, declara Gröppel.
Os visionários do campo da nanotecnologia
já estão sonhando com o desenvolvimento de
uma tinta que se conserta sozinha. As pessoas
nunca mais precisariam se preocupar sobre pequenos arranhões em seus carros. Em vez disso,
as nano cápsulas na tinta abririam na extremidade de um arranhão, liberando um catalisador
que reagiria com os outros componentes na
tinta. Tais componentes poderão conter pequenas gotas de polímero menor funcionalizado.
Estes preencheriam e selariam o arranhão antes
que o metal por baixo pudesse começar a corroer, com o resultado de que o veículo teria novamente a aparência de novo em folha.
Ulrike Zechbauer
Source: DCL International
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Nanopartículas embutidas em metal (pontos turquesa) aumentam significativamente a
eficácia catalítica do revestimento (à esquerda). Esses catalisadores poderão decompor
substâncias, como o ozônio, com mais rapidez e usando menos energia (acima). No
Nanolab de Siemens, em Berlim, uma amostra é revestida de nanopartículas (à direita).
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Materiais para o Meio Ambiente | Otimizando Palhetas de Turbinas
Um revestimento de 300 micrometros desenvolvido
por Werner Stamm (abaixo) aumenta a vida útil das
lâminas da turbina, incluindo as da maior turbina a
gás do mundo (na extrema direita).
Agüentando o calor
Novos materiais estão tornando as palhetas das turbinas
a gás e vapor ainda mais resistentes ao calor e à corrosão.
Isto resulta em maior eficiência e menor consumo de
combustível, ajudando a diminuir a poluição ambiental.
C
omo é do conhecimento de todo cozinheiro, uma pitada de sal pode transformar
um prato sem gosto em algo muito apreciado.
Mas o tamanho da pitada é sempre uma
questão de experiência, e algumas vezes ela
tem de ser misturada com outros condimentos
para se conseguir o paladar certo. A lição não se
28
perde com Werner Stamm – o principal chefe
de pesquisa de materiais da divisão Fossil Power
Generation, em Mülheim an der Ruhr, na Alemanha. Stamm está sempre pensando em novas “receitas” para as quais jamais recebeu
prêmios de culinária, mas em vez disso, 52
patentes e o título de “Inventor do Ano de
2006”. Isso porque suas receitas ajudam a
tornar as palhetas das turbinas a gás mais resistentes ao calor e à corrosão.
O último tempero na cozinha de Stamm é o
rênio, um metal raro, caracterizado por ponto
de fusão muito elevado e alta densidade. Adicionar 1 a 2% de rênio a uma mistura de
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cobalto, níquel, cromo, alumínio e ítrio (os
chamados revestimentos MCrAlY) impregna a
mistura complexa de propriedades extraordinárias.
A elevadas temperaturas, a mistura forma
uma barreira de óxido de alumínio na superfície
MCrAlY que protege as palhetas das turbinas do
oxigênio em um gás de combustão. O rênio
melhora as propriedades mecânicas do revestimento protetor e simultaneamente evita que o
alumínio difunda no material da base. “O revestimento faz com que o material da base pare de
oxidar”, diz Stamm. Sem ele, a base de liga de
níquel na lâmina sobreviveria somente 4.000
horas em funcionamento a temperaturas máximas. No entanto, com o revestimento, a liga
pode agüentar contra o oxigênio mais de
25.000 horas, mais do que as operadoras de
termelétricas exigem como um mínimo.
O revestimento de Stamm, com somente
300 micrometros de espessura, tem também
outra função – servir como agente para as camadas de isolamento térmico de cerâmica.
Tendo em vista a temperatura do gás de aproximadamente 1.500ºC, este sistema composto de
agente adesivo e cerâmica – em conjunto com
um sistema especial de resfriamento, que sopra
o ar em pequenos jatos estreitos para as palhetas – reduz a temperatura da superfície de
metal na primeira fileira de palhetas de 1.200
para cerca de 950ºC. Os sistemas de revestimento isolante térmico mais novos podem acomodar temperaturas de superfície cerâmica de
até 1.350ºC.
Vale a pena lutar pelos pontos percentuais. Mas Stamm e seus colegas ainda não estão
satisfeitos, porque conforme a temperatura aumenta, a eficiência do sistema (a quota de ener-
gia útil obtida da combustão) melhora. E com o
preço das matérias-primas subindo, as operadoras e os projetistas de termelétricas estão lutando para obter ganhos de apenas décimos de
um ponto percentual. Esta foi a fundamentação
lógica por trás do desenvolvimento da mais
moderna e também maior – com saída de 340
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megawatts – turbina a gás do mundo, que a
Siemens entregou à usina da E.ON, em Irsching,
em 2007. Os planos são de que a gigantesca
usina será usada em conjunto com uma
turbina a vapor a partir de 2011 – um sistema
que deverá ultrapassar a marca de 60% de eficiência (veja página 32). “Isto nos impulsiona
para uma nova região da tecnologia”, diz
Johannes Teyssen, diretor de operações da
E.ON AG, em Dusseldorf. “E esperamos que a
maior eficiência resulte em custos menores de
geração de energia.”
Mais eficiência poderia ser obtida reduzindo
o resfriamento do ar nas palhetas da turbina,
pois o ar usado aqui é levado através da turbina,
assim baixando a eficiência. No entanto, menos
resfriamento de ar aumentaria a temperatura
da primeira fileira de lâminas em mais de 100ºC
cerâmica completa, que não necessitará ser
resfriada. “Isto, porém, ainda demorará alguns
anos, mas as pessoas diziam isso há 15 anos”,
diz Stamm.
A aquisição da Westinghouse pela Siemens
trouxe nova vida para o desenvolvimento da
cerâmica e os engenheiros estão agora tentando aumentar as temperaturas – e com elas,
a eficiência – utilizando óxido de cerâmica.
Outras empresas no setor estão optando por
um material-base de carboneto de silício, cuja
estrutura e propriedades se assemelham à dos
diamantes. O carboneto de silício é um material
de alta resistência que tem uma importante
desvantagem. Ele oxida quando em contato
com o oxigênio em altas temperaturas – e o
oxigênio é algo que as turbinas a gás têm
em grande quantidade. Os pesquisadores da
Termelétricas a vapor movidas a carvão com mais de 50%
de eficiência deverão estar funcionando em 2014.
– o que é demais para os materiais usados
atualmente. A turbina a gás em Irsching já tem
um sistema de refrigeração ótimo – graças ao
revestimento de proteção MCrAlY de Werner
Stamm. Entretanto, conforme Stamm chama a
atenção, não será possível determinar exatamente como a turbina gerenciará o esforço até
depois que ela estiver operando normalmente
por diversos anos. “Os laboratórios e as
máquinas de verdade são duas coisas diferentes”, diz ele.
Os revestimentos de proteção resistentes e
isolantes de calor, como o de Stamm, oferecem um potencial enorme ainda não explorado. Se, por exemplo, os pesquisadores pu-
Siemens estão, portanto, focando no desenvolvimento de óxido de cerâmica que já reagiu
com oxigênio. A rigidez mais baixa do material
não é um empecilho, tendo em vista que o mais
importante é sua expansão útil real, que é
maior do que a do carboneto de silício.
Ainda assim, as palhetas de cerâmica terão
de ser reforçadas se tiverem de sobreviver às
25.000 horas de funcionamento que os
clientes exigem delas. Isso acontece porque a
cerâmica é quebradiça. Por isso, Ulrich Bast, da
Siemens Corporate Technology, em Munique,
junto com seus colegas em Orlando, na
Flórida, estão desenvolvendo e testando
cerâmica de fibra reforçada.
derem aumentar as temperaturas da superfície
do material de cerâmica e reduzir a formação
de óxidos na camada McrAlY, tanto a eficiência
como a vida útil da turbina poderiam ser aumentadas significativamente. E, em última
análise, as cerâmicas especiais são apenas um
passo intermediário no caminho para a
Generation 50plus. A E.ON planeja começar a
construir a nova geração de termelétricas de vapor movidas a carvão em 2014, que alcançará
uma eficiência de mais de 50%. Diversos projetos preliminares estão em andamento para o
“Generation 50plus”, com a Siemens trabalhando no desenvolvimento de componentes
para a termelétrica. No centro de geração de
energia de Scholven, próximo a Gelsenkirchen,
Alemanha, por exemplo, o projeto COMTES700
está testando materiais para usar em caldeiras,
tubulação e turbinas que estarão expostas a
temperaturas do vapor a 700ºC. Esta alta temperatura permitirá que as novas usinas dêem um
salto em eficiência do máximo de hoje, que é
46%, para 50%. Mas temperaturas mais elevadas não serão suficientes, de acordo com
Ernst-Wilhelm Pfitzinger, gerente de projeto para
a turbina de 700º, em Mülheim. Pfitzinger diz
que atingir o ponto percentual final dependerá
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Page 30
Materiais para o Meio Ambiente | Otimizando Palhetas de Turbinas
de achar um local favorável com boas condições
de resfriamento – como o Mar Báltico. No estudo
conhecido como NRWPP700, diversos parceiros,
incluindo a Siemens, já estão projetando uma
usina de demonstração cujos componentes
agüentaram temperaturas de vapor a 720ºC.
Embora 720º possam parecer quase refrescantes em comparação com as temperaturas infernais na turbina de gás, as exigências feitas em
turbinas de alta e média pressão são, apesar de
tudo, enormes. Além do calor, há também a resistência de 250 bares de pressão; na usina da
E.ON 50plus, isso possivelmente deverá aumentar para 350 bares. Em comparação, uma turbina
normal a gás está sujeita a uma pressão de somente cerca de 25 bares.
Os engenheiros que constroem a turbina a va-
mentos com raios-X e ultra-som não conseguem
penetrar com profundidade suficiente no metal. O
processamento de ligas nos componentes forjados
e fundidos nas paredes espessas também necessita de um recálculo complicado dos dados dos
materiais que levam em conta a atmosfera do vapor escaldante. Este esforço aumenta os custos – e
a nova liga também é cinco vezes mais cara do
que aço de alta qualidade para as turbinas.
Maior Palh eta de Turbina do Mundo. Jörn
Bettentrup não precisa se preocupar muito com
o calor. Gerente de projeto para desenvolvi-
palheta do mundo – 16 m2. A turbina também
deverá ser utilizada na usina da E.ON, em
Irsching. Nem os motores a jato do Airbus A380
chegam perto disso.
Há um motivo simples para a gigantesca
roda ser tão atraente para os clientes. Uma
turbina de 16 m2 pode substituir duas de oito,
o que economiza muito dinheiro em termos de
espaço, rolamentos e tubulação. Ela é um
grande desafio para desenvolvedores, no entanto, já que as forças centrífugas associadas
causam grandes resistências às lâminas. A
3.000 rotações por minuto, várias centenas de
Alguns componentes pesam 20 toneladas, mas
têm tolerâncias de poucas centenas de milímetros.
toneladas atuam nas bases das Palhetas e nas
ranhuras que as unem ao rotor. O aço convencional das palhetas não é suficientemente forte
Ano
1981
2001
2004
2015
para agüentar isso, o que faz com que os en>50%
47%
42%
genheiros necessitem de um material muito
Eficiência
37.5%
Planta a vapor
rígido e também leve, assim reduzindo a força
Planta a vapor
centrífuga. Eles agora decidiram usar o titânio,
Planta a vapor
Planta a vapor
Planta de referência
50plus (E.ON),
de Bergkamen
Isogo 1
em NRW
500 MW
um metal caro, com acabamento opaco acetinado, que também é popular com os joaLinha base
-20.2%
-25%
Redução na
-11%
(projetada para
lheiros. O titânio pesa perto da metade do que
emissão de CO2
500 MW)
o aço normal para turbinas, é mais forte e apresenta boas propriedades de resistência à corDesenvolvimento da tecnologia de turbina a gás
rosão. A capacidade do titânio de amortecer as
Ano
1992
1996
2001
2010
oscilações, no entanto, é ligeiramente menor
do que a do aço, e por estes motivos, as lâmiEficiência
60%
58%
56%
52%
Planta de ciclo
nas de titânio são equipadas com ligas especicombinado
ais para suportar os elementos. A estrutura
Planta de ciclo
Planta de ciclo
Planta de ciclo
Planta de ciclo
deste
sistema de palhetas é extremamente
combinado
combinado
combinado
combinado
Mainz-Wiesbaden
Irsching 4, 530 MW
Killinghone
Didcot
complexa.
