reciclagem2, Notas de estudo de Aquacultura

Baixe reciclagem2 e outras Notas de estudo em PDF para Aquacultura, somente na Docsity! Reciclagem e Energias Renováveis Módulo II Parabéns por participar de um curso dos Cursos 24 Horas. Você está investindo no seu futuro! Esperamos que este seja o começo de um grande sucesso em sua carreira. Desejamos boa sorte e bom estudo! Em caso de dúvidas, contate-nos pelo site www.Cursos24Horas.com.br Atenciosamente Equipe Cursos 24 Horas SUMÁRIO Introdução.....................................................................................................................1 Unidade 3 - As Fontes de Energias Disponíveis ............................................................2 3.1. As Energias Não-Renováveis .............................................................................4 3.2. Os combustíveis Fósseis .....................................................................................4 3.2.1. O Carvão .....................................................................................................5 3.2.2. O Petróleo ...................................................................................................6 3.2.3. O Gás-Natural .............................................................................................7 3.2.4. Energia Nuclear ...........................................................................................7 3.2.5. Como são formados e a Importância Econômica ..........................................8 3.3. Os Desafios Brasileiros na Matriz Energética ................................................... 10 3.3.1. As Energias Renováveis e o Brasil............................................................. 11 Unidade 4 – As Fontes de Energias Renováveis .......................................................... 12 4.1. A Energia Solar Fotovoltaica............................................................................ 12 4.1.1. Por que Utilizar Energia Solar?.................................................................. 12 4.1.2. Sistemas Fotovoltaicos Ligados com a Rede Pública ................................. 13 4.2. A Energia Solar no Mundo ............................................................................... 13 4.2.1. Como Funciona o Aquecedor Solar............................................................ 13 4.3. A Energia Eólica .............................................................................................. 16 4.3.1. Principais Tipos de Turbinas Eólicas ......................................................... 18 4.3.2. Armazenamento de Energia Eólica ............................................................ 20 4.3.3. O Futuro da Energia Eólica........................................................................ 21 4.4.1. Impactos Ambientais da Biomassa................................................................. 24 4.5. A Energia das Ondas e das Marés..................................................................... 25 4.5.1. A Energia das Ondas ................................................................................. 26 4.5.2. A Energia das Marés.................................................................................. 26 4.5.3. A Energia térmica dos Oceanos ................................................................. 27 4.6. A Energia Hidrelétrica...................................................................................... 27 4.7. O Gerador de Energia Elétrica .......................................................................... 30 4.8. A Energia do Hidrogênio.................................................................................. 31 2 Unidade 3 - As Fontes de Energias Disponíveis As energias renováveis são provenientes de ciclos naturais de conversão da radiação solar, que é a fonte primária de quase toda energia disponível na terra. Por isso, são praticamente inesgotáveis e não alteram o balanço térmico do planeta. As formas ou manifestações mais conhecidas são: a energia solar, a energia eólica, a biomassa e a hidroenergia, mas há outras menos conhecidas também, como geotérmica, energia das marés, entre outras. As principais características por tipo são: Energia Solar – energia da radiação solar direta, que pode ser aproveitada de várias formas por meio de diversos tipos de conversão, permitindo seu uso em aplicações térmicas em geral, obtenção de força motriz diversa, obtenção de eletricidade e de energia química. Energia Eólica - energia cinética das massas de ar provocadas pelo aquecimento desigual na superfície do planeta. Além da radiação solar também têm participação na sua formação fenômenos geofísicos como: rotação da terra, marés atmosféricas e outros. Os cata-ventos e embarcações a vela são formas bastantes antigas de seu aproveitamento. Os aerogeradores modernos de tecnologia recente têm se firmado como uma forte alternativa na composição da matriz energética de diversos países. Biomassa - a energia química, produzida pelas plantas na forma de hidratos de carbono por meio da fotossíntese - processo que utiliza a radiação solar como fonte energética - é distribuída e armazenada nos corpos dos seres vivos em função da grande cadeia alimentar, onde a base primária são os vegetais. Plantas, animais e seus derivados são biomassa. Sua utilização como combustível pode ser feita das suas formas primárias ou derivados: madeira bruta, resíduos florestais, excrementos animais, carvão vegetal, álcool, óleos animal ou vegetal, gaseificação de madeira, biogás etc. 3 A Energia das Ondas e Marés - As ondas do mar possuem energia cinética devido ao movimento da água e energia potencial devido a sua altura. A energia elétrica pode ser obtida se for utilizado o movimento oscilatório das ondas. O aproveitamento é feito nos dois sentidos: na maré alta a água enche o reservatório, passando pela turbina e produzindo energia elétrica, na maré baixa a água esvazia o reservatório, passando novamente pela turbina, agora em sentido contrário ao do enchimento, e produzindo energia elétrica. Hidrelétrica - energia cinética das massas de água dos rios, que fluem de