Calculando o "máximo teórico" do impacto de negócio de uma deep tech

Ao pensar em ideias de negócio para startups de deep tech, considero importante definir, antes do desenvolvimento, os limites teóricos superior e inferior, para avaliar o impacto social e o potencial de negócio da tecnologia.

O máximo do impacto social é "insumo × eficiência de conversão"

Em princípio, o tamanho do impacto social é proporcional à quantidade de produto (output) que se consegue gerar. Se algo melhor para a sociedade (por exemplo, com menor carga ambiental) puder ser produzido em maior quantidade e a um custo menor do que antes, o impacto cresce na mesma medida.

E, para gerar o produto, é preciso converter o insumo (input), por algum meio, no produto desejado. Esse meio de conversão é o que chamamos de "tecnologia".

Simplificando bastante essa ideia, o máximo teórico do impacto social é determinado pela multiplicação

quantidade de insumo × eficiência de conversão = produto (impacto social)

Desenvolvimento tecnológico para elevar a "eficiência de conversão"

Para elevar essa eficiência de conversão, desenvolvem-se novas tecnologias, e as antigas vão sendo substituídas pelas novas. Por exemplo, tecnologias que transformam mais petróleo bruto em derivados, ou que geram eletricidade a partir de derivados de petróleo.

Em alguns casos, desenvolvem-se tecnologias que geram o produto desejado mesmo mudando o tipo de insumo a ser convertido, o que melhora a eficiência do conjunto.

São exemplos o desenvolvimento de tecnologias que transformam petróleo bruto de baixa qualidade em derivados, que geram eletricidade queimando gás natural em vez de petróleo, ou que convertem em eletricidade a luz solar, e não o petróleo ou o gás natural (metano).

Insumo e eficiência de conversão têm limites

Só que olhar apenas para a tecnologia não revela o impacto total. Isso porque, em muitos casos, a quantidade de insumo tem um teto e, então, por mais que se eleve a eficiência de conversão, o impacto gerado é limitado. As reservas de petróleo bruto, por exemplo, são finitas. Os painéis solares exigem área, de modo que a superfície terrestre é o limite (embora haja a alternativa de colocá-los no espaço).

A eficiência de conversão também, na maioria dos casos, tem um valor-limite de princípio.

Portanto, considerar o limite teórico de "quantidade de insumo × eficiência de conversão" ajuda a identificar o teto do impacto. (Observação: além disso, às vezes é preciso considerar restrições como regulamentações e sistemas, mas aqui vou simplificar bastante a conversa.)

O custo também muda o impacto

O mesmo raciocínio vale ao se pensar no aspecto econômico: com o cálculo

preço do insumo × preço da conversão = preço do produto

define-se o limite inferior do preço do produto (mercadoria).

Para a adoção real, o decisivo é até que ponto o preço do produto pode ficar relativamente baixo. Se for caro, ele não se difunde e não gera impacto. Se puder ser feito barato, naturalmente se difundirá amplamente e levará a um grande impacto.

Nesse sentido, ao pensar no impacto, é importante considerar também o limite inferior teórico do custo.

Ou seja,

• o limite superior da quantidade de insumo
• o limite superior da eficiência de conversão
• o limite inferior do custo

determinam quase por completo o limite superior do produto e, com ele, o limite superior do impacto máximo teórico.

Fazendo esse tipo de cálculo, a chamada estimativa de Fermi, logo no início, é possível estimar até certo ponto o impacto que se obterá quando a tecnologia for desenvolvida.

A seguir, vou explicar essas ideias com alguns exemplos.

Exemplo (1) SAF (UCO→HEFA) ―― restrição de quantidade

Vamos considerar o caso de transformar óleo de cozinha usado (óleo residual, UCO) em SAF (combustível sustentável de aviação) pelo processo HEFA.

Aqui, o eixo da avaliação quantitativa do impacto será "até onde as emissões de GHG diminuem". Diz-se que, por volta de 2020, o mundo emitia 59 Gt de GHG (gases de efeito estufa) por ano, e a Breakthrough Energy, entre outros investidores que promovem a descarbonização, dá peso a um limiar baseado em impacto: investir apenas em negócios que, em larga escala, reduzam as emissões anuais de GHG em 0,5 Gt, ou seja, cerca de 1% das emissões de GHG.