Linha base
A maioria dos fabricantes agora oferece
-7.1%
Redução na
-10.3%
(projetada para
-13.3%
emissão de CO2
palhetas de titânio para os estágios finais de
530 MW)
suas turbinas de baixa pressão, mas nenhum
ousou construir uma tão grande quanto a que
a Siemens está planejando. Os testes e expepor na fábrica de Mülheim podem contar com a mento na Siemens PG, Bettentrup projeta novas riências projetados para superar as dificulprofunda experiência de seus colegas de desen- palhetas de movimentação para o último está- dades ainda precisam ser realizados antes de
volvimento de turbinas a gás, mas o processa- gio das turbinas a vapor de baixa pressão, que o projeto ser aprovado. Mas todos os
mento dos materiais é extremamente difícil. En- são geralmente utilizadas em conjunto com as parâmetros operacionais já foram testados
quanto os receptáculos e invólucros, palhetas e turbinas de alta e média pressão. O vapor nas por cerca de dois anos, usando uma turbina
eixos na turbina a gás têm um design de filigrana e três turbinas expande gradualmente e depois pequena como modelo. A tarefa da equipe de
são formados de placas e palhetas finas, os eixos enfraquece no final, resfriando para 30ºC a uma desenvolvimento da palheta, agora, é empreforjados das grandes turbinas a vapor podem ter pressão de 45 milibares. A expansão aumenta gar o material no projeto ideal, a custos faaté um metro de espessura e seus componentes rapidamente o volume do fluxo, no entanto, o voráveis, pois a produção de palhetas de
individuais podem pesar mais de 20 toneladas. que significa que a última roda tem de ser a titânio é complicada – e, conseqüentemente,
Além disso, depois de processados, todos os com- maior. A maior roda de palheta feita pela mais dispendiosa – do que o processo convenponentes não podem desviar dos formatos pré- Siemens para funcionamento em estágio final cional de palhetas de aço. Outros custos adicalculados mais do que poucos centésimos de tem uma superfície de fluxo de 12,5 m2. “A cionais são gerados pelos preços altos e cada
milímetro. As costuras soldadas com 20 centíme- tendência é no sentido de áreas cada vez vez mais voláteis das matérias-primas. Apesar
tros de largura exigem o uso de técnicas de sol- maiores”, diz Bettentrup, motivo pelo qual ele e disso, os cálculos de Bettentrup demonstram
dagem totalmente novas e, acima de tudo, novos sua equipe estão buscando construir uma que “ela realmente se pagará para nossos
métodos de teste, da mesma forma como procedi- turbina a vapor com a maior área de roda de clientes”.
Bernd Müller
Desenvolvimento da tecnologia de turbina a vapor
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Page 31
| Blindagens de Cerâmica Contra Calor
Blindagens de cerâmica contra calor, feitas sob encomenda (à dir), são a alma da câmara de combustão
(à esq). Materiais otimizados para blindagem são
testados em instalação especial (parte inferior).
Proteção Feita com Precisão
A cerâmica protege as turbinas a gás de gases de combustão que “uivam”. Desenvolvendo
materiais e processos de produção de proteção, a Siemens obteve vantagem competitiva.
N
o centro da chama de uma vela, onde as
partículas emitem fuligem com mais intensidade, a temperatura chega a alcançar entre
1.000 e 1.200ºC. No entanto, para uma
Blindagem de Calor feita de Cerâmica da
Siemens Ceramic Heat Shield (CHS), o calor sibilante da chama da vela seria pouco mais do que
uma brisa fresca. Essas blindagens de calor têm
de ser capazes de agüentar temperaturas de
1.500ºC. Essa é a temperatura alcançada no interior de uma câmara de combustão anular de
uma turbina a gás – e, portanto, no lado quente
do revestimento cerâmico, que consiste de até
500 azulejos CHS.
No lado inverso “frio”, em contraste, a temperatura cai para aproximadamente 600ºC.
“Portanto, o efeito isolante fornecido por este
isolamento em cerâmica, de quatro centímetros
de espessura, chega a 900º,” explica Vassilios
Papadopoulos, gerente de Produto CHS da
Siemens, em Berlim. “Sem essa proteção, as
paredes de metal da câmara de combustão se
derreteriam muito rápido e a máquina seria
destruída instantaneamente.”
Além do calor, a resistência mecânica dentro
da câmara de combustão da turbina a gás é
também extrema. O gás, correndo a veloci-
dades de até 100 metros por segundo e parecendo um tornado da categoria F4 – o segundo
mais forte – ruge dentro da câmara de combustão, constantemente atacando a cerâmica.
No entanto, a CHS pode agüentar tudo – embora suas condições de funcionamento sejam
mais duras do que aquelas enfrentadas por uma
espaçonave. “As blindagens ao calor feitas com
cerâmica de uma espaçonave são inspecionadas detalhadamente após cada lançamento e aterrissagem”, diz Holger Grote, especialista em materiais e líder da equipe da CHS,
em Mülheim an der Ruhr. “Em contraste, nossas
máquinas têm de passar por muitas milhares
de horas de funcionamento antes que seus
componentes possam ser inspecionados.”
Produção interna. Ao longo dos anos, o desempenho das turbinas a gás aumentou continuamente (página 28). Isto foi alcançado principalmente fazendo subir as temperaturas da
câmara de combustão. Como regra geral,
quanto mais elevada a temperatura, melhores o
desempenho e a eficiência da turbina. Para a
mesma energia elétrica, é necessário menos
gás natural e, conseqüentemente, é produzido
menos dióxido de carbono. “É claro que, conse-
qüentemente, as exigências para a blindagem
de calor também aumentam”, diz Papadopoulos. “Antes de 2006, ainda estávamos comprando nossas unidades da CHS de empresas
externas. No entanto, os prazos de desenvolvimento de nossos fornecedores eram relativamente longos. Eles não tinham como acompanhar a velocidade da inovação de nossas
turbinas a gás. Naquela época, comparamos
nossa própria competitividade com a de empresas como a General Electric e, diferentemente de nossos concorrentes, decidimos nos
envolver em toda a cadeia de valor associada
com os componentes totalmente cerâmicos”,
diz Grote.
Os planos consideraram que as blindagens
ao calor em material cerâmico deveriam ser
produzidas e otimizadas internamente. Para
concretizar este alvo, a Siemens montou um
centro de testes de materiais, em Mülheim. “O
cerne da instalação são áreas de teste especiais
para caracterização térmica ou termomecânica
da cerâmica. Entre 2003 e 2005, estudamos
uma grande variedade de diferentes combinações de materiais”, disse Grote. “Testamos
qual o desempenho do material de cerâmica a
1500ºC, por exemplo. Depois de dois anos de
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| A Maior Turbina a Gás do Mundo
pesquisa, surgiu claramente o material que era
o melhor candidato. Mais robusto do que o material utilizado anteriormente, com melhor resistência às mudanças de temperatura – e ao
mesmo tempo tendo uma vida útil mais longa.
Eram características muito atraentes para o
cliente, porque uma CHS que permanece intacta por mais tempo também não precisa ser
substituída com freqüência, o que reduz os custos de manutenção da usina”.
Mas a CHS não foi o único desenvolvimento. Todo o processo de produção também
foi modernizado. A produção nas instalações
de Berlim começou em março de 2006, depois
de um prazo de construção recorde de 12
meses. “Usamos um processo exclusivo no
mundo”, que inclui produzir material CHS de
matérias-primas em quantidades com precisão
de uma grama, processando o material e usando
equipamento especial para enformar, e
queimando as blindagens cerâmicas contra o
calor. O resultado é CHS elaborado com precisão – com o máximo de variações em comprimento e largura a precisão é de quatro décimos
de milímetro”, diz Papadopoulos. “Trata-se de
uma importante vantagem porque os fornecedores externos utilizam processos diferentes
para produzir suas blindagens de calor, que então necessitam ser retrabalhadas – e qualquer
pessoa que já retrabalhou cerâmica sabe o
quanto de trabalho está envolvido”. Cada
blindagem de calor é inspecionada individual e
detalhadamente antes da entrega, e a
blindagem que apresentar a menor das fissuras,
por exemplo, é rejeitada. “A Siemens também
criou um Sistema de Gerenciamento da Qualidade Total para essa linha de produção”,
relata Grote.
Produção Feita sob Medida. Se uma CHS
demonstrar danos, a causa pode ser descoberta
rapidamente, porque as blindagens de calor
levam um número designado durante seu
processo de produção, que também garante a
rastreabilidade da blindagem. Além disso,
cada blindagem individual de calor é também
documentada na PG, em Berlim, durante o
“stoning” (revestimento com os azujelos refratários) que é como os especialistas chamam
o processo de cuidadosamente encaminhar a
CHS na câmara de combustão anular. O espaço especificado entre duas placas é de cerca
de 1,4 milímetro, com tolerância máxima de
um décimo de milímetro. “Aqui, podemos ver
com clareza os benefícios do processo de produção de alta precisão”, diz Papadopoulos.
Porém a maior vantagem da nova blindagem
de calor – as inovadoras geometrias de CHS –
ainda está por chegar.
Ulrike Zechbauer
32
Eficiência
inigualável
A maior turbina do mundo, com saída de 340 megawatts,
entrou em funcionamento experimental em novembro
de 2007. Em combinação com uma turbina a vapor
downstream, ela ajudará a garantir que a nova termelétrica de ciclo combinado alcance eficiência recorde de
mais de 60% quando entrar em funcionamento, em 2011.
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Após montagem na fábrica de turbinas a gás da
Siemens, em Berlim (acima), a maior turbina a gás
do mundo viaja. Abaixo: a turbina chega ao seu
destino, em um gigantesco caminhão especial.
H
abitantes da cidade de Irsching, na
Baviera, saíram às ruas para testemunhar o
levantar do mastro enfeitado de branco e azul.
Três semanas mais tarde, apareceram em
grande número novamente – desta vez, preocupados com o mastro, pois um caminhão gigantesco apareceu carregando uma nova
turbina para a termelétrica da cidade. Os habitantes estavam preocupados com o fato de que
a turbina – que mede 13 metros de comprimento, cinco metros de altura e pesa 444
toneladas, pudesse causar uma ameaça ao seu
bem-amado mastro. Não foi o caso, no entanto;
os especialistas que supervisionavam o transporte estavam de fato mais preocupados com a
ponte na entrada da cidade, que eles reforçaram como medida preventiva, antes da
chegada da turbina.
A maior turbina do mundo, que foi construída pela fábrica da Siemens, em Berlim, viajou
1.500 quilômetros para chegar a Irsching – inicialmente na água, ao longo do rio Havel, vários
canais, o Reno e o Main. Em seguida, entrou no
Canal Main-Danúbio para Kelheim, onde foi carregada em um caminhão nos últimos 40
quilômetros. Esta odisséia foi realizada porque a
única maneira de testá-la seria pô-la em funcionamento na termelétrica. “Foi uma ótima coincidência que a empresa E.ON estivesse
planejando expandir a termelétrica em
Irsching”, disse Hans-Otto Rohwer, gerente de
projeto da Siemens em Irsching. A Siemens
agora construirá uma usina de ciclo combinado
na instalação da Baviera (Bloco 5) para a E.ON
Kraftwerke GmbH. A usina, que deverá estar
concluída em 2009, alojará duas pequenas
turbinas a gás e uma turbina a vapor. A Siemens
também construirá o novo Bloco 4 da usina,
onde a gigantesca turbina será instalada. A
saída da nova turbina é de 340 megawatts, o
que é igual à de 13 motores a jato das aeronaves
jumbo, e suficiente para fornecer energia para a
população de uma cidade do tamanho de
Hamburgo.
“O Bloco 4 é nosso projeto no momento”,
diz Rohwer. A Siemens utilizará a infra-estrutura existente aqui, comprará gás da E.ONRuhrgas e venderá a eletricidade que produzir
na usina. Isso não é assim tão importante
agora, pois a turbina primeiro precisa ser testada nos próximos 18 meses. Para isso, a
unidade foi equipada com 3.000 sensores que
medem praticamente tudo que a moderna tecnologia pode registrar – desde temperatura e
pressão até resistência mecânica e deformação
do material. Se um componente está defeituoso,
ou falha, os computadores ligados aos sensores
chamam a atenção para o problema imediatamente. O componente é então retirado e substituído ou reformulado.
A maior parte da tecnologia de medição está
embutida, o que se vê na instalação é uma
seção de 21 trailers de escritório abrigando as
estações de medição. Os trailers parecem pequenos perto da ala onde está a turbina, que
tem 30 metros de altura. Apesar de seu
tamanho gigantesco, a fachada de metal da
nova instalação faz com que ela pareça leve e
moderna quando comparada com as três torres
de concreto antigas, das décadas de 1960 e
1970, cada uma com 200 metros de altura.
“Falta muito para a ala ser terminada”, diz
Rohwer, enquanto aponta para um grande buraco no chão entre a turbina e o gerador. “É aqui
que vamos instalar os sistemas de óleo para
manter todas as partes móveis da montagem
do eixo lubrificadas. É também onde a maior
parte das chaminés se acumula, e onde quase
todo o equipamento elétrico e os tanques de
gás estão localizados.”
Recorde de Eficiência. Rohwer aponta para
uma abertura na parede e explica que é a
conexão para a unidade de tomada de ar, que
puxará ar fresco de fora. Equipada com abrigo
especial, filtros e absorvedores de ruído, a
unidade canalizará 800 quilogramas de ar por
segundo quando a instalação estiver funcionando a plena capacidade – um volume que
esgotaria o ar dentro da ala em apenas poucos
minutos. Mas valerá o esforço porque a turbina
de gás e a turbina a vapor auxiliar estabelecerão
um novo recorde mundial com um índice de eficiência de mais de 60%, dois pontos percentuais acima da detentora do recorde anterior, a
termelétrica de Mainz-Wiesbaden. Portanto, falando relativamente, menos combustível será
queimado e menos 40.000 toneladas de
dióxido de carbono (CO2) serão emitidas por
ano para a atmosfera do que no caso da termelétrica de Mainz-Wiesbaden. E em compara-
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Materiais para o Meio Ambiente | A Maior Turbina a Gás do Mundo
ção com a média das termelétricas movidas a
carvão, que têm uma eficiência de 42%, a nova
instalação em Irsching emitirá aproximadamente 2,3 milhões de toneladas de CO2 a
menos por ano, e produzirá a mesma quantidade de eletricidade.