altitudes elevadas para os mares e oceanos devido à força gravitacional. Este fluxo é alimentado em ciclo reverso graças à evaporação da água, a elevação e o transporte do vapor em forma de nuvens, naturalmente realizados pela radiação solar e pelos ventos. A fase se completa com a precipitação das chuvas nos locais de maior altitude. Sua utilização é bastante antiga e uma das formas mais primitiva é o monjolo e a roda d’ água. A hidroenergia também pode ser vista como forma de energia potencial; volume de água armazenada nas barragens rio acima. As grandes hidrelétricas se valem das barragens para compensar as variações sazonais do fluxo dos rios e, por meio do controle por comportas, permitir modulação da potência instantânea gerada nas turbinas. Energia do Hidrogênio - A energia do hidrogênio é a energia que se obtém da combinação do hidrogênio com o oxigênio produzindo vapor de água e libertando energia que é convertida em eletricidade. Existem alguns veículos que são movidos a hidrogênio. Geotérmica - A energia geotérmica é a energia do interior da Terra. A geotermia consiste no aproveitamento de águas quentes e vapores para a produção de eletricidade e calor. Parte do calor interno da Terra (5.000 °C) chega à crosta terrestre. Em algumas áreas do planeta, próximas à superfície, as águas subterrâneas podem atingir temperaturas de ebulição, e dessa forma, servir para impulsionar turbinas para eletricidade ou aquecimento. A energia geotérmica é aquela que pode ser obtida pelo homem utilizando o calor de dentro da terra. 4 Biocombustíveis - Biocombustível é qualquer combustível de origem biológica, desde que não seja de origem fóssil. É originado de mistura de uma ou mais plantas como: cana-de-açúcar, mamona, soja, cânhamo, canola, babaçu, lixo orgânico, dentre outros tipos. 3.1. As Energias Não-Renováveis Tanto os combustíveis fósseis como os nucleares são considerados não renováveis, pois a capacidade de renovação é muito reduzida comparada com a utilização que deles fazemos. As reservas destas fontes energéticas serão esgotadas. Atualmente as fontes de energias não renováveis são as mais utilizadas. Os combustíveis fósseis (petróleo, carvão e gás natural) são fortemente poluidores: libertando dióxido de carbono quando queimados, um gás que contribui para o aumento da temperatura da atmosfera; causando chuvas ácidas; poluindo solos e água. 3.2. Os combustíveis Fósseis O Combustível fóssil ou combustível mineral é uma substância formada de compostos de carbono, usados como ou para alimentar a combustão. Reconhecidamente, são usados como combustível, o carvão mineral, o petróleo e o gás natural. A origem dos combustíveis fósseis, segundo a teoria biogênica, que ainda é a mais aceitável, sugere que outros tipos de substâncias oleaginosas extraídas da crosta terrestre como o petróleo, teriam origem comum ao carvão mineral já que o mesmo também é abundantemente encontrado soterrado em minas terrestres. Dessa associação explica-se que as outras substâncias usadas como combustível porem encontradas a níveis mais baixos (negativo), foram gerados em função desse efeito de fossilização de animais e plantas, provocado por sua vez pela ação de 7 3.2.3. O Gás-Natural O gás natural é um combustível fóssil com origem muito semelhante à do petróleo bruto, ou seja, formou-se durante milhões de anos a partir dos sedimentos de animais e plantas. Tal como o petróleo, encontra-se em jazidas subterrâneas, de onde é extraído. A principal diferença prende-se com a possibilidade de ser usado tal como é extraído na origem, sem necessidade de refinação. Atualmente, Portugal recebe o gás natural proveniente da Argélia por meio do gasoduto, junto às zonas de consumo, urbano e/ou industrial, o gás natural passa dos gasodutos para as redes de distribuição, que são instaladas, por baixo dos passeios ou das beiras das estradas, e assim chega até a casa dos consumidores. Este gás é constituído por pequenas moléculas apenas com carbono e hidrogênio, o gás natural apresenta uma combustão mais limpa do que qualquer outro derivado do petróleo. Acresce também, que no que respeita à emissão de gases com efeito de estufa (dióxido de carbono, dióxido de enxofre e óxidos de nitrogênio), a combustão do gás natural apenas origina dióxido de carbono e uma quantidade de óxidos de nitrogênio muito inferior à que resulta da combustão da gasolina ou do fuelóleo. 3.2.4. Energia Nuclear A energia nuclear é produzida por meio de reações de fissão ou fusão dos átomos, durante as quais são libertadas grandes quantidades de energia que podem ser utilizadas para produzir energia elétrica. A fissão nuclear utiliza o urânio, um mineral presente na Terra em quantidades finitas, como combustível e consiste na partição de um núcleo pesado em dois núcleos de massa aproximadamente igual. Ainda que a quantidade de energia produzida por meio da fissão nuclear seja significativa, este processo apresenta problemas de difícil resolução: • Perigo de explosão nuclear e de fugas radioativas; 8 • Produção de resíduos radioativos; • Contaminação radioativa e Poluição térmica. Em alternativa, a energia nuclear pode também ser produzida utilizando um processo de fusão nuclear, que consiste na união de dois núcleos leves para formar outro mais pesado e com menor conteúdo energético, assim, se libertam também grandes quantidades de energia. Este processo envolve átomos leves, como os de deutério e hidrogênio que são substâncias muito abundantes na natureza. O impacto ambiental resultante do processo de fusão é muito menor, quando comparado ao da energia nuclear produzida por fissão. Atualmente, esta fonte de energia encontra-se ainda numa fase experimental, já que a tecnologia ainda não conseguiu criar reatores de fusão devido às altas temperaturas necessárias para levar o processo. Enquanto não se conseguir encontrar uma forma segura de utilizar a energia nuclear e de proceder ao tratamento eficiente e durável dos resíduos resultantes desta atividade, esta continuará a ser encarada como um rico desaconselhável. 