Aplicações de cobre Manual de tecnologia

Transcrição

Aplicações de cobre
Manual de tecnologia
Outubro de 2012, v. 3.0
Índice
Prioridades de pesquisa e desenvolvimento............3
Resumo executivo..........................................................4
Levando à inovação:
Propriedades fundamentais do cobre:......................8
Prioridades do Manual................................................12
Oportunidades existentes/em evolução.................14
Oportunidades Emergentes.......................................17
Potenciais Aplicações Futuras..................................23
Execução........................................................................25
Apêndice A:
A Evolução do motor com
rotor com cobre fundido............................................28
Apêndice B:
Propriedades fundamentais do cobre.....................32
Apêndice C:
Tendências e desafios Influência
da utilização de cobre.................................................33
Apêndice D: Cobre e sociedade................................35
Apêndice E: Ciclo de vida do cobre.........................36
Apêndice F: Cobre atualmente.................................37
Apêndice G: Contribuintes.........................................38
Apêndice H: Referências.............................................39
copperalliance.org | 2
Prioridades de pesquisa e
desenvolvimento
Cátodos acabados
Pesquisa e produção
Pós-produção
Propriedades fundamentais
doCopper:
cobre:
Fundamental
Properties of
Condutividade
elétrica | Formabilidade
| Cor/aparência
estética | Possibilidade
liga
Electrical Conductivity
| Formability
| Color/Aesthetic
Appearancede |formar
Alloyability
Condutividade térmica | Resistência à corrosão | Efeito antimicrobiano | Infinitamente reciclável
Produtos semiacabados
Semi-Fabricated
Products
Aplicações existentes/em evolução
Aplicações emergentes
Ar condicionado e
sistemas de refrigeração
Aquicultura
Aquaculture
Engineered
Projeto
de engenharia
Design
Transmissão de dados/sinais
Producteand
Process
Produto
processo
de
Development
desenvolvimento
Superfícies antimicrobianas*
Material
ande Sourcing
Seleção Selection
de materiais
compra
Fiação automotiva
Thermal Energy Storage
Ultracondutor
Combustão de gás
Componentes do sistema
Engineered/Manufactured
fabricados
produtos acabados
SystemeComponents
and
Finished Products
Transmissão de energia elétrica
Interconexão de eletrônicos
Gerenciamento térmico e eletrônico
Sistemas motorizados
Energia renovável
Propulsão elétrica automotiva
Automotive Electrical Propulsion
Dissipação de energia sísmica
Seismic Energy Dissipation
Armazenamento de energia térmica
Trends ande Challenges:
Tendências
desafios:
Ultraconductive
Componentes de cobre
Copper Components
Exploração do potencial
Aplicações
futuras
Exploration
of Potential
Future Applications
•• Redução do processing
Reducing
cost
• • Garantia do
performance
Assuring
custo
de procesdesempenho deof
produtos de cobre
fabricados
engineered
copper
products
• samento Maximizing
value-added
• Maximização da utilização de
• Aumento do uso de materiais de
use
copper
• complementares
Increasing
usefabricados
of
valorof
agregado
do cobre
pressão
competiti•complementary
Projeto para recuperação e
•• Aumento da Increasing
competitive
va a partir defrom
outrosother
materiais
reutilização materials
pressure
materials engineered
• Alteração de regulamentos,
• Preparação para as mudanças
• climáticas Designing
for recovery
• códigos e normas
Changing
regulations,
and reuse
codes and standards
•
Preparing
for climate change
Componente e uso de produto acabado
Sucata de cobre (material secundário)
* Os itens em itálico estavam nas
edições anteriores do manual e não
constam mais nas prioridades de
pesquisa e desenvolvimento
Gestão de fim de vida útil
Sucata de cobre (limpa)
Necessidades sociais em longo prazo:
Melhoria da saúde humana | Sustentabilidade Ambiental
Aumento da eficiência energética | Melhor qualidade de vida
copperalliance.org | Prioridades de pesquisa e desenvolvimento 3
Resumo executivo
Visão Global
O cobre tem um histórico notável e ininterrupto como parte integrante
da vida humana e da civilização. Ele possui uma combinação única de
propriedades que, através de uma visão científica e da criatividade, foi
aplicada em algumas das maiores inovações da história: instrumentos de
navegação de precisão, sistemas elétricos, distribuição de água potável, ar
condicionado e comunicações de dados. Este manual de tecnologia com
aplicações do cobre coloca o leitor em direção aos novos e promissores
desenvolvimentos do cobre com potencial de aplicação global.
Desde que a Associação Internacional do Cobre (ICA, em inglês) apresentou esse manual em 2007, ele tem servido como um conjunto
de conhecimentos e um guia para os esforços de colaboração e de pesquisa pré-competitiva entre produtores e fabricantes, setores
que utilizam o cobre, universidades, programas do governo, empresários e tecnólogos independentes.
copperalliance.org | RESUMO EXECUTIVO 4
Novas Direções
O diagrama mostrado na página 3 descreve o mapa completo do setor de
cobre com relação à pós-produção. A primeira seção do manual aproximase das bordas externas do diagrama, especificamente das aplicações
existentes/em evolução e aplicações emergentes.
As áreas em itálico representam aplicações onde melhorias significativas
foram feitas nos últimos anos. Embora essas áreas não sejam mais vistas
como prioridades, o trabalho ainda continua a promover o avanço da
tecnologia do cobre nestas aplicações.
O apêndice A fornece um estudo de caso de como se dão os avanços na tecnologia do cobre através de pesquisa, desenvolvimento
de processos, projeto de engenharia e uso comercial. Os apêndices B, C e D abordam a área do centro do diagrama, descrevendo as
propriedades fundamentais do cobre, discutindo as tendências e mudanças que influenciam o uso de cobre, analisando como esses
atributos podem ajudar no progresso futuro da sociedade.
As aplicações existentes/em evolução prioritárias
incluem:
• Sistemas de ar condicionado e refrigeração
- A tendência em direção a sistemas mais
compactos e econômicos em energia e o uso
crescente de arrefecedores ambientalmente
amigáveis apresentam implicações de design
e oportunidades para o cobre que podem ser
abordadas por pesquisa e desenvolvimento
colaborativos. Desde a primeira versão
do manual, uma equipe da indústria e
pesquisadores acadêmicos organizados
pela ICA reduziu o teor de cobre em alguns
trocadores de calor de aparelhos de ar
condicionado de alto volume em 40 por cento,
através do uso de um tubo de cobre com sulcos
com menor diâmetro interno.Este esforço
continua e agora está sendo expandido para
equipamentos de refrigeração. O cobre oferece
vantagens em termos de eficiência energética
sustentável, facilidade de fabricação, efeito
antimicrobiano e qualidade do ar do ambiente.
• Transmissão de dados/sinal - Cabos feitos
com cobre com maior largura de banda e
consumo reduzido de energia que oferecem
mais fácil instalação e conexão reforçam
a posição competitiva do setor. O cobre
também fornece energia e dados através do
mesmo cabo, simplificando assim a conexão
de entretenimento digital, comunicações,
computação e equipamentos de segurança
em redes de alta velocidade, oferecendo uma
solução econômica.
As aplicações emergentes abrem mercados
inteiramente novos para o cobre, ampliando e
aumentando o seu uso. Cada área requer o desenvolvimento de novas e melhores tecnologias
de uso do cobre. As principais oportunidades
emergentes incluem:
• Aquicultura - Tanques de aquicultura
marinha com ligas de cobre estão emergindo
como uma solução eficaz para problemas
significativos enfrentados pela indústria de
piscicultura.Os tanques comuns construídos
a partir de materiais sintéticos com revestimentos anti-incrustantes ficam incrustados
com organismos marinhos após vários meses
de uso.As redes de liga de cobre permanecem livres de entupimento durante anos,
melhorando assim a saúde dos peixes, aumentando a taxa de crescimento dos peixes
e eliminando a necessidade de limpar ou
substituir as gaiolas. A resistência mecânica
e a capacidade de resistência da estrutura
de liga de cobre também impedem o ataque
de predadores e a fuga de peixes.
• Propulsão elétrica automotiva - Sistemas
de propulsão elétrica automotiva estão
passando por um desenvolvimento substancial, atingindo designs com melhor engenharia, compactos e eficientes. Os sistemas
de propulsão elétrica incorporam o cobre
em baterias, controle elétrico, conectores e
cabo de recarga, motores e gestão térmica.
A produção de veículos elétricos requer mudanças na infraestrutura elétrica, que tirará
proveito do cobre.
• Dissipação de energia sísmica - Danos de terremoto aos edifícios, o que nele estiver e seus ocupantes podem ser controlados através da utilização
de dispositivos feitos de cobre que absorvem a
energia para limitar os movimentos do prédio. Esta
nova área de aplicação aplica ligas de cobre super
-elásticas e a propriedade de deformação plástica
do cobre refinado.
• Armazenamento de energia térmica - A tecnologia energética com base em gelo tem se mostrado
eficaz na demanda por energia elétrica da comutação em sistemas de ar condicionado. Os sistemas
que utilizam materiais de comutação fásica com
várias vezes a densidade de energia de água/gelo
estão em desenvolvimento. Os compactos dispositivos de armazenamento de energia térmica com
mudança de fase com permutadores de calor de
cobre podem ser integrados com sistemas geotérmicos, de aquecimento de água, térmico solar e
outros sistemas a fim de reduzir o custo do sistema
e aumentar a eficiência energética. Assim como
nas baterias elétricas, estes dispositivos podem ser
carregados ou descarregados a taxas variáveis.
• Componentes ultracondutores de cobre - O progresso está sendo feito nos métodos de incorporação de nanotubos de carbono com parede única
em cobre, de forma a aumentar a condutividade
elétrica da temperatura ambiente do cobre em 30
por cento ou mais. Este avanço permitiria grandes
melhorias de eficiência na transmissão de energia
elétrica e redes de distribuição; motores e geradores elétricos muito mais compactos e de baixa
perda; e reduções importantes na geração de calor
em todos os tipos de sistemas eletrônicos.
Futuros conceitos de aplicação
O setor do cobre, agindo através da ICA, financia a pesquisa e o
desenvolvimento pré-competitivos que podem criar ou permitir
futuras aplicações de mercado importantes para cobre ou ampliar
uma já existente. Pesquisadores são convidados a propor conceitos
criativos derivados de avanços científicos, transferência de tecnologia
ou necessidades de negócios/sociais. Tais propostas devem identificar
o avanço necessário e descrever uma abordagem credível. Existe a
preferência por uma demonstração relativamente rápida e /ou escala
de tempo de desenvolvimento. No entanto, as propostas relativas à
investigação científica em longo prazo são sempre bem vindas.
O manual de tecnologia de aplicações do cobre continuará a evoluir à medida que a indústria reage à tendências sociais,
pressões da concorrência, desenvolvimentos técnicos relacionados e oportunidades inesperadas. Enquanto o manual atual
não cobre todos os caminhos tecnológicos, ele se concentra sobre a as necessidades pré-concorrência de maior prioridade
do setor do cobre e seus clientes. A identificação e a definição de novas atividades de pesquisa continuam a ser um
desafio. Para esse fim, a terceira seção deste documento traça planos para um processo gerido industrialmente para criar,
lançar e gerenciar projetos de aplicações de cobre para além dos planos descritos neste manual.
O sucesso deste manual será medido pelo número e escopo de projetos de pesquisa e desenvolvimento colaborativos que
inspirar e os benefícios que esses projetos acumularem.
