Fontes Alternativas de Energia

KLS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA Fontes alternativas de energia Gabriela Marcomini de Lima Fontes alternativas de energia 2017 Editora e Distribuidora Educacional SA Avenida Paris 675 Parque Residencial João Piza CEP 86041100 Londrina PR email editoraeducacionalkrotoncombr Homepage httpwwwkrotoncombr Dados Internacionais de Catalogação na Publicação CIP Lima Gabriela Marcomini de ISBN 9788552201755 1 Recursos energéticos I Título CDD 3337 Lima Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2017 192 p L732f Fontes alternativas de energia Gabriela Marcomini de 2017 por Editora e Distribuidora Educacional SA Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Editora e Distribuidora Educacional SA Presidente Rodrigo Galindo VicePresidente Acadêmico de Graduação Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Alberto S Santana Ana Lucia Jankovic Barduchi Camila Cardoso Rotella Cristiane Lisandra Danna Danielly Nunes Andrade Noé Emanuel Santana Grasiele Aparecida Lourenço Lidiane Cristina Vivaldini Olo Paulo Heraldo Costa do Valle Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica Carolina Belei Saldanha Mauricio Dester Paulo Sérgio Siberti da Silva Editorial Adilson Braga Fontes André Augusto de Andrade Ramos Cristiane Lisandra Danna Diogo Ribeiro Garcia Emanuel Santana Erick Silva Griep Lidiane Cristina Vivaldini Olo Sumário Unidade 1 Energia elétrica e o desenvolvimento social Seção 11 Fontes de energia Seção 12 Matriz energética nacional Seção 13 Fontes de energia renovável e não renovável 7 9 24 37 Unidade 4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos Seção 41 Biocombustíveis Seção 42 Célula a combustível Seção 43 Aproveitamento energético do lixo urbano e resíduos industriais 145 148 162 176 Unidade 2 Energia solar eólica e de biomassa Seção 21 Energia solar Seção 22 Energia eólica Seção 23 Energia de biomassa 53 56 69 84 Unidade 3 Energia hidráulica e gaseificação Seção 31 Carneiro hidráulico e roda dágua Seção 32 Microcentrais hidroelétricas Seção 33 Gaseificação 101 104 117 130 Palavras do autor Bemvindo à disciplina Fontes alternativas de energia Você certamente tem conhecimento de toda a problemática ambiental envolvida na exploração e utilização de algumas fontes de energia principalmente as ditas não renováveis Aliado a isso o modelo de desenvolvimento econômico atual pautado no uso intenso de energia e no crescente aumento de sua demanda tem exigido que sejam adotadas estratégias para o aumento da eficiência energética de produtos e processos e que ocorra diversificação da matriz energética pela inserção de fontes alternativas de energia Nesse contexto é importante que você tenha uma visão crítica sobre a matriz energética brasileira e tenha conhecimento sobre as fontes de energia disponíveis sobre as vantagens e desvantagens de sua exploração e sobre as situações em que elas poderão ser exploradas Ao término desta disciplina esperase que você conheça e compreenda a matriz energética nacional e as diferentes fontes alternativas de energia suas principais características vantagens e impactos socioambientais Para isso é importante que você leia atentamente o material de estudos que é composto por quatro unidades São elas Unidade 1 Energia elétrica e o desenvolvimento social nessa unidade você conhecerá compreenderá e saberá discutir a matriz energética nacional considerando as perspectivas de tendências passada e futura Unidade 2 Energia solar eólica e de biomassa aqui você identificará as aplicações da energia solar eólica e biomassa e conhecerá suas principais características sob as óticas técnica econômica e socioambiental Unidade 3 Energia hidráulica e gaseificação esta unidade proporcionará a você o conhecimento sobre as aplicações e o funcionamento do Carneiro Hidráulico e Roda dágua Microcentrais Hidrelétricas e Gaseificadores e Unidade 4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos o objetivo da unidade é fazer com que você saiba as características e os fatores que possibilitam a viabilidade da utilização de biogás da célula a combustível e do aproveitamento de resíduos Antes de começar o seu estudo sobre energias alternativas reforçamos a importância de você realizar as leituras complementares pois assim como o livro didático elas são essenciais para a construção de seu conhecimento Bons estudos Unidade 1 Energia elétrica e o desenvolvimento social Convite ao estudo Iniciaremos agora a primeira unidade de ensino do seu livro didático intitulada Energia elétrica e o desenvolvimento social A realização de nossas atividades diárias e inclusive a nossa sobrevivência está condicionada à presença de energia O simples fato de você estar neste momento lendo este material implica ou implicou na utilização de energia ela foi empregada na produção e disponibilização do livro didático até você e pode estar sendo utilizada neste momento enquanto você realiza a leitura Por isso é fácil afirmar que o estilo atual de vida que adotamos exige um suprimento constante e crescente de