3.2.5. Como são formados e a Importância Econômica Os combustíveis fósseis são formados pela decomposição de matéria orgânica por meio de um processo que leva milhares de anos, desta forma não são renováveis ao longo da escala de tempo humana, ainda que ao longo de uma escala de tempo geológica esses combustíveis continuem a ser formados pela natureza. O carvão mineral, os derivados do petróleo (tais como a gasolina, óleo diesel, óleo combustível, o GLP - ou gás de cozinha -, entre outros) e ainda, o gás natural, são os combustíveis fósseis mais utilizados e mais conhecidos. O carvão mineral pôs em movimento, durante décadas, veículos como as locomotivas chamadas no Brasil de Marias-fumaça e navios a vapor. Atualmente, o carvão mineral garante o funcionamento de usinas termoelétricas. 9 Um grande problema desses combustíveis é o fato de serem finitos, o que faz com que a dependência energética a partir deles seja um problema quando esses recursos acabarem, embora de acordo com as teorias abiogênicas os combustíveis minerais são muito abundantes, por isso o interesse em energias renováveis é crescente. Outro problema é que a queima de combustíveis minerais gera gases que produzem o efeito estufa como o gás carbônico e metais pesados, como por exemplo, o mercúrio. O preço dos combustíveis fósseis sobe em proporcionalidade inversa à sua quantidade disponível para venda, ou seja, quanto mais escasseiam, mais elevado é o seu preço. A economia mundial está tão dependente deles que o simples aumento do preço do barril de petróleo (que é o mais explorado para fins energéticos) influencia fortemente as bolsas de valores. O aumento do controle e do uso, por parte do homem da energia contida nesses combustíveis fósseis foi determinante para as transformações econômicas, sociais, tecnológicas - e infelizmente ambientais - que vêm ocorrendo desde a Revolução Industrial. Pelo aumento do preço dos combustíveis fósseis e da poluição ambiental, a Europa está a procurar soluções energéticas alternativas (como os biocombustíveis, a eletricidade e o hidrogênio). Até 2020 a União Europeia prevê aumentar para 10% a percentagem de energias renováveis utilizadas nos transportes rodoviários. Dentre as consequências ambientais do processo de industrialização e do inerente e progressivo consumo de combustíveis fósseis - leia-se energia -, destaca-se o aumento da contaminação do ar por gases e material particulado, provenientes justamente da queima destes combustíveis, gerando uma série de impactos locais sobre a saúde humana. Outros gases causam impactos em regiões diferentes dos pontos a partir dos quais são emitidos, como é o caso da chuva ácida. A mudança global do clima é um outro problema ambiental, porém bastante complexo que traz consequências possivelmente catastróficas. Este problema vem sendo causado pela intensificação do efeito estufa que, por sua vez, está relacionada ao aumento da concentração, na atmosfera da Terra, de gases que possuem características específicas. Estes gases permitem a entrada da luz solar, mas impedem que parte do calor no qual a luz se transforma volte para o espaço. Este processo de aprisionamento do calor é análogo ao que ocorre em uma estufa - daí o nome atribuído a esse fenômeno 12 Unidade 4 – As Fontes de Energias Renováveis 4.1. A Energia Solar Fotovoltaica A Energia Solar Fotovoltaica é uma fonte de energia renovável obtida pela conversão de energia luminosa em energia elétrica. Não se pode confundi-la com o aquecimento solar, que possui o princípio de funcionamento completamente diferente. Essa fonte de energia utiliza o controlador de carga que é um dispositivo de fundamental importância para preservar as baterias, aumentando sua vida útil. As baterias são os elementos que armazenam energia. Com o auxílio delas, os consumidores podem usar à noite ou em períodos de mau tempo a energia irradiada em dias de sol. A energia solar fotovoltaica já é viável em diversas aplicações, mas, como sistema autônomo para uso doméstico, não consegue competir com o preço da energia elétrica das concessionárias via rede pública de distribuição, devido, principalmente ao alto investimento inicial requerido e custo de manutenção do sistema de armazenamento. 4.1.1. Por que Utilizar Energia Solar? Porque é uma energia limpa, não poluente, confiável, racional, que não requer manutenção e não consome nenhum combustível. Por essas razões, pode ser utilizada em inúmeras aplicações. No Brasil, onde somos privilegiados pelo Sol, 13 existem milhares de instalações para eletrificação rural, cercas elétricas, bombeamento de água e telecomunicações que usam Energia Solar Fotovoltaica. 4.1.2. Sistemas Fotovoltaicos Ligados com a Rede Pública Uma aplicação da energia fotovoltaica para áreas urbanas, que vem se delineando em diversos países, é o sistema fotovoltaico interligado à rede pública. Esta configuração dispensa armazenamento local e não necessita atender toda a demanda do consumidor, pois em situação de déficit, a oferta é complementada pela rede. Além disto, o aproveitamento da energia gerada é quase total, pois quando houver excesso da produção em relação ao consumo, este é repassado a concessionária, gerando crédito para o proprietário. A projeção de queda de preço dos painéis fotovoltaicos mostra que estes sistemas devem se tornar um investimento bastante atraente em pouco tempo. 4.2. A Energia Solar no Mundo Em 2008 a capacidade instalada mundial de energia solar era de 2,6 GW, cerca de 28% da capacidade instalada de Itaipu. Os principais países produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas. O maior produtor mundial era o Japão (com 1,13 GW instalados), seguido da Alemanha (com 794 MWp) e Estados Unidos (365 MW). Muito mais ambicioso é o projeto australiano de uma central de 154 MW, capaz de satisfazer o consumo de 45 000 casas. 