Levando à inovação: Propriedades
fundamentais do cobre:
O manual de tecnologia de aplicações do cobre aborda minas,
fábricas, fundições e refinarias para fabricantes, processadores
e fabricantes, bem como as disciplinas específicas, indústrias
e aplicações (ver diagrama de propriedades de pesquisa e
desenvolvimento). A substituição de materiais está crescendo nos
mercados de cobre tradicionais, e é imperativo que o setor de cobre
ativamente identifique e avalie novas oportunidades tecnológicas. O
manual procura identificar as áreas em que a pesquisa tecnológica
e o desenvolvimento provavelmente causariam um impacto
significativo sobre o valor do cobre nos mercados emergentes e em
evolução.
copperalliance.org | LEVANDO À INOVAÇÃO 8
O cobre tem um histórico notável e ininterrupto
como parte integrante da vida humana e da civilização. As propriedades fundamentais do cobre
atenderam às necessidades da sociedade ao longo da história. A fim de impulsionar a inovação,
o setor do cobre deve continuar a explorar as
propriedades fundamentais do cobre, tais como:
• Condutividade elétrica
• Condutividade térmica
• Efeito antimicrobiano
• Formabilidade
• Resistência à corrosão
• Reciclagem Infinita
• Cor/aparência estética
• Facilidade de liga
• Possibilidade de formar liga
• O desenvolvimento de novos materiais - ligas,
compostos e composições - proporcionando formas mais rentáveis de produzir e processar esses
materiais.As indústrias de conectores elétricos e
empacotamento eletrônico são dois exemplos dos
muitos em que esta abordagem é utilizada rotineiramente.
• Otimizar a forma como o cobre é usado ou fabricado. O desenvolvimento de fundição de cobre
econômica patrocinado pela ICA é um exemplo do
processo colaborativo de pesquisa e desenvolvimento no setor de cobre (ver Anexo A).
• Inovação que se beneficia dos atributos do cobre
e neutraliza a possível substituição por materiais
alternativos.
• Pensamento imaginativo que conecta o cobre a
novas aplicações e supera desafios técnicos.
À medida que o setor avança, ele deve colaborar
com seus parceiros no exame de formas em que
a vantagem intrínseca do cobre possa ajudar a
sociedade a aplicar os benefícios do cobre para
construir um mundo melhor e sustentável. O
sucesso virá de:
Vantagens intrínsecas do cobre
Nenhum outro metal, sozinho ou em forma de liga, oferece de forma
tão eficaz a quantidade e a extensão de propriedades úteis como o
cobre. Nas próximas décadas, o progresso tecnológico dependerá em
grande parte de materiais avançados, como metais, ligas, compostos
e outras estruturas, muitos dos quais podem potencialmente conter
cobre.
Além de ter alto desempenho técnico, esses materiais devem influenciar positivamente questões como a saúde humana,
eficiência energética, sustentabilidade e qualidade de vida. Os materiais de cobre e com base de cobre claramente
atendem a esses critérios. O apêndice B oferece informações adicionais sobre propriedades úteis do cobre. O anexo C
discute as tendências e os desafios que influenciam o uso de cobre. O anexo D oferece uma visão sobre o papel do cobre
na satisfação das necessidades sociais. Observação: Os apêndices B, C e D seguem o fluxo da seção central do diagrama do
manual.
De catodos a produtos acabados:
Projeto de engenharia e produto/
Desenvolvimento de processos
Nenhum outro metal, sozinho ou em forma de liga, oferece de forma
tão eficaz a quantidade e a extensão de propriedades úteis como o
cobre. Nas próximas décadas, o progresso tecnológico dependerá em
grande parte de materiais avançados, como metais, ligas, compostos
e outras estruturas, muitos dos quais podem potencialmente conter
cobre.
Além de ter alto desempenho técnico, esses materiais devem influenciar positivamente questões como a saúde humana,
eficiência energética, sustentabilidade e qualidade de vida. Os materiais de cobre e com base de cobre claramente
atendem a esses critérios. O apêndice B oferece informações adicionais sobre propriedades úteis do cobre. O anexo C
discute as tendências e os desafios que influenciam o uso de cobre. O anexo D oferece uma visão sobre o papel do cobre
na satisfação das necessidades sociais. Observação: Os apêndices B, C e D seguem o fluxo da seção central do diagrama do
manual.
Uma Transformação
Visual do Cobre:
Recycled Copper
Fish Cage
Precision Rolled
Copper Alloy
Connectors
Extruded Copper
Air Conditioning Tubes
Prioridades do Manual
Esse manual direciona programas de pesquisa e desenvolvimento
colaborativos e pré-competitivos que beneficiam o setor de cobre
e a sociedade. A indústria favorece esta abordagem colaborativa e
pré-competitiva, porque os custos são distribuídos entre as partes
que esperam obter benefícios e uma gama de conhecimentos está
disponível para as equipes de projeto. A ICA procura propostas de
pesquisa e desenvolvimento de alta qualidade para todas as áreas de
oportunidade prioritárias.
Os seguintes critérios gerais para a seleção das atividades prioritárias foram criados por associações do setor de cobre,
produtores de produtos semi-fabricados/fabricados e para fabricantes de produtos para o consumidor final. As atividades
prioritárias devem:
• Abordar questões técnicas que, se resolvidas, devem resultar em um impacto positivo e significativo sobre a utilização
de cobre em áreas de aplicação existentes ou novas.
• Ter uma alta probabilidade de implementação comercial, devido ao envolvimento de uma série de participantes do
setor, organizações de pesquisa e organizações de financiamento.
• Melhorar a imagem ambiental e social positiva do cobre. O cobre é essencial para a saúde, seu uso promove a
eficiência energética, e sua reciclagem é quase insuperável entre todos os materiais de engenharia.
copperalliance.org | PRIORIDADES DO MANUAL 12
Classificação de oportunidades
priorizadas
As oportunidades priorizadas descritas neste manual são agrupadas
em duas classificações gerais:
Aplicações existentes/em evolução mantêm
ou aumentam os usos atuais em larga escala
de cobre. Normalmente, a pressão de custos,
a concorrência por material e as restrições
de projeto (por exemplo, a miniaturização)
influenciam o uso do cobre nessas aplicações.
O objetivo é a aplicação de propriedades
técnicas do cobre de forma mais eficaz para
manter a posição do cobre como o material
de preferência.O sucesso deste manual será
medido pelo número e escopo de projetos de
pesquisa e desenvolvimento colaborativos
que inspirar e os benefícios que esses projetos
acumularem.
As aplicações emergentes abrem mercados
inteiramente novos para o cobre, ampliando
e aumentando, assim, o seu uso. O foco
está na melhoria e na aplicação criativa
de propriedades do cobre para resolver os
problemas das novas tecnologias. A exploração
da eficácia antimicrobiana do cobre para
superfícies em que se toca e da comercialização
de dispositivos de dissipação de energia com
base em cobre é um exemplo desta categoria.O
sucesso deste manual será medido pelo
número e escopo de projetos de pesquisa e
desenvolvimento colaborativos que inspirar e os
benefícios que esses projetos acumularem.
copperalliance.org | PRIORIDADES DO MANUAL 13
Oportunidades existentes/em
evolução
Ar condicionado e sistemas de
refrigeração
O uso tubo de cobre de menor diâmetro (diâmetro com ≤ 5 mm)
oferece vantagens significativas em permutadores de calor e sistemas,
incluindo tamanho reduzido, carga de arrefecimento reduzida, menor
custo e maior eficiência energética. Alcançar soluções de baixo custo
envolve pesquisa e desenvolvimento de ligas de materiais, tubo de metal
e fabricação de aleta, engenharia de design de permutadores de calor,
transferência de calor em duas fases e otimização do sistema.
Atualmente, R410A e outros hidro-fluorcarbonos (HFCs) são os arrefecedores de
preferência em aplicações de troca de calor. Os sistemas que utilizam o arrefecedor
R410A são executados a uma pressão cerca de 60 por cento mais elevada do que
os sistemas semelhantes que utilizam R22. Este apresenta implicações de design e
oportunidades. No médio prazo, novos arrefecedores hidrofluoroolefinas (HFO) são
os principais candidatos para substituir o R410a e o R134. No longo prazo, o dióxido
de carbono, hidrocarbonetos e água podem tornar-se alternativas preferenciais.
O crescente interesse em arrefecedores de hidrocarbonetos, tais como iso-butano
e propano para aplicações selecionadas, significa que os sistemas de cobre devem
continuar a adaptar arrefecedores ambientalmente amigáveis.
copperalliance.org | OPORTUNIDADES EXISTENTES/EM EVOLUÇÃO 14
Tendências, problemas e determinantes
• Aumento da procura por maior eficiência
energética, sistemas de ar condicionado
compactos com melhor qualidade do ar
• Intensificação de competição inter-material
• Redução do custo de produção
• Redução da destruição da camada de ozônio e
do aquecimento global em potencial, através
de mudanças nos arrefecedores
• Eliminação de vazamentos de arrefecedores do
sistema
• Redução do impacto ambiental do descarte de
fim-de-vida e reciclagem de materiais
Oportunidades e
atividades recomendadas
Próxima geração ambientalmente corretas de
fluidos de trabalho
• Otimização dos designs do permutador de
calor de cobre MicroGrooveTM de pequeno
diâmetro para a próxima geração de fluidos
de trabalho e possíveis futuros arrefecedores
• Atualização e otimização de trocadores de
calor e software de simulação de design de
sistemas para o tubo de cobre de pequeno
diâmetro, adaptando-se à utilização
de novos arrefecedores (tanto em ar
condicionados de sala quanto em sistemas
de refrigeração)
• Desenvolvimento de configurações com
sistemas separados de transferência do
gás integral para o calor do líquido (por
exemplo, para líquido de trabalho CO2/
arrefecedor de água)
• Otimização de pequenos sistemas de
carga de arrefecimento capazes de usar
arrefecedores de hidrocarbonetos
Processos de fabricação
• Desenvolvimento de liga mais eficiente e com
menor custo de trabalho e soluções de montagem
para trocadores de calor
• Apresentação de projeto de sistema e métodos de
fabricação para garantir que sistemas de trocadores
de calor sem vazamento
Eficiência energética
• Melhoria da transferência de calor e resolução de
questões de distribuição de fluxo em trocadores de
calor compactos usando tubo de cobre de diâmetro
de 5 mm e 4 mm
• Expansão da aplicação de sistemas com tubo de
5mm/4mm para bombas de calor e tamanhos
maiores, como o fluxo de arrefecedores variável e
sistemas de telhados comerciais leves
• Desenvolvimento de novas geometrias de projeto
de trocadores de calor para o desempenho do
MicroGroove - exploração do potencial e das
limitações dos designs de trocadores de calor de
cobre de geometria variável e designs sem aleta
Novas aplicações e tecnologias
• Expansão da utilização de sistemas de tubos de
cobre pequeno diâmetro em refrigeração, sistemas
de armazenamento térmico de material para troca
de fase, aquecedores de água para bombas de calor,
bombas de calor de veículos elétricos e bombas de
calor de chão
• Identificação e exploração de novas tecnologias de
troca de calor que possam impactar os sistemas de
tubo-aleta de cobre
• Identificação e avaliação de novas aplicações de
aleta de cobre que necessitem de desempenho
antimicrobiano
Transmissão de dados/sinais
Instalações industriais, comerciais e de consumo de computação
continuamente exigem maior capacidade de largura de banda. Mais de 80
por cento das interconexões dos equipamentos de transferência de sinal
em centros de dados usam cabos e conectores de cobre. Nessas conexões
de curta distância e densamente espaçadas, o cobre compete com sucesso
contra a fibra óptica. Para distâncias de cabos com menos de 100m (mais
de 99 por cento das conexões em centros de dados e conexões horizontais
de redes locais têm menos de 100 m), cabos de cobre com larguras de banda
de até 10 Gbps estão disponíveis em uma fração do custo da fibra óptica.
Larguras de banda de até 100 Gbps estão em desenvolvimento e têm sido
demonstradas.
A substituição de cobre com fibra requer
outros dispositivos de acoplamento ópticos/
elétricos, aumentando o custo e a complexidade. No entanto, o custo das instalações
com fibra continua a diminuir e esta realidade de mercado exige contínuo desenvolvimento de sistemas de cabeamento com
cobre de maior velocidade a fim de manter
o metal competitivo. Além de fornecer
largura de banda adequada, novos cabos de
cobre devem reduzir o consumo de energia
e ser mais simples e mais robustos do que
os sistemas existentes no que diz respeito à
instalação e conectividade fácil.
Entre as principais características do cobre
estão a capacidade de fornecer energia e
dados ao mesmo tempo e a capacidade de
fornecer uma fonte confiável de energia
que permite que dispositivos da rede, como
telefones com protocolo da Internet, pontos
de acesso sem fio, câmeras de segurança,
portas de rede para dispositivos portáteis e
até mesmo computadores de baixa potência
operem onde as fontes de alimentação
convencionais, como cabos ou tomadas de
corrente alternada, não são práticas.