energia Quando falamos em energia elétrica logo pensamos nas grandes usinas hidrelétricas que são de fato a principal fonte de energia pertencente à matriz energética elétrica nacional porém não é a única Nesta unidade você compreenderá não apenas os conceitos as fontes e as formas de utilização de energia mas também conhecerá a matriz energética atual do Brasil o seu passado e as tendências futuras É importante entender que a matriz energética mundial pautada principalmente no uso de combustíveis fósseis tem mostrado há tempos sinais de esgotamento Tal fato tem forçado discussões sobre a exploração de fontes renováveis de energia como forma de minimizar os impactos socioeconômicos e ambientais negativos advindos do uso de recursos não renováveis como fonte energética Pensando em todo esse contexto vamos colocálo em uma situação hipotética para que você possa aplicar os conteúdos que aprenderá nesta unidade Isso também irá preparálo para possíveis situações parecidas como essa em seu futuro profissional Assim imaginese na seguinte situação você foi convidado para compor uma comissão de discussão na qual será realizada uma análise da matriz energética brasileira e do potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição A partir dessa análise será redigido um relatório destinado ao Governo Federal com o objetivo de incentivar uma mudança na matriz energética nacional A sua participação nesta comissão está detalhada em três etapas seção após seção nas situaçõesproblemas propostas ao longo desta unidade de ensino Você conhece a matriz energética brasileira Sabe que outras fontes de energia são exploradas no Brasil As respostas para estes e outros questionamentos poderão ser encontradas adiante Portanto inicie os seus estudos U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 9 Seção 11 Fontes de energia Muitas críticas têm sido direcionadas à matriz energética nacional que ainda tem o petróleo uma fonte não renovável de energia como principal fonte explorada no Brasil Quando o assunto é a matriz energética elétrica as hidrelétricas também têm levantado muitos questionamentos principalmente direcionados aos impactos ambientais e sociais resultantes da construção das grandes barragens Não é incomum que tais questões caiam nas rodas de discussões populares já que frequentemente os noticiários anunciam o aumento nos preços da gasolina ou na tarifa de energia elétrica causando certo fervor na população Como vimos anteriormente você foi inserido em uma comissão que realiza uma análise da matriz energética brasileira e do potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição Isso gerará um relatório para incentivar uma alteração na matriz energética nacional Imagine que no primeiro dia de debate da comissão para a formulação do relatório foi feito um alerta sobre os problemas relacionados à exploração e uso do petróleo que apesar dos impactos ambientais associados ainda é a fonte energética mais explorada mundialmente Nesse contexto a comissão decidiu inserir uma consideração sobre as fontes de energia alternativas que poderiam ser melhor exploradas no Brasil visando minimizar os prejuízos ambientais decorrentes do uso de combustíveis fósseis A esse respeito os seguintes pontos foram discutidos que fontes de energia poderiam ser incluídas nesse relatório Como essas fontes são utilizadas Qual seria um argumento favorável à substituição do petróleo como principal fonte energética Qual seria o seu posicionamento a respeito dessas questões As respostas a esses questionamentos integrarão a primeira parte do relatório e nesta seção você poderá obter informações para a resolução desse problema enfocando principalmente os conteúdos que tratam das fontes de energia e sua utilização Diálogo aberto U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 10 A presença de energia é uma condição fundamental para que haja vida no planeta Terra Essa energia não é apenas o suprimento diário do qual necessitamos para que nossas células trabalhem incansavelmente para nos manter vivos mas dela da energia também dependem o nosso conforto e bemestar Presenciamos a energia o tempo todo mas você saberia conceituar energia Por mais simples que pareça essa não é uma tarefa muito fácil Simploriamente falando energia pode ser definida como a capacidade de realizar trabalho Tal conceito tornase por vezes muito vago se não levarmos em consideração de que tipo de energia estamos falando já que além de trabalho ela também pode produzir calor Molina Júnior e Romanelli 2015 p 22 afirmam que Você deve ter notado no exemplo que ora falamos em energia potencial ora em energia cinética Uma forma de energia pode sim ser transformada em outra e é esse o pontochave da questão A energia não se cria e não pode ser destruída ela se transforma É justamente por isso que podemos obter energia de diversas fontes como do Sol das águas dos ventos dos resíduos etc Diálogo aberto Exemplificando Para melhor compreensão do conceito de energia vamos analisar um exemplo um dos processos envolvidos na geração de energia