Tomando esse valor como referência, vamos calcular, à maneira de uma estimativa de Fermi, o quanto o uso de UCO se aproxima de 0,5 Gt.

Premissas

• Quantidade anual de UCO: 12,3 milhões de t/ano.
• Fração de destilado de jato: 50%, assumida como "extremo superior da faixa prática".
• Diferença de emissões entre o jato fóssil e o SAF: cerca de 75 gCO2e/MJ (= 0,075 kg/MJ). (Diz-se que o combustível fóssil emite 89 gCO2e/MJ, e o combustível HEFA à base de óleo residual, 14 gCO2e/MJ, segundo a IATA.)
• Poder calorífico (LHV) do combustível de aviação: cerca de 43 MJ/kg
• Poder calorífico (LHV) do UCO (óleo vegetal): cerca de 37 MJ/kg

Note que, desta vez, avaliei diretamente o limite do UCO isoladamente e não incluí na conta a energia do hidrogênio externo (H₂). Também ignorei os subprodutos e não tratei de usos alternativos (por exemplo, não considerei a possibilidade de que, ao destinar o UCO ao SAF, o diesel e similares voltem a ser fósseis).

1) Limite superior da faixa realista (somando de forma direta)

Vou explicitar o passo a passo do cálculo.

• Passo A: massa da matéria-prima → massa de jato
  12,3 milhões de t × 50% ＝ 6,15 milhões de t (= 6,15×10^6 t = 6,15×10^9 kg)
• Passo B: massa de jato → energia
  6,15×10^9 kg × 43 MJ/kg ＝ 2,6445×10^11 MJ
• Passo C: energia × diferença de emissões
  2,6445×10^11 MJ × 0,075 kg/MJ ＝ 1,983375×10^10 kgCO2e
  = 19,83 milhões de tCO2e/ano (≒0,0198 Gt)

Assim, olhando apenas a conversão do insumo atual pelo limite prático, o teto de redução é de cerca de 0,02 Gt/ano.

※ É possível aumentar a fração de destilado de jato, mas há o risco de queda do rendimento líquido total (um trade-off da otimização do perfil de produtos); por isso, adotei 50% por ora.

2) Caso de desenvolver tecnologia para elevar a eficiência de conversão

Uma objeção comum aqui é: "se elevarmos ainda mais a eficiência de conversão, o impacto não ficaria maior?". Mas, por causa da primeira lei (conservação de energia), a energia que se extrai como produto não pode superar a energia contida na matéria-prima (UCO).

• Energia total do UCO (máximo teórico)
  12,3 milhões de t (= 1,23×10^7 t = 1,23×10^10 kg) × 37 MJ/kg
  ＝ 4,551×10^11 MJ

Mesmo que toda essa energia máxima pudesse ser extraída como jato (isto é, sob a hipótese irreal de perda zero),

• Limite teórico de redução (mantendo a diferença de emissões = 0,075 kg/MJ)
  4,551×10^11 MJ × 0,075 kg/MJ ＝ 3,41325×10^10 kg
  ＝ 34,13 milhões de tCO2e/ano (≒0,034 Gt)

E mesmo supondo, de forma extrema, "emissões zero do lado do SAF",

• Limite teórico de redução (supondo diferença de emissões = 0,089 kg/MJ)
  4,551×10^11 MJ × 0,089 kg/MJ ＝ 4,05039×10^10 kg
  ＝ 40,50 milhões de tCO2e/ano (≒0,0405 Gt)

Ou seja, por mais que se eleve a eficiência de conversão, 0,02 Gt/ano passa a, no máximo, 0,03 a 0,04 Gt/ano, sem mudar a ordem de grandeza.

Neste caso, o que determina o valor máximo do impacto não é a eficiência de conversão, e sim o insumo.

3) Avaliando a possibilidade de aumentar mais o insumo (óleo residual)

Diz-se que o óleo residual, que é o insumo, mesmo considerando a melhora na taxa de coleta e o desenvolvimento econômico, só aumentaria cerca de 2 a 3 vezes. Por mais que a cultura alimentar mude, provavelmente não ocorrerá de ele se tornar 10 vezes maior.