Haverá ainda muito que fazer mesmo depois
que a usina for construída, pois os técnicos terão
de testar todos os sistemas para garantir que as
linhas de gás estão vedadas para agüentar a
pressão, os cabos elétricos estão adequadamente firmados e todas as válvulas fecham e
abrem de maneira rápida e confiável. É a verificação final antes de uma missão espacial.
Há bons motivos para a decisão da Siemens
de usar uma turbina gigantesca em vez de duas
as perdas na turbina, e aumentaram a temperatura dos gases de combustão, o que aumenta a eficiência. “É complicado quando você
envia gás aquecido a 1.200/1.500ºC pelas lâminas da turbina”, diz Fischer. “Isso ocorre porque
a temperatura mais elevada a que as superfícies da lâmina podem ser expostas é 950º,
ponto em que elas começam a incandescer e
ficar vermelhas. Se ficar mais quente, o material começa a perder a estabilidade e se oxida.”
Revestimento Cerâmico. Os engenheiros
de 10.000 vezes o esforço gravitacional da
Terra, que seria o equivalente a cada centímetro cúbico de tal lâmina pesar tanto
quanto um ser humano adulto.
As lâminas são feitas de liga de níquel. Elas
costumavam ser fundidas e depois deixadas
para esfriar e endurecer. Mais tarde, eram
feitos crescer cristalitos na mesma direção das
forças centrífugas. Mas, agora, as lâminas da
turbina gigante, em Irsching, contêm ligas que
foram criadas como cristais únicos através da
utilização de processos especiais de resfria-
A turbina pode produzir eletricidade suficiente para
abastecer uma cidade do tamanho de Hamburgo.
mento. São, portanto, extremamente resistentes à quebra, pois não há mais limites
granulados entre os cristalitos na liga que
podem romper.
Os engenheiros também otimizaram o formato das lâminas com a ajuda de programas
de simulação em 3D, nos quais as extremidades foram projetadas para manter um intervalo, o menor possível, entre as lâminas e
a parede da turbina. Dessa forma, praticamente todos os gases passam pelas lâminas e
são utilizados. O intervalo parede-lâmina
torna-se ainda menor devido ao funcionamento em cone da turbina. Isto significa que
o eixo pode ser deslocado milímetros durante
o funcionamento até que as lâminas quase
toquem a carcaça – uma prática conhecida
como “otimização do intervalo hidráulico”.
Pesando 444 toneladas, a maior turbina do mundo é cuidadosamente posicionada.
menores que a E.ON irá operar na unidade ao
lado. “O preço do megawatt (MW) de saída e a
eficiência estão correlacionados com o tamanho
da turbina. Em outras palavras, quanto maior
ela for, mais econômica será”, explica Willibald
Fischer, responsável pelo desenvolvimento da
família de turbinas 8000H. “Em 1990, a maior
turbina a gás produzia 150 MW e, em conjunto
com uma turbina de 75 MW a vapor, tinha uma
eficiência de 52%. “Nossa turbina a gás tem
uma saída de 340 MW. Em combinação com
uma turbina a vapor de 190 MW, ela utiliza
mais de 60% do conteúdo energético do combustível gás.”
Os engenheiros superaram dois desafios enquanto projetavam a turbina. Eles aumentaram
a quantidade de ar e os gases de combustão
que fluem através da turbina a cada segundo,
que causa o aumento na produção mais do que
34
da Siemens foram criativos na solução do
problema. Uma coisa que fizeram foi baixar a
transferência de calor do gás de combustão para
o metal, aplicando revestimento térmico consistindo de duas camadas de mão de fundo:
uma de 300 micrometros de espessura diretamente no metal e uma camada fina de cerâmica
sobre ela, que produz isolamento de calor (ver
página 28). As lâminas também são resfriadas
de maneira ativa, pois são ocas por dentro e expostas a fluxos de ar frio gerados pelo compressor. As lâminas bem na frente (a parte mais
quente da turbina) também têm furos finos, por
onde o ar é liberado, e aí flui através das lâminas, cobrindo-as com um filme fino de isolamento, como uma blindagem protetora.
Conforme as lâminas giram, forças centrífugas maciças entram em ação. A extremidade de cada lâmina é exposta à força máxima
Corrida Piloto. Cada uma das medidas mencionadas produz somente uma fração de aumento de eficiência ou saída. Mas se considerados em conjunto, levam a um novo recorde. Se
tudo vai funcionar como planejado será revelado nos 18 meses de funcionamento experimental, iniciado em novembro de 2007. Se os
resultados dos testes preliminares forem satisfatórios, os engenheiros anunciarão o término
dos testes e o início de funcionamento da
megaturbina em agosto de 2008, permitindo
que a Siemens comece a comercializá-la.
“Se a turbina a gás se comprovar durante o
período de experiência, assumiremos o controle
da usina em 2011”, disse Alfred Beck, da E.ON
Kraftwerke GmbH. “Sua elevada eficiência a
tornará lucrativa para uso em funcionamento a
meia carga, apesar do preço ligeiramente mais
caro do gás”.
A instalação gerará eletricidade durante
3.000 a 7.000 horas a cada ano, e será de fato
uma termelétrica verdadeiramente superior.
Bernhard Gerl
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| Eliminando Materiais Perigosos — Reciclagem
Solda sem chumbo se junta aos mais diversos componentes em placas de circuito (na parte superior da página). O processo inteiro de solda (pastas inclusive) é
otimizado no laboratório da Siemens em Berlim (abaixo).
A
s placas de circuito parecem modelos em
miniatura das grandes cidades. Os caminhos cinza dos condutores poderiam ser as
ruas e os capacitores no formato de torres, os
arranha-céus. A cor da superfície da placa é
verde. “Mas até recentemente, as placas de circuito eram verdes somente em termos da cor
de sua superfície”, diz Peter Demmer, da
Siemens Corporate Technology (CT). No entanto, as coisas estão mudando, enquanto os
pesquisadores da Siemens lutam para tornar as
placas verdes no sentido figurativo ecológico
também. Trata-se de uma questão importante,
pois as placas de circuito podem ser encontradas em praticamente todos os produtos que
contêm componentes eletrônicos. As placas
põem máquinas de fazer café, tomógrafos
computadorizados, motores elétricos e termelétricas inteiras para funcionar.
O chumbo – metal tóxico pesado freqüentemente encontrado em soldas – é uma
sustância que a Siemens sempre evita usar.
Placas de circuito tornam-se ecológicas
Pesquisadores da Siemens estão tornando os componentes eletrônicos menos nocivos ao meio ambiente,
eliminando o chumbo das pastas de solda e os retardadores de chama à base de bromo de algumas das placas.
A Fujitsu Siemens Computers já está vendendo PCs que
contêm placas de circuito “ecológicas” em todo o mundo.
De fato, a empresa tem sido mais restritiva do
que o exigido pela legislação. Na metade de
2006, o chumbo foi proibido e não pode ser
utilizado em muitos dispositivos e aparelhos
elétricos e eletrônicos na União Européia.
“No longo prazo, também queremos substituir os retardadores de chama que contêm
bromo, embora ainda não haja legislação a
respeito”, diz Demmer, que gerencia o projeto
de Placas de Circuito Ecológicas na CT. Os
compostos de bromo são perigosos porque
podem liberar produtos cancerígenos em caso
de incêndios.
Por isso, algumas placas de circuito verde
da Siemens já contêm compostos organofosforados, que são, no momento, considerados
menos prejudiciais. Os retardadores de chama
evitam os incêndios de rescaldo, como os causados por curtos circuitos.
Um excelente exemplo de proteção ambiental ativa é o PC Ecológico da Fujitsu Siemens
Computers (FSC). Todos os componentes
deste computador fabricados internamente ou
especialmente encomendados fora não contêm chumbo nem bromo, de acordo com
Hans-Georg Riegler-Rittner, chefe de Proteção
Ambiental e Gerente da Qualidade na FSC em
Augsburg, na Alemanha. “Os únicos componentes no PC Ecológico que podem conter retardadores de chama com bromo são os discos
rígidos ou a LAN ou os sticks do modem
adquiridos de fontes externas”, explica RieglerRittner. Os PCs Ecológicos da FSC também consomem muito pouca energia. Sob condições
ideais, eles precisam de não mais do que a energia necessária para acender uma lâmpada de
60 watts e, além disso, são fáceis de reciclar.
Um Sucesso na Escandinávia. “Os computadores que respeitam o meio ambiente não
custam para nossos principais clientes nada
mais do que um PC convencional”, diz Riegler-
Rittner. Apesar de os PCs Ecológicos serem
ligeiramente mais caros para produzir, eles só
são usados comercialmente, o que significa
que o custo adicional pode ser recuperado nos
sistemas de logística de fornecimento. “Nós
não mais embalamos cada PC individualmente
para nossos grandes clientes; em vez disso,
entregamos uma embalagem completa contendo centenas de computadores”, explica
Riegler-Rittner.
Os PCs que respeitam o meio ambiente
despachados para o mundo inteiro são um
grande sucesso, especialmente na Escandinávia,
não apenas porque o novo certificado ambiental Nordic Swan exige o cumprimento de normas muito rígidas, mas porque os PCs Ecológicos são atualmente os únicos computadores a
terem recebido o certificado.
A FSC vendeu mais de 1,3 milhão de PCs
Ecológicos em todo o mundo, no ano passado,
embora os clientes particulares ainda não o
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Materiais para o Meio Ambiente | Reciclagem
| Materiais Renováveis
possam comprar. “Nossos PCs normais podem
concorrer em preços no varejo porque muitos
elementos são adquiridos fora. Mas, infelizmente, esses componentes ainda contêm
bromo”, explica Riegler-Rittner.
A questão dos materiais é também o foco
do trabalho realizado pelo Dr. Klaus Peter
Galuschki. Há anos, Galuschki e sua equipe na
Siemens CT, em Berlim, têm avaliado a qualidade das placas de circuito soldadas sem
chumbo e otimizado os processos para fabricá-las. “As características, tais como vida
útil, estabilidade e propriedades elétricas não
devem ser afetadas negativamente pela mudança para soldas sem chumbo”, diz
Galuschki. O problema é que praticamente
não existem dados históricos sobre o desempenho das novas soldas, a maioria das quais
são feitas de ligas de estanho, prata e cobre. A
solda com chumbo, por outro lado, é um procedimento de longa tradição – e até recentemente, todos os processos da fabricação de
equipamentos eletrônicos eram projetados
para ela.
“Um dos principais problemas com a conversão do chumbo eram as altas temperaturas
de fusão das novas soldas, que muitos componentes eletrônicos comuns não conseguiam
agüentar”, explica Galuschki. Os materiais para
solda sem chumbo não fundem até aproximadamente 220ºC, cerca de 40º a mais do que
o ponto de fusão das soldas convencionais de
estanho e chumbo. O advento de componentes mais resistentes ao calor tornou a conversão viável.
Plásticos:
Compostos Estáveis. Os materiais utilizados
nas pastas de solda foram analisados, pois a
técnica da arte em solda atualmente não mais
envolve soldar ferros e fios. “Compramos pasta
de solda e a passamos por um instrumento de
moldagem em direção às placas de circuito”, diz
Galuschki. As pastas contêm glóbulos de
tamanho micrométricos da liga de metal selecionada, agentes de fundição que evitam que o
ponto de solda oxide e agentes tixotrópicos –
substâncias que fazem com que a mistura fique
pegajosa, garantindo que os glóbulos possam
aderir às placas.
Uma vez que a pasta tenha sido aplicada,
uma máquina SIPLACE coloca os componentes
nas superfícies da placa. Depois disso, as placas
vão para um forno, onde os contatos dos componentes e o material de solda são fundidos
juntos. “A chave aqui é a regulagem sofisticada
da temperatura para garantir que os solventes
na pasta da solda sejam vaporizados antes que
o material da solda funda”, diz Galuschki.
As placas de circuito deverão se tornar ainda
mais ecológicas no futuro e, em alguns casos,
serão até produzidas utilizando matérias-primas
renováveis, tais como cana-de-açúcar, resíduos
da indústria de papel ou processos de fabricação
de biodiesel. “As verdadeiras placas ecológicas
verdes são de fato amarelas”, diz Galuschki, enquanto aponta para um protótipo feito de bioplástico em cor clara. Embora a produção de placas de circuito “verdes” em amarelo ainda levará
um bom tempo, as primeiras amostras do laboratório já chegaram à bancada de testes de
Galuschki.
Andrea Hoferichter
Reutilização e Reciclagem de TI
7.0 %
Embalagens
5.5 %
Concreto
(cofres)
11.5% Metais não-ferrosos
(alumínio, cobre, etc.)
42.1% Metais ferrosos
Não-recicláveis
Recicláveis termicamente
Reutilizáveis
11.7%
Plásticos
1.4 %
Cofres
6.4 % vidros
(tubos de raio
de catódio-CRT)
2.1 %
Outros
0.6 %
Plásticos
2.7 %
Embalagem
mista
1.1 %
Resíduos
perigosos
7.9 %
Grupos de
componentes
As figuras representam percentuais de peso
Pouco menos de 99% de todos os equipamentos antigos de TI da Fujitsu Siemens Computers
aceitos para descarte – inclusive PCs e sistemas de caixas registradoras – podem ser reciclados
ou reutilizados diretamente.