hidrelétrica é a movimentação das turbinas pela força das águas isto é um trabalho que só é possível graças à energia dispensada nesse processo Em uma hidrelétrica a energia da água não é diretamente utilizada para a produção de energia elétrica é necessário que a energia potencial gravitacional da água represada seja transformada gradativamente em energia cinética de translação nos condutos forçados em energia cinética de rotação nas turbinas e finalmente em energia elétrica nos geradores numa forma generalizada podese conceituar que energia é a capacidade de realizar mudanças por meio da diferença de temperatura calor ou de localização espacial deslocamento por energia cinética ou potencial U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 11 Agora que você já está familiarizado com os termos energia cinética energia potencial e energia mecânica chegou a hora de compreendêlos de forma mais detalhada A energia pode ser classificada quanto ao movimento das partículas ou corpos e quanto à sua natureza física Quanto ao Pesquise mais Para que você entenda com clareza a relação entre trabalho e energia é necessário que você recorde alguns princípios fundamentais de física com destaque para as três leis de Newton que regem a mecânica básica e buscam explicar os fenômenos envolvidos na força e movimento dos corpos Para isso leia o artigo Mecânica calor e ondas Capítulo 4 As leis de Newton de Zilio e Bagnato 2008 Disponível em httpwwwfotonicaifscuspbrebookbook3Capitulo4 Acesso em 3 abr 2017 Assimile Determinados sistemas mecânicos que não sofrem influência de fenômenos térmicos ou eletromagnéticos são regidos pelo Princípio da conservação da energia Este princípio embasa a afirmação de que a energia não pode ser criada e nem destruída mas somente transformada de uma forma em outra A energia mecânica é a soma da energia cinética a energia potencial As energias potencial e cinética podem variar em um sistema fechado e ideal mas a soma de ambas é constante e igual à energia mecânica Relembrando o exemplo da usina hidrelétrica a energia potencial é transformada gradativamente em energia cinética nos condutos forçados Inicialmente a água possui apenas energia potencial Na medida em que uma massa de água se aproxima da turbina percorrendo os condutos forçados a energia potencial inicial vai se transformando em energia cinética Ao chegar na turbina quase toda energia potencial foi transformada em energia cinética Todavia a soma de ambas resulta sempre na energia mecânica do sistema energia potencial mais energia cinética U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 12 movimento a energia pode ser cinética ou potencial e quanto à natureza física classificase em mecânica eletromagnética química nuclear etc Em termos gerais a energia potencial relacionase com a energia que é armazenada nas partículas e a energia cinética tem relação com a velocidade dos objetos SGUAZZARDI 2014 p 92 Já a energia mecânica é formada pela junção da energia potencial energia cinética e energia interna grau de agitação das moléculas ou partículas que constituem a substância e que está associado à temperatura da substância ou seja quanto maior a temperatura maior o grau de agitação das moléculas ou partículas Além da energia cinética e potencial que juntas formam a energia mecânica podemos encontrar outros tipos de energia dentre as quais destacamse eletromagnética química e nuclear A energia eletromagnética por exemplo a radiação solar pode ser transformada em energia elétrica geração fotovoltaica ou em calor aquecedor solar Sempre que colocamos corpos com diferentes temperaturas em contato ocorrerá uma transferência de calor partindo do corpo de maior para o de menor temperatura Essa transferência de calor entre os corpos pode ocorrer por meio de condução convecção ou radiação A condução ocorre quando existe contato físico entre superfícies com temperaturas diferentes e nesse caso a transferência de energia ocorrerá por meio da vibração das moléculas que compõem a substância Na convecção que ocorre mais comumente em meio líquido e gasoso as moléculas aquecidas ascendem promovendo o surgimento de correntes de água e movimentação do ar na atmosfera A radiação promove transferência de calor pela emissão de ondas eletromagnéticas sendo a forma como a energia solar atinge a Terra já que essas ondas podem se propagar no vácuo sem a necessidade de massa para que a energia seja transferida aos corpos Essa forma de energia é essencial para a sobrevivência dos seres vivos e precursora de diversas fontes de energia exploradas pelo homem com destaque especial para a energia solar U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 13 Para que você compreenda o que é a energia química é preciso relembrar que as substâncias que formam a matéria são constituídas por moléculas que por sua vez são formadas por átomos de elementos químicos Esses átomos estão unidos por ligações químicas nas quais reside a energia que é adquirida a partir da união dos átomos A energia armazenada nas ligações é liberada para as