4.2.1. Como Funciona o Aquecedor Solar 14 O aquecedor solar possui um sistema de funcionamento diferente da Energia Solar Fotovoltaica. Veja abaixo como ele funciona: A = Altura máxima permitida: 3m para coletores fechados (entre base das placas e nível de água na caixa d' água); B = Altura recomendada: 30 cm (entre o topo das placas e a base do reservatório); C = Comprimento máximo recomendado: 6m (entre placas e reservatório térmico); 1 - Reservatório térmico 2 - Placas coletoras 6 – Respiro 17 Os ventos são gerados pela diferença de temperatura da terra e das águas, das planícies e das montanhas, das regiões equatoriais e dos pólos do planeta Terra. A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as estações do ano e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também tem grande influência na distribuição de frequência de ocorrência dos ventos e de sua velocidade em um local. Além disso, a quantidade de energia eólica extraível numa região depende das características de desempenho, altura de operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados. A avaliação precisa do potencial de vento em uma região é o primeiro e fundamental passo para o aproveitamento do recurso eólico como fonte de energia. Para a avaliação do potencial eólico de uma região é necessária a coleta de dados de vento com precisão e qualidade, capaz de fornecer um mapeamento eólico da região. As hélices de uma turbina de vento são diferentes das lâminas dos antigos moinhos porque são mais aerodinâmicas e eficientes. As hélices têm o formato de asas de aviões e usam a mesma aerodinâmica, quando em movimento ativam um eixo que está ligado à caixa de mudança. Utilizando uma série de engrenagens a velocidade do eixo de rotação aumenta, este eixo está conectado ao gerador de eletricidade que com a rotação em alta velocidade gera energia. Um aerogerador consiste num gerador elétrico movido por uma hélice, que por sua vez é movida pela força do vento. A hélice pode ser vista como um motor a vento, cuja quantidade de eletricidade que pode ser gerada pelo vento depende de quatro fatores: • A quantidade de vento que passa pela hélice; • O diâmetro da hélice; • A dimensão do gerador; • O rendimento de todo o sistema. 18 4.3.1. Principais Tipos de Turbinas Eólicas Os aerogeradores e aeromotores costumam ser classificados pela posição do eixo do seu rotor que pode ser vertical ou horizontal, a seguir mencionaremos os principais modelos relativos aos tipos de classificação mencionados. EIXO HORIZONTAL Está disposição necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde se tenha muita mudança na direção dos ventos. Encontram-se ainda moinhos de vento seculares com direcionamento do eixo das pás fixo, mas situam-se onde os ventos predominantes são bastante representativos, e foram instalados em épocas em que os citados mecanismos de direcionamento ainda não haviam sido concebidos. Os principais modelos diferem quanto às características que definem o uso mais indicado, sendo eles: • Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo sua maior aplicação no bombeamento d´agua. Suas características tornam seu uso mais próprio para aeromotores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida / área de varredura do rotor, mesmo para ventos fracos, em contrapartida seu melhor rendimento encontra-se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraída por área do rotor, que não é das melhores, tornando este tipo pouco indicado para geração de energia elétrica. O fato de alguns autores de livros, escritos em outras décadas, contrariamente a percepção atual, apontarem-no como sendo a melhor opção devido a sua característica de menor variação de velocidade do rotor em função da velocidade do vento, devia- se às limitações de controle da curva de tensão de saída dos sistemas de geração de energia disponíveis naquelas épocas, o que restringia o aproveitamento da energia gerada, a uma faixa estreita de velocidade do rotor. Com o desenvolvimento da eletrônica este panorama mudou, pois os sistemas atuais podem ser facilmente projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação à área de varredura, onde os modelos de duas e três pás se destacam com um rendimento muito superior. 19 • Rotor de três ou duas pás - é praticamente o padrão de rotores utilizados nos aerogeradores modernos, isto se deve ao fato da grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isto só ocorra em velocidades de vento superiores), pois além do seu rendimento máximo ser o melhor entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas. Entretanto, apresenta baixos valores de torque de partida, e de rendimento para velocidades baixas, características que apesar de aceitáveis em sistemas de geração de eletricidade, incompatibilizam seu uso em sistemas que requeiram altos momentos de força e ou carga variável. EIXO VERTICAL A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismo de direcionamento, sendo bastante evidenciada nos aeromotores por simplificar bastante os mecanismos de transmissão de potência. Como desvantagens, apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação, terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em relação à direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda sua estrutura. • Rotor Savonius - Apresenta sua curva de rendimento em relação à velocidade próxima a do rotor de multipás de eixo horizontal, mas numa faixa mais estreita de menor amplitude, seu uso é mais indicado para aeromotores, principalmente para pequenos sistemas de bombeamento d´agua, onde o custo final devido a simplicidade do sistema de transmissão e construção do rotor propriamente dito, podem compensar seu menor rendimento. • Rotor Darrieus - Por ter curva de rendimento característica próxima a dos rotores de três pás de eixo vertical, são mais compatíveis com o uso em aerogeradores, mas como nestes os sistemas de transmissão já são bastante simples, seja qual for o tipo de disposição do eixo do rotor, o Darrieus perde uma das vantagens comparativas. Além disto, a necessidade de sistema de direcionamento para o outro tipo de rotor, é compensada pela facilidade de implementação de sistemas aerodinâmicos de limitação e controle de potência, que amplia a faixa de utilização em relação à velocidade dos ventos e deixa-o muito menos susceptível a danos provocados por ventos muito fortes. Desta 22 No âmbito nacional, o estado do Ceará destaca-se por ter sido um dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico, que já é consumido por cerca de 160 mil pessoas. Outras medições foram feitas também no Paraná, Santa Catarina, Minas Gerais, litoral do Rio de Janeiro e de Pernambuco e na ilha de Marajó. A capacidade instalada no Brasil é de 20,3 MW, com turbinas eólicas de médio e grande porte conectadas à rede elétrica. Vários estados brasileiros seguiram os passos do Ceará, iniciando programas de levantamento de dados de vento. Hoje existem mais de cem anemógrafos computadorizados espalhados pelo território nacional. Um mapa preliminar de ventos do Brasil, gerado a partir de simulações computacionais com modelos atmosféricos é mostrado na figura abaixo. Considerando o grande potencial eólico do Brasil, confirmado através de estudos recentes, é possível produzir eletricidade a custos competitivos com centrais termoelétricas, nucleares e hidroelétricas, com custo reduzido. 