36
Fonte: Fujitsu Siemens Computers, 2007
Materiais recicláveis
Os plásticos produzidos
por bactérias farão com
que muitos produtos
eletrônicos respeitem
mais o meio ambiente no
futuro. Os cientistas estão
estudando as propriedades
destes polímeros e
identificando suas
possíveis aplicações.
A
vida é boa. Tome, por exemplo, o Paracoccus denitrificans. Este organismo redondo, roxo e de uma única célula tem uma
existência sossegada, que consiste em desintegrar os resíduos orgânicos das águas servidas
ou do solo. Mas em épocas de tensão, ele
pode responder empilhando reservas feitas de
plástico. Ele faz isso convertendo o excesso de
carboidratos em ácidos graxos, que ele combina em longas moléculas, criando, em última
análise, o poliácido 3-hidroxibutírico (PHB),
que coleta células bacterianas como glóbulos
pequenos duros. O PHB é um polímero
semelhante ao polipropileno plástico sólido
utilizado em muitas áreas, de embalagens
para alimentos a produtos têxteis.
O PHB, produzido por muitos tipos de bactérias, é biodegradável e uma matéria-prima
muito cobiçada. É por isso que os pesquisadores
de materiais da Siemens Corporate Technology
(CT) e da BASF AG estão tão interessados nele.
As duas organizações estão trabalhando em
conjunto com outros parceiros nos projetos
“BioFun” e “BioPro” financiados pelo Ministério
de Alimentos, Agricultura e Proteção ao Consumidor da Alemanha. Seu objetivo é desenvolver plásticos de alta qualidade a partir de
matérias-primas renováveis e identificar as possibilidades mais promissoras para sua aplicação.
Até recentemente, bioplásticos têm sido
utilizados principalmente como embalagem e
em produtos não-duráveis, tais como pratos
descartáveis, pois muitos desses plásticos são
biodegradáveis. Em 2006, ocorreu um grande
crescimento na demanda por esses materiais,
de acordo com a Associação Européia de Bioplásticos. A popularidade crescente é decorrente da maior conscientização ambiental da
parte dos consumidores, um interesse maior
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Um Ramo em Crescimento
PHB
Bactérias (em vermelho) produzem PHB, um
Grânulos biodegradáveis de PHB (na frente) podem
polímero semelhante a plástico sólido, que elas
ser utilizados para produzir um receptáculo
empilham como alimento.
(à esquerda) e uma placa de circuito (à direita).
pelo desenvolvimento sustentável entre as
empresas e os preços mais elevados das
matérias-primas e da energia. A Associação
acredita que os bioplásticos têm o potencial
para responder por 5 a 10% do mercado de
plásticos no futuro próximo; no momento,
eles são responsáveis por cerca de 0.1%.
de P. denitrificans, geradas em tanques no instituto de pesquisas SIAB, em Leipzig, estão sendo
alimentadas com glicerina, um líquido que se
assemelha a uma cera, subproduto da semente
do óleo de colza para fabricação do biodiesel. Somente na Europa, espera-se que, até 2010, sejam produzidas 300.000 toneladas de glicerina a
mais do que as indústrias de cosméticos, alimentos e indústrias farmacêuticas mundiais poderão
utilizar. Se os pesquisadores do projeto BioFun
conseguirem o que pretendem, o excesso de
glicerina será utilizado para fazer plásticos.
Quantidades Ilimitadas. O principal benefício oferecido pelos “ecoplásticos” é que sua
produção praticamente não necessita de combustíveis fósseis. Além disso, seu descarte
libera mais ou menos a mesma quantidade de
CO2 absorvida pelas plantas que são consumidas pelas bactérias que produzem os plásticos,
em primeiro lugar. Os bioplásticos também
são interessantes de uma perspectiva
econômica, porque os produtos-base para sua
produção – açúcar e amido – estão disponíveis
em praticamente quantidades ilimitadas.
Além disso, os elevados preços do petróleo estreitaram de maneira significativa a diferença
de preços entre os bioplásticos e os plásticos
de petroquímicos. Durante anos, as empresas
eletrônicas japonesas, especialmente, têm
tentado fabricar produtos duráveis feitos de
bioplásticos. O projeto BioFun se concentra nos
produtos eletrônicos, nos quais os aspectos mais
importantes envolvem as propriedades mecânicas, tais como flexibilidade, resistência a impacto
e aderência à superfície. “Como fabricante de
eletrônicos, sabemos exatamente o que esses
materiais devem ter a capacidade de fazer”, explica Kleinert. “Nosso envolvimento no BioFun
nos possibilita garantir, numa etapa inicial, que
os novos materiais que estão sendo desenvolvidos tenham as propriedades certas”. Matériasprimas específicas de determinadas regiões
poderão ser utilizadas. Por exemplo, as culturas
Firme e Elástico. Antes que esses plásticos
possam ser fabricados em grandes quantidades, seus processos de produção, que incluem tudo desde glicerina bruta de limpeza e
fermentação em um bio-reator à extração do
PHB das células bacterianas, terão de ser simplificados. “Até agora, muita energia foi despendida nessas etapas”, comentou a engenheira ambiental Cornelia Petermann, da
Siemens CT, cuja tarefa é levantar balanços
ecológicos que levem em conta a energia consumida durante a produção e a compatibilidade ambiental dos aditivos. Petermann
acredita que muita energia poderá ser economizada pela reciclagem de materiais e calor.
Os químicos também estão trabalhando em
uma composição ótima para esses plásticos. As
demandas colocadas nos produtos eletrônicos
que associam misturas de PHB precisam ser
examinadas em detalhe. Por exemplo, os
pesquisadores na Siemens CT estão examinando por quanto tempo diferentes variações
de PHB permanecem firmes e elásticas e se os
revestimentos de proteção ou aditivos especiais
evitam ou não a sua decomposição em ambientes quentes e úmidos – um problema com-
partilhado por todos os poliésteres. Os
pesquisadores do BioFun conseguiram agora
melhorar a elasticidade do PHB, misturando-o
com um plástico biodegradável baseado em
petróleo produzido pela BASF.
Os cientistas também estão examinando até
que ponto o PHB poderá ser adequado para ser
utilizado com sistemas da mecatrônica, visto
que as superfícies de PHB poderiam ser metalizadas e, assim, poderiam desempenhar as
funções realizadas pelos caminhos condutores
normais. “Você poderia então montar componentes eletrônicos diretamente no revestimento
de metal do receptáculo em PHB”, diz Kleinert.
Isto eliminaria a necessidade das placas de circuito convencionais, conservando espaço e materiais. Naturalmente, um dos critérios mais importantes aqui é o preço. “Para nossos plásticos
terem uma chance no mercado, eles não podem
ser mais caros do que os produtos estabelecidos”, explica Kleinert.
Ao realizar pesquisas para sua dissertação de
Mestrado no setor de Healthcare da Siemens, o
engenheiro ambiental Stefan König descobriu
que as fibras feitas de matérias-primas renováveis
poderiam ser utilizadas para reforçar plásticos
convencionais, pois as fibras naturais melhoram
de maneira significativa as propriedades
mecânicas destas últimas. Além disso, os testes
com plásticos contendo uma porção de
matérias-primas renováveis revelaram que estes
eram capazes de atender às mais rigorosas demandas por resistência a chamas, tais como
aquelas exigidas para os componentes de
painéis em equipamentos médicos de grande
porte. “A situação ideal seria reforçar os
biopolímeros com fibras naturais", diz König. “Já
existem materiais reforçados hoje que contêm
somente poucas matérias-primas petroquímicas”. Obviamente, os resultados do projeto BioFun deverão produzir fantásticas descobertas
nos próximos anos.
Ute Kehse
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Materiais para o Meio Ambiente | Turbinas Eólicas
Pás prontas esperam embarque (abaixo) enquanto
as novas já estão sendo produzidas (à direita). Aqui,
moldes enormes estão sendo retirados (centro) das
pás sem acabamento (à esquerda).
Pegando o vento
A divisão de Renewable Energy da Siemens é líder mundial no mercado para turbinas
eólicas oceânicas. Na Dinamarca, com um processo exclusivo, de estágio único, a
empresa produz as pás do rotor com até 52 m de comprimento. Ela também fabrica
as maiores turbinas eólicas feitas em série no mundo, que produzem 3,6 megawatts.
N
uvens carregadas e vento muito frio sobre o Mar do Norte. Pelos padrões da
maioria das pessoas, isto não tem nada
a ver com bom tempo. Mas para Claus Burchardt,
chefe de pesquisa e desenvolvimento de pás na
divisão Renewable Energy da Siemens, não
poderia ser melhor. “Para nós, bom tempo
significa vento forte, sem ele estaríamos lutando para achar clientes.”
Em vez de estar em pé na praia, Burchardt
está sentado em um pequeno escritório, nos
arredores de Aalborg, a terceira maior cidade da
Dinamarca. Em conjunto com 3.200 colaboradores da Renewable Energy, Burchardt constrói enormes usinas de energia eólica, cada
uma podendo gerar eletricidade suficiente para
aquecer uma banheira cheia de água gelada em
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apenas 30 segundos. De fato, os componentes
individuais dessa turbina eólica são tão grandes
que, por motivos logísticos, algumas são construídas longe da Dinamarca. Um desses locais é
Fort Madison, no estado de Iowa, nos EUA,
onde uma nova fábrica de pás de rotor foi inaugurada em setembro de 2007. A infra-estrutura
também tem um importante papel na escolha
dos locais. Assim, Aalborg, por exemplo, foi selecionada devido à sua proximidade a um porto,
com um cais favorável ao manuseio de pás de
rotor, algumas das quais com mais de 50 metros de comprimento.
“O grande desafio em Aalborg”, diz Burchardt, “é garantir que todas as pás de rotor produzidas, algumas das quais pesando 16
toneladas métricas, sejam fabricadas em níveis
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elevadíssimos de precisão para que tenham
desempenhado exatamente conforme exigido,
sem a necessidade de atualizá-las ou ajustá-las
durante 20 anos”. Para realizar isto, as pás de
rotor – apesar de seu enorme tamanho e força
– devem ter um formato aerodinâmico ótimo
até o menor ângulo possível e, mais ainda, elas
têm de ser robustas, porque muitas delas são
destinadas a usinas eólicas oceânicas, onde os
custos dos reparos e consertos são extremamente elevados. “Os custos para o fabricante de
realizar consertos em mar aberto são cerca de
dez vezes maiores do que numa instalação em
terra firme”, diz Burchardt. “Em grandes turbinas,
velocidades diárias do vento a 10 metros por
segundo forçam 100 toneladas de ar através
do rotor a cada segundo, o que exige pás
robustas”.
Exigências extremas de qualidade como essas já levaram muitos fabricantes a desistir do
setor oceânico. Nesse meio tempo, a Siemens
se tornou não só a empresa com mais experiência, mas também a maior fornecedora de
turbinas eólicas para instalações oceânicas.
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Por meio de um processo patenteado, as pás de usinas
eólicas são produzidas como uma só peça - sem emendas.
evitam que a pá entre em colapso durante a
produção.
Produzindo as Pás. Na ala de produção das
instalações de Aalborg, que tem cerca de 250
fundida e, portanto, sem nenhuma costura, o
que a torna muito mais forte do que as outras
pás”, explica.
No final da ala, Burchardt se detém próximo a um dos moldes da pá que um colaborador está revestindo com o que parecem ser
quilômetros de tecido branco. Ele tem a
aparência de um tapete delicadamente tecido,
mas no toque dá a impressão de plástico. “Fibra de vidro”, explica Burchardt, “e uma vez
que tenha sido injetada com resina de epóxi,
ela se torna um composto de fibra de plástico
reforçado. Diferentemente dos produtos de
fabricantes concorrentes, nossas pás de rotor
não contêm cloreto de polivinil, que tem sido
associado à dioxina. Isto significa que não são
um problema na hora de serem jogadas fora
no final de sua vida útil de 20 anos, porque
são principalmente feitas de fibra de vidro
reciclável”.
Como pode um tecido deste comprimento
dar a uma pá de rotor sua fantástica força?
metros de comprimento, há enormes moldes do
formato das pás, como fôrmas de assar bolos,
dispostas ao longo do piso e mesmo penduradas
de cabeça para baixo no teto. Não há nenhum
vestígio de cheiro de produtos químicos e a
maioria dos colaboradores não precisa usar
roupa especial de proteção. “Alguns anos atrás,
desenvolvemos um método de fabricação de pás
em uma peça, com tudo incluído”, diz Burchardt.
“Usando esse processo de pá integral – ou técnica de estágio único (one shot), como também
a chamamos – pudemos nos desfazer dos adesivos. Conseqüentemente, os colaboradores não
estão sujeitos a vapores tóxicos. Ao mesmo
tempo, não há componentes individuais para
atravancar a ala e, no final, temos uma pá
de rotor que é produzida em uma única peça
“O molde é inicialmente revestido com muitas
camadas de fibra de vidro. De fato, há sete
toneladas métricas deste material em uma pá
de 45 metros e 12 toneladas em uma de 52
metros. Para melhorar a rigidez, uma camada
de madeira é colocada entre as camadas de
fibra de vidro”, diz Burchardt.