reações de combustão que nada mais são do que reações entre uma substância que atua como combustível e um comburente normalmente gases sendo o oxigênio o principal deles Como resultado da combustão uma reação química exotérmica ocorre a liberação de calor Graças à energia química podemos explorar os combustíveis fósseis petróleo e derivados gás natural e carvão como fontes energéticas É possível estimar o conteúdo energético dos combustíveis fósseis por meio do cálculo da energia liberada na combustão dessas substâncias Para compreender a energia nuclear é importante lembrar que os átomos dos elementos químicos são formados por um núcleo que contém prótons e nêutrons e elétrons que o circundam As quantidades de prótons e nêutrons presentes no núcleo são diferentes quando há uma quantidade excessiva ou deficiente de nêutrons ou uma grande quantidade de prótons os núcleos tornamse instáveis e podem alcançar a estabilidade quando Vale a pena aprofundar os seus estudos nos conceitos de eletricidade e eletromagnetismo enfocando principalmente a eletrostática a eletrodinâmica e os geradores de eletricidade que tratam respectivamente dos fenômenos relacionados ao equilíbrio das cargas elétricas do deslocamento de cargas elétricas e de equipamentos utilizados para produzir corrente elétrica a partir de energia mecânica Leia o material Leituras de Física HOSOUME Y et al 1998 indicado a seguir para aprofundar o seu conhecimento sobre o tema Disponível em httpwwwifuspbrgrefeletroeletro4pdf Acesso em 1 jun 2017 Pesquise mais U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 14 sofrem decaimento nuclear Esse processo libera uma grande quantidade de energia que é denominada radioatividade A energia armazenada no núcleo do átomo pode ser obtida por meio da fusão e da fissão nuclear Na fusão nuclear dois núcleos de átomos unemse para formar um único núcleo reação que libera uma quantidade enorme de energia A reação de fusão nuclear ocorre no Sol e pode ser empregada artificialmente na reação entre átomos de hidrogênio produzindo hélio visando à geração de energia Na fissão nuclear um núcleo de átomo é dividido em dois liberando grande quantidade de energia Um exemplo de fissão é a que ocorre nos átomos de urânio com potencial para a geração de energia A energia nuclear tem grande potencial na substituição de combustíveis fósseis no entanto durante muito tempo discutiu se a respeito dos problemas relacionados ao descarte de resíduos que sua exploração produz Atualmente a grande preocupação reside na garantia da segurança para evitar ou mitigar da forma correta possíveis acidentes que possam ocorrer Os rejeitos radioativos são controlados e classificados de acordo com o seu teor de radioatividade Alguns podem sofrer reciclagem e na sua inviabilidade são armazenados em recipientes que impedem a passagem de radiação Até agora você estudou sobre como se manifestam os diferentes tipos de energia É importante que você saiba que existe uma relação entre o tipo de energia e as fontes das quais ela é explorada a energia mecânica pode ser obtida de fontes como os ventos marés e água o Sol é uma fonte de energia eletromagnética a energia química provém de fontes como biomassas e combustíveis fósseis e a fusão de núcleos de hidrogênio ou fissão de urânio são fontes de energia nuclear Veremos a seguir um pouco mais sobre as fontes de energia e suas formas de utilização Podemos classificar as fontes de energia em renováveis e não renováveis As fontes de energia renováveis são derivadas direta ou indiretamente da luz solar com exceção da energia geotérmica proveniente do calor emanado do núcleo da Terra A característica inesgotável dessas fontes aliada à introdução de novas tecnologias U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 15 tornam a sua exploração atrativa em países que carecem de uma rede elétrica desenvolvida já que o custobenefício de geradores de pequeno porte movidos à energia eólica e solar por exemplo é mais vantajoso do que a instalação de extensas redes elétricas SPIRO STIGLIANI 2009 Tal exploração é dita descentralizada pois privilegia a construção de centrais elétricas de pequeno e médio portes visando ao abastecimento local e regional Como exemplo podemos citar os sistemas descentralizados eólicos solares as mini micro e pequenas centrais hidrelétricas Já os sistemas centralizados muito explorados no Brasil são projetos de grande porte como as hidrelétricas e usinas eólicas que geralmente localizamse longe dos centros consumidores e necessitam de transporte da energia gerada É importante ressaltar que a opção por um planejamento centralizado ou descentralizado de fornecimento de energia deve ser precedida por estudos para a análise de qual alternativa é mais adequada Os combustíveis fósseis como o carvão o gás natural e o petróleo são classificados como fontes de energia não renováveis pois são originados a partir de reservas fossilíferas que se formaram há milhares de anos a partir do soterramento e decomposição de matéria orgânica Além de existirem em quantidade