• Aumentos contínuos nas velocidades
de conexão: 10 Gbps (10 bilhões de
bits por segundo) está agora substituindo 1 Gbps em centros de dados
- 100 Gbps deve dominar depois de
2020, 1 Tbps já está sendo discutido
• Fornecedores de fibras ópticas também
continuam a promover soluções de conexão de dados de alta velocidade, mas
com redução de custos decrescente
• Os cabos de cobre vão continuar a ser
competitivos à medida que continuem a
bater a fibra em velocidade em distâncias
curtas (≤ 100m)
• O consumo de energia em centro de
dados está se tornando um limite no
crescimento
Oportunidades e
Interfaces de cobre de alta velocidade
• Desenvolvimento de tecnologia para
maximizar a velocidade de dados na
distância padrão do setor de 100 m
com cabos de cobre para dados e
conectores de baixo ruído
• Apoio do desenvolvimento de padrões
do setor para interfaces de cobre e
promoção do desenvolvimento de
equipamentos de rede que incluam
interfaces de cobre
Energia para dispositivos de rede remotos
• Apoiar o desenvolvimento de padrões
da indústria incorporando capacidade
de fornecer 30 W ou mais em cabos
de dados de cobre padrão
• Expansão da disponibilidade de produtos em rede que se beneficiem de
energia disponível através de cabos
de dados
Consumo de Energia Reduzido
• Desenvolvimento de técnicas de sinalização de baixo consumo de energia que se
beneficiem de cabos de cobre melhorados
para reduzir o consumo de energia do
centro de dados/rede
• Exploração do potencial para de aplicação
de cobre ultracondutor em aplicações de
comunicação de dados (consulte “Oportunidades emergentes”)
Oportunidades Emergentes
Aquicultura
A piscicultura é uma indústria multibilionária global. O esgotamento
das populações de peixes selvagens e a crescente demanda por peixes
de viveiro aumentou a aquicultura próxima à costa e a expansão para o
ambiente marinho em terra firme. Existem preocupações sobre os ataques
de predadores, equipamentos e práticas de piscicultura ambientalmente não
sustentáveis de peixe, ao lado de possíveis ameaças à saúde humana dos
antibióticos e vacinas dadas aos peixes de viveiro.
A combinação de forças mecânicas de ligas de cobre, a resistência à corrosão e a
reciclagem abordam estas questões. A malha de liga de cobre permanece limpa e
permite que a água rica em oxigênio flua através das redes, retirando resíduos e
detritos dos peixes, mantendo, assim, um ambiente saudável. Além disso, a malha de
liga de cobre reduz a propagação de doenças infecciosas, reduzindo significativamente
a acumulação da maioria dos ovos parasitas, reduzindo ou eliminando, assim, a
necessidade de tratamentos terapêuticos. A resistência mecânica e a resiliência de
uma estrutura de malha de liga de cobre resiste a ataques de predadores, danos de
tempestade e a fuga de peixes. Ao contrário de redes feitas a partir de materiais
sintéticos, as estruturas de liga de cobre são completamente recicláveis no final de sua
vida útil.
copperalliance.org | OPORTUNIDADES EMERGENTES 17
Nas décadas de 1960 – 1980, o setor do cobre desenvolveu diversas redes feitas de cobre para aquicultura. Estas redes eram rígidas e não facilmente
escaláveis para grandes volumes de produção.
Atividades de desenvolvimento recentes em ligas
de cobre e design de redes incluem redes de fio
de tecido e ligas de metal expandidas com chapas
com vidas de serviço que atingem mais de seis
anos. As redes de liga de cobre têm permitido uma
taxa de crescimento de 10 a 15 por cento mais rápida, uma redução de 50 por cento na mortalidade
de peixes devido à melhoria na saúde dos peixes,
um uso mais eficiente de alimentos e um lucro
maior para os donos da aquicultura.
•
A expansão global da aquicultura de 8 por
cento ao ano durante os últimos 30 anos
deverá continuar
•
Automação e sustentabilidade são as duas
principais iniciativas de todos os grandes
produtores de peixes
•
Necessidade de uma redução na perda de
peixes devido aos predadores, tempestades,
parasitas e infecções
•
Necessidade de redução do trabalho, especificamente mergulho
•
Demanda de consumo por frutos do mar
mais sustentáveis
•
Principais produtores de salmão forçando
os fornecedores a fornecer sustentabilidade equipamentos que permitam maior
sustentabilidade.
•
Necessidade de obtenção de certificação
da indústria para a segurança e sustentabilidade
Oportunidades e
Rede de peixes
•
Melhoria dos designs das conexões do
sistema de malha de flutuação para simplificar a montagem
•
Desenvolvimento de colheita eficiente e
técnicas de classificação que apliquem
a natureza semirrígida de malha de liga
de cobre
•
Investigação do uso eficiente de material
com redes que compartilhem paredes
mútuas
•
Investigação de painéis de redes substituíveis in situ para diferentes opções de
tamanho de malha à medida que os peixes
crescem
•
Desenvolver sistemas de remoção automática para a extração de peixes mortos das
canetas com fundo quase plano
•
Investigação de designs de redes para
espécies alternativas, como peixes chatos
•
Desenvolver redes de baixo custo para
benefícios sociais nas regiões em desenvolvimento
•
Desenvolvimento de métodos mais eficientes e econômicos de instalação de redes
Saúde dos peixes e impacto ambiental
•
Realização de atividades de pesquisa e publicação dos resultados relacionados à compreensão
dos efeitos da malha de liga de cobre sobre o
estresse dos peixes, parasitas, patógenos, taxa de
mortalidade, taxa de crescimento e taxa de conversão alimentar, bem como níveis de segurança
de liberação de cobre para o meio marinho nas
proximidades
•
Investigação de oportunidades em outros lugares
da aquicultura que apliquem os benefícios antimicrobianos do cobre como incubadoras, funis
de alimentação e vasos de colheita
Desenvolvimento de liga e malha
•
Desenvolvimento de ligas com melhor resistência ao desgaste mecânico e corrosão
•
Investigação de formas de malha e ligas
apropriadas para eliminação de predadores
e resistência a danos da tempestade
•
Investigação de tubulação selada em oposição a fio como a compensação de malha
pesada com flutuabilidade integrada
•
Desenvolvimento de base de conhecimento ou modelo de previsão de vida útil
de várias ligas em diferentes condições
oceânicas
Propulsão elétrica automotiva
Os sistemas de propulsão elétrica incorporam o cobre em motores, baterias,
controle elétrico, conectores e cabo de recarga, motores e gestão térmica. Os
setores ferroviário, marítimo de construção pesada e automotivo compreendem
mercados importantes que empregam tecnologia de propulsão elétrica. A área
prioritária para pesquisa e desenvolvimento é a propulsão elétrica automotiva,
onde os sistemas estão em fase de desenvolvimento substancial e afastando-se
dos sistemas com base em motores elétricos, buscando abordagens de mais alta
tecnologia, mais compactas e eficientes.
Oportunidades adicionais incluem componentes de cobre para alta capacidade
de corrente e gerenciamento térmico em eletrônica de potência e baterias, bem
como a infraestrutura para suportar a recarga de veículos elétricos.
Prevemos uma transição de médio prazo da tecnologia de veículos de tração por motores que têm
motores com ímãs permanentes em seus rotores
para motores de indução, que têm apenas cobre e
aço em seus rotores.
Estes motores de indução com rotores com cobre
são mais baratos para produzir e utilizam materiais
ambientalmente mais sensíveis.
Os motores de indução têm desempenhado um
papel coadjuvante na tração automotiva desde sua
estreia no início de 1990 no Impact, veículo completamente elétrico da General Motors. Hoje eles
são encontrados em carros de passageiros de empresas como a Toyota, BMW e Tesla que adotaram
a tecnologia recentemente. (Veja o apêndice A).
No design de estatores de motor, os projetistas
de veículos buscam motores menores, menos
onerosos, motores e mais eficientes. A taxa de enchimento típica (isto é, a densidade de volume) de
enrolamentos de cobre nos estatores de máquinas
elétricas é de cerca de 50-60 por cento. A taxa de
enchimento em excesso de 80 por cento acelera a
transição dos sistemas de transmissão de energia
automotiva para novos componentes com bastante
cobre e reduz o tamanho e peso dos componentes.
O carregamento de uma bateria de 35 kWh em 10
minutos exige 250 kW. Uma estação de carregamento elétrico para quatro carros necessitaria de
1 MW.
O carregamento rápido elimina a necessidade de
grande escala de armazenamento de energia e é
muito mais atraente para os consumidores que
preferem carregar carros em casa ou enquanto
estacionado. A excelente condutividade térmica do
cobre pode oferecer soluções de transferência de
calor que melhorem a capacidade de arrefecimento de estações de carregamento rápido.
•
O esforço em direção à proteção ambiental
e mitigação das mudanças climáticas está
ditando a aceitação dos veículos elétricos
•
A tecnologia da bateria ainda requer
melhorias para permitir a adoção em larga
escala de veículos elétricos
•
O interesse em veículos elétricos flutua
com os preços dos combustíveis, mas, no
longo prazo, a tração elétrica deve sair
vitoriosa
•
A sensibilidade geopolítica e os níveis de
preços dos metais de terra raros estão
fazendo com que os OEMs se interessem
em motores de indução
•
A fundição de cobre amadureceu como
um processo de produção em massa para
rotores de veículos motores
Oportunidades e
•
Aumentar a taxa de preenchimento de
cobre nas ranhuras de laminação dos
estatores do motor em um excesso de 80
por cento
•
Aumento da vida útil da fundição para
reduzir custos de produção de rotores de
cobre fundido
•
Apoio da prototipagem de motores de
indução em OMEs de veículos e fornecedores Tier-1
•
Educação dos tomadores de decisão de
engenharia automotiva sobre as vantagens
dos motores de indução para tração do
veículo
•
•
•
•
Desenvolvimento da rede de fornecimento de
fundição de rotores de cobre mundialmente
Exploração do papel do cobre em conceitos de
baterias avançadas, incluindo gestão térmica
Exploração das necessidades de sistemas de
climatização em veículos elétricos
Exploração da necessidade de componentes de
cobre na infraestrutura de carregamento
Dissipação de Energia Sísmica
A manutenção da solidez estrutural de edifícios em zonas sísmicas continua
a ser um desafio ainda crítico, já que mais de 50 por cento da população
mundial reside nas cidades. Uma gama de EDDS (dispositivos de dissipação
de energia) é atualmente utilizada pela construção de engenheiros
estruturais para controlar o movimento dos edifícios durante terremotos.
Estes dispositivos se aplicam a abordagens visco elásticas, hidráulicas e
mecânicas para absorver e dissipar a energia. Duas diferentes abordagens
baseadas em cobre têm potencial nesta aplicação e proporcionam um
melhor desempenho a baixo custo versus sistemas concorrentes. Ambos
estão sendo investigados.
Alguns edifícios utilizam amortecedores sísmicos construídos a partir de aço e cimento.
No entanto, esses amortecedores não têm
elasticidade e não voltarão à sua posição
original após um evento sísmico. EDDs fabricados a partir de ligas de cobre super-elásticas, tais como cobre-manganês-alumínio (80
por cento de cobre), oferecem de 8 a 10 por
cento de alongamento.
Este material normalmente aumenta a
resistência de um edifício para mantê-lo em
posição, mas só se estende quando sujeito
a grandes forças, que ocorrem em caso
de terremoto. Em um tremor de terra, um
edifício balança de uma forma controlada e
o dispositivo de liga de cobre superelástico
retorna à sua posição inicial.
Esta liga altamente eficaz também promete
uma economia de custo em comparação a
materiais de liga de titânio competitivos.
O cobre recozido deforma plasticamente
devido a vibrações cíclicas, absorve a energia
e mantém alta ductilidade. Ele está a ser
considerado como um material ideal para
os componentes EDD na armação de aço e
estruturas de concreto armado.
hospitais, pontes, estruturas portuárias e
instalações de mineração.
• Proteção de edifícios e ocupantes em
zonas sísmicas.
• Prevenção de colapso e deformação
do edifício.
• Prevenção do colapso catastrófico da
infraestrutura vital.
• Desenvolvimento de materiais de
construção de baixo custo.