Ou seja, não é possível aumentar o insumo de forma drástica.

Resumo do SAF a partir de óleo residual

Com esses cálculos, vimos que, no caso do SAF a partir de óleo residual, a margem de contribuição para os 59 Gt é pequena e que, em particular, mesmo com desenvolvimento tecnológico há uma restrição do lado do insumo.

Na prática, soma-se a isso o "preço do produto fabricado", que leva em conta o custo de obter o insumo (incluindo o custo da cadeia de suprimentos) e o custo de convertê-lo com a tecnologia, e esse preço determina quanto realmente se compra. Ainda assim, por mais baixos que esses custos fiquem, este caminho (pathway) não chega a um impacto tão grande.

Cálculos semelhantes podem ser feitos para painéis solares e similares. No caso solar, o insumo é "a área e as horas de insolação", e, inserindo o valor teórico da eficiência de conversão dos painéis solares, calcula-se o valor teórico. O máximo muda conforme se inclua ou não terras agrícolas, terrenos residenciais etc. no insumo, mas o máximo de cada caso pode ser determinado. (E esse potencial é bastante grande.)

Exemplo (2) Produção de hidrogênio por eletrólise da água ―― restrição de eficiência de conversão

O SAF a partir de óleo residual é um caso em que o insumo é a restrição, mas há também casos em que a restrição é a eficiência de conversão. Vamos pensar nisso com o exemplo da eletrólise da água para produzir hidrogênio verde.

Usaremos o arcabouço "insumo × eficiência de conversão ＝ produto (＝ impacto social)".

Simplificando, os insumos aqui são água e energia elétrica verde. Suponho que a água seja obtida quase de graça e que a energia verde custe 0 iene, partindo da premissa de usar o excedente de eletricidade do período diurno. Assim, o insumo deixa de ser o fator limitante, e o problema passa a ter como fatores limitantes a eficiência de conversão e o seu custo.

Como meta, definamos o objetivo "hidrogênio limpo a US$ 1/kg" do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (Hydrogen Shot: US$ 1/1 kg).

Com essas premissas, vamos olhar principalmente a eficiência de conversão.

1) Limite de princípio da eletrólise da água

A eletrólise da água decompõe a água com eletricidade (eletrólise) em hidrogênio e oxigênio. Essa reação tem um piso de energia necessária, abaixo do qual não é possível ir.

• Energia elétrica mínima teórica (derivada da energia livre de Gibbs) … cerca de 32,7 kWh/kg (＝ "limite reversível")
• Ponto em que a troca de calor é zero ("termoneutro") … cerca de 39,4 kWh/kg (= equivalente a 1,48 V)

Considerando as tensões teóricas de 1,23 V (reversível) e 1,48 V (termoneutra), 1,23/1,48 ≈ 0,83, de modo que 39,4×0,83 ≈ 32,7. Ou seja, por mais que a tecnologia avance, não é possível produzir mais de 30 g de hidrogênio a partir de 1 kWh. Essa é a "barreira da eficiência de conversão".

2) Insumo × eficiência de conversão ＝ produto

Vamos aplicar a fórmula básica deste blog, "insumo × eficiência de conversão ＝ produto".

• 1 kWh → no máximo cerca de 30 g‑H₂ (= 0,030 kg)
• Operando um equipamento de 1 kW por 1 ano (8.760 kWh),
  • limite ideal: 8.760 × 0,030 ≈ cerca de 265 kg‑H₂/ano·kW (reversível)
  • no termoneutro, cerca de 222 kg‑H₂/ano·kW

Ou seja, "200 a 260 kg por ano por kW" é a referência da quantidade máxima que o equipamento consegue produzir.