23 4.4. A Biomassa Utilizando a fotossíntese, as plantas capturam energia do sol e transformam em energia química. Esta energia pode ser convertida em eletricidade, combustível ou calor. As fontes orgânicas que são usadas para produzir energias usando este processo são chamadas de biomassa. Os combustíveis mais comuns da biomassa são os resíduos agrícolas, madeira e plantas como a cana-de- açúcar, que são colhidos com o objetivo de produzir energia. O lixo municipal pode ser convertido em combustível para o transporte, indústrias e mesmo residências. Os recursos renováveis representam cerca de 20% do suprimento total de energia no mundo, sendo 14% proveniente de biomassa e 6% de fonte hídrica. No Brasil, a proporção da energia total consumida é cerca de 35% de origem hídrica e 25% de origem em biomassa, significando que os recursos renováveis suprem algo em torno de 2/3 dos requisitos energéticos do País. Em condições favoráveis, a biomassa pode contribuir de maneira significante para com a produção de energia elétrica. Um pesquisador conhecido como Hall, por meio de seus trabalhos, estima que com a recuperação de um terço dos resíduos disponíveis seria possível o atendimento de 10% do consumo elétrico mundial e que com um programa de plantio de 100 milhões de hectares de culturas especialmente para esta atividade seria possível atender 30% do consumo. A produção de energia elétrica a partir da biomassa, atualmente, é muito defendida como uma alternativa importante para países em desenvolvimento e também outros países. Programas nacionais começaram a ser desenvolvidos visando o incremento da eficiência de sistemas para a combustão, gaseificação e pirólise da biomassa. Segundo pesquisadores, entre os programas nacionais bem sucedidos no mundo citam-se: 24 • O PROÁLCOOl, Brasil; • Aproveitamento de biogás na China; • Aproveitamento de resíduos agrícolas na Grã – Bretanha; • Aproveitamento do bagaço de cana nas Ilhas Maurício; • Coque vegetal no Brasil; No Brasil cerca de 30% das necessidades energéticas são supridas pela biomassa sob a forma de: • Lenha para queima direta nas padarias e cerâmicas; • Carvão vegetal para redução de ferro gusa em fornos siderúrgicos e combustível alternativo nas fábricas de cimento do norte e do nordeste; • No sul do país queimam carvão mineral, álcool etílico ou álcool metílico para fins carburantes e para indústria química; • O bagaço de cana e outros resíduos combustíveis são utilizados para geração de vapor para produzir eletricidade, como nas usinas de açúcar e álcool, que não necessitam de outro combustível, pelo contrário ainda sobra bagaço para indústria de celulose. 4.4.1. Impactos Ambientais da Biomassa No Brasil, a produção de biodiesel ainda ocorre em pequena escala, embora seja uma das grandes apostas na corrida pela autossuficiência energética. O país conta com grandes áreas agricultáveis e uma combinação entre o cultivo de oleaginosas, como a soja, e a produção de álcool etanol, ambos usados na reação que permite produzir o biodiesel. Atualmente o Brasil conta com mais de 40 indústrias que produzem biodiesel e vários projetos de novas usinas em andamento. A expectativa é que o país seja capaz de produzir 1,12 bilhão de litros de biodiesel por ano. Apesar de tantas vantagens, a utilização da biomassa em larga escala requer cuidados para que seu uso descontrolado e sem planejamento não traga impactos ambientais preocupantes, como a destruição de fauna e flora com extinção de 27 4.5.3. A Energia térmica dos Oceanos O último tipo de energia oceânica usa as diferenças de temperatura do mar. Se alguma vez você mergulhar no oceano, notará que a água se torna mais fria quanto mais profundo for o mergulho. A água do mar é mais quente na superfície porque está exposta aos raios solares; é por isso que os mergulhadores vestem roupas apropriadas para mergulhar em zonas profundas. As roupas colam-se ao corpo, mantendo-o quente. Pode-se usar as diferenças de temperatura para produzir energia, no entanto, são necessárias diferenças de 38º Fahrenheit entre a superfície e o fundo do oceano. Esta fonte de energia é utilizada no Japão e no Hawaii, mas apenas como demonstração e experiência. 4.6. A Energia Hidrelétrica No Brasil, devido sua enorme quantidade de rios, a maior parte da energia elétrica disponível é proveniente de grandes usinas hidrelétricas. A energia primária de uma hidrelétrica é a energia potencial gravitacional da água contida numa represa elevada. Antes de se tornar energia elétrica, a energia primária deve ser convertida em energia cinética de rotação. O dispositivo que realiza essa transformação é a turbina. Ela consiste basicamente em uma roda dotada de pás, que é posta em rápida rotação ao receber a massa de água. O último elemento dessa cadeia de transformações é o gerador, que converte o movimento rotatório da turbina em energia elétrica. 