Oportunidades e atividades recomendadas
• Desenvolvimento do processo de produção em massa para a laje e haste
de liga superelástica de Cu-Al-Mn
incluindo o processo de tratamento
térmico para atingir o tamanho de
grão grande
• Desenvolvimento de uma compreensão mais detalhada da liga superelástica de Cu-Al-Mn-base superelástico
em cargas sísmicas típicas
• Desenvolvimento de uma compreensão mais detalhada do comportamento do cobre recozido em cargas
sísmicas típicas
•
•
•
Projeção e teste de novos desenhos de
EDD, caracterização de seu comportamento e fornecimento de parâmetros de
engenharia aos engenheiros estruturais,
para que possam incorporá-los em seus
modelos sísmicos
Buscar a colocação de EDDs com base de
cobre em grandes edifícios de escritórios,
hospitais, pontes, estruturas portuárias e
instalações de mineração
Explorar o uso do cobre superelástico em
dispositivos de recentramento dinâmico,
retornando, por exemplo, vãos de pontes
para o centro de colunas de apoio para
evitar o colapso catastrófico
As aplicações potenciais dos EDDs com base
de cobre incluem estruturas flexíveis e críticas, como grandes edifícios de escritórios,
Armazenamento de energia
térmica
Tanques de armazenamento de água quente e sistemas de armazenamento
que têm como base o gelo são os tipos mais comuns de dispositivos de
armazenamento de energia térmica. Além dos sistemas de congelamento/
fusão de água, há outros materiais de mudança de fase (PCMs, em inglês),
como as ceras e as abordagens à base de zeólito que podem armazenar
mais energia térmica do que a água por unidade de volume. No entanto,
a condutividade térmica dos PCMs é baixa e a adição/remoção de calor
é mais lenta do que o desejado. Há uma oportunidade de melhoraria
da condutividade térmica de PCMs aplicando-os em combinação com
permutadores de calor com base de cobre. Esta combinação permite
dispositivos de armazenamento térmico de densidade e com alta energia, os
quais podem ser repetida e rapidamente carregados e descarregados.
O reservatório térmico pode ser mantido a uma
temperatura superior (mais quente) ou inferior
(mais frio) que a do meio ambiente.
As aplicações potenciais que envolvem o
carregamento lento com calor e descarga mais
rápida incluem aquecimento solar da água e do
ar ou aquecimento de água por bomba de calor
proveniente do solo. Da mesma forma, os sistemas
de armazenamento a frio para ar condicionado e
aplicações de refrigeração podem ser carregados
quando a demanda de eletricidade é baixa e
descarregados para fornecer refrigeração em
momentos de pico de demanda elétrica para
reduzir a tensão na rede de energia elétrica.
O mesmo tipo de permutadores de calor de tubos
de cobre utilizado em sistemas de ar condicionado
pode ser aplicado a sistemas de armazenamento de
energia térmica, em que os permutadores de calor
são imersos em PCM líquido.
Os circuitos de carga e descarga do tubo de cobre
também podem ser incorporados em grafite
impregnado com PCMs, em que o grafite contém
completamente o PCM líquido, melhorando
também a condutividade térmica do PCM.
•
interesse contínuo em melhorar a eficiência
energética
•
Redução do espaço necessário para o
armazenamento de água quente em
aquecedores de água com bombas de calor
•
•
•
Redução de custo de instalação de sistemas
geotérmicos, incorporando armazenamento
térmico
Desenvolvimento de novos PCMs e
armazenamento térmico com base em zeólito,
permitindo > 5x de densidade de energia contra
sistemas com base em água/gelo
Integração de armazenamento térmico em
paredes de edifícios, tetos e outros elementos de
edificações
Oportunidades e
•
Projeto e teste de módulos de armazenamento
térmico com base em PCM utilizando trocadores
de calor com aleta/tubo de cobre imersos em
PCM líquido
•
Projeto e teste de módulos de armazenamento
térmico com base em PCM utilizando grafite
impregnado com PCMs em combinação com
circuitos de troca de calor com tubo de cobre
•
Investigação do uso de tubo de cobre com
armazenamento térmico com base em zeólito
•
Relatório ao governo e organizações de
pesquisa do setor sobre avanços em dispositivos
compactos de armazenamento de energia
térmica com base em cobre com mudança de
fase
•
Desenvolvimento do conceito de abastecimento
de água quente e sistemas de ar condicionado
utilizando dois dispositivos de armazenamento
de energia térmica
Componentes de cobre
ultracondutores
O progresso está sendo feito nos métodos de incorporação de carbono
ao cobre de forma a aumentar a condutividade elétrica do cobre em
temperatura ambiente em 30 por cento ou mais (130 por cento do Padrão
Internacional de Cobre Recozido (IACS)). Nós chamamos esse material de
cobre ultracondutor (cobre UC). Ele já foi produzido à escala laboratorial
através de deposição eletrolítica conjunta de nanotubos de carbono de
parede única e cobre.
A adição de nanotubos de carbono ao cobre
fundido em condições cuidadosamente controladas
também promete avanços.
Os nanotubos de carbono conduzem eletricidade
através de um mecanismo diferente para condução
em cobre, e otimizar o fluxo de elétrons em
nanocompósitos de cobre e carbono requer
engenharia cuidadosa em nanoescala.
Estudos e ensaios estão em andamento sobre o
aumento de escala de produção de gramas para
milhares de toneladas de fio. Ao reduzir as perdas
elétricas, o cobre UC teria um efeito transformador
sobre uma ampla área de tecnologia e beneficiaria
imensamente a sociedade. Muito trabalho precisa
ser feito para tornar o cobre UC um material de
engenharia amplamente disponível para uso em
componentes e sistemas elétricos.
•
A variação do custo relativo de condutores
de cobre contra condutores de alumínio
está incentivando os OEMs a considerar o
alumínio uma alternativa ao cobre
•
Depois de 10 anos de esforço científico, o
cobre UC com mais de 130 por cento IACS
foi demonstrado em 2011
•
O trabalho continua em todo o mundo para
reduzir o custo de produção de nanotubos
de carbono de parede única
•
O impulso para uma maior economia de
combustível de veículos está destacando a
necessidade de condutores elétricos de peso
inferior
•
Há um maior enfoque global sobre
a eficiência energética na geração,
distribuição, transmissão, geração e uso de
eletricidade
•
Um aumento do investimento no setor
de energia renovável é a criação de uma
necessidade de geradores para turbina eólica
mais leves
Oportunidades e
•
Pesquisa científica aplicada para alcançar um
maior transferência de energia elétrica entre
nano-carbono e fases de cobre
•
Métodos para a produção de catodos de cobre
UC durante o refinamento eletrolítico existente
ou processos de extração eletrolítica
•
Métodos para produção de cobre UC de cobre
fundido
•
Métodos para a produção de fio de cobre
UC usando linhas de processamento de fios
existentes ou por eletrodeposição direta
•
Colaboração com empresas de produção de
nanotubos de carbono para otimizar nanotubos
apropriados para cobre UC
•
Exploração de outras propriedades do cobre UC,
incluindo condutividade térmica, resistência,
módulo de elasticidade, ductilidade
•
Exploração de aspectos de saúde, meio ambiente
e desenvolvimento sustentável do cobre UC
•
Formação de estruturas de cooperação para
desenvolvimento de longo prazo entre indústrias
e implementação de cobre UC
•
Desenvolvimento de aplicações de alto valor para
fio e barramento UC
Potenciais Aplicações Futuras
Além das áreas com oportunidades prioritárias apresentadas neste
documento, a indústria do cobre busca ideias de pesquisa que prometem
novas aplicações de cobre.
A indústria, por meio da International Copper Association, Ltd., e sua rede
de organizações nacionais/regionais de promoção de cobre que compõem a
Aliança de Cobre, financia a pesquisa pré-competitiva que leva à criação de
novas aplicações significativas para o cobre.
Pesquisadores da academia ou da indústria que trabalham em pesquisa básica ou
aplicada relacionada ao cobre e cujo trabalho aborde os interesses da indústria do
cobre são encorajados a contatar a ICA com propostas que identifiquem os avanços
necessários e descrever uma abordagem técnica confiável para execução bem sucedida.
copperalliance.org | POTENCIAIS APLICAÇÕES FUTURAS 23
Alguns edifícios utilizam amortecedores
sísUma proposta ideal de desenvolvimento
da tecnologia do cobre irá:
• Exigir esforço de pesquisa e desenvolvimento para alcançar avanço técnico
que permita a aplicação global em
potencial.
• Criar uma nova aplicação de mercado
ou defender uma aplicação de cobre
existente a partir de materiais ou
tecnologias alternativas.
• Identificar um caminho razoável para a
comercialização.
• Aplicar atributos superiores do cobre.O
cobre é essencial para a saúde, seu uso
promove a eficiência energética, e sua
reciclagem é quase insuperável entre
todos os materiais de engenharia.
• Levar ao uso de pelo menos 10.000
toneladas métricas de cobre por ano
dentro de cinco anos de iniciação.
Propostas com impacto menor de tonelagem, mas grande benefício social,
também são preferidas. Tecnologia
com um longo cronograma ao mercado
exige impacto mais forte no mercado e
um caminho mais claro para a comercialização.
Tendências, problemas e drivers
• A cada vez mais rápida fertilização
cruzada de ideias e a criatividade
colaborativa global
• Digitalização penetrante, comunicação
e computação
•
•
•
•
Simulação e modelagem de fenômenos metalúrgicos
Compreensão científica mais profunda dos sistemas vivos
Maior preocupação com as consequências ambientais
Disseminação global do modelo de
investimento de capital em grupo
Atividades recomendadas
• Aferição de tecnologia através da participação em fóruns e exibições de pesquisa e
desenvolvimento no governo e na indústria
• Pesquisa cooperativa e desenvolvimento de
materiais avançados feitos de cobre através de iniciativas de pesquisa do governo/
indústria/universidades em vários países
Áreas possíveis para exploração
• Sistemas de armazenamento de
energia elétrica
• Sistemas de cobre para urbanização,
incluindo equipamento mais compacto e tecnologias de transporte urbano
• Os materiais de cobre para uso,
captura e transformação do dióxido
de carbono
• Materiais eficientes com base de
cobre para permitir a produção de
hidrogênio, purificação e utilização
• Estruturas contendo cobre fabricadas
com nanoengenharia
• Os materiais de cobre compostos
contendo várias formas de fibra ou
partículas para atingir as propriedades incomuns ou reforçadas
• Formas de fundamentalmente novas
para superfícies e estruturas de troca
de calor
• Designs eficientes com base de cobre
para apoiar projetos de eletrificação
rural
copperalliance.org | POTENCIAIS APLICAÇÕES FUTURAS 24
Execução
O manual de tecnologia de aplicações do cobre continuará a evoluir à
medida que a indústria reage a tendências sociais, pressões da concorrência,
desenvolvimentos técnicos relacionados e oportunidades inesperadas.
Embora não cubra todas as rotas tecnológicas para o futuro, esse manual
se concentra no que seus colaboradores acreditam serem as mais altas
prioridades dentre as necessidades pré-competitivas da indústria do
cobre e seus clientes. Como tal, se destinam a orientar o planejamento e
a execução dos programas de pesquisa e desenvolvimento colaborativos
que envolvem produtores e fabricantes de cobre, indústrias que utilizam
cobre, universidades, laboratórios do governo, empresários e tecnólogos
independentes.
Muitas das organizações que participaram da criação deste manual investiram recursos significativos a cada
ano no desenvolvimento de produtos inovadores, novas ligas de cobre e tecnologias de processo avançado. Sua
história de investimentos em tecnologia é, e continuará a ser, uma fonte importante de seu sucesso próprio no
mercado futuro. Ao trabalhar em conjunto para desenvolver e refinar o manual, a indústria tomou medidas para
transformações tecnológicas e empresariais importantes.
A fim de manter o manual atualizado, a ICA segue um ciclo de revisão de dois anos. Os membros da ICA e as
organizações da Aliança de Cobre são convidados para revisar o conteúdo e sugerir modificações. O manual é,
então, atualizado e o conteúdo revisado é disponibilizado ao público.
copperalliance.org | EXECUÇÃO 25
O ICA desempenhará três papéis na execução das aplicações de cobre
Manual de tecnologia:
• As atividades de divulgação e desenvolvimento de parceria envolverão
indivíduos e organizações relevantes
para inspirar o desenvolvimento contínuo de ideias em relação a oportunidades de aplicação de cobre e pesquisa e
desenvolvimento necessários.
