Diagrama de Sankey: Ferramenta inseparável do Gestor de Eficiência Energética

O diagrama de Sankey, é uma das ferramentas mais interessantes e úteis para o mapeamento dos fluxos de energia e massa entre processos.  Tem uma gama de aplicações bastante ampla e, pode auxiliar profissionais de eficiência energética a entender melhor seus processos e identificar os principais pontos de oportunidades.

Primeiro um pouco de história. O inventor do método foi o capitão irlandês Matthew Henry Sankey, que usou este tipo de diagrama em 1898 para demonstrar a eficiência energética de um motor a vapor. Desde então, muitos usos são aplicados neste tipo de diagrama além de fluxos de energia.  Podemos utilizar para qualquer transferência de itens entre processos, que podem ser equilibradas através de um balanço como por exemplo, finanças entre países, fluxo de geração de gases de efeito estufa entre outros

O que é o diagrama?

O diagrama de Sankey é uma representação visual de um fluxo.  Como tal ele possui um sentido de leitura para gerar senso de interpretação.  O fluxo envolve a transferência de alguma propriedade física (como energia por exemplo) de uma etapa para outra.  Estas transferências são representadas por setas (ou linhas) cujas espessuras são proporcionais a quantidade da propriedade física que está sendo transferida.

Uma condição básica para qualquer fluxo é a garantia da continuidade, ou seja, esta equação deve ser sempre atendida:

Entrada do sistema = Saída-Armazenado

Vamos ver um diagrama simples, de um típico motor de combustão interna:

Primeiro ponto que devemos atentar na construção é o atendimento à equação de continuidade.  O balanço das entradas menos as saídas tem que resultar no acúmulo de energia do sistema.  Como não existe acúmulo de energia, a soma das entradas tem que ser iguais as saídas.

Para cada 100 unidades da energia de entrada (do combustível), apenas 25 são efetivamente convertidas em trabalho  mecânico.

Fica bastante fácil ver que a maior parte da energia de entrada deste exemplo em específico, é colocada em duas linhas que não geram nada de potência efetiva, são perdidos para o meio ambiente como calor.  Fica evidente para o especialista que aproveitar esta energia com sistemas de trocador de calor (para água quente) ou chillers de absorção (para refrigeração) podem aumentar a eficiência do sistema e reduzir custos.

Vamos aumentar a complexidade no próximo diagrama.  Vamos imaginar que estamos utilizando um sistema que utilize como combustível biomassa e converta através de um processo térmico-mecânico em energia elétrica para iluminação de um ambiente utilizando-se das ultrapassadas lâmpadas de filamento.

A energia efetivamente convertida para o uso está na última linha, ou seja, apenas 1,5% da energia inicial é o que gera iluminação.  Novamente, é muito fácil, para o especialista em eficiência energética ver onde existe espaço para trabalhar e aumentar a performance!

Outra vantagem incontestável que os diagramas de Sankey podem trazer é a possibilidade de observar as recuperações de energia que os sistemas podem possuir e transformar algo difícil de ser explicado em uma ferramenta visual, fácil de explicar para um executivo, por exemplo.

Na prática operacional, os diagramas de Sankey são muito úteis para a verificação de fluxos de massa também.  Este exemplo é um caso apresentado por Kwiatkowski et al, 2013 (Kwiatkowski K., Krzysztoforski K., Dudynski M., Bajer K., 2013, Bioenergy from Feathers Gasification – Efficiency and Performance Analysis, Biomass Bioenergy. 59, 402-411).

Este exemplo é o aproveitamento energético da energia contida em penas de aves de um frigorífico que passa por um processo de gaseificação.

Os fluxos assim montados permitem uma análise muito clara dos fluxos e pode também, ser uma ferramenta muito útil na equalização de propostas técnicas de novas instalações, facilitando significativamente as etapas seguintes como o dimensionamento de equipamentos auxiliares ou mesmo o licenciamento ambiental destas instalações.

Outra aplicação que gosto muito é uma visão do fluxo global de energia em um processo.  Muitas vezes o especialista foca seu tempo nas energias que ele consegue medir, esquecendo-se das energias “embutidas” em outros meios físicos, como a água (quente ou fria) a energia em gases ou energia contida em resíduos, como lodos orgânicos.

Este exemplo é um processo com três fontes primárias de energia que são utilizadas em 5 processos, cada qual com suas eficiências no uso de energia e perdas.

Neste exemplo, a eficiência global do sistema é de aproximadamente 58% de aproveitamento da energia total disponível no início do processo. Um sistema de gestão de eficiência energética adequadamente implantado observa continuamente o fluxo global de energia em todas as suas formas e controla métricas continuamente, definindo metas específicas para melhorar a performance de conversão.

Os usos do diagrama de Sankey não se limitam a este pequeno número de exemplos.  Múltiplos casos estão disponíveis hoje na internet para que sejam utilizados como inspiração.  Tenho certeza que a utilização desta importante ferramenta visual vai ajudar você a gerenciar e explicar melhor seus projetos.