limitada no planeta tanto a extração quanto a utilização desses combustíveis geram impactos ambientais negativos Dando maior enfoque ao petróleo existe o risco de vazamentos que podem afetar todo o ecossistema marinho assim como a própria instalação das plataformas além disso a sua queima libera uma grande quantidade de carbono na atmosfera alterando o ciclo biogeoquímico deste elemento fato relacionado há tempos ao aumento da temperatura média global Apesar de todos os problemas ambientais relacionados ao uso de combustíveis fósseis o petróleo ainda é o principal combustível explorado no mundo Molina Júnior e Romanelli 2015 atribuem esse fato ao menor custo de extração e uso do petróleo se comparado a outras fontes de energia menos poluentes Segundo os autores investimentos para a instalação de usinas termoelétricas que queimam petróleo são menores do que a instalação de U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 16 geradores eólicos e usinas hidrelétricas por exemplo O aspecto socioeconômico ligado ao uso de petróleo e seus derivados é outro fator a ser considerado visto que as atividades da indústria petrolífera são fontes de empregos atraem investidores e geram royalties para o governo No entanto um modelo de desenvolvimento sustentável almeja entre outros aspectos um aumento da eficiência energética e uma matriz renovável com maior exploração de fontes como as eólicas solares biomassa e células a combustível em detrimento da utilização intensiva de combustíveis fósseis Veremos agora as características de algumas fontes de energia para posteriormente compreendermos como elas são utilizadas Sol estrela que ocupa o centro do sistema solar é uma poderosa máquina energética cuja energia emitida pode chegar à superfície terrestre a uma taxa próxima de 1400 Watts por metro quadrado Toda essa energia é oriunda da fusão de átomos de hidrogênio seu principal componente químico correspondendo a cerca de 92 de sua composição Fonte primária de energia o Sol está envolvido direta ou indiretamente em vários processos que viabilizam ao homem o aproveitamento de fontes de energia renováveis é condicionante da fotossíntese que mantém a biomassa vegetal base da cadeia alimentar participa do ciclo da água promovendo a evaporação e a evapotranspiração e atua na formação dos ventos A radiação emitida pelo Sol chega à superfície terrestre na forma de luz e calor que podem variar de intensidade devido ao movimento de translação e à inclinação do eixo de rotação da Terra à medida que o planeta gira ao redor do Sol Por isso no verão os dias são mais longos e há mais radiação solar e o oposto ocorre no inverno A intensidade da radiação solar também pode variar com a latitude pois o ângulo de incidência dos raios solares se altera Quanto maior o ângulo de incidência maior é a radiação solar o que explica porque países tropicais recebem maior radiação solar média ao longo do ano e são candidatos ideais para o aproveitamento energético da radiação solar Ventos os ventos são formados pela diferença de temperatura e pressão entre massas de ar que estão em camadas diferentes da superfície A movimentação dessas massas de ar por diferentes U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 17 direções classifica os ventos em horizontais ascendentes ou verticais descendentes Os ventos horizontais formamse quando as massas de ar quente que estão próximas à superfície elevam se e são ocupadas pelas massas de ar frio que estão ao redor Os ventos verticais ocorrem quando o ar quente próximo a superfície se aquece elevase e é substituído pelo ar que estava na camada de cima No Brasil a distribuição dos ventos é controlada pelos sistemas de Alta Pressão Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul e do Atlântico Norte e pela faixa de baixas pressões da Depressão Equatorial que se estende pelo Oceano Atlântico e ao longo da Região Norte Esse perfil de circulação atmosférica induz ventos persistentes ao Norte da Bacia Amazônica e no litoral da Região Nordeste Ressaltase que a altitude de um terreno o seu modelo de vegetação e a disponibilidade hídrica de um local podem influenciar significativamente no perfil geral de circulação atmosférica promovendo a formação de ventos locais que possuem condições diferentes do perfil geral de circulação atmosférica De acordo com o Atlas de potencial eólico brasileiro AMARANTE BROWER SÁ 2001 as maiores velocidades médias anuais de ventos no Brasil são registradas na Zona litorânea do Nordeste Sudeste uma faixa de 100 km que se estende do Rio Grande do Norte ao Rio de Janeiro Na porção mais ao Norte desta faixa as velocidades médias anuais são de 8 9 ms sendo as maiores médias registradas nas áreas de picos Outro destaque encontrase ao longo do Litoral Sul com velocidades superiores à 7 ms influenciados além dos fatores citados pelas brisas marinhas Água a água é um recurso renovável graças ao seu constante ciclo as águas superficiais são aquecidas pela radiação solar e com o complemento da evapotranspiração de vegetais e animais chega à atmosfera e se