Enquanto Burchardt fala, um molde é baixado do teto e uniformemente contém os dois
lados de uma pá. Somente agora as formas
das enormes unidades nas costas dos moldes
se tornam evidentes. Quando estão fechados,
os moldes agem como uma enorme fôrma de
bolo com um forno integrado e, uma vez que a
resina de epóxi tenha sido injetada, elas são
aquecidas para assar a pá em um todo sólido.
Os bolsões dentro da pá desafiam o calor e
eólica estão situados na Dinamarca.
“Há motivos históricos,” diz Henrik Stiesdal,
diretor de Tecnologia da Siemens, em Brande.
“Tudo começou com a crise energética de
1973/1974. Em um movimento para reduzir
sua dependência do petróleo, a Dinamarca
examinou a possibilidade de construir usinas
de energia nuclear. Como resposta, engenheiros
talentosos projetaram as primeiras turbinas
eólicas. Em meados da década de 1980, vários
países criaram incentivos fiscais para a energia
eólica, tornando-a um negócio lucrativo.
Sendo o único país com know-how para construir turbinas eólicas totalmente funcionais,
a Dinamarca passou por um crescimento que
continua até hoje”, explica.
Embora o tempo esteja bom lá fora – no
Boas Vibrações. Antes da instalação, as pás
de rotor passam por uma série de testes estáticos e dinâmicos. No primeiro deles, elas são
sujeitas a 1,3 vezes a carga de funcionamento
máximo. Para simular 20 anos de fadiga de
material, as pás são montadas em bancas
especiais de teste e submetidas a cerca de dois
milhões de vezes de vibrações, antes que a
resistência do material seja novamente testada no teste estático final.
Em Brande, uma cidade de 6.000 habitantes, cerca de 150 quilômetros ao sul de
Aalborg, 2.000 colaboradores da Siemens fabricam a alma de toda usina de energia eólica:
as nacelles (invólucros) de suas turbinas.
Durante a viagem pelo interior dinamarquês,
passando por seus campos e fazendas e 3.500
das turbinas eólicas do país, pergunto por que
os maiores fabricantes de usinas de energia
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Materiais para o Meio Ambiente | Turbinas Eólicas
Antes da instalação no mar (abaixo), Henrik Stiesdal
(à direita) verifica se tudo está em ordem – inclusive
a montagem da turbina (centro) e o teste final de
resistência (à esquerda).
sentido dinamarquês – Stiesdal evidentemente está satisfeito em continuar em seu
agradável escritório. De uma gaveta ele retira
a cronologia da tecnologia de energia eólica
e coloca sobre sua mesa. “As primeiras
turbinas eólicas foram construídas no início
da década de 1980 e produziam somente 22
quilowatts. Desde então, a produção dobrou
a cada quatro anos. A 2,3 e 3,6 megawatts,
nossas modernas usinas produzem mais de
cem vezes a energia eólica de então. Pelo
menos por enquanto, as pequenas usinas
ainda são responsáveis por cerca de 80% de
nossos negócios.”
Stiesdal mostra um grande mapa da Europa. “Acabamos de finalizar a instalação da
Usina de Energia Eólica de Burbo – nossa
primeira instalação oceânica baseada na nova
turbina de 3,6 megawatts. A usina está localizada no mar na área de Liverpool, no Reino
Unido, e tem uma produção total de 90
megawatts. Precisamos de apenas um mês e
meio para concluir o trabalho. Já em 2008, a
instalação fornecerá eletricidade a mais de
80.000 residências. Neste mesmo ano, temos
Gigantes de 500 Toneladas. Aqui, nacelles enormes de metal, contendo uma
máquina de 2,3 megawatts, estão sendo
preparadas. Chegamos perto de uma das estruturas arredondadas, cujo topo está aberto em
um dos lados, oferecendo uma visão do interior.
“Estamos em pé, na frente do eixo motor. É aqui
que o rotor e suas três pás serão montadas pelo
lado de fora. Para uma turbina oceânica, é um
trabalho que ocorre no mar aberto. As torres
são montadas em terra. Um navio especialmente projetado, completado com guindaste, é
utilizado para transportá-las, bem como as nacelles e as pás do rotor para o local em mar
aberto. Então, leva menos de meio dia para
instalar uma única turbina pesando 500
toneladas. Uma vez que o rotor começa a funcionar, seus movimentos são transmitidos pelo
eixo motor para uma unidade de engrenagem.
Esta, por sua vez, transfere o torque para o
gerador, o que varia dependendo da força do
vento. O resultado é energia elétrica.”
Stiesdal, um marinheiro amador, mostra que
um sistema desta magnitude requer muito mais
do que apenas peças mecânicas. “Hoje, uma
As primeiras turbinas eólicas produziam 22 kilowatts,
menos de um centésimo do que produzem hoje.
outro projeto com 54 turbinas para aquela que
será a maior usina de energia eólica do mundo
instalada no oceano, no leste da costa da
Inglaterra. “Como a única empresa capaz de
fornecer turbinas eólicas deste porte, já recebemos outros pedidos para nosso produto
principal”. Os olhos de Stiesdal brilham com
entusiasmo. “Este ano, construiremos turbinas
eólicas com uma produção total de 1.500
megawatts. É o suficiente para produzir quatro
bilhões de quilowatts hora por ano – aproximadamente 12% das necessidades de eletricidade da Dinamarca.”
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turbina de 2,3 megawatts como esta contém
muitos níveis de processadores e eletrônica.
Pode parecer simples e fácil de entender, mas
quanto mais perto você a examina, mais complicada ela se torna”. Isto também se aplica à
turbina topo de linha de 3,6 megawatts. A
caminho para inspecionar esta gigante, passamos pela área de armazenamento. Como a
caixa de brinquedos de uma criança, todos os
componentes para as turbinas eólicas estão arrumados esperando instalação. À esquerda, há
as enormes coberturas do bico, que mais tarde
adornarão o receptáculo da turbina, no meio
das nacelles da máquina, e à direita os eixos
(hubs) gigantescos dos rotores, cada um pesando cerca de 35 toneladas. As pás para
Aalborg são entregues diretamente ao local da
instalação. Os vários componentes para as torres, que tem 120 metros de altura, vêm de
fornecedores externos na Dinamarca, Alemanha, EUA e Coréia, dependendo da localização da usina de energia eólica.
Uma vez na ala, a nacelle branca da turbina
de 3,6 megawatts é inconfundível. Diferente de
sua parenta menor, ela tem formato angular.
Medindo aproximadamente 13 metros de comprimento, quatro de largura e quatro de altura,
ela é também maior: a parte interna da turbina
é alcançada por uma escada. Diversos sistemas
estão espalhados em dois andares, como se
fosse uma pequena casa. “Tudo é maior nesta
turbina”, diz Stiesdal, falando com modéstia
típica. “Mas já estamos trabalhando em turbinas
ainda maiores. De fato, em breve, as pás do rotor de nossas turbinas poderão ter mais de 60
metros de comprimento.”
Sebastian Webel
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| Iluminação
O
s diodos emissores de luz (LEDs) são tão
pequenos quanto uma partícula de pó,
mas são gigantes quando se trata de
respeitar o meio ambiente. Os LEDs brancos
não só necessitam somente de um quinto da
energia utilizada por lâmpadas tradicionais,
mas têm uma vida útil 50 vezes mais longa.
E, mais ainda, diferentemente das lâmpadas
convencionais que economizam energia, eles
não contêm mercúrio. De fato, a história de
sucesso do LED branco já vem ocorrendo ao
longo dos anos.
confiante de que mesmo chips mais eficientes e
maiores podem ser produzidos. “Sabemos que
2.000 lumens é um objetivo viável”, diz ele.
Outro fator importante quando se trata de
LEDs eficientes envolve os corantes amarelo e
vermelho-laranja que são aplicadas na fonte de
luz original em camadas para transformar os
chips de luz azul de LED em luz branca. O
pesquisador da Osram, Dr. Martin Zachau, é um
especialista neste campo. Ele e sua equipe
usam corantes do tamanho de grãos para controlar as propriedades de dispersão das partícu-
Progressos na Área
de Emissores de luz
Diminuir o consumo de energia, proibir os poluentes e
expandir a vida útil das lâmpadas – essa é a missão dos
desenvolvedores de lâmpadas da Osram. Em breve, LEDs
brancos e brilhantes, com uma vida útil de 90.000 horas.
Luminosidade de longa durabilidade. O Dulux
EL LongLife (acima) é uma lâmpada fluorescente compacta altamente duradoura, com
vida útil de 15.000 horas. Abaixo: materiais
para LEDs sendo testados em uma biblioteca
com luzes fluorescentes. Mais abaixo: o LED
branco do Ostar Lighting ilumina mais que
uma lâmpada halógena de 50 watts.
Oferecendo 1.000 lumens, o que é mais
brilhante do que uma lâmpada de halogênio de
50 watts, a estrela no firmamento LED é sem
dúvida a “Ostar Lighting”. Com sua eficiência de
cerca de 70 lumens por watt, ela literalmente
relega as lâmpadas incandescentes (15 lm/W)
para as sombras. A lâmpada contém seis chips
de LED de alta eficiência, cada um medindo um
milímetro quadrado. “Com a Ostar, criamos
uma área iluminada muito grande”, diz o líder
do projeto, Steffen Köhler, da Osram, divisão do
setor Industry. Em contraste com a tendência
na direção da miniaturização na indústria
eletrônica, os LEDs para iluminação geral devem ser as maiores possíveis, para que possam
suprir grandes quantidades de luz.
Alcançar este objetivo é qualquer coisa
menos fácil, embora seja importante levar em
consideração que os LEDs são uma combinação
de cristais semicondutores potencializados de
maneira diferente. Em outras palavras, átomos
potencializadores foram introduzidos nas retículas do cristal, que deve ser puro e estruturado
de maneira regular no nível atômico. Quanto
maiores os cristais, no entanto, mais elevada é a
probabilidade de que ocorrerão impurezas e irregularidades. E quanto maior o número de impurezas, menos eficiente é a conversão da energia elétrica em luz. Apesar disso, Köhler está
las, o que permite que variem a luz emitida.
A eficiência é otimizada por meio de composição de produtos químicos. A estabilidade
do fósforo é aumentada por meio de um revestimento protetor.
Não obstante, os LEDs ainda não reproduzem as cores naturais com precisão, porque,
diferente da luz solar ou luz das lâmpadas incandescentes, eles produzem somente comprimentos de onda azuis e amarelos. Levando isto
em consideração, a equipe de Zachau apresentou um novo sistema que transformará partes
da luz azul do LED não só em amarelo, mas
também em luz verde e vermelha. “Assim, o espectro do LED estará completo – como a luz
solar – e as cores serão magnificamente reproduzidas”, explicou Zachau.
Lâmpadas sem Mercúrio. Uma pequena
quantidade de mercúrio, que se transforma em
gás na temperatura de funcionamento da lâmpada, é geralmente adicionada nos faróis de
xenon dos automóveis. Graças a seu tamanho
maior, os átomos de mercúrio são mais facilmente acertados pelos elétrons no plasma
dessas lâmpadas que liberam gás. Como elas
emitem luz que está próxima do espectro
visível, a perda ocorrida durante a conversão
para luz branca é muito pequena. O mercúrio
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Materiais para o Meio Ambiente | Etanol de cana-de-açúcar
também serve como um amortecedor químico
e térmico, evitando os indesejados processos de
oxidação e ajudando a dissipar o calor. Porém, o
mercúrio também é venenoso e pode se acumular no meio ambiente. Por isso, um regulamento da UE especifica que ele deve ser evitado
sempre que possível no setor automotivo, motivo pelo qual os pesquisadores estão à procura
de alternativas.
Há pouco mais de um ano, a Osram lançou a
lâmpada “Xenarc Hg-free,” que substitui o mercúrio pelo iodeto de zinco, um gás não-nocivo.
“O desenvolvimento do produto foi difícil”, diz
Christian Wittig, chefe de Marketing da Xenarc
Systems. “Tivemos de adaptar o ambiente inteiro eletrônico e óptico à nova tecnologia”. Por
exemplo, as correntes mais elevadas na lâmpada de xenon sujeitam os componentes e
eletrônicos a maior resistência, assim a Osram
teve de utilizar eletrodos mais espessos e vidro
de quartzo fundido. “A produção é um pouco
mais complicada, mas é mais um passo em favor do meio ambiente”, disse Wittig. Os fabricantes de automóveis, inclusive Audi, Ford e
Toyota, já usam as novas lâmpadas.
Perspectivas Prazerosas. As lâmpadas fluorescentes compactas da Osram ainda usam
mercúrio, mas menos de três miligramas por
lâmpada. “É quase impossível dispensar essa
quantidade tão pequena deste material em
forma de gota”, diz Ralf Criens, especialista ambiental da Osram. “Assim, o mercúrio é fixado
com pó de ferro, o que nos deixa pôr a quantidade certa em cada lâmpada”. Vida útil
longa é especialmente crítica por razões ambientais. Em última análise, vida útil mais longa
significa menos lâmpadas substituídas – e
menos mercúrio. É por isso que os pesquisadores da Osram desenvolveram a lâmpada
compacta florescente extra-duradoura Dulux EL
LongLife, que pode funcionar por 15.000 horas.