3) Cálculo do custo (da eletricidade a 0 iene → à eletricidade a ○ ienes)

A partir daqui, vamos falar de dinheiro. Organizando de uma forma fácil de calcular, o custo de produção do hidrogênio (LCOH) é, grosso modo,

(A) Num mundo ideal com eletricidade a 0 iene:

Resta apenas o "custo proveniente do equipamento". Com o equipamento a US$ 1.000 por kW, recuperado à taxa anual de 10% que já considera juros e depreciação, e capaz de produzir 265 kg/ano,

Ou seja, se o equipamento custar US$ 2.000/kW, cerca de US$ 0,75/kg; se custar US$ 2.500/kW, cerca de US$ 0,93/kg (quando se aproxima do ideal reversível). Já no termoneutro (cerca de 222 kg/ano), fica um pouco mais caro (por exemplo: US$ 1.000/kW → cerca de US$ 0,45/kg).

(B) Pagando também pela eletricidade, como na realidade:

A cada aumento de 1 ¢/kWh (=US$ 0,01/kWh) na tarifa de eletricidade,

• no reversível (33 kWh/kg), cerca de US$ 0,33/kg
• no termoneutro (39 kWh/kg), cerca de US$ 0,39/kg

são acrescidos diretamente. Por exemplo, a 2 ¢/kWh, só a eletricidade custa de US$ 0,66 a US$ 0,79/kg.

O cálculo realista ainda soma a isso manutenção, utilidades, tratamento de água, secagem/compressão do gás etc. (neste texto, simplifiquei).

4) Efeito sobre US$ 1/kg

Vamos fazer, grosso modo, o cálculo inverso das condições para atingir esses US$ 1/kg (supondo, de forma generosa, taxa anual de 10%, manutenção zero e operação plena = fator de capacidade do equipamento de 100%).

Se a eletricidade custar 0:
O preço do equipamento precisa ser de US$ 2,2 mil a US$ 2,7 mil/kW ou menos (de termoneutro a reversível). Se o fator de capacidade cair para 50%, o preço admissível do equipamento também cai pela metade.

Se a eletricidade custar 2 ¢/kWh (supondo algo próximo do reversível):
Só a eletricidade já consome US$ 0,65/kg, de modo que a margem para o equipamento é de US$ 0,35/kg. Para cumpri-la, o preço do equipamento deve ser, no máximo, ~US$ 900/kW (supondo operação plena). Se o fator de capacidade for de 50%, o preço admissível do equipamento afunda para cerca de ~US$ 450/kW, o que se torna extremamente difícil.

Ou seja, apenas a melhoria da eficiência da eletrólise da água não chega a US$ 1/kg. Para atingir a meta, são necessários todos estes fatores: eletricidade muito barata (≲1 a 2 ¢/kWh), alto fator de capacidade e preço de equipamento bastante baixo (na faixa de $~1000/kW ou menos).

5) Resumo

Em resumo, fica assim:

• A barreira da eficiência de conversão: a quantidade máxima de hidrogênio que se produz a partir de 1 kWh é de cerca de 30 g. Para 1 kg, são necessários 33 a 40 kWh. Esse é o valor-limite físico.
• O teto de produção do equipamento: 200 a 260 kg por kW·ano é o limite. O "ganho" do equipamento estagna aí.
• O ponto central do custo: a baratez do equipamento ($/kW), 2) a baratez da eletricidade ($/kWh), 3) o fator de capacidade (%).
  Embora a melhoria da eficiência seja importante, os protagonistas que mudam a ordem de grandeza são esses três.

Portanto, a chave não é apenas melhorar a eficiência da eletrólise da água, mas a pesquisa e o desenvolvimento que tornem o equipamento mais barato e elevem o fator de capacidade. Ou então será necessário explorar moonshots, como caminhos de produção de hidrogênio verde por outro tipo de eletrólise que não a da água, ou o hidrogênio subterrâneo.

(Se os cálculos estiverem errados, por favor me avisem…)

O cálculo do impacto de negócio

Até aqui, aproximando a quantidade de produto do impacto social, considerei apenas dois fatores:

• insumo
• eficiência de conversão

Ao pensar no sucesso do negócio, é preciso considerar o aspecto econômico desses fatores. Também é preciso levar em conta a variação da margem de lucro causada pela concorrência. Ou seja:

• Insumo: inserir algo que se obtenha mais barato e em maior quantidade,
• Eficiência de conversão: converter de forma mais barata, mais eficiente, em algo de maior valor agregado,
• Margem de lucro: fornecer de modo mais monopolista

Acredita-se que, pela multiplicação desses 3 pontos, seja possível calcular aproximadamente o potencial de impacto do negócio.