condensa formando nuvens A precipitação da água que pode ocorrer na forma líquida ou sólida abastece superficialmente os rios os lagos os oceanos e as geleiras bem como as reservas de água subterrânea por infiltração O Brasil é um país privilegiado com a maior reserva de água doce do mundo e com uma costa de 7367 km banhada pelo Oceano Atlântico Não é difícil entender porque a água é tão explorada como fonte de energia em nosso país U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 18 Biomassa a biomassa pode ser conceituada como a matéria orgânica produzida por seres vivos em diferentes processos vitais e que está disponível na cadeia alimentar tratase portanto de um recurso renovável e que pode ser utilizado para a produção de energia elétrica e biocombustíveis em substituição às fontes não renováveis de energia A celulose presente nos vegetais é uma fonte biológica de energia muito abundante tal energia vem de sua estrutura química formada por hidrogênio carbono e oxigênio unidos entre si por ligações químicas Qualquer fonte de matéria orgânica constitui biomassa com potencial energético no entanto algumas são mais amplamente utilizadas para essa finalidade do que outras com destaque para a vegetação de florestas os resíduos do agronegócio os resíduos urbanos os lodos e os gases de aterros sanitários O Brasil é o maior produtor de canadeaçúcar do mundo cujo aproveitamento ocorre na produção de biocombustível etanol e queima do bagaço da cana para geração de calor e eletricidade Ao longo de seu dia você faz uso das fontes de energia que possui em seu corpo para diversas finalidades Para algumas atividades será utilizada uma quantidade maior de energia para outras a energia dispensada será menor Se a sua reserva energética está limitada você precisará utilizála da melhor forma possível para realizar as atividades sem que falte energia para os processos vitais Nesse caso você precisará melhorar a sua eficiência energética Assim como no exemplo citado a eficiência energética é uma palavra de ordem quando o assunto é utilização das fontes de energia É importante ficar atento à perda de energia útil que ocorre quando convertemos a energia de uma forma para outra Melhorar a eficiência de equipamentos que fazem a conversão energética ainda é um desafio no entanto o desenvolvimento tecnológico tem propiciado um grande avanço na área As fontes de energia podem ser utilizadas para a geração de eletricidade e produção de calor de tal forma que é possível converter calor em energia elétrica e viceversa Além disso ambas podem ser convertidas em trabalho mecânico Motores térmicos podem ser movidos a petróleo e derivados carvão mineral gás natural e biomassa os sistemas fotovoltaicos U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 19 podem utilizar a radiação solar para aquecer água e ambientes as usinas eólicas e hidroelétricas convertem a energia mecânica em energia elétrica utilizada para abastecer os centros urbanos As células a combustível podem ser utilizadas para converter diretamente a energia química em eletricidade Como você percebeu as fontes de energia podem ser utilizadas de formas diversas No entanto o sucesso dessa utilização depende entre outros fatores da armazenagem da eletricidade Antes de propor um plano de utilização de uma fonte de energia é necessário observar a sua natureza intermitente que pode representar uma desvantagem em sua utilização como é o caso das energias eólica e solar Agora é o momento de resolvermos a problemática apresentada anteriormente no Diálogo aberto Lembrese de que nela você foi inserido em uma comissão que analisa a matriz energética brasileira e o potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição A partir dessa comissão será gerado um relatório para incentivar uma alteração na matriz energética nacional No primeiro dia de debates você deveria se posicionar sobre as fontes de energia que poderiam ser incluídas nesse relatório e como essas fontes são utilizadas Este momento portanto referese à composição da sua primeira etapa de elaboração do documento na qual você deverá esclarecer que fontes de energia poderiam ser incluídas nesse relatório Como essas fontes são utilizadas Qual seria um argumento favorável à substituição do petróleo como principal fonte energética Reflita Ao longo deste conteúdo você teve a oportunidade de conhecer um pouco sobre as formas de obtenção de energia suas fontes e formas de utilização Pensando em tudo que você estudou até o momento você acredita que é possível que as fontes renováveis substituam integralmente as não renováveis Reflita sobre o assunto Sem medo de errar U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 20 Com relação às fontes de energia que poderiam ser incluídas você viu anteriormente que o Brasil tem grande potencial para a utilização de fontes renováveis de energia Possui a maior reserva de água doce do planeta cuja exploração com fins energéticos pode se dar por meio das grandes usinas hidrelétricas ou pequenas mini e microcentrais Vimos que o nosso país apresenta