“A vida útil é um fator-chave quando se trabalha
no conceito de novas lâmpadas, como é a
necessidade de pensar em termos de sistemas”, diz Criens. Ele prevê a preferência
por lâmpadas de alta duração como LEDs
brancas, que fornecem até 90.000 horas de
luz. Um desenvolvimento que se espera em
breve estará presente em novos tipos de luminárias de pé, luminárias de mesa e outras
aplicações usando LEDs como componente
fixo a preços competitivos. Conseqüentemente, muitos clientes poderão em breve estar prazerosamente entusiasmados ao ver
suas lâmpadas brilhantes, duradouras e que respeitam o meio ambiente.
Andrea Hoferichter
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Além de produzir combustível para automóveis,
surgindo como alternativa aos derivados de
petróleo, a cana-de-açúcar também gera energia
elétrica a partir de seu bagaço.
U
m estudante do Ensino Fundamental,
mergulhado em dados e fatos sobre o
descobrimento do Brasil, poderia considerar a frase um paradoxo: a cana-de-açúcar
é a novidade que pode equilibrar o fornecimento de energia no país. A estranheza estaria
no conceito de novidade, afinal, as primeiras
mudas de cana chegaram ao Brasil praticamente na bagagem dos colonizadores pioneiros. Segundo a União da Indústria de Canade-Açúcar (Unica), o Brasil deve produzir 487
milhões de toneladas de cana-de-açúcar na
safra 2007/2008. O plantio de cana hoje cobre
7,8 milhões de hectares no Brasil, correspondentes a 2,3% do total de terras cultiváveis do
país. A tradição do Brasil nesse tipo de cultura
atravessa séculos.
Energia verde
para o mundo
Do solo brasileiro nasce uma alternativa para suprir
a crescente demanda de energia no mundo. Além do
álcool combustível, ampliam-se as perspectivas para
geração de energia elétrica a partir da cana-de-açúcar.
No entanto, o terceiro milênio trouxe novas
perspectivas para o segmento, graças a um
panorama modificado por tendências globais,
que projetam o aumento da população
mundial, sua concentração em megacidades,
a demanda crescente por energia, entre outros.
Ao mesmo tempo em que crescem a população e sua necessidade de energia, as fontes
tradicionais, ligadas às reservas fósseis, tendem ao esgotamento.
Mais que isso: a utilização ampliada de
combustíveis derivados do petróleo aumenta a
concentração de dióxido de carbono na atmosfera, intensificando o chamado efeito estufa e
contribuindo para o aquecimento global. Seja
com o objetivo de aumentar a oferta de combustíveis para uma população crescente ou
como alternativa amigável ao meio ambiente,
a produção de etanol, o álcool de cana, deve
crescer de forma exponencial nos próximos
anos. “O etanol hoje substitui quase a metade
das necessidades do Brasil por gasolina, graças
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Materiais para o Meio Ambiente | Etanol de cana-de-açúcar
ao crescimento da produção de veículos
equipados com motores flexíveis”, afirma Marcos Sawaya Jank, presidente da Unica. “Além
de ser substancialmente mais barato que a
gasolina, o álcool reduz em 90% a emissão de
gases poluentes”, acrescenta Jank.
O potencial de geração de energia a partir
da cana não se esgota na produção de álcool.
As usinas concebidas no presente processam a
cana com vistas a três derivados: açúcar, álcool
e eletricidade. O bagaço da cana-de-açúcar é
hoje a mais importante fonte de biomassa do
Brasil. Aquilo que, antigamente, era tido como
um incômodo resíduo dos engenhos, hoje é
gerador de energia elétrica.
Nas projeções da Associação Paulista de
Cogeração de Energia (Cogen–SP), a produção
de energia elétrica a partir dessa fonte vegetal
deve se tornar, em 2012, o segundo negócio
mais importante para uma usina de cana no
Brasil, respondendo por cerca de 30% a 45%
do faturamento. Em primeiro lugar, virá o
etanol. A proporção é bem diferente da a tual, na qual o primeiro lugar do setor ainda é
ocupado pela produção do açúcar, seguido
dades brasileiras passaram a regulamentar a
colheita automatizada, que permite a retirada
da cana verde do solo. Por iniciativa da Secretaria Estadual do Meio Ambiente de São Paulo,
estado que lidera a produção de cana no
Brasil, a queimada será extinta até 2014 nesta
unidade da federação.
Nesse modelo de colheita da cana verde, o
processo deixa de desperdiçar um terço da
lavoura, que era queimado. Isso, naturalmente,
se traduz em maior rentabilidade, especialmente no que se refere ao aproveitamento da
palha ou bagaço de cana. Some-se a isso a
questão ambiental. Em vez de emitir poluentes
para a atmosfera, o sistema passa a gerar energia a partir de uma fonte limpa e renovável.
“A utilização dessa biomassa torna o cultivo
de cana ainda mais rentável e aumenta seu potencial como gerador de energia elétrica”, diz
Carlos Roberto Silvestrin, vice-presidente executivo da Cogen. Atualmente, o Estado de São
Paulo tem 146 usinas de cogeração em operação no setor sucro-alcooleiro, com uma
potência instalada total de mais de 1.700 MW,
o que corresponde a 70% do setor de cogeração
A Siemens desenvolveu soluções especiais
para o setor de cana-de-açúcar.
pelo etanol, tendo a chamada bioletricidade
em terceiro.
Transformando fumaça em energia. Esse
crescimento da bioeletricidade no negócio
está fundamentalmente ligado ao tripé responsabilidade ambiental-tecnologia-rentabilidade.
Tradicionalmente, a colheita da cana era feita
utilizando-se o recurso da queimada, pois a retirada da cana ainda verde torna-se inviável
pelo processo manual. Para evitar a emissão
de poluentes advindas da queimada, as autori-
do Brasil. Do total de energia produzida, parte
é utilizada para suprir a necessidade das
próprias usinas e o excedente é vendido. “Com
o aumento da produção, a eliminação da
queima da palha e o aumento da capacidade
de geração das usinas, o potencial de produção de energia elétrica a partir da cana, apenas no Estado de São Paulo, pode superar os
10 mil MW até 2015”, afirma a professora
Suani Teixeira Coelho, secretária executiva do
Centro Nacional de Referência em Biomassa
(Cenbio).
O crescimento estimado da economia
brasileira para os próximos anos faz prever
uma nova escassez de energia elétrica, como a
que rondou o país no início deste século. Com
a atual capacidade de produção de energia,
baseada principalmente nas usinas hidrelétricas, o Brasil seguramente enfrentará novas
ameaças de “apagão”.
A bioeletricidade tem se mostrado uma alternativa viável para evitar essa má perspectiva, incentivando os investimentos no setor, inclusive
de grupos estrangeiros. Apoiados, de um lado,
no crescimento do etanol como combustível alternativo aos derivados de petróleo, e, de outro,
nas perspectivas da bioeletricidade, tradicionais
grupos empresariais brasileiros e novos players
estão investindo como nunca no setor sucroalcooleiro do Brasil.
Dados da Cogen apontam que atualmente
existem pelo menos 1.800 máquinas colheitadeiras em operação na indústria da cana-deaçúcar no Brasil. Até 2014, prazo previsto para
eliminar o uso do fogo na colheita da cana,
serão somadas a este número mais três mil
unidades. A demanda por novos caminhões de
grande porte também crescerá para realizar o
transporte da cana verde e de palha. Essa demanda poderá atingir a soma de dez mil
unidades, além de mais de 6 mil tratores e
outros equipamentos. Com a eliminação das
queimadas, em vez de emitir poluentes para a
atmosfera, o sistema passará a cogerar mais
energia limpa e renovável. “Estamos transformando fuligem e fumaça em energia elétrica”,
resume Carlos Roberto Silvestrin, vice-presidente executivo da Cogen-SP.
Investimentos crescentes. Aquele estudante
do Ensino Fundamental, do começo da
história, certamente já leu a respeito dos engenhos de cana, que contribuíram para a colonização e para o desenvolvimento do Brasil.
Seus métodos e equipamentos artesanais,
Processo Ilustrativo de Produção de Açúcar e Álcool
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Turbina SST 300 da Siemens, produzida na fábrica de
Jundiaí (SP): com a cogeração a partir da cana, a
usina garante o próprio abastecimento de energia
elétrica, além de fornecer para a rede pública.
porém, tornaram-se marcos do passado. A
usina de cana-de-açúcar do presente apóia-se
em alta tecnologia.
A Siemens é uma importante fornecedora
de soluções para o setor, atuando tradicionalmente nas áreas de automação, geração e
transmissão de energia (leia mais no box ao
lado). Em janeiro de 2007, diante do crescimento do mercado de açúcar e álcool, a
Siemens criou no Brasil um grupo de trabalho
especialmente dedicado ao tema. Conhecido
internamente como CMDB (Country Market
Development Board), esse grupo congrega
representantes das várias divisões da empresa,
que se reúnem para analisar as necessidades
do setor e oferecer soluções aos clientes, sob a
liderança de um account manager.
Nos primeiros meses de atuação do CMDB
Sugar & Ethanol, as vendas da Siemens a esse
mercado alcançaram R$ 200 milhões. As estimativas para o ano comercial de 2008 (de outubro de 2007 a setembro de 2008) apontam
vendas em torno de R$ 280 milhões.
O coordenador desta área na Siemens, Hélcio
Aunhão, acredita no forte potencial de crescimento desse setor. “As usinas do futuro deverão
processar no mínimo três milhões de
toneladas de cana por ano, para se manterem
competitivas”, explica. As novas usinas do
setor estão sendo projetadas segundo esses
valores. Usinas já instaladas, com possibilidade de upgrade, forçosamente deverão investir em seus processos. Única fornecedora
com portfólio completo de soluções, a Siemens
intensificou sua participação no mercado, especialmente por vislumbrar nele uma alternativa que reúne os quesitos de inovação e de
resposta às demandas da sociedade, conceitos
presentes nos 160 anos de história da empresa. E para que este estudante de hoje conte
no futuro com uma fonte de energia que
garanta sua mobilidade e respeite o meio
ambiente.
Alessandra Alves
Alta tecnologia para o segmento
A atuação da Siemens no mercado sucro-alcooleiro é extensa, em função de seu amplo portfólio.
Na concepção de uma usina moderna, a utilização de soluções de automação está na base do projeto.
A Siemens já dispõe de dois produtos patenteados voltados para o setor – o Split Feed, solução que reduz o vapor no processo de destilação do álcool, e a Peneira Molecular, que permite a redução do consumo de energia do processo de desidratação do álcool. Ambos foram desenvolvidos em parceria com a
Dedini, tradicional fornecedor de equipamentos para o setor. A divisão Industry Automation da Siemens
no Brasil é um dos centros de competência mundial da empresa na pesquisa e desenvolvimento de
soluções para usinas de cana.
Outra presença de destaque, ligada à cogeração de energia, é o fornecimento de turbinas SST 300 (foto
superior), produzidas no complexo industrial de Jundiaí, ampliado pela Siemens em 2007. O produto,
customizado para essa utilização, permite que o bagaço da cana gere energia elétrica, tanto para consumo da própria usina quanto para venda à rede local.
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Materiais para o Meio Ambiente | Transportes
O Caminho para um Futuro Mais Leve
Aeronaves, navios e trens
consomem muita energia.
Entretanto, com a implementação das mais
recentes tecnologias de
materiais, suas demandas
por energia podem ser
consideravelmente reduzidas. Os pesquisadores da
Siemens estão desenvolvendo um pacote de
soluções neste sentido,
inclusive trens ultraleves
para metrôs, acionadores
compactos para vagões e
motores supercondutores
de alta temperatura para
navios.
46
A
s serras escandinavas se estendem pelas
regiões polares como uma espinha dorsal
sem fim. Acima delas, o céu é uma massa de
nuvens pesadas impulsionadas do Atlântico
pelos ventos vindos do oeste. Obviamente,
aqui na Noruega não há escassez de água.
Talvez esse seja o motivo pelo qual os
noruegueses não a usem apenas para beber,
mas também para gerar energia. Eles lhe dirão
com orgulho que 99% de sua eletricidade vêm
de hidrelétricas. Até o Metrô de Oslo funciona
com esta forma de eletricidade limpa. No entanto, na tentativa de tornar o Metrô ainda
mais respeitador do meio ambiente, a AS Oslo
Sporveier, empresa de transportes da cidade,
foi à procura de um novo trem há quatro anos.
A busca terminou na Siemens Mobility (antiga
divisão Transportation Systems) que já havia
fornecido trens muito econômicos para o
Metrô de Viena. Embora os noruegueses
quisessem basear o seu Metrô na versão
vienense, eles também estavam determinados
a torná-lo ainda mais ecológico.
De lá para cá, os primeiros trens MX
começaram a funcionar em Oslo. Ao todo, 63
unidades foram encomendadas. Além de utilizar um terço a menos de eletricidade do que
seus antecessores, ele não contêm substâncias
tóxicas. E mais, 94% de seus componentes
poderão ser reciclados dentro de 30 anos,
quando os trens saírem do serviço.