28 Um rio não é percorrido pela mesma quantidade de água durante o ano inteiro. Em uma estação chuvosa, é claro, a quantidade de água aumenta. Para aproveitar ao máximo as possibilidades de fornecimento de energia de um rio, deve-se regularizar-se a sua vazão, a fim de que a usina possa funcionar continuamente com toda a potência instalada. A vazão de água é regularizada pela construção de lagos artificiais. Uma represa, construída de material muito resistente - pedra, terra, frequentemente cimento armado - , fecha o vale pelo qual corre o rio. As águas param e formam o lago artificial. Dele pode-se tirar água quando o rio está baixo ou mesmo seco, obtendo-se assim uma vazão constante. A construção de represas quase sempre constitui uma grande empreitada da engenharia civil. Os paredões, de tamanho gigante, devem resistir às extraordinárias forças exercidas pelas águas que ela deve conter. Às vezes, têm que suportar ainda a pressão das paredes rochosas da montanha em que se apoiam. Para diminuir o efeito das dilatações e contrações devidas às mudanças de temperatura, a construção é feita em diversos blocos, separados por juntas de dilatação. Quando a represa está concluída, em sua massa são colocados termômetros capazes de transmitir a medida da temperatura a distância; eles registram as diferenças de 29 temperatura que se possam verificar entre um ponto e outro do paredão e indicam se há perigo de ocorrerem tensões que provoquem fendas. A energia que pode ser fornecida por unidade de tempo chama-se potência, e é medida em watt (W). Como as potências fornecidas pelas usinas hidrelétricas são muito grandes, sempre expressas em milhares de watts, utiliza-se para sua medida um múltiplo dessa unidade, o quilowatt (kW), que equivale a 1.000 W. A potência de uma fonte de energia elétrica pode ser calculada multiplicando-se a tensão em volts que ela é capaz de fornecer pela corrente em ampéres que distribui. Dessa maneira, uma fonte capaz de distribuir 1.000 A com uma tensão de 10.000 V possui uma potência de 10 milhões de watts, ou 10.000 kW. Uma linha de transmissão, portanto, é capaz de transportar a mesma potência de duas maneiras: com voltagem elevada e corrente de baixa intensidade, ou com voltagem baixa e alta corrente. Quando a energia elétrica atravessa um condutor, transforma-se parcialmente em calor. Essa perda é maior quanto mais elevada for a intensidade da corrente transportada 32 utilizado em células a combustível, a água que resulta do processo é consumida pelos astronautas. Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido no mundo é utilizado como matéria-prima na fabricação de produtos como os fertilizantes, na conversão de óleo líquido em margarina, no processo de fabricação de plásticos e no resfriamento de geradores e motores. Agora, as pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas na geração de energia elétrica, térmica e de água pura por meio das células a combustível. A Energia do Hidrogênio. 4.8.1. Como o Combustível Hidrogênio é Gerado O oxigênio é essencial para a vida. Mas, quando se trata de produzir hidrogênio, que pode ser utilizado como uma fonte de energia abundante, barata e sem qualquer tipo de poluição, o oxigênio é uma verdadeira pedra no sapato. O "problema" é que o oxigênio e o hidrogênio se dão muito bem e reagem entre si - formando água - e paralisando o processo de geração do tão sonhado combustível barato e ambientalmente correto. Para utilização do hidrogênio como fonte de energia é necessário o seu uso junto a uma célula de combustível. A célula a combustível é uma tecnologia que utiliza a combinação química entre os gases oxigênio (O2) e hidrogênio (H2) para gerar energia elétrica, energia térmica (calor) e água! Ela existe há mais de 150 anos, a primeira célula a combustível foi desenvolvida em 1839 por um físico inglês chamado William Grove. Ele sabia que passando eletricidade através da água podiam-se obter os gases hidrogênio e oxigênio, constituintes desta. Como todo bom e curioso cientista, ele tentou fazer o processo reverso, combinando hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água. E conseguiu, mas a sua invenção, chamada por ele de “bateria a gás”, não tinha muita aplicação prática naquela época. Anos depois, em 1889, o nome “célula a combustível” foi criado por dois cientistas, Ludwig Mond e Charles Langer. Eles queriam tornar a célula a combustível uma invenção prática, mas não tiveram muito êxito. 33 A célula a combustível só começou a ganhar vida no final dos anos 30, quando o inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu células a combustível de eletrólito alcalino. Em 1959, ele demonstrou um sistema de célula a combustível de 5kW para fazer funcionar uma máquina de solda. No entanto, somente com a Agência Espacial dos EUA, a NASA, a célula a combustível começou a decolar. E ela foi para o espaço nos projetos Gemini e Apollo. Tudo o que a NASA precisava era de um equipamento que gerasse energia com eficiência, e que utilizasse um combustível leve e com grande densidade de energia – o hidrogênio. Existem pelos menos seis tecnologias de células a combustível para combinarem hidrogênio e oxigênio, mas elas têm basicamente o mesmo princípio de funcionamento. Resumidamente, de um lado da célula entra o hidrogênio e do outro entra o oxigênio. No meio, entre os eletrodos, existem o eletrólito e o catalisador, que são a lógica de todo o funcionamento da célula a combustível. Os tipos mais importantes de células a combustível são: PEMFC – Membrana de Troca de Prótons, “Proton Exchange Membrane Fuel Cell” - Essa tecnologia tem se mostrado muito interessante para o uso em automóveis, aparelhos portáteis e residências. Seu funcionamento se encontra na faixa 60 ºC a 140 ºC de temperatura sendo assim considerada como de funcionamento em baixa temperatura. Isto permite que a célula ligue mais rápido que as outras concorrentes. A eficiência em gerar eletricidade utilizando esta tecnologia varia entre 35% a 55%. DMFC – Célula a Combustível de Metanol Direto, “Direct Methanol Fuel Cell” - Esta tecnologia é bastante similar a PEMFC tendo como principal diferença o uso direto de metanol (álcool extraído a partir da madeira ou do milho). O metanol é diluído em água e armazenado em cartuchos. A eficiência em gerar energia elétrica fica entre 40% e 50%. PAFC – Célula a Combustível e Ácido Fosfórico, “Phosphoric Acid Fuel Cell" - Esta é a tecnologia mais avançada comercialmente. Está presente no Brasil, nas cidades de Curitiba e Rio de Janeiro. Esta tecnologia funciona a baixa temperatura, por isso pode tolerar combustíveis com impurezas como metanol e biogás. Entretanto para isso ela precisa de um filtro para limpar o combustível e um aparelho interno para extrair o hidrogênio desses combustíveis. A eficiência desta tecnologia, esta entre 35% e 47%. 