o litoral da Região Norte a Sul com ventos persistentes capazes de serem amplamente utilizados na movimentação de geradores eólicos que podem ser utilizados para abastecimento de energia elétrica É um país tropical fator que permite que a radiação solar recebida seja frequente ao longo do ano e facilmente captada por sistemas de energia solar Um pontochave mencionado nesta comissão é a preocupação em substituir os combustíveis fósseis como fonte energética com destaque para o petróleo O principal argumento favorável à substituição do petróleo como principal fonte energética se dá pela grande disponibilidade de resíduos de biomassa gerada no país em decorrência de um conjunto de fatores que inclui a disponibilidade hídrica e a insolação A energia proveniente da biomassa pode ser utilizada na produção de biocombustíveis para o abastecimento de motores à combustão de automóveis e no aquecimento de caldeiras em usinas Os pontos apresentados constituem importantes dados a serem inseridos na composição da primeira parte de seu relatório Vale lembrar que outros aspectos mencionados no Não pode faltar poderiam ser acrescentados para enriquecer o documento Por isso releia o conteúdo e complemente com mais detalhes cada tópico apresentado Energia renovável é possível viver apenas com uma delas Descrição da situaçãoproblema Imagine que você foi convidado para dar uma palestra sobre energia e suas fontes em uma universidade Em certo momento um dos ouvintes levantou uma questão é possível abastecer um país como o Brasil utilizando apenas a energia solar ou eólica Pensando sobre as características das fontes e suas formas de utilização proponha uma explicação para a questão Avançando na prática U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 21 Resolução da situaçãoproblema Você poderia afirmar ao ouvinte que não Tanto a energia solar quanto a energia eólica são consideradas fontes intermitentes de energia Com relação à exploração da força dos ventos para a geração de energia a altitude de um terreno o seu modelo de vegetação e a disponibilidade hídrica podem provocar alterações significativas no perfil geral de circulação atmosférica promovendo a formação de ventos locais que possuem condições diferentes do perfil geral de circulação atmosférica A intensidade da radiação solar também pode sofrer variações sazonais devido ao movimento de rotação do planeta Terra e em consequência de fatores climáticos O ideal é que antes de propor um plano de utilização das energias renováveis seja feito um levantamento das condições particulares de cada localidade sempre levando em consideração fatores como o relevo e o clima da região Faça valer a pena 1 O maior projeto da ciência brasileira vai virar realidade O acelerador de partículas Sirius em construção em Campinas SP tem como objetivo aproveitar a radiação eletromagnética proveniente da aceleração de elétrons como insumo para o desenvolvimento de pesquisa científica Ele funciona da seguinte forma os elétrons são acelerados a velocidades próximas a da luz e produzem uma luz chamada sincrotron que poderá ser utilizada entre outras funções para estudar a estrutura atômica de materiais O projeto que tem custo estimado em R 13 bilhão deverá ficar pronto em 2018 Disponível em httpcienciaestadaocombrblogshertonescobar maiorprojetodacienciabrasileiraganhaacanetadaquefaltava paravirarrealidade Acesso em 23 mar 2017 De forma análoga à radiação eletromagnética produzida pelo Sirius para estudar a estrutura atômica de materiais a radiação solar chega ao planeta Terra de forma natural e é aproveitada para a geração de energia Sobre os tipos de energia assinale a alternativa correta a A energia eletromagnética pode ser utilizada para movimentar turbinas por meio de trabalho mecânico mas não para o aquecimento de água e tampouco para produzir eletricidade em sistemas fotovoltaicos U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 22 b O aproveitamento energético das águas em hidrelétricas só é possível pois a água represada possui energia cinética ao invés da energia potencial o que resulta em um trabalho mecânico que gira as turbinas c Uma das formas de aproveitamento energético da biomassa é por meio do processo de combustão que libera a energia química armazenada nas ligações entre os átomos d O maior problema relacionado ao aproveitamento da energia nuclear é que ainda não se sabe se a energia produzida poderia ser aproveitada para a geração de eletricidade e O aproveitamento das ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol ainda encontra barreiras pois ela precisa de um meio para se propagar 2 Conhecida por suas densas florestas e belas cascatas a ilha de Kauai no Havaí tem uma abundância de luz solar de fazer inveja Apesar disso a ilha depende muito de óleo diesel fonte de eletricidade cara e poluente que destoa do seu cenário paradisíaco Mas isso vai mudar Mirando num futuro mais limpo e sustentável a americana Tesla concluiu nesta semana o megaprojeto de instalação de uma fazenda solar na ilha Como o sol não brilha a todo