•
• Fóruns de execução do manual irão
fornecer locais voltados para reuniões
sobre áreas de oportunidade específicas e irão divulgar os resultados entre
as redes criadas.
•
Supervisão e projeto do manualA coordenação envolve interações de gestão
entre as diversas entidades que participam na utilização do manual. A ICA
historicamente tem assumido um papel
de coordenação no desenvolvimento
e execução de pesquisa e desenvolvimento de grandes aplicações de cobre,
e a ICA continuará desempenhando
este papel. A ICA também liderará os
esforços para assegurar o co financiamento de terceiros, incluindo governos,
organizações não governamentais e
organizações industriais apropriadas.
A figura 1 (veja abaixo) descreve as principais etapas de execução. Essas etapas são
projetadas para catalisar o diálogo sobre
cobre e, posteriormente, lançar e gerenciar
projetos de pesquisa científica sobre projetos
de desenvolvimento de aplicações de cobre.
A liderança forte e a persistência garantem
que as oportunidades importantes não caiam
através das rachaduras.
Além disso, alcançar o sucesso precoce ajuda
a manter o impulso gerado pelo manual e
convence as empresas de que o modelo de
colaboração tecnologia pode funcionar.
Figura 1: Conversas de catalisação sobre cobre - Conectar indivíduos e redes
Dentro de domínios-chave e estimulação da reflexão sobre a tecnologia com base em cobre
Ciência de materiais, metalurgia e
redes de processamento de materiais
Redes de engenharia de aplicações
e concepção relevantes para o cobre
Fontes de financiamento com interesse
na tecnologia com base no cobre
Estímulo para pesquisa e
desenvolvimento por
parte da ICA
Desenvolvimento de
parcerias e comunicações
Manual de execução
Fóruns
Supervisão e
coordenação de projeto
|
26
copperalliance.org
| EXECUÇÃO 26
Desenvolvimento de
parcerias e comunicações
As parcerias de colaboração alavancarão
recursos e capacidades entre semifabricantes de cobre, produtores de componentes, fabricantes de sistemas, fabricantes de equipamentos originais (OEMs),
organizações governamentais, universidades, produtores e outros interessados.
Combinar a experiência e as perspectivas
de todas as facetas de mercados relacionados ao cobre que garante que suas
necessidades sejam atendidas e previstas.
As informações e o compartilhamento de
informações minimiza a duplicação de
esforços de desenvolvimento tecnológico
e maximiza os recursos para atingir de
forma eficiente as soluções eficazes.
Os papéis das empresas e das organizações na execução deste manual ainda
não foram determinados. Esses papéis
tomarão forma à medida que atividades
específicas são desenvolvidas e executadas.
Comunicações em curso são importantes
para manter grupos da indústria de todo
o mundo informados e atualizados sobre
estratégias eficazes e tecnologias para
aumentar o valor dos produtos. Fóruns
através da Internet, artigos de jornal,
relatórios publicados, conferências e
atualizações regulares podem aumentar
a consciência global sobre os últimos
desenvolvimentos em matéria de inovação
de cobre.
Manual
Fóruns para execução
está sendo tratada com esforços contínuos, os
líderes do setor de cobre, incluindo a ICA, terá
de organizar atividades que reúnam a gama de
conhecimentos necessários para pensar criativamente sobre as possíveis respostas.
Este esforço pode ser direcionado para a pesquisa
aplicada, comercialização de tecnologia, integração de produtos, testes de campo, formação/
sensibilização ou qualquer outro meio ou método
que façam avançar uma boa oportunidade.
Antes do lançamento de novos projetos, o setor
do cobre deve definir claramente os resultados
desejados, recursos e capacidades necessárias, e
como os resultados vão contribuir para alcançar
uma realização particular. Cada um desses fatores
será integrado a solicitações de propostas, a fim
de solicitar soluções inovadoras e projetos de
universidades, empresas privadas, laboratórios
governamentais, pesquisadores ou a comunidade
técnica.
Supervisão e coordenação de
projeto do manual
Este manual incentiva as organizações e indivíduos a participarem da forma que melhor
capitalizar suas habilidades distintas, capacidades
e recursos para o desenvolvimento de oportunidades. Isto proporciona às empresas e organizações
a flexibilidade para prosseguir os projetos que
correspondam a seus interesses exclusivos. No
entanto, a falta de uma estrutura unificada torna
difícil identificar, organizar, financiar e acompanhar adequadamente as diversas atividades e seus
benefícios correspondentes. De acordo com a sua
missão, a ICA cumprirá esse papel, fornecendo a
necessária supervisão e coordenação para iniciar
e projetos de recursos e atividades.
Avanço
O manual revisado fornece ao setor do cobre
um conjunto atualizado de caminhos para
desenvolvimento de aplicações de cobre.
Os esforços posteriores podem produzir um
conjunto mais aprofundado de orientações e
um caminho eficaz para o sucesso em mercados específicos. Parcerias de colaboração
entre pesquisadores de ciência, metalurgia e
de processamento de materiais, engenheiros
de aplicação e design, fabricantes e governo
podem gerar a energia e o impulso necessários para levar o cobre e suas indústrias por
esses caminhos.
À medida que o setor olha para o futuro,
o sucesso deste manual será medido pelo
número e escopo de projetos de pesquisa e
desenvolvimento que inspirar e os benefícios
que esses projetos acumularem. Benefícios
complementares, mas igualmente importantes incluem a melhoria da percepção do
cobre como um material técnico avançado,
ambientalmente correto e conectado à vida.
A missão da ICA é compartilhada por todos os membros da Aliança
de Cobre: defender e aumentar mercados de cobre com base em
seu desempenho técnico superior e sua contribuição para uma
maior qualidade de vida em todo o mundo.
Veja copperalliance.org para obter informações adicionais.
Um fórum para execução do manual pode
solicitar novas ideias para acelerar o progresso da maioria dos projetos sensíveis
ao tempo. Se for determinado que uma
oportunidade particular do manual não
copperalliance.org | EXECUÇÃO 27
Apêndice
Apêndice A: A Evolução do motor
com rotor com cobre fundido
A indústria do cobre vem investindo no potencial de rotores de cobre
fundido por 15 anos. Como em muitas atividades de pesquisa e
desenvolvimento, o foco técnico mudou ao longo do tempo e oportunidades
de aplicação foram alteradas. Resolver o desafio técnico inicial foi apenas
o começo; lançar esta nova tecnologia tem exigido esforços contínuos e
condições de mercado adequadas.
Em meados dos anos 1990, assistiu-se a um grande interesse no desenvolvimento de motores de indução de
corrente alternada mais eficiente, mais leves e menores para uso em setores da indústria e do governo. Passagem
da lei de política energética dos EUA de 1992 e a legislação semelhante na Europa refletiu uma crescente
consciência da importância da eficiência do motor na maior arena de conservação de energia.
Os motores industriais consomem cerca de 40 por cento da produção mundial de eletricidade, portanto, qualquer
melhoria na eficiência é significativa. A indústria respondeu a esta legislação com motores mais eficientes,
utilizando uma maior quantidade de cobre nos enrolamentos do estator, reduzindo assim as perdas resistivas.
copperalliance.org | APÊNDICE 28
Como este projeto foi iniciado em meados da
década de 1990, após décadas de melhorias
incrementais na eficiência do motor de indução,
poucas oportunidades técnicas permaneceram
para atingir eficiências significativamente
maiores a um custo razoável. O rotor de cobre
fundido parecia ser a melhor abordagem.
O cobre do rotor reduziu as perdas resistivas
no rotor na ordem de 40 por cento e tem o
potencial de reduzir as perdas totais do motor
em 10 - 20 por cento, em comparação com os
motores convencionais com rotores de alumínio.
Posteriormente, foi demonstrado que os motores
com rotores de cobre podem ser feitos menores e
mais leves e podem operar a temperaturas mais
baixas para reduzir a necessidade de manutenção.
Apesar dessas vantagens, os atuais métodos de
fundição de cobre não eram econômicos para
a produção em alto volume. Além disso, os
fabricantes de automóveis exigem que o rotor de
cobre seja fabricado em equipamento de fundição
à pressão comercialmente disponível.
A busca da oportunidade
Em 1996, reconhecendo que um rotor de cobre
era uma plataforma com design sólido para
aumentar a eficiência dos motores de indução
industriais, ganhando assim energia e redução de
custos em aplicações motorizadas, a International
Copper Association Ltd. (ICA) iniciou o
financiamento de um projeto de pesquisa e
desenvolvimento para criar um motor com rotor
de cobre prático (também conhecido como
motor de indução com rotor de cobre) adequado
para a produção em massa. Liderado pela A
Copper Development Association Inc. (CDA) dos
EUA, um consórcio de fabricantes de motores,
fundidores e representantes do governo iniciaram
(e cooperativamente financiado) o programa de
motores com rotor de cobre fundido.
Desafios
Os pesquisadores abordaram os desafios de
redução de custos de processamento, garantindo
o desempenho adequado do rotor de cobre.
Durante o processo de fundição em alta pressão,
o aço fundido convencional é susceptível a fendas
superficiais (verificação de calor) devido à tensão
térmica e deformação no molde à medida que as
temperaturas vão de algumas centenas de graus
até o ponto de fusão do cobre (aproximadamente
1085˚C, 1984°F) A vida da fundição diminui
drasticamente quando se compara a fundição do
cobre à do alumínio, o qual se funde a 660°C e,
portanto, induz significativamente menor tensão
térmica e deformação no molde. Foi também
reconhecido que o design do rotor e do motor
deverá ser mudado para aplicar o cobre de forma
mais eficaz.
Soluções
A equipe líder da CDA de pesquisadores
acadêmicos e do setor determinou que a
quebra da fundição poderia ser reduzida
e a vida da fundição estendida com duas
alterações: substituir porções críticas da
matriz de aço por uma super liga dúctil,
resistente ao calor e à base de níquel e
pré-aquecer o molde a 600ºC (1100ºF). Essas
ações tornaram o processo de fundição de
cobre economicamente viável. O design do
motor também foi investigado.
O torque de arranque é reduzido em um
condutor de alta condutividade no rotor, de
modo que o formato das barras do rotor e
as ranhuras do rotor são modificadas para
melhorar ainda mais as características de
operação do motor. Isto foi feito para incluir
uma barra de partida para aproveitar a
elevada condutividade do cobre, permitindo
que o projetista do rotor utilize o “efeito
de pele”: a tendência do fluxo de corrente
alternada a se acumular em direção as
superfícies externas condutoras. A uma
dada eficiência, um rotor de cobre utiliza
menos aço laminado nas pilhas do rotor
e do estator para economizar custos de
material, reduzindo o tamanho global do
motor.
SiemensSuper-premiumMotor
with Die Cast Copper Rotor
A oportunidade nos
motores industriais padrão
Na Primavera de 2006, um grande
fabricante internacional de motores,
a Siemens, abraçou a nova tecnologia
de rotor de cobre fundido e trouxe ao
mercado uma linha de motores industriais
supereficientes. Dentro de um ano, os
motores estavam comercialmente aceitáveis
nos EUA Os motores eram até dois pontos
percentuais mais eficientes do que os que
atendiam os padrões NEMA Premium™
e ofereceram custos de ciclos de vida
substancialmente mais baixos. Embora o
custo inicial na aquisição de um motor de
rotor de cobre possa ser maior do que uma
solução alternativa, o custo do ciclo de vida
de um motor menos eficiente excede em
muito o custo incremental de um motor de
rotor de cobre. O custo inicial de um motor
industrial representa apenas 2 por cento
do custo total de propriedade. Os custos
de energia, manutenção e outras variáveis
compõem os outros 98 por cento do custo
ao longo da vida útil do motor.
A oportunidade em motores integrais
Vários fabricantes de componentes de
sistemas eletromecânicos reconheceram o
valor da utilização de motores com rotor de
cobre.