34 SOFC – Célula a Combustível de Óxido Sólido, “Solid Oxide Fuel Cell” - Essa tecnologia permite a geração de grande quantidade de energia. Por isso tem se mostrado atraente para o uso em residências, indústrias e outros locais com grande necessidade de energia. A tecnologia SOFC é uma tecnologia de alta temperatura, pois opera entre 600°C e 1000°C. Isso traz como vantagem o uso peças mais baratas no interior da célula permite o uso de outros combustíveis diretamente na célula. A eficiência para produção de energia elétrica varia entre 50% e 60%. Se o calor for aproveitado, a eficiência total de energia (energia elétrica mais energia térmica) pode ser de até 75% a 85%. MCFC – Células a Combustível de Carbonato Fundido, “Molten Carbonate Fuel Cell” - Essa tecnologia é promissora no que diz respeito à geração de energia em grandes quantidades. Funciona em altas temperaturas permitindo assim o uso de componentes mais baratos, aceita outros combustíveis diretamente na célula como biogás e etanol. A eficiência desta tecnologia para produzir energia elétrica fica entre 50 e 60%. Quando o calor é aproveitado, seja para aquecimento ou para a produção de mais energia elétrica por meio de uma turbina a vapor, pode-se aumentar a eficiência total para 85%. AFC – Célula a Combustível Alcalina, “Alkaline Fuel Cell” - Esta é a tecnologia que vem sendo utilizada por muitos anos para aplicações espaciais da NASA. Ela foi desenvolvida pelo britânico Francis Bacon em 1930 (experiência de William Grove, precursor das células a combustível). Esta célula trabalha em alta temperatura de operação que fica entre 50°C e 250°C o que traz como vantagem o uso de componentes mais baratos. Elas apresentam uma excelente eficiência elétrica, entre 45% e 60%. DEFC – Célula a Combustível de Etanol Direto, “Direct Ethanol Fuel Cell” - Esse tipo de célula funciona a base de etanol (álcool da cana de açúcar). Esta ainda em fase de desenvolvimento, não sendo até agora viável. Entretanto, o Brasil apresenta um grande potencial para manter essa tecnologia já que por aqui a grande maioria dos postos de combustível vende etanol. 37 4.9.3. Vapor Seco Em casos raríssimos pode ser encontrado o que os cientistas chamam de fonte de "vapor seco", em que a pressão é alta o suficiente para movimentar as turbinas da usina com excepcional força, sendo assim uma fonte eficiente na geração de eletricidade. São encontradas fontes de vapor seco em Larderello, na Itália e em Cerro Prieto, no México. 4.9.4. Vantagens e Desvantagens da Energia Geotérmica Aproximadamente todos os fluxos de água geotérmicos contém gases dissolvidos, sendo que estes gases são enviados à usina de geração de energia junto com o vapor de água. De um jeito ou de outro estes gases acabam indo para a atmosfera. A descarga de ambos, vapor de água e CO2 não são de séria significância na escala apropriada das usinas geotérmicas. Por outro lado, o odor desagradável, a natureza corrosiva, e as propriedades nocivas do ácido sulfídrico (H2S) são causas que preocupam. Nos casos onde a concentração de ácido sulfídrico (H2S) é relativamente baixa, o cheiro do gás causa náuseas. Em concentrações mais altas pode causar sérios problemas de saúde e até a morte por asfixia. É igualmente importante que haja tratamento adequado a água vinda do interior da Terra, que invariavelmente contém minérios prejudiciais à saúde. Não deve ocorrer simplesmente seu despejo em rios locais, para que isso não prejudique a fauna local. Quando uma grande quantidade de fluido aquoso é retirada da Terra, sempre há a chance de ocorrer subsidência na superfície. O mais drástico exemplo de um problema desse tipo numa usina geotérmica em Wairakei - Nova Zelândia. O nível de superfície afundou 14 metros entre 1950 e 1997 e está deformando a uma taxa de 0,22 metro por ano, após alcançar uma taxa de 0,48 metros por ano em meados dos anos 70. Acredita- se que o problema pode ser atenuado com re-injeção de água no local. Há ainda o inconveniente da poluição sonora que afligiria toda a população vizinha ao local de instalação da usina, pois, para a perfuração do poço é necessário o uso de maquinário semelhante ao usado na perfuração de poços de petróleo. 38 4.10. Os Biocombustíveis Os Biocombustíveis são combustíveis de origem biológica. São fabricados a partir de vegetais, tais como, milho, soja, cana-de-açúcar, mamona, canola, babaçu, cânhamo, entre outros. O lixo orgânico também pode ser usado para a fabricação de biocombustível. Os biocombustíveis podem ser usados em veículos (carros, caminhões, tratores) integralmente ou misturados com combustíveis fósseis. Aqui no Brasil, por exemplo, o diesel é misturado com biodiesel. Na gasolina também é adicionado o etanol. A vantagem do uso dos biocombustíveis é a redução significativa da emissão de gases poluentes. Também é vantajoso, pois é uma fonte de energia renovável ao contrário dos combustíveis fósseis (óleo diesel, gasolina querosene, carvão mineral). Por outro lado, a produção de biocombustíveis tem diminuído a produção de alimentos no mundo. Buscando lucros maiores, muitos agricultores preferem produzir milho, soja, canola e cana-de-açúcar para transformar em biocombustível. Os principais biocombustíveis são: etanol (produzido a partir da cana-de-açúcar e milho), biogás (produzido a partir da biomassa), bioetanol, bioéter, biodiesel, entre outros. 