Em termos extremamente simplificados, trata-se de:

• pegar mais coisas baratas (insumo)
• e "converter (tecnologia)" em
• mais coisas caras (produto),
• e "em que medida monopolizar" isso.

Por assim dizer, é algo óbvio, não é?

O sentido de calcular primeiro o limite teórico do impacto

Tenho a impressão de que, no Japão, o P&D tem muitas propostas de baixo para cima, vindas de pesquisadores e engenheiros. Embora eu ache que isso seja adequado para as ciências naturais e afins, parece-me que, na engenharia, muitas vezes se exige impacto social e, quando se trata da "comercialização" do P&D, é ainda mais importante calcular esse impacto social de antemão.

Nesse momento, acho que há espaço para fortalecer a prática de fazer um cálculo de cima para baixo, avaliar cedo "que grau de impacto esta tecnologia pode, em tese, trazer" e refletir isso na alocação dos recursos de P&D.

Em especial, para startups de alto crescimento que usam deep tech e almejam grande impacto, "se realmente pode haver alto retorno" às vezes se revela apenas definindo antes o limite superior do insumo e a eficiência de conversão (faixa prática e limite teórico), como acima, e fazendo um cálculo simples. Ao contrário, sem esse cálculo da possibilidade de retorno, é fácil acabar com um investimento de alto risco e baixo retorno.

Olhando o P&D financiado por subsídios do governo, parece que às vezes são selecionadas, porque o P&D está avançado, "comercializações de tecnologia" cujo limite superior de impacto é baixo. Pode-se dizer também que, concentrando-se demais no desenvolvimento tecnológico, às vezes se perde a visão do todo. Pode haver casos em que se leva em conta um valor diferente do impacto social ou de negócio, mas, ainda assim, mesmo no sentido de assumir riscos (e retornos) que o setor privado não consegue assumir, penso que é preciso adotar mais a perspectiva de determinar de antemão o valor máximo do impacto.

(Vale notar que, mesmo quando a quantidade de produto não é tão grande, o valor de mercado pode subir bastante quando essa tecnologia é fortemente demandada em um uso específico.)

Verificação com IA generativa

Recentemente, com a IA generativa e serviços de literatura como o Elicit, ficou imensamente mais fácil ter uma noção do máximo teórico. Eles são muito úteis na triagem inicial: busca de informações, análise de sensibilidade da faixa de premissas, verificação de consistência das premissas.

É claro que a IA generativa também erra, mas acredito que, seguindo o modelo da estimativa de Fermi (insumo × conversão), fixando em texto o procedimento de cálculo e as premissas e anotando a cada vez a fonte dos números, dá para traçar um panorama inicial em pouco tempo. Se usarmos essas ferramentas para fazer uma limpeza prévia, acho que o dinheiro irá para projetos melhores.

※ Os cálculos deste artigo também foram feitos com o GPT-5 Pro.

Considerações finais

Este artigo apresentou a ideia de estimar o máximo teórico apenas com o "limite do insumo × limite da conversão" e, a partir disso, verificar por cálculo se há impacto.

O P&D de UCO→HEFA e de eletrólise da água citados aqui de modo algum é sem sentido e, por serem tecnologias que contribuem para a descarbonização de curto e médio prazo, acho que há partes dessas próprias tecnologias que devem ser promovidas. Por outro lado, considero que pensar "que grau de impacto é teoricamente possível" também é importante ao refletir sobre startups de deep tech que buscam alto retorno e sobre a direção do desenvolvimento tecnológico promovido pelo país, e usei esses exemplos para enfatizar isso.

Este foi, portanto, um artigo sugerindo que, numa fase inicial do desenvolvimento tecnológico ou de negócio, vale fazer uma verificação aproximada do limite superior do impacto dessa tecnologia ou negócio e, só então, pensar em qual tecnologia apostar capital e talentos.

Cabe acrescentar que essa é uma forma de pensar eficaz para negócios em que o risco está no lado da oferta de tecnologia e em que se sabe que há uma certa demanda, e que é difícil de usar para negócios com risco do lado da demanda, como os de TI.