Fica claro com este exemplo que a alta tecnologia pode contribuir muito para o progresso na área ambiental. Isto se aplica a todos
os tipos de transporte, sejam eles metroviários, ferroviários intermunicipais, aéreos ou
marítimos. Vários grupos da Siemens vêm trabalhando há muito tempo para aperfeiçoar
veículos – por exemplo, reduzindo seu peso,
melhorando seus sistemas de acionamento e
acrescentando novos materiais. Hoje em dia,
eles não olham apenas o produto final, mas
avaliam toda a vida útil dele, desde fabricação
até funcionamento e descarte. Os desenvolvedores de produtos da Mobility aplicaram este
tipo de avaliação da vida útil (LCA) ao Metrô de
Oslo, trabalhando com especialistas do programa de estudos do Ecodesign na Universidade Técnica de Viena (TU Wien). "Para identificar economias potenciais importantes, primeiro
tivemos de identificar qual a fase que despendia
mais energia", diz Joachim Pargfrieder, responsável pelo LCA em Viena.
A equipe da universidade levou milhares de
detalhes em consideração para suas auditorias
ecológicas – itens como energia consumida durante a mineração da bauxita e a produção do
alumínio ou as necessidades de aquecimento
dos trens do metrô nos dias de inverno. "Para
este tipo de análise, foram necessários diversos
softwares sofisticados como os desenvolvidos
na TU", diz Pargfrieder. De maneira rápida, ficou
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Graças ao motor de supercondução (à esq.), o
consumo de combustível em navios deverá cair de
maneira relevante. E graças aos metais mais leves, o
metrô de Oslo já necessita de 30% a menos de energia.
Mais 10% podem ser incinerados sem
danos, para gerar eletricidade, elevando o total
de materiais recicláveis a 94%. "É difícil alcançar
100% porque, devido à segurança contra incêndio, é necessário utilizar determinados compostos que realmente não podem ser fracionados
ou decompostos", explica Pargfrieder. Seu objetivo é reduzir mais estes componentes e cortar
ainda mais o consumo de energia.
claro que a principal tarefa era alcançar as mais
elevadas economias de energia ao custo mais
baixo possível. Ficou claro que se poderia economizar no peso usando alumínio, porém o
alumínio não tem as propriedades de isolamento necessárias para enfrentar o clima frio
de Oslo. Para resolver o problema em relação à
carroceria dos vagões, os especialistas na Mobility desenvolveram um perfil de câmara oca de
alumínio com bolsões de ar e isolamento. Os
trens do metrô também economizam energia
através de um sistema de manuseio sofisticado
de freios e acionadores que alimentam a energia gerada durante a frenagem de volta para a
rede como eletricidade.
Pargfrieder e seus colegas tomaram especial
cuidado para garantir que os materiais recicláveis, tais como madeira, plástico, metal e
cerâmica, constituam 84% do total dos materiais utilizados.
Acionamento direto que poupa energia.
Os truques Syntegra, desenvolvidos pelos
colegas de Pargfrieder na divisão Mobility, em
Erlangen, na Alemanha, e em Graz, na Áustria,
podem ajudá-lo a atingir este objetivo. O Syntegra é um sistema de acionamento ferroviário
altamente integrado, no qual a tecnologia de
acionamento está acoplada sob o piso do
veículo, no qual a energia do motor é transferida para os eixos através de uma caixa de
marchas, o que causa ruído, desgaste e redução de eficiência. O sistema Syntegra emprega motores montados diretamente no
truque.
Para ser mais preciso, um motor elétrico
cilíndrico fica situado diretamente no eixo do
acionamento como um anel no dedo, mas sem
o tocar. O motor utilizar um campo magnético
permanente, produzido por materiais magnéticos de terras raras para poder girar o eixo.
"Esses materiais de alto desempenho estão na
alma do acionador", diz Lars Löwenstein, líder
de projeto da Syntegra. "Até recentemente,
eles teriam sido considerados muito caros". No
entanto, o preço caiu. E devido ao novo conceito, dispensa a necessidade de uma caixa de
marchas. O truque da Syntegra é cerca de um
metro mais curto do que os modelos tradicionais. Resultado: economias no peso de cerca
de duas toneladas, enquanto a energia é reduzida em 20%.
O protótipo da Syntegra está sendo testado
atualmente nos Serviços de Transporte Munici-
pal de Munique – no momento, à noite e sem
passageiros. Durante o teste, 200 sensores
monitoram como a nova tecnologia está funcionando. Em alguns meses, os trens deverão
transportar seus primeiros passageiros. Baseados nos 10.000 quilômetros que o trem já percorreu na via férrea de testes da Siemens em
Wegberg-Wildenrath, na Alemanha, já está confirmado que a Syntegra está cumprindo sua
promessa.
Temperaturas mais baixas melhoram o desempenho. Os desenvolvedores do Syntegra
não foram os únicos que tiveram de esperar um
longo tempo por seus materiais. Os especialistas da divisão Siemens Industry Automation
em Nuremberg, que se especializam em outro
tipo de material, supercondutores, também
tiveram. Esses materiais são feitos de compostos que de repente perdem sua resistência
elétrica quando são resfriados a temperaturas
muito baixas. O problema, pelo menos no início, era que, na maioria dos casos, este tipo de
resfriamento necessitaria do uso do hélio
líquido a menos 269ºC – um produto caro. Mas,
em 1987, os pesquisadores descobriram substâncias que se tornam supercondutoras a temperaturas muito mais elevadas. Infelizmente,
esses supercondutores a temperaturas mais elevadas (HTS) ainda eram muito caros para a
maioria das aplicações.
De cinco anos para cá, porém, eles se
tornaram bem mais baratos. Assim sendo, em
2003, a Siemens decidiu desenvolver seu
primeiro gerador HTS. Seu rotor é equipado não
com as molas de cobre usuais, mas com enrolamentos HTS que podem levar e agüentar 100
vezes mais corrente. A máquina de 400
quilowatts foi projetada para ser um terço
menor e mais leve do que as unidades tradicionais com a mesma capacidade.
Este tipo de equipamento é especialmente
adequado para geração de energia em navios,
Um quilo a menos economiza várias toneladas de combustível ao longo da vida de uma aeronave. As fibras de carbono leve (à dir.) são procuradas não só para o A380.
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| Demanda de energia
Aparelhos médicos de imagem por ressonância
magnética MAGNETOM Avanto preparados para
serem despachados. A área de transporte é uma
das áreas em que se pode poupar energia.
pois economiza espaço em um casco estreito.
Ao mesmo tempo, a Industry Automation desenvolveu o protótipo de uma máquina de 4
megawatts (MW) que foi testada durante um
ano no Centro de Testes de Sistemas em
Nuremberg, funcionando tanto como gerador
quanto como motor. O próximo passo é girar
vagarosamente o motor HTS de 4 MW para
acionamento direto da hélice do navio. "Ainda
estamos na fase de desenvolvimento", diz o líder
do projeto, Klemens Kahlen.
Importantes economias. Economias nos custos do combustível, em especial por meio da redução do peso, são importantes na aviação.
Cada quilograma de massa economizado representa poupar diversas toneladas de combustível
durante a vida útil de uma aeronave. Ao lado do
alumínio, os engenheiros aeronáuticos estão
cada vez mais se voltando para os compostos
de fibra de carbono (CFRP), que podem reduzir
o peso do avião em até 30%.
"Devido à nossa especialização em várias
áreas de negócio, pudemos oferecer uma
solução total", diz Klaus Vierbuchen, engenheiro de vendas em Colônia. Atuando como
uma fornecedora de fonte única, a Siemens
forneceu engenharia básica e detalhada,
monitoramento de montagem, coordenou as
medidas de segurança e forneceu processo de
medição e unidades de controle, sistemas de
acionamento, mecanismo de ligação do motor,
fornecimento de energia sem interrupções e
transformadores para a fábrica.
Em um complexo processo na fábrica,
blanks de fibras com um quilômetro de extensão são cozidos para produzir os produtos
acabados. Várias centenas de fibras correm em
paralelo em cilindros através de estágios individuais do processo automatizado. Vários
parâmetros – temperatura do forno, velocidade do transporte e tempos de pausas regulares e momentâneas das máquinas – são
processados pelo sistema de controle de
processo Simatic PCS 7 para garantir que as fibras atendam às exigências de qualidade estipuladas pelos engenheiros aeronáuticos.
A solução a partir de uma única fonte não
só foi mais barata do que as oferecidas pelos
concorrentes, mas também a mais rápida de
montar. "O fabricante pôde iniciar a produção
semanas antes do prazo real", diz Vierbuchen.
A nova unidade de fabricação de fibras ilustra
que podemos ajudar a tornar o transporte sustentável de diversas formas. Por exemplo,
construindo um metrô que respeita o meio
ambiente ou fornecendo especialização para
ajudar os operadores a construírem fábricas
de produção para produtos que respeitam a
ecologia.
Tim Schröder
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Identificando Custos
A Siemens utiliza o método de demanda cumulativa
de energia (CED) para descobrir formas de reduzir o
consumo de energia dos aparelhos médicos. Esta
abordagem trata de toda a vida útil do produto, desde
materiais e produção até funcionamento e reciclagem.
Q
uando se trata de sistemas médicos, a tecnologia ecologicamente responsável é um
dos itens-chave na venda. Por exemplo, os hospitais que têm sistemas de gerenciamento ambiental querem que os principais produtos que
adquirem venham com uma Declaração de
Produto Ecológico, porque querem saber exatamente o quanto seus métodos de produção
são saudáveis e confiáveis, e o quanto seus
aparelhos respeitarão a ecologia quando em
uso. Esses fatos são fornecidos por Franz Bömmel, chefe do Group Environmental no setor de
Healthcare da Siemens, bem como pelos engenheiros de desenvolvimento de produtos.
Bömmel e outros contam como o método de
"demanda cumulativa de energia" ou CED foi
desenvolvido principalmente pelo Instituto de
Pesquisa Energética de Munique, Alemanha, há
cerca de dez anos. "A demanda de energia cumulativa é a quantidade total da energia
primária necessária para produzir, utilizar e dispor de um instrumento/meio, inclusive trans-
porte", diz Bömmel. Este valor reflete a demanda de energia relacionada a um equipamento durante toda a sua vida útil, e torna possível determinar qual a fase que consome mais
energia.
Quando a equipe de Bömmel somou as demandas de energia do sistema de imagem por
ressonância magnética (MRI) do MAGNETOM
Avanto, ela chegou a uma surpreendente
descoberta. O fornecimento do equipamento
para o cliente consome quase a mesma quantidade de energia que a fabricação dos componentes – aproximadamente um terço da energia total utilizada na produção. Nos EUA,
especificamente, estes equipamentos são freqüentemente transportados por via aérea
porque seu magneto supercondutor é resfriado
com hélio líquido e não pode aquecer. "Sem
uma fonte de energia, todo o hélio evapora em
aproximadamente 28 dias", diz Bömmel. "E resfriar o magneto novamente custa caro. Assim,
descobrimos que o transporte marítimo pode
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ser suficientemente rápido, pelo menos na
Costa Leste dos EUA. Vários sistemas de MRI já
foram entregues dessa forma." De fato, acrescenta ele, a rota costeira precisa de somente
um sexto da energia do transporte aéreo”.
"Isto faz uma diferença significativa na linha
de lucro do CED", diz Bömmel. Mas houve algum trabalho preliminar a fazer antes que ele
pudesse utilizar este método. Aqui, os
pesquisadores na Siemens Corporate Technology (CT) apresentaram dados demonstrando
os valores específicos da demanda de energia
para 75 categorias de material que são geralmente utilizados para fazer equipamentos
médicos. Os valores definem a quantidade de
energia que é consumida no fornecimento de
um material industrial, tal como uma chapa em
aço - levando em consideração toda a cadeia de
valor, desde a manipulação do minério até o
material acabado. Como a Healthcare, em
geral, apenas monta componentes e fabrica
poucas peças internamente, a CT também determinou os valores CED para uma lista de componentes-padrão, como ventiladores, computadores, monitores e teclados.
Ao juntarem todas essas peças do quebracabeça, os cientistas podem por fim calcular o
total de energia necessária para fornecer os materiais que compõem um produto. No MAGNETOM Avanto, por exemplo, isso chega a 4% da
energia total – levando-se em conta a vida útil
completa. Neste contexto, também, Bömmel vê
oportunidades de melhoria: 45% da massa de
oito toneladas do sistema MRI consiste de
diferentes ligas de ferro e aço, enquanto aproximadamente 34 por cento são de metais não-ferrosos e ligas. Quando considerados no contexto
CED, no entanto, os metais não-ferrosos, tais
como alumínio e cobre, são responsáveis pelo
uso maior de energia do que os metais ferrosos.
Esta descoberta sugere que, em um futuro sis-
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tema MRI, o alumínio deverá ser substituído
pelo aço sempre que possível para reduzir o consumo de energia associado com o fornecimento
dos materiais.
Embora a demanda de energia relacionada à
fabricação do Avanto tenha sido examinada,
analisar cada etapa deste processo seria simplesmente muito dispendioso. Em vez disso, o
consumo de energia da ala inteira de produção
seria determinado utilizando medidores elétricos e de calor. Se este valor for dividido pela
quantidade total em quilogramas dos produtos
fabricados, obteríamos o valor CED específico
para aquela ala de produção em quilowattshora por quilograma. Estes valores podem ser
somados para determinar o CED para o
processo de produção inteiro do equipamento.