Eles acreditavam que o tamanho total
copperalliance.org | APÊNDICE A 29
do motor poderia ser reduzido para coincidir
exatamente com as exigências de seu
equipamento. Ao invés de continuar a utilizar
exclusivamente motores com rotor de alumínio,
um fabricante líder de motores super-premium
da Siemens, com sistemas de engrenagem
acionados por motor com rotor de cobre fundido,
a SEW Eurodrive, decidiu reduzir as variações
de produtos em sua linha de produtos e usar
motores integrais com rotores de cobre fundido
em cerca de um terço de sua linha de produção.
Isso permitiu aperfeiçoar as unidades existentes
com motores de alta eficiência que se encaixam
no mesmo pacote. Esta aplicação em larga escala
comercial sinalizou que o desafio dos rotores
de cobre fundido tinha sido superado. Outros
fabricantes fizeram o mesmo. As aplicações para
motores integrais incluem sistemas hidráulicos
compactos e leves para aeronaves, compressores
de refrigeração e motores de tração.
A oportunidade de propulsão automotiva
Como o interesse global em veículos elétricos
aumentou, engenheiros automotivos
reconheceram que eles exigiram designs especiais
de motor para atender às complexas necessidades
de produção, sendo elas técnicas, de custo e
de volume. O interesse em usar motores com
rotores de cobre fundido aumentou devido
a preocupações sobre a disponibilidade de
materiais minerais raros, como o desempenho de
neodímio e ímã em temperaturas elevadas.
Estudos técnicos mostraram que os motores de
indução poderiam ter uma densidade similar, com
alta potência e compacta e alta eficiência de
sistema em um sistema paralelo híbrido, gerando
interesse em usar rotores de cobre fundido. Com
financiamento do governo dos EUA, o Baldor
Reliance demonstrou um veículo militar híbrido
usando quatro motores de tração com densidade
de energia bastante elevada e arrefecido
hidraulicamente em conjunto com rotores de
cobre fundido.
Na aplicação de tração paralela híbrida, o
motor de rotor de cobre ofereceu vantagens
substanciais:
• A capacidade de redistribuir as perdas ao
estator para arrefecimento mais eficaz
devido ao tamanho e ao peso reduzido.
• A capacidade de ser desexcitado quando não
produzir torque, eliminando, assim, perdas
magnéticas e perdas rotacionais sem carga.
• A reunião de requisitos de eficiência através
de uma ampla gama de cargas e velocidades.
• Melhores propriedades mecânicas e robustez
que o rotor de alumínio.
• Uso de cobre e aço prontamente disponíveis.
Ao mesmo tempo, a Tesla Motors lançou o seu
veículo elétrico com trem de força, que incluía
um motor com rotor de cobre com uma
velocidade operacional máxima de 13.500
RPM, um inversor de potência e baterias de
íon de lítio. (A grande quantidade de cobre
no inversor, cabos, baterias e motor reduz
as perdas elétricas e evita aquecimento
em condições de alta amperagem). Mais
montadoras estão investigando trens de
força, utilizando motores de indução para
uma variedade de veículos com rotores
de cobre fundido. Milhões de carros com
motores de rotor de cobre em seu núcleo
sinalizarão o sucesso do cobre e serão uma
contribuição substancial ao transporte
sustentável.
Continuando a pesquisa, desenvolvimento
e comercialização
A ICA tem ajudado a desenvolver e transferir
tecnologia de fundição de motor com rotor
de cobre para empresas de manufatura em
todo o mundo. A capacidade de produzir
rotores fundidos para propulsão automotiva
já existe na Alemanha, França, Japão, Índia,
China e EUA
A pesquisa sobre o processo vertical
de fundição continua no centro de
desenvolvimento de tecnologia não ferrosa
(NFTDC, em inglês), em Hyderabad, na Índia.
Este trabalho é apoiado pela ICA com cofinanciamento do fundo comum da ONU
para produtos básicos e do fundo de meio
ambiente global (GEF, em inglês). A equipe
técnica da NFTDC desenvolveu métodos
sofisticados e rentáveis para rotores de
fundição de cobre e está agora licenciando
esta tecnologia para a indústria para
aplicação em motores industriais e trens de
força de veículos.
Steel Die for Casting Copper Rotors
Copper Rotor Motor in Tesla Motor's Powertrain
Technology Development at NFTDC
A partir de 2006, com o apoio da ICA,
o grupo de cobre Yunnan e o grupo de
proteção contra explosões Nanyang criaram
uma empresa de joint venture, Yunnan
Copper Die Casting Co. Ltd. (YCD), para
comercializar motores com rotor de cobre
na China. Nos últimos cinco anos, com base
em modelos de computador sofisticados
e centenas de experimentos e testes, uma
tecnologia madura baseada na prensa
horizontal foi desenvolvida e licenciada para
a indústria. YCD já produziu mais de 100
tipos diferentes de rotores para 18 OEMs.
A ICA tem apoiado o governo chinês no
desenvolvimento de duas normas nacionais
para motores de supereficiência, incluindo
os rotores de cobre. Estas são as normas
nocionais de primeiro mundo para motores
industriais com rotores de cobre.
Em 2012, os grandes OEMs de veículos nos
mercados de alto crescimento de automóveis
da China, Japão e Coréia iniciaram os testes de
motores de indução de rotores com cobre em
seus veículos de passageiros. O preço elevado e
a volatilidade de preços de metais de raros, além
do aprovisionamento geopolítico, estão fazendo
com que os OEMs de veículos se afastem de seu
atual uso de motores com ímã permanente para
a tração do veículo e adotem o motor de indução
com rotor com cobre.
•
A ICA continua a financiar programas de
desenvolvimento que promovem a aplicabilidade
desta tecnologia de motores à tração do veículo.
Em 2012, estes programas incluíram o uso
de melhoria da superfície induzida por laser
para aumentar ainda mais a vida de matrizes,
bem como redesign do motor para permitir o
funcionamento eficiente de motores com rotor
com cobre a altas velocidades.
Projetos tecnológicos colaborativos
O programa de motor com rotor de cobre
fundido incorpora os princípios e objetivos do
manual de tecnologia de aplicações do cobre.
Como resultado das necessidades tecnológicas
bem definidas, a indústria organizou esforço
colaborativo para financiar e implementar
projetos que produzam as soluções inovadoras
que beneficiem a sociedade em geral.
Fatos
• Financiamento direto da ICA 1996 - 2012: $
2,7 milhões
• Co-financiamento da indústria e dos
governos: >$ 10 milhões
• Número acumulado de CMR produzido nos
últimos 15 anos: 1,6 – 2,0 milhões
•
EUA e reguladores de outros países estão
estudando o aumento do padrão mínimo
de eficiência para motores industriais para
um nível “super super premium”. O anúncio
desta norma dos EUA deve ser adotado em
2015.
Os designs de motor personalizados podem
se beneficiar do uso de material, tamanho
compacto e peso menor são possíveis graças
a um rotor de cobre fundido. O rotor de
cobre fundido parece estar bem adaptado
às necessidades dos sistemas de propulsão
automotiva, o que não era o foco do esforço
inicial do desenvolvimento da tecnologia. A
indústria automotiva escolheu a arquitetura
de motor de ímã permanente no final de
1990, quando os preços dos metais raros
eram inferiores a 10 por cento do que são
hoje: o motor de indução com rotor de cobre
está mostrando ser um substituto atrativo
para essa arquitetura.
Sistemas motorizados que usam motores
com rotor de cobre fundido na indução
industrial já não são uma prioridade de
pesquisa no manual de tecnologia de
aplicações do cobre. Isto porque a atenção
passou da pesquisa para a engenharia de
aplicação e comercialização em grande
escala. O desafio de aplicar a tecnologia de
rotor com material fundido a sistemas de
propulsão automotiva continua a ser uma
área de foco.
Molde de aço para rotores de cobre fundido
Motor com rotor de cobre em trens de força
da Tesla Motors
Desenvolvimento de
tecnologia na NFTDC
Negócio principal/Aprendizagem de negócios
• A fundição de motores com rotor de cobre
é totalmente adequada e comercialmente
viável em máquinas de fundição horizontal
e vertical.Os designs do motor e do rotor
devem ser otimizados para utilizar rotores de
cobre fundido de forma eficaz. Substituir o
cobre em uma geometria de rotor projetada
para o alumínio não alcança o máximo de
benefícios.
• O foco inicial de alta eficiência, motores
industriais padrão, o que foi razoável em
1996, ainda é atraente e economicamente
viável. O Departamento de Energia dos
Apêndice B: Propriedades fundamentais do cobre
Puro ou com liga em literalmente centenas de composições concebidas
para atender a requisitos específicos, metais com base de cobre fornecem
propriedades otimizadas para inúmeros produtos.
•
•
•
•
Condutividade elétrica: O cobre tem
uma capacidade de transporte de
corrente excepcional, melhor do que
qualquer outro condutor que não seja de
supercondução, com exceção da prata.
O cobre na fiação atual de edifícios tem
uma classificação de condutividade
significativamente maior do que a norma
internacional de cobre recozido (IACS, em
inglês), o máximo aceitável há um século.
A excelente condutividade elétrica do
cobre significa que os motores com novos
rotores de cobre podem ser menores e
serem executados mais frios do que os
motores tradicionais.
Condutividade térmica: O cobre conduz
calor até oito vezes melhor do que
•
metais usinados. Combinado com a sua
inerente e alta resistência à corrosão e
formabilidade imediata, a condutividade
térmica do cobre torna o ideal para
permutadores de calor de metal de
todos os tipos, incluindo os sistemas
de aquecimento solar de água. O
aquecimento de água a gás ou elétrico é
um dos maiores gastos de energia para
qualquer prédio ou casa. O cobre pode
reduzir significativamente os custos de
energia.
•
Efeito antimicrobiano: Preocupações
sobre infecções adquiridas no hospital
e aquelas originários da indústria de
processamento de alimentos continuam
a crescer. As propriedades bactericidas,
fungicidas e, em certa medida, viruscidais
do cobre, compostos de cobre e ligas de
cobre são conhecidas há séculos. O cobre,
sob a forma de superfícies de cobre
ou liga de cobre, é um impedimento
significativo para a transmissão de
doenças fúngicas e bacterianas em
•
sistemas hospitalares e de tratamento
de ar.
Formabilidade: A formabilidade do cobre
pode reduzir o tempo de instalação e
reduzir o custo do trabalho, particularmente
nos comércios de encanamento.Tubos
e acessórios são facilmente unidos por
solda ou brasagem, e acessórios de prensa
reduzem ainda mais o tempo de instalação.O
cobre e suas ligas são onipresentes em
componentes elétricos e eletrônicos,
•
incluindo interruptores, molas de condução
de corrente, conectores e molduras de
chumbo.Produtos de cobre forjados a
quente e a frio são uma necessidade para
empresas que necessitam de confiabilidade
e facilidade de usinabilidade. Certo número
de ligas de cobre fundido proporciona
resistência à corrosão, assim como boa
•
condutividade térmica ou elétrica.
Resistência à corrosão: Metais de cobre
podem resistir a ataques em uma ampla
gama de ambientes corrosivos, o que
os torna ideais para uso em aplicações
energéticas em alto-mar, petróleo e gás em
alto-mar e indústrias de dessalinização. Na
presença de umidade e de uma variedade
de constituentes atmosféricos naturais e
artificiais, o cobre, eventualmente, resiste
a uma patina protetora e atraente, que
mantém a sua funcionalidade durante
séculos.
Reciclagem contínua: O cobre tem mais
longo histórico de reciclagem do que
qualquer material.Estima-se que 80 por
cento de todo o cobre já extraído durante os
últimos 10.000 anos ainda está em uso hoje
em algum lugar.A reciclagem de cobre não
resulta em nenhuma redução da qualidade
ou perda de propriedades e pode ser
repetida quantas vezes forem necessárias.A
reciclagem poupa recursos naturais, reduz
o consumo de energia e evita a perda de
materiais valiosos.
Cor/aparência estética:O cobre é cada
vez mais utilizado por a sua aparência
esteticamente agradável e pela ampla
variedade oferecida por suas
ligas.Como o uso de cobre
estende-se a superfícies de
higiene, o “visual” do cobre
ganhar aceitação do consumidor
como um metal “saudável”.