4.10.1. Bioetanol O Bioetanol é o gênero que compreende todos os processos de obtenção de etanol cuja matéria-prima empregada seja a biomassa, como por exemplo, a cana- de-açúcar, o milho e a celulose. É um tipo de biocombustível. No Brasil ele é produzido em grande escala utilizando como matéria-prima a cana-de-açúcar. Há também a produção em outros 39 países como os EUA e a França, que utilizam o milho e a beterraba, respectivamente. Entretanto o processo brasileiro é o mais avançado, pois, para cada unidade de energia utilizada no processo, são geradas cerca de 8 unidades de energia na forma de etanol enquanto no processo americano essa relação é de cerca de 1 para 1,3 atualmente. O processo francês alcança a marca de 1 para 1,5 . Além disso, no processo brasileiro começa a tornar-se cada vez mais comum a utilização do bagaço da cana, sobra do processo, para a geração de eletricidade. O bioetanol ainda é muito criticado por alguns grupos de pessoas que consideram desperdício de alimentos que poderiam alimentar seres vivos. O processo de fabricação de etanol a partir de resíduos vegetais é dividido em quatro etapas: Pré-tratamento ácido do bagaço de cana Na primeira etapa, há o pré-tratamento do bagaço de cana, onde no reator o resíduo é submetido à quebra da estrutura cristalina da fibra do bagaço de cana e a recuperação de açúcares mais fáceis de hidrolisar. Deslignificação Em seguida, vem a etapa de deslignificação. É retirada a lignina, complexo que dá resistência à fibra e protege a celulose da ação de microorganismos, porém apresenta grande inibição ao processo fermentativo. Fermentação Na terceira fase, o líquido proveniente do pré-tratamento ácido, rico em açúcares, é fermentado pela levedura Pichia stipitis adaptada para ser utilizado nesta fermentação. O sólido proveniente da etapa de deslignificação rico em celulose, também é tratado: ele passa por um processo de sacarificação (transformação em açúcares) por meio de enzimas e é fermentado pela levedura Sacharomyces cerevisiae, o mesmo fungo utilizado na fabricação de pães. As empresas ainda estudam as enzimas mais eficazes para este processo de fabricação, testando enzimas disponíveis no mercado e pesquisando novos preparados enzimáticos. Destilação Na etapa final, ambos os líquidos provenientes das diferentes fermentações são 42 Decorrentes da produção do biodiesel pela rota alcoólica surgem resíduos que necessitam de estudos para aproveitamentos e recuperação e/ou transformação em outros produtos. Como resíduos dessa produção encontram-se: a glicerina, como subproduto do processo químico; as tortas que podem se transformar farelos após tratamentos específicos; a soda que pode ser parcialmente recuperada; a água usada na lavagem e separação do biodiesel, entre outros resíduos que surgem em proporções menores. 43 4.10.4. Vantagens e Desvantagens do Biodiesel As vantagens do biodiesel * É uma energia renovável. As terras cultiváveis podem produzir uma enorme variedade de oleaginosas como fonte de matéria-prima para o biodiesel. * É constituído por carbono neutro, ou seja, o combustível tem origem renovável ao invés da fóssil. Desta forma, sua obtenção e queima não contribuem para o aumento das emissões de CO2 na atmosfera, zerando assim o balanço de massa entre emissão de gases dos veículos e absorção dos mesmos pelas plantas. * Possui um alto ponto de fulgor, conferindo ao biodiesel manuseio e armazenamento mais seguros. * Apresenta excelente lubricidade, fato que vem ganhando importância com o advento do petrodiesel de baixo teor de enxofre, cuja lubricidade é parcialmente perdida durante o processo de produção. * Contribui para a geração de empregos no setor primário. Com isso, evita o êxodo do trabalhador no campo, reduzindo o inchaço das grandes cidades e favorecendo o ciclo da economia autossustentável essencial para a autonomia do país. * Com a incidência de petróleo em poços cada vez mais profundos, muito dinheiro esta sendo gasto na sua prospecção, o que torna cada vez mais onerosa a exploração e refino das riquezas naturais do subsolo, havendo então a necessidade de se explorar os recursos da superfície, abrindo assim um novo nicho de mercado, e uma nova oportunidade de uma aposta estratégica no sector primário. * Nenhuma modificação nos atuais motores do tipo ciclo diesel faz-se necessária para misturas de biodiesel com diesel de até 20%, sendo que percentuais acima de 20% requerem avaliações mais elaboradas do desempenho do motor. Desvantagens na utilização do biodiesel * Não se sabe ao certo como o mercado irá assimilar a grande quantidade de glicerina obtida como subproduto da produção do biodiesel (entre 5 e 10% do produto bruto). A queima parcial da glicerina gera acroleína, produto suspeito de ser cancerígeno. 44 * No Brasil e na Ásia, lavouras de soja e dendê, cujos óleos são fontes potencialmente importantes de biodiesel, estão invadindo florestas tropicais que são importantes bolsões de biodiversidade. Muitas espécies poderão deixar de existir em consequência do avanço das áreas agrícolas, entre as espécies, podemos citar o orangotango ou o rinoceronte de Sumatra. Embora no Brasil, muitas lavouras não serem ainda utilizadas para a produção de biodiesel, essa preocupação deve ser considerada. * A produção intensiva da matéria-prima de origem vegetal leva a um esgotamento das capacidades do solo, o que pode ocasionar a destruição da fauna e flora, aumentando, portanto o risco de erradicação de espécies e o possível aparecimento de novos parasitas como o parasita causador da Malária. * O balanço de CO2 do biodiesel não é neutro se for levado em conta à energia necessária a sua produção, mesmo que as plantas busquem o carbono à atmosfera: é preciso ter em conta a energia necessária para a produção de adubos, para a locomoção das máquinas agrícolas, para a irrigação, para o armazenamento e transporte dos produtos. * Cogita-se a que poderá haver uma subida nos preços dos alimentos, ocasionada pelo aumento da demanda de matéria-prima para a produção de biodiesel. Como exemplo, pode-se citar alguns fatos ocorridos em Portugal, no início de Julho de 2007, quando o milho era vendido a 200 euros por tonelada (152 em Julho de 2006), a cevada a 187 (contra 127), o trigo a 202 (137 em Julho de 2006) e o bagaço de soja a 234 (contra 178). O uso de algas como fonte de matéria-prima para a produção do biodiesel poderia poupar as terras férteis e a água doce destinadas à produção de alimentos. Conclusão do Curso Olá. Chegamos ao fim do nosso curso! Espero que tenha compreendido a importância de Reduzir o Lixo, Reaproveitar o que for possível e então Reciclar. Um sistema eficiente de Coleta Seletiva e