Um valor de CED adicional tem de ser determinado para o transporte entre as diferentes fábricas e até o cliente. Em relação ao MAGNETOM
Avanto, cerca de 10% da demanda total de
energia corresponde a esta etapa.
Encolhendo as perdas em stand-by. A maior
parcela da energia na vida útil do equipamento é
consumida durante sua utilização. Calculada
para um período de dez anos, isto corresponde a
86% do total de quilowatts-hora – ou aproximadamente 460 megawatts-hora por ano no
MAGNETOM Avanto. Novamente aqui, Bömmel
prevê medidas adicionais de redução de energia.
Uma área promissora envolve os diferentes modos de funcionamento dos equipamentos médicos. Um alvo principal serão as perdas de
reserva (stand-by). No MAGNETOM Avanto, não
menos do que 38% da energia é utilizada em
um estado não produtivo. Durante o desligamento, o resfriamento essencial do hélio consome cerca de 20% da energia, enquanto 18%
são usados na fase de aquecimento que precede
um exame.
A reciclagem é a etapa final da análise CED.
Com base no peso total, 85% do material nos
equipamentos médicos podem ser reciclados.
Aproximadamente 9% – a maior parte, plásticos
– podem ser reutilizados termicamente. Com
base na vida útil, cerca de 2% da energia pode
ser creditada à linha de resultado final de CED.
Assim, a abordagem CED pode ser utilizada
para calcular a demanda total de energia para
cada equipamento ou aparelho e, não menos
importante, o impacto ambiental resultante de
um equipamento ou aparelho. Por exemplo, se
a fonte principal de energia for conhecida – o
que em equipamentos médicos é energia
elétrica – sua contribuição para os gases do
efeito estufa pode ser estimada.
Como o cálculo de todo os valores de energia
no método CED é baseado na demanda de energia primária, ou seja, no conteúdo energético de
combustíveis fósseis, tais como carvão e petróleo,
o conteúdo energético é primeiro recalculado
em termos de energia secundária – neste caso,
energia elétrica.
O consumo anual médio de energia primária
do MAGNETOM Avanto corresponde a cerca
de 150 megawatts-hora de energia elétrica.
Hoje, cada quilowatt-hora de eletricidade produzida na Alemanha gera aproximadamente
600 gramas de dióxido de carbono. Assim, o
funcionamento do MAGNETOM Avanto produz cerca de 90 toneladas de dióxido de carbono anualmente.
Os valores para outros poluentes, como
óxidos de nitrogênio, também podem ser estimados com base no consumo de energia –
usando as tabelas de conversão do Ministério
do Meio Ambiente da Alemanha. O método
CED, portanto, fornece uma estimativa simplificada e barata do impacto ambiental de
um determinado equipamento ou aparelho.
Rolf Sterbak
Quanta energia representa um Avanto?
Consumo de
energia em MWh
5,000
Utilização (86% = 459 MWh / ano)
Disposição
(-68 MWh)
Materiais
Desligamento do sistema e
aquecimento antes da
ressonância
(38%)
(4% = 192 MWh)
4,000
Produção
(10% = 507 MWh)
3,000
2,000
Produção de
Componentes (37%)
Entrega ao cliente
(35%)
Outros (28%)
Total:
5.221 MW
Aquisição de imagem (62%)
1,000
Anos 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Análise da vida útil. Durante seus dez anos de vida útil, somente 62% da energia gasta por um MAGNETOM Avanto está associada com a utilização nesse período.
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Condensadores de dupla camada, chamados supercaps
Materiais para o Meio Ambiente | Armazenagem de Energia
(à dir.) são utilizados em bondes como o Combino
Plus (abaixo). Eles liberam energia armazenada dos
freios com rapidez, quando o veículo acelera.
"Cofrinhos" para Economizar Energia
Dispositivos de alto desempenho para armazenagem
de energia e sistemas inteligentes garantem ótimo
desempenho no forncedimento de veículos, em carga
normal ou no pico.
S
e for para a energia elétrica ser usada de
maneira otimizada, ela precisa ser temporariamente armazenada, quer estejamos falando de automóveis, sistemas de ônibus, bondes, metrô ou redes de distribuição de energia.
Em veículos de estrada, os componentes assumem cada vez mais funções, em parte como
sistemas de assistência ao motorista e em parte
para economizar energia – especialmente em
veículos híbridos que combinam motor elétrico
e motor de combustão. O motor elétrico serve
como um completo segundo acionador (em um
veículo totalmente híbrido), como um
acionador auxiliar para fornecer um impulso ao
acelerar e passar (em um híbrido leve) ou como
um assistente quando o veículo tem de parar e
dar partida novamente com freqüência (em um
híbrido partida-parar).
Para atender às necessidades de um número
crescente de funções, os veículos necessitam de
dispositivos de alto desempenho para o armazenamento de energia. As baterias, no entanto, são pesadas, e a densidade de sua energia é baixa. Um quilograma de diesel contém
10.000 watts-hora, enquanto o acumulador de
chumbo contém somente 30 a 50 Wh/kg. A
densidade da energia das baterias é baixa também, alcançando um máximo de 300 Wh/kg.
Para um carro elétrico acelerar com rapidez
como um veículo com motor a gasolina 90 kW,
Químico x Eletrostático
Os acumuladores, como as baterias de chumbo, hidreto metal-níquel e lítio-íon têm uma vida útil entre
três a dez anos, em média. Elas funcionam de acordo com princípios eletroquímicos. Carregar a bateria
converte energia elétrica em energia química. Quando um equipamento ou aparelho elétrico é conectado, a energia química é convertida novamente em energia elétrica. O armazenamento de energia
como em condensadores de duas camadas, em contraste, armazena energia de maneira eletrostática.
Eles duram quase que indefinidamente e apresentam densidades de alta potência. No entanto, as suas
densidades de energia são baixas. Por este motivo, seu uso principal é para cobrir cargas de pico.
Comparação de Sistemas de Bateria
Densidade da energia em watts-hora por quilograma (Wh/kg)
1,000
10,000 s
1,000 s
100 s
100
Baterias
10
Li-ion
NiMH
10 s
NiCd
Pb
1s
1
Condensadores de duas camadas
0.1 s
Capacitores eletrolíticos
0.1
0.01
10
100
Densidade de energia em watts/hora por quilograma (W/kg)
1,000
10,000
Tipo de bateria Densidade energética Wh/kg Densidade de energia W/kg Via útil em ciclos / anos
Bateria de chumbo
30 - 50
150 - 300
Bateria de hidreto de níquel-metal
60 - 80
200 - 300
>1,000 / >5
90 - 150
500 - >2,000
>2,000 / 5 - 10
3-5
2,000 - 10,000
1,000,000 / ilimitado
Bateria de lítio-íon
Supercaps (cond. de dupla camada)
50
300 -1,000 / 3 - 5
precisaria de uma bateria de chumbo de 300
quilogramas sob o capô. É por isso que a maioria dos veículos híbridos atualmente emprega
baterias de hidreto de metal-níquel com capacidade de 60 a 80 Wh/kg. Baterias de lítio-íon ou lítio-polímero são ainda mais poderosas, com 90
a 150 Wh/kg. Além da capacidade de armazenamento, a vida útil do acumulador também é limitada. Uma bateria de chumbo é boa para, no
máximo, 1.000 ciclos de carregamento-descarregamento. Baterias de hidreto de metal-níquel
ou de lítio-íon duram consideravelmente mais.
Os acumuladores precisam ser carregados
vagarosamente para evitar danos. Mas os veículos, por serem associados a muitas aplicações,
precisam ter a capacidade de carregar rapidamente – por exemplo, quando a energia dos
freios é aproveitada em carros ou bondes. Com
isto em mente, a Siemens está promovendo o
uso de condensadores de dupla camada, os
chamados supercaps – dispositivos que acumulam energia elétrica separando as cargas assim
que a tensão é aplicada. Os supercaps oferecem
capacitâncias de 300 a 10.000 farads.
Os supercaps têm densidades de energia
muito baixas – três a cinco Wh/kg – mas densidades de potência extremamente altas de 2.000 a
10.000 W/kg. Podem ser trocados em poucos segundos e, com cerca de um milhão de ciclos de
carregamento-descarregamento, sua vida útil é
muito longa. Isto acontece devido ao fato de que
os processos de separação das cargas que ocorrem
dentro deles são puramente de natureza física.
Eles podem armazenar e liberar grandes quantidades de energia de maneira extremamente
rápida, o que torna possível utilizar um motor
elétrico em veículo híbrido, bonde ou locomotiva
como gerador que recupera a energia das frenagens. Esta energia regenerada é armazenada em
supercaps e reutilizada quando o veículo acelera
novamente. A vantagem resultante é economia
de combustível e energia entre 5 e 25%, dependendo do ciclo de acionamento.
Este tipo de montagem já foi testado em diversos sistemas de metrô – por exemplo, em
Madri, Colônia, Dresden, Bochum e Beijing. Os
supercaps também podem ser utilizados em aplicações de distribuição de energia, pois as redes
de abastecimento são constantemente sujeitas a
variações de carga para as quais as turbinas pe-
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Edição 2/2008
Prévia do
próximo número
sadas não podem reagir de maneira suficientemente rápida. As empresas de serviços de eletricidade poderão usar o armazenamento flexível
de energia como os supercaps para equilibrar as
cargas de pico e as baixas.
"Em dez anos, veículos com esses novos sistemas de armazenamento serão comuns,
como os de hoje, com suas baterias confiáveis
de chumbo", diz Manfred Waidhas, líder de projeto para Armazenamento de Energia Eletroquímica na Siemens Corporate Technology.
"Está se tornando cada vez mais importante
garantir o abastecimento de energia elétrica",
diz Horst Gering, chefe do departamento de
Gerenciamento de Baterias e Energia da antiga
Siemens VDO. "Isto é especialmente verdadeiro
quando envolve segurança, por exemplo, com
frenagem ou direção elétrica". Em tais sistemas,
é necessário monitorar constantemente o estado do armazenamento da energia. Com isto
em mente, a Siemens desenvolveu o BMS (Sistema de Monitoramento de Bateria). Aqui, utilizando supercaps, a resistência e capacitância
internas são determinadas a fim de avaliar
quanta corrente o armazenamento de energia
pode fornecer para tarefas específicas. O sistema de gerenciamento da energia então determina quando o armazenamento deve ser cobrado, para que permaneça sempre dentro dos
parâmetros ótimos de funcionamento, e quanta
corrente poderá ser disponibilizada para quais
aparelhos e equipamentos. No final das contas,
em alguns casos, poderá não haver energia suficiente disponível se muitos equipamentos e
aparelhos estiverem funcionando simultaneamente. A Siemens batizou o algoritmo para este
processo de "Negociante de Energia".
"É como ter um mercado de estoques regulando o uso de energia", diz Gering. "O Negociante de Energia calcula a oferta – neste caso,
a quantidade de energia disponível do gerador
– e estabelece o preço da eletricidade de acordo
com a demanda. Se a demanda aumentar, o
preço também subirá. Sistemas pertinentes à
segurança, tais como freios elétricos, são estabelecidos para que nenhum preço seja caro demais. Os sistemas de conforto, por outro lado,
compram menos energia até que o preço caia a
um determinado nível. Em alguns casos, eles
poderão até ser desligados.”
Bernhard Gerl
Energia para
bilhões
Até 2020, oito bilhões de pessoas
viverão na Terra. Graças às melhorias
no padrão de vida, esta enorme população terá um grande apetite por eletricidade. Como suas necessidades de
energia poderão ser atendidas e ao
mesmo tempo seu impacto no meio
ambiente ser minimizado? Até que
ponto as fontes de energia renovável
apresentam uma solução sustentável?
Quais são as perspectivas de separar
com sucesso o dióxido de carbono
produzido em termelétricas movidas
a combustível fóssil e mantê-lo com
segurança? Qual é a melhor maneira
de armazenar energia? As redes inteligentes e usinas elétricas virtuais
serão suficientemente desenvolvidas
para garantir fornecimento de energia
confiável e seguro?
Soluções "sob medida"
Todo cliente tem seus desejos especiais.
Isto é verdade tanto para fabricantes de
transportes sobre trilhos e aeronaves, operadoras de usinas elétricas, setor de serviços
e organizações de saúde, como para pessoas físicas. Em resposta, os fabricantes
têm de incorporar um elevado grau de
flexibilidade nos seus processos, ao mesmo
tempo em que mantêm a produção de
maneira econômica. Em muitos casos, a
capacidade de inovar é a chave do sucesso.
Assistentes invisíveis
Algumas questões são simplesmente muito
difíceis para as pessoas resolverem. Onde,
por exemplo, em centenas de imagens
anatômicas do corpo de um paciente,
poderá estar escondido um pequeno tumor? Quais mensagens são realmente importantes, de uma enorme quantidade de
dados que invadem um centro de controle
durante uma emergência? Quando é que a
quantidade de valores de medições
adquiridas por um vasto número de sensores indica que uma máquina específica
está prestes a falhar? Qual o tamanho do
risco associado a uma determinada decisão
financeira? No futuro, a inteligência dos
computadores desempenhará um papel crucial em ajudar a responder a estas perguntas e a uma grande variedade de outras.
51

Pictures of the Future

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