Por Dale Tutt, vice-presidente de estratégia da indústria da Siemens Digital Industries Software
A energia sustentável é o foco dos esforços globais para reduzir a dependência de combustíveis fósseis. O trabalho de pesquisa e desenvolvimento continua oferecendo maneiras mais limpas, eficientes e diversificadas de gerar a energia necessária para abastecer a sociedade moderna. Enquanto melhoramos nossa capacidade de produzir energia limpa, também devemos considerar o impacto ambiental holístico dos sistemas de energia que convertem energia em trabalho — movendo nossos carros, caminhões, aviões e outras máquinas. A criação de sistemas de energia sustentáveis será outra parte importante dos nossos esforços para reduzir as emissões, mas esses sistemas são difíceis de desenvolver e implementar, principalmente por causa da alta complexidade do “sistema de sistemas” envolvida na engenharia, manufatura, implementação e manutenção de um sistema de energia sustentável.
A necessidade de sistemas de energia sustentáveis
Nos Estados Unidos, as emissões do setor de transporte apresentaram a maior parcela das emissões de gases de efeito estufa em 2020, com 27% (EPA, 2022). No mesmo ano, estima-se que o setor de transporte foi responsável por 7,2 bilhões de toneladas de emissões de dióxido de carbono globalmente (IEA, 2021). Enquanto trabalhamos para reduzir nosso impacto no meio ambiente, é crucial reduzir essas emissões. Esta é uma tarefa difícil, com certeza, mas ainda podemos fazer isso com inovação contínua de tecnologias sustentáveis, incluindo os sistemas que movem nossos vários veículos e máquinas.
Várias soluções para o problema das emissões do setor de transporte já foram propostas, testadas e até colocadas em produção. Entre elas, a de maior destaque hoje é o trem de força elétrico. Nos últimos cinco anos, a eletrificação de veículos ganhou amplo apoio global como um meio prático e conveniente de reduzir as emissões de carbono do setor de transporte (Figura 1). Ao usar eletricidade em vez de gasolina para movimentar os veículos, podemos eliminar as emissões do escapamento que um veículo tradicional gera ao queimar combustível, além de proporcionar uma experiência do usuário e direção comparável. Com isso, essa solução está ganhando mais e mais atenção e isso deve continuar com o lançamento de mais modelos no mercado, queda nos custos e novas regulamentações ambientais em vigor em todo o mundo.
Apesar do progresso, o trem de força elétrico ainda enfrenta alguns desafios com relação ao seu impacto geral no meio ambiente1. O mesmo vale para outras formas de energia alternativa e sistemas de energia sustentáveis. Para criar um sistema de energia realmente sustentável, as empresas devem considerar seu desenvolvimento, implementação e manutenção em campo usando uma abordagem completa de “sistema de sistemas”. Com isso, elas podem contabilizar e minimizar a pegada ambiental total do sistema, além de permitir um ambiente de desenvolvimento inovador e produtivo para os seus engenheiros e parceiros.
A sustentabilidade exige uma abordagem de “sistema de sistemas”
O desafio de implementar essa abordagem de “sistema de sistemas” para o desenvolvimento de um sistema de energia sustentável está em monitorar e medir os diferentes aspectos que afetam a sustentabilidade de um produto ou sistema. Para fazer isso, as empresas precisam de uma maneira eficiente de acompanhar as especificidades ambientais de vários componentes, materiais e subsistemas que fazem parte de um sistema de energia moderno e em vários ecossistemas industriais conectados. Depois de obter essas informações, as empresas precisam de um sistema para gerenciá-las e conectá-las aos requisitos do sistema de energia com o objetivo de encontrar sinergias ou descobrir possíveis armadilhas para o sistema de energia sustentável. Por fim, para serem bem-sucedidas, as empresas devem fazer isso de forma eficiente, sem desperdício de tempo e recursos que poderiam ser dedicados ao aperfeiçoamento do sistema de energia.
Por exemplo, veja as decisões de sustentabilidade que são tomadas na aquisição, no transporte e armazenamento de hidrogênio para uma aeronave com célula de combustível de hidrogênio. Primeiro, onde o hidrogênio está sendo produzido e por quais métodos? Hoje, a maior parte da produção de hidrogênio usa reforma a vapor do metano, que consome grandes quantidades de energia e produz dióxido de carbono como subproduto. As instalações de reforma a vapor de metano que usam tecnologia de captura de carbono podem produzir hidrogênio mais limpo, mas a um custo maior. Um processo totalmente diferente utiliza a eletrólise da água para criar hidrogênio sem emissões diretas de carbono, mas esse processo tende a ser o mais caro. Por fim, considerando que tanto a reforma a vapor do metano quanto a eletrólise exigem energia, também é importante considerar se essa energia vem de combustíveis fósseis ou fontes alternativas.
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Além disso, como o hidrogênio será transportado do local de produção para os aeródromos e, em seguida, armazenado para uso em aeronaves movidas por célula de combustível de hidrogênio? O hidrogênio pode ser armazenado na forma líquida ou gasosa, mas as duas formas exigem tanques especializados que possam suportar altas pressões (no caso da forma gasosa) ou temperaturas extremamente baixas para evitar que o hidrogênio líquido ferva. Essa infraestrutura provavelmente não existe na maioria dos aeroportos e terá que ser construída para permitir o armazenamento de hidrogênio no local. Essas questões sobre o armazenamento de hidrogênio afetam ainda mais as opções de transporte. Embora existam gasodutos de hidrogênio, eles foram construídos para atender usinas químicas e refinarias de petróleo, não aeroportos. Assim, o hidrogênio necessário para aeronaves movidas a célula de combustível deve ser transportado por caminhões ou outras formas de transporte terrestre. As emissões desse transporte terrestre devem ser capturadas e consideradas para criar um cenário completo de sustentabilidade.