Facilidade de liga: A importância
industrial do cobre tem crescido,
devido à facilidade com que
ele se liga com outros metais.O
resultado é uma extensa família
de mais de 400 ligas em uso
hoje em dia. Este esforço está
longe de ser esgotado.
Abundante e disponível: O
cobre é parte integrante da
vida humana e da civilização.
As propriedades fundamentais
do cobre atenderam às
necessidades da sociedade
ao longo da história. O cobre
é rotineiramente processado
através de métodos de produção
comuns e está disponível em
muitas formas e ligas que
permitam a produção eficiente.
copperalliance.org | APÊNDICE B 32
Apêndice C: Tendências e desafios
Influência da utilização de cobre
Tendências de mercado, regras e inovações continuam a influenciar o uso de cobre.
Embora seja impossível prever o futuro, informações sobre as vias de desenvolvimento
possíveis e prioridades podem ser adquiridas considerando as forças econômicas,
sociais e tecnológicas comuns que influenciam as indústrias de cobre globais. Para
obter informações sobre os mercados de uso final do cobre, consulte o Apêndice E.
•
•
•
Redução do custo de processamento:
Para se manter competitivos, fabricantes
devem continuar a reduzir o seu custo
de produção, mantendo a alta qualidade
do produto. O cobre é rotineiramente
processado através de métodos de
produção comuns e está disponível em
muitas formas e ligas que permitam a
produção eficiente.O cobre adapta-se a
técnicas de processamento “net shape”,
e alguns produtos de cobre podem ser
semifabricados através de uma etapa
de extração eletrolítica “upstream” na
produção do cátodo de cobre.
A capacidade do cobre de ser fabricado
como produtos moldados ou produtos
derivados de pó/metal (P/M) possibilitou
redução de custos significativa em uma
variedade de aplicações eletrônicas. Por
exemplo, os componentes de fusíveis de
150 A e 200 A utilizados em equipamentos
de mineração de carvão foram convertidos
de barras de cobre usinado em uma peça
de cobre pó/metal P/M “near-net-shape”,
conservando aproximadamente 25 por
cento do custo do produto.
Maximização da utilização de valor
agregado do cobre: Os fabricantes
naturalmente procuram utilizar a menor
quantidade de material de acordo com a
funcionalidade ideal.Melhorias na análise
de engenharia, métodos de projeto e
simulações de processos permitem que
materiais sejam utilizados apenas quando
necessário. Em aplicações existentes do
mercado de cobre, há a oportunidade
de se usar menos metal, mantendo ou
melhorando o desempenho do produto.
Além disso, o valor do cobre pode ser
reforçado por um material colaborativo e
seleção do processo, em que a indústria de
cobre proporciona suporte técnico e novas
ligas de aplicações específicas à indústria
em geral. Por exemplo, um número
crescente de aplicações elétricas requerem
•
novas ligas que combinem resistência mecânica
e condutividade.O mesmo conceito aplica-se
às aplicações de aquicultura onde a resistência
mecânica elevada é necessária, em combinação
com a resistência à corrosão e matéria
•
orgânica.A capacidade de cobre para um bom
desempenho, mesmo quando utilizado em
reduzida espessura e peso é uma característica
que apresenta um valor agregado. Por
exemplo, em tubos de cobre utilizados para
água potável, a espessura da parede pode ser
reduzida de 1,0 mm a 0,3 mm, sem destruir a
funcionalidade.Em coletores solares térmicos,
reduzir a espessura da chapa de cobre de 0,2
mm para 0,12 milímetros diminui a quantidade
de cobre necessária e, portanto, reduz o custo
do produto. Em aplicações automotivas, a
formabilidade e a alta condutividade do cobre
ajudam a reduzir o tamanho dos circuitos,
conectores e chicotes elétricos.
Aumento da pressão competitiva a partir
de outros materiais: Muitos dos mercados
tradicionais de cobre foram desafiados por
metais, compósitos, polímeros, sistemas
de múltiplas camadas e outros materiais
alternativos. O cobre oferece potenciais
melhorias sistêmicas e/ou economias
inatingíveis com outros materiais.O desafio
do designer é fazer o uso mais eficiente de
todos os materiais, incluindo cobre. Embora os
custos do cobre possam parecer inicialmente
proibitivos, muitas vezes é o material mais
bem adequado para uma aplicação específica
e o material mais rentável no longo prazo. O
cobre, com suas características únicas, deve
oferecer melhorias ao sistema inatingíveis com
outros materiais, diminuindo assim o efeito da
sensibilidade do custo na decisão de compra.
No entanto, os usuários finais de qualquer
material de entrada, incluindo o cobre,
enfrentam pressão competitiva constante
para melhorar o desempenho, reduzir custos
e demonstrar uma administração responsável.
Isso leva os usuários finais a intensificar
a concorrência de materiais, minimizar o
uso de materiais e o foco em
aplicações de alto valor, levando
à necessidade de inovação em
aplicações de cobre.
Alteração de regulamentos,
códigos e normas: As questões
de eficiência energética e
sustentabilidade permanecem
na vanguarda dos negócios e
agendas políticas governamentais.
O cobre é cada vez mais percebido
como eficiência energética e
infinitamente reciclável.Padrões
mais elevados de eficiência
do motor foram instituídos,
e o mercado de motores com
alta, premium e supereficiência
aumentou. Motores utilizam
mais de 20 por cento a mais
de cobre em enrolamentos do
estator e barras condutoras em
comparação com os motores
de “eficiência padrão” mais
velhos. O aumento da eficiência
também é importante em ar
condicionado, redes elétricas e
iluminação. Outros regulamentos
que impactam a indústria do
cobre envolvem solos, águas,
resíduos e sedimentos. Estes
regulamentos estão levando os
governos a apoiar investigações
científicas para entender os
efeitos ambientais da utilização
de cobre.
copperalliance.org | APÊNDICE C 33
• Garantia do desempenho de produtos
de cobre fabricados: A simulação por
computador é cada vez mais aplicada para
prever e validar o desempenho do cobre
em novas aplicações. A miniaturização
e a integração de material requererá
pesquisa adicional sobre as propriedades
mecânicas de sistemas de pequeno porte,
o comportamento de regiões superficiais e
abaixa da superfície do cobre e suas ligas,
os fenômenos que afetam as interfaces
do cobre com outros materiais, bem como
o impacto de uma maior integração de
diferentes materiais na reciclabilidade.
O desenvolvimento e utilização das novas
ligas, combinadas com as restrições de
design mais rigorosas, requer que as
propriedades das ligas (e outros materiais
convencionais) sejam conhecidas ou
previsíveis com uma probabilidade elevada.
Melhorar o controle de propriedades
térmicas, elétricas, físicas e mecânicas
também melhorará o desempenho do cobre
em aplicações avançadas.
O grande banco de dados com informações
técnicas sobre o cobre está disponível
gratuitamente on-line e tem o suporte
de mais de duas dúzias de organizações
nacionais e regionais de desenvolvimento
de cobre.
• Aumento do uso de materiais de
complementares fabricados: Materiais
que podem melhorar o desempenho
do cobre podem ser adicionados à
superfície ou incorporados ao cobre.
O cobre é frequentemente combinado
a outros materiais de engenharia, e as
propriedades do sistema de materiais
resultante são adaptados às necessidades
de uma aplicação específica. Materiais
complementares aplicados às superfícies
de cobre podem fornecer camadas mais finas
de isolação elétrica, proteção contra manuseio,
proteção contra a corrosão ou qualquer número
de qualidades desejáveis.
As exigências de materiais com maiores razões
de resistência a peso levaram a um maior
interesse em materiais compósitos, em que um
material de reforço é adicionado dentro de um
material a fim de aumentar a resistência e a
durabilidade, e, em alguns casos, a redução de
peso de efeito.
O cobre não é intrinsecamente um material
com uma razão elevada de resistência ao peso,
e não é utilizado com frequência quando esta
propriedade é particularmente especificada. No
entanto, as formulações, tais como o material
de compósito com base de cobre reforçado com
fibras de carboneto de silício tem condutividade
térmica e alta resistência a temperaturas
elevadas.
• Projeto para recuperação e reutilização:
Projetos que permitem reciclagem preservarão
o valor do cobre, beneficiando o meio ambiente.
O cobre é um dos metais mais eficientemente
reciclados no comércio global, pois é 100 por
cento reciclável sem perda de desempenho. A
reciclagem atende 34 por cento da demanda
mundial de cobre.
Quando o total dos custos do ciclo de
vida é analisado, a eficiência energética
superior e a reciclabilidade no fim da vida
fazem do cobre uma alternativa atraente
aplicações relacionadas à energia. O cobre
é rotineiramente extraído de automóveis,
eletrônicos e edifícios no fim de suas vidas
úteis. É importante para os engenheiros
considerar como os produtos serão
desmontados e o cobre recuperado.
Além disso, durante os processos de fabricação,
um pouco de cobre vira resíduo, e este
excesso de material tem de ser recuperado e
reciclado. Material não contaminado facilita a
reutilização.
copperalliance.org | APÊNDICE C 34
Apêndice D: Cobre e sociedade
O cobre é essencial para os organismos vivos e desempenha um papel vital na
tecnologia moderna. Desde os sistemas de irrigação dos antigos reis egípcios até
as invenções revolucionárias como o telefone celular, o cobre tem contribuído
continuamente para o desenvolvimento da sociedade.
Como o elemento praticamente exclusivo
na transmissão de energia elétrica e de
dados, o cobre ajudou a inaugurar a era das
telecomunicações. O telefone serve como um
excelente exemplo de como o cobre acelerou
o desenvolvimento e a comercialização.
Introduzido pela primeira vez em 1930, o fio
de cobre de telefone foi usado no lugar de
ferro para enviar sinais de voz fracos e de alta
frequência a mais de 50 quilômetros sem perda
de sinal.
As telecomunicações foram favorecidas pelo
cobre devido ao seu fio de condutividade alta,
forte e uniforme.
Combinado com a sua força, resistência à
corrosão e durabilidade, a beleza natural do
cobre tem inspirado arquitetos e projetistas a
utilizarem o metal nas superfícies exteriores
e interiores dos edifícios há milênios. O cobre
cobriu e protegeu universidades com centenas
de anos de idade, instituições financeiras,
prédios do governo e casas de culto.
portáteis e comunicação mundial quase ilimitada.
Reconhecendo o profundo efeito que a tecnologia
tem sobre quase todos os aspectos da vida, o setor
do cobre planeja continuar a participar no avanço
da tecnologia. Ao mesmo tempo, ações devem ser
tomadas para promover uma maior integração entre
inovação tecnológica e mais amplas preocupações
sociais, econômicas e ambientais.
• Melhoria da saúde humana: O cobre é
necessário para o funcionamento normal
das plantas, animais, seres humanos e
•
microrganismos. Ele é incorporado em
uma grande variedade de proteínas que
desempenham funções metabólicas específicas.
Por ser um metal essencial, requisitos
dietéticos diários têm sido recomendados por
várias agências em todo o mundo. O cobre
pode controlar o crescimento de organismos,
tornando-se um eficaz antipatógeno, agente
antiplaca de dentifrícios e colutórios. Além
disso, as superfícies de toque feitas de cobre
ajudam na prevenção de doenças, controlando
o crescimento de bactérias infecciosas.
O cobre pode ser laminado a frio em folhas
finas, e, apesar da sua resistência relativamente
elevada (em têmperas laminadas ou forma
tratada com calor em ligas adequadas), pode
ser facilmente modelado em componentes de
conector. A combinação única de resistência
e maleabilidade fazem do cobre e de suas
ligas ideais para uso em aplicações em que
ações repetitivas tencionam os componentes,
como parafusos, conectores elétricos, molas e
interruptores elétricos.
•
Aumento da eficiência energética: O
desperdício de energia aumenta os custos
para os consumidores e pode ter impactos
ambientais negativos. Melhorias na eficiência
energética elétrica ajudam a garantir
melhor qualidade de vida. A conversão para
equipamentos energeticamente eficientes,
especialmente motores com rotores de
cobre com eficiência premium, bem como
transformadores com enrolamentos de cobre de
alta eficiência, reduz os custos e as emissões.
Necessidades sociais em longo prazo
Uma grande parte da população mundial não
tem acesso à eletricidade ou água potável.
Além disso, as preocupações da sociedade sobre
uma melhor saúde pública, maior eficiência
energética, sustentabilidade ambiental e
qualidade de vida mais elevados têm gerado o
desenvolvimento de sistemas de energia mais
limpas, a aquicultura marinha, eletrônicos
•
Sustentabilidade ambiental: A reciclagem
tem sido muito utilizada para minimizar o
desperdício e conservar recursos valiosos. O
cobre é 100 por cento reciclável sem perda de
desempenho. Ele não é “consumido” no sentido
de ser “usado”. Em vez disso, é usado, reciclado
e reutilizado repetidamente (ver Figura C.1). O
cobre tem maior histórico de reciclagem do que
qualquer outro material. Estima-se que 80 por
cento de todo o cobre já extraído
durante os últimos 10.000 anos
ainda está em uso hoje em algum
lugar. O cobre recuperado através
da reciclagem também requer
75 - 92 por cento menos energia
do que a quantidade necessária
para converter minérios de cobre
para metal.
Melhor qualidade de vida: A
proporção de vida da população
mundial em cidades com mais
de 10 milhões de habitantes
continua a subir.
O crescimento populacional,
particularmente quando
concentrado em grupos que
requerem grandes infraestruturas
elétricas, aumenta bastante
a necessidade de materiais e
energia, uma necessidade que
deveria, em teoria, ser preenchida
de uma maneira ambientalmente
correta e econômica. Além disso,
o crescimento da população
mais idosa aumenta a demanda
por tecnologias que ajudem
na visão correta, audição,
locomoção motora e outras
deficiências, permitindo que
os idosos continuem vivendo
confortavelmente como membros
ativos da sociedade. Atingir uma
melhor qualidade de vida em meio
a um boom populacional requer
materiais e produtos que auxiliem
no desenvolvimento sustentável
e maior qualidade de vida para
todos.
O uso de cobre estimula o
desenvolvimento econômico e
aumenta a qualidade de vida.
copperalliance.org | APÊNDICE D 35
Apêndice E: Ciclo de vida do cobre
Práticas de mineração sustentáveis e 100 por cento de reciclagem agregam valor e
importância ao cobre. A ampla gama de propriedades do cobre e das ligas de cobre
utilizados em aplicações de produtos finais é conseguida através de uma grande
variedade de etapas de processamento e pode ser obtida usando cobre recentemente
extraído ou reciclado.
•
•
O cobre refinado é originado através de
duas séries de processos distintos. Quanto
menor for a via eletrolítica mais simples ela
é, onde o cobre refinado é quase sempre
formado no local da mina através de um
processo de lixiviação. A via mais complexa
incorpora refinação eletrolítica, onde o
cobre extraído é formado em concentrados
na mina, transformado em blister ou ânodo
na fundição, e depois transformado em
cátodo de cobre refinado na refinaria. Tanto
no estágio de fundição como no de refino,
•
sucata pode ser introduzida.
O cobre refinado e a sucata de alta
qualidade são combinados para
transformação em produtos fabricados,
principalmente fios elétricos, cabos e
produtos para fábrica. O material pode
ser usado diretamente (como no tubo
de canalização), podendo passar pela
fabricação simples de estágio único
(como em acessórios canalizadores),
Figura 2: Modelo de fluxo do cobre:
Produção, fabricação, estoque de fim de vida.
Fabricação e uso precoce:
• Fabricação
• Primeira utilização
• Fabricação avançada
ou por meio de uma ou mais etapas de
fabricação intermediárias (como em fios de
enrolamento usados em motores utilizados
em veículos automóveis). Assim que o
cobre tiver passado por todas as fases de
seus processos, ele começa a sua vida útil
como um produto funcional (estoque).
Estes produtos são classificados por
mercado de uso final, como a construção
de edifícios, infraestrutura e fabricação de
equipamentos.
distinção entre as duas categorias
é útil na medida em que a sucata
nova, gerada durante a fabricação
e processamento de primeiro
estágio, é geralmente limpa,
enquanto que nas últimas fases
é mais provável que ela esteja
contaminada por outros materiais.
Através da coleta e agregação de dados
do ciclo de valor da série de valor e da
indústria, a ICA ajuda a demonstrar
como o cobre cria uma sociedade cada
vez mais sustentável.
No final da vida do produto, três coisas
são possíveis: ele que pode ser destinado
a recuperação de materiais através do
sistema de gestão de resíduos, ele pode ser
eliminado de forma não produtiva ou pode
permanecer in situ, não sendo mais usado.
Sucata pode ser dividida de forma útil
entre sucata nova, sucata recém saída do
ciclo e sucata em final de vida. As duas
primeiras categorias aplicam-se antes de o
cobre entrar na sua vida de produto útil. A
Estoque de produtos em uso
• Em edifícios
• Em infraestrutura
• Em fabricantes
Preparação da sucata:
• Sucata nova
• Sucata de ciclo precoce
• Sucata de fim de vida
•
•
•
•
Fim de vida:
Gestão de resíduos não recuperados
Gestão de resíduos recuperados
In-situ
Perdidos e não identificados
Produção de cobre:
• Nova de eletrólise (minério)
• Novo de refinamento eletrolítico
(concentrados)
• Novo de sucata
copperalliance.org | APÊNDICE E 36
Apêndice F: Cobre atualmente
Ao longo dos últimos 50 anos, o uso per capita de cobre praticamente dobrou,
refletindo o papel do cobre no avanço da tecnologia, expansão da atividade
econômica e aumento da qualidade de vida (veja a Figura 3). O cobre contribui para
muitos sistemas técnicos em regiões desenvolvidas, como a construção, energia,
comunicações e transporte. Em regiões menos desenvolvidas, o cobre oferece suporte
para importantes blocos de construção necessários para elevar a qualidade de vida,
trazendo eletricidade, água limpa e transporte eficiente para suporte das economias
em expansão.
A demanda de cobre deriva
principalmente de transmissão de energia
elétrica. Os fios e os cabos feitos de cobre
recém refinado atendem ao desempenho
rigoroso e especificações de segurança.
A Figura 3 ilustra os usos finais totais
globais do cobre, por partes do produto,
em base 2011.4: 25 milhões de toneladas
de conteúdo de cobre (estimado).
O cobre é usado principalmente para fios
e cabos, contudo, é também usada para
o tubo de canalização e para o setor de
acessórios (por exemplo, a distribuição
de água). O mercado elétrico mundial de
cobre, que é, em parte, indicado pelas
três maiores seções do gráfico de setores,
é maior em tamanho do que o mercado
fabril global de bronze. Moinhos de latão
produzem produtos de ligas de cobre
forjado. Os produtos semi fabricados são
utilizados por indústrias para produzir
bens acabados e são segmentados de
acordo com a forma física. Do mercado
mundial de cobre, o moinho de bronze é
o segundo maior constituinte. Em 2011,
o mercado mundial de cobre era 58 por
cento elétrico, 38 por cento moinho de
bronze e 4 por cento fundição e pó.
Moinho de bronze consiste em oito
segmentos:
fio mecânico de liga, placa, chapas e
lâminas de liga, haste, barra e seção de
liga, tubos de liga, florete de cobre, placa,
chapa e lâmina de cobre, haste, barra e
Fundições - 3,9%
Pó - 0,4%
Cabo de alimentação - 14,1%
seção de cobre e tubo de cobre.
Uma revisão de partes do mercado mundial
de cobre em 2011 mostra a fabricação de
equipamentos em 55 por cento, construção
civil em 31 por cento e infraestrutura em 14
por cento.
Figura 3: Mercados de uso final do cobre em 2011
Observação: Os números foram arredondados
Fonte: Dados de uso final global ICA
Tubo de cobre - 10,5%
Tubo de liga - 1,6%
Seção, barra e haste (RBS) de liga - 7,3%
Seção, barra e haste (RBS) de cobre – 2,5%
Fio para construção civil - 13,4%
Lâmina, chapa e placa (PSS) de cobre - 6,6%
Lâmina, chapa e placa (PSS) de liga - 6,6%
Fio para ímãs - 11,2%
Outra energia LV (fio para
equipamentos, flexíveis, etc.) - 6,4%
Condutor nu - 4,4%
Florete de cobre - 1,5%
Fio mecânico - 1,5%
Cabo para telecom (externo) - 1,5%
Outros cabos de comunicação (eletrônico/dados/telecom interna) – 3,1%
Fio e cabo automotivo - 3,6%
copperalliance.org | APÊNDICE F 37
Apêndice G: Contribuintes
A Associação Internacional do Cobre agradece as importantes contribuições das
seguintes pessoas e patrocinadores associados na elaboração do manual de tecnologia
de aplicações do cobre 2012.
Colaboradores:
Advanced Technology Institute
Mike Stebbins
Amira International Ltd.
Joe Cucuzza
Arubis
Jo Rogiers
BHP Billiton
Cleve Lightfoot
Codelco-Chile
Jürgen Leibbrandt
Editor consultor
Konrad Kundig
Consultores
Steve Bone
Dale Peters
Derek Tyler
Jean Marie Welter
Richard Holliday
Copper Development Association
Andy Kireta Jr.
Harold Michels
Bob Weed
Copper Development Centre,
Austrália
John Fennell
Deutsches Kupferinstitut
Anton Klassert
European Copper Institute
Colin Bennett
Nigel Cotton
Hans De Keulenaer
John Schonenberger
Freeport-McMoRan
Copper & Gold Inc
Stephen Higgins
Golden Dragon Precise
Copper Tube Group Inc
Deng Bin
International Copper Association, Ltd.
John Mollet
Tony Lea
Malcolm Burwell
International Wrought
Copper Council
Mark Lovett
Kinghorn, Hilbert & Associates
Ted Kinghorn
Grupo KME
Christoph Geyer
Heinz Klenen
Armando Sbrana
LS-Nikko Copper
JeongHa Lee
Luvata
Warren Bartel
Ed Rottmann
Mitsubishi Materials
Corporation
Metals Company
Kazumasa Hori
Nexans
Eric Lawrence
Michel Rousseau
Revere Copper Products, Inc.
Thomas O’Shaughnessy
Wieland-Werke, AG
Uwe Hofmann
Yazaki Corporation
Akibumi Sato
Yunnan Copper Industry (Gropo) Co., Ltd.
Wang Qin
Patrocinador:
A International Copper Association, Ltd.
Patrocinadores associados:
Anglo American Chile Ltd.
Antofagasta Minerals
Aurubis
BHP Billiton
Boliden AB
Chinalco Luoyang Copper
Corporación Nacional del Cobre de Chile
Compañía Minera Doña Inés Collahuasi
Collahuasi Compañía Minera Zaldívar
Freeport McMoRan Copper & Gold
Golden Dragon Precise Copper Tube
Halcor S.A.
International Wrought Copper Council
Kennecott Utah Copper Corp.
KGHM Polska Miedz
Grupo KME
LSNikko
Copper
Luvata
Mexicana de Cobre
Mexicana de Cananea
Mitsubishi Materials Corporation
Mueller Industries Inc.
Nexans
Outotec Oyj
Palabora Mining Company
Pan Pacific Copper Products, Inc.
Revere Copper Products Inc.
Rio Tinto Plc
Sociedad Contractual Minera el Abra
Southern Copper Corporation
Sumitomo Metal Mining Co.
Teck Resources
Tenke Fungurume
WielandWerke
AG
Xstrata Copper
Yunnan Copper Industry (Group) Co., Ltd.
Coordenadores:
International Copper Association, Ltd.
Hal Stillman
Nicole Witoslawski
Facilitadores (manual 2007):
Energetics Incorporated
Katie Jereza
Ross Brindle
copperalliance.org | APÊNDICE G 38
Apêndice H: Referências
1. Smolders, Jan A. Foreword to
Civilization and Copper; The Codelco
Collection by Liebbrandt, Alexander,
p. 3. Tradução da International
Copper Association, Ltd. (ICA).
Santiago, Chile:
Codelco, 2001.
2. Site da Copper Alliance
www.copperalliance.org
3. Site da Copper Alliance
http://copperalliance.org/coreinitiatives/development/
4. Dados de uso final global ICA
copperalliance.org | APÊNDICE H 39
Copyright © 2012
International Copper
Association
260 Madison Avenue
Nova Iorque, NY 10016 EUA
Telefone: (212) 251-7240
Fax: (212) 251-7245
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