Além do hidrogênio, o fabricante da aeronave também terá que contabilizar os materiais usados para construir a própria aeronave, incluindo a célula de combustível de hidrogênio, sistemas eletrônicos, motores elétricos e muito mais. Então, para uma empresa que desenvolve um sistema de energia sustentável, como coordenar o desenvolvimento e implementação do sistema de energia com uma rede complexa de fornecedores e parceiros em todo o mundo para obter um sistema realmente sustentável?
A digitalização fornece a base para o desenvolvimento sustentável
Claramente, a resposta é a digitalização. A digitalização permite que empresas de todos os portes desenvolvam inteligência coletiva para capturar, organizar e gerenciar as métricas de sustentabilidade essenciais para desenvolver sistemas de energia realmente sustentáveis, tanto na cadeia de suprimentos quanto no ciclo de vida do sistema de energia. A digitalização permite que as empresas conectem todo o seu ciclo de vida por meio de um backbone digital, com informações fluindo bidirecionalmente por toda a organização. Mesmo as empresas parceiras podem ser incorporadas com segurança ao backbone digital, garantindo a colaboração mais rápida e fácil entre as organizações e apoiando a responsabilidade pelas metas de sustentabilidade em geral.
A digitalização fornece uma base natural para a abordagem de “sistema de sistemas” para o projeto, a manufatura e a manutenção de sistemas de energia sustentáveis. Ela pode ajudar as empresas a gerenciar o desenvolvimento de seu sistema de energia (como a célula de combustível de hidrogênio) e avaliar todo o cenário de sustentabilidade desse sistema — desde a instalação do sistema de energia até a produção de energia, transporte e muito mais.
Com uma abordagem de engenharia de sistemas digitalizada, os requisitos de sustentabilidade podem ser adicionados à definição inicial do produto, tornando-os rastreáveis durante todo o ciclo de vida do desenvolvimento do produto. Desde o início, o produto e os métodos de produção são criados usando indicadores holísticos de sustentabilidade — por ex., emissões de carbono, poluentes, uso de energia e outras métricas de sustentabilidade — como requisitos. A otimização para garantir a sustentabilidade desde o início minimiza as mudanças no projeto ou fabricação que envolvem custo e tempo, reduzindo a pegada ambiental do produto. Além disso, esses requisitos podem ser compartilhados com toda a cadeia de suprimentos ou cadeia de valor, com relatórios automatizados para contabilizar o total do desenvolvimento e criação do produto, além das peças desenvolvidas por fornecedores e parceiros.
Para o desenvolvedor da aeronave movida a hidrogênio em nosso exemplo acima, a abordagem digitalizada de “sistema de sistemas” pode ajudá-lo a definir e trabalhar com um conjunto de requisitos de sustentabilidade para a aeronave. Estes requisitos podem incluir:
- Zero emissão líquida de carbono em todo o ciclo de desenvolvimento e cadeia de suprimentos.
- Uso e desperdício de materiais minimizados de protótipos, testes e fabricação incorreta. Isso também pode incluir metas para o uso de água e eletricidade durante a produção.
- Metas para o uso de materiais reciclados na produção de aeronaves, sistemas de propulsão e outros componentes.
Esses requisitos também podem ser rapidamente compartilhados com toda a organização e rede de fornecedores. Com os requisitos em mãos, as equipes de engenharia podem confiar mais em soluções avançadas de simulação para avaliar projetos e testar as capacidades do sistema de energia sem usar materiais e recursos em protótipos físicos. Enquanto isso, os fornecedores podem ser avaliados e selecionados com base em sua capacidade de atender aos requisitos do programa de emissões, uso de energia e muito mais, desde a fabricação até o transporte. Os processos de relatórios automatizados ajudam o fabricante a reunir os relatórios e rastrear o impacto ambiental completo da aeronave e seu sistema de energia.
Além disso, a digitalização é uma ferramenta poderosa que facilita a inovação tecnológica, a colaboração e a tomada de decisões acertadas. Ao investir na transformação digital, empresas de todos os portes podem enfrentar os desafios do desenvolvimento sustentável, usando uma abordagem de “sistema de sistemas” baseada em threads digitais de informações. Essa abordagem será fundamental em nossos esforços para transformar nossas indústrias, economias e sociedades em versões mais verdes e sustentáveis.
Referências
IEA. (2021, November). Tracking Transport 2021. Retrieved from International Energy Agency
Sobre o autor:
Dale Tutt é o vice-presidente de estratégia da indústria da Siemens Digital Industries Software. Antes, foi responsável pela estratégia da indústria da Siemens. Antes de ingressar na Siemens, Dale trabalhou na The Spaceship Company, empresa irmã da Virgin Galactic, como vice-presidente de engenharia e vice-presidente de gerenciamento de programas, liderando o desenvolvimento de naves espaciais para o turismo espacial. Ele liderou a equipe em um voo espacial bem-sucedido em dezembro de 2018. Antes, Dale trabalhou na Textron Aviation/Cessna Aircraft em funções de liderança nas áreas de programas e engenharia. Como engenheiro-chefe e diretor do programa Scorpion Jet, ele liderou uma equipe multifuncional dinâmica que projetou, construiu e pilotou o protótipo Scorpion Jet em 23 meses, do conceito até o primeiro voo. Dale também trabalhou como engenheiro na Bombardier Learjet e General Dynamics Space System Division.
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