tempo a empresa do Vale do Silício também instalou um conjunto de baterias para armazenamento de energia durante os picos de produção Fonte Revista Exame 12 mar 2017 Disponível em httpexameabrilcombrnegociosomegaprojeto dateslaquegarantiraenergiasolar24hnohavai Acesso em 1 jun 2017 O projeto desenvolvido no Havaí vai ao encontro da resolução de alguns problemas relacionados à energia e suas fontes Sobre o assunto analise as afirmativas a seguir I De acordo com o texto é possível afirmar que o projeto tem como um de seus objetivos priorizar o uso de fontes renováveis de energia em substituição às fontes não renováveis já que a poluição é um aspecto que não condiz com a beleza natural do lugar II Com a instalação das baterias a energia solar deixa de ser uma fonte intermitente de energia podendo substituir em larga escala o óleo diesel III Provavelmente a energia solar captada na fazenda solar de Kauai poderá ser utilizada à noite e em dias com muita nebulosidade Enunciado Sobre as afirmativas é correto dizer que a Apenas as afirmativas I e II estão corretas b Apenas as afirmativas I e III estão corretas c Apenas as afirmativas II e III estão corretas d Apenas a afirmativa I está correta e Apenas a afirmativa III está correta U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 23 3 O jornal Noticiário de Pernambuco anunciou no dia dez de março de 2017 a subida do Brasil no ranking mundial de capacidade instalada de energia eólica O país ocupa o quinto lugar no ranking após a nova instalação de 2 GW em 2016 passando a responder por 22 da capacidade global O mapa a seguir indica a localização dos projetos eólicos outorgados no Brasil até janeiro de 2002 Observe e em seguida analise as afirmativas I Apesar dos dados serem de 2002 o mapa condiz com a realidade climática brasileira já que os únicos lugares viáveis para a construção de geradores eólicos estão na Região Nordeste do país detentora de ventos fortes e persistentes II É necessário um estudo prévio da viabilidade técnica e econômica de projetos de usinas eólicas pois fatores como o relevo o tipo de vegetação presente e a disponibilidade hídrica podem influenciar no perfil da circulação das massas de ar Tal fato poderia justificar a presença de usinas eólicas em apenas algumas áreas de um mesmo estado III O estado do Ceará representa o principal gerador de energia eólica do país sendo também o detentor das usinas com maior potência Levando em conta as informações apresentadas acima é correto afirmar que a Apenas a afirmativa II está correta b Apenas as afirmativas I e III estão corretas c Apenas as afirmativas I e II estão corretas d Apenas as afirmativas II e III estão corretas e Apenas a afirmativa I está correta Fonte Agência Nacional de Energia Elétrica 2002 p 71 U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 24 Seção 12 Matriz energética nacional Na Seção 11 você conheceu o conceito de energia compreendeu os tipos de energia bem como suas respectivas fontes e ampliou o seu conhecimento a respeito da utilização das fontes de energia Nesta seção você conhecerá as características da matriz energética brasileira e a sua importância para o desenvolvimento socioeconômico do país No Convite ao estudo desta unidade você foi inserido como membro de uma comissão que fará a análise da matriz energética brasileira e do potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição No Diálogo aberto da Seção 11 foi proposto no primeiro dia de debates no qual está inserido que você fizesse algumas considerações a respeito das fontes de energia alternativas que poderiam ser melhor exploradas no Brasil com o objetivo de minimizar os prejuízos ambientais decorrentes do uso de combustíveis fósseis A primeira parte de seu relatório está concluída portanto vejamos os pontos que devem ser destacados na segunda parte de seu relatório nesta seção Imagine que no segundo dia de debates um dos membros da comissão fez a seguinte afirmação a principal fonte de energia participante da matriz elétrica brasileira é a oriunda da energia hidráulica recurso natural abundante no Brasil Apesar de ser uma energia renovável muitas críticas são feitas à utilização da energia hidrelétrica no país Após essa afirmação foi proposta a necessidade de uma nova matriz energética para o país e para compor a segunda parte do relatório você deve fundamentar a proposta dessa nova matriz respondendo às seguintes questões a quais críticas esse membro da comissão se referia Analisando a atual matriz energética do país entre as fontes de energia alternativa utilizadas qual poderia ser melhor explorada no Brasil Justifique a sua resposta Para solucionar esse problema você deverá analisar as fontes de energias que compõem a matriz energética brasileira refletir Diálogo aberto U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 25 sobre as críticas referentes à construção de hidrelétricas e verificar as perspectivas futuras para a matriz brasileira conteúdos que você conhecerá nesta seção O termo matriz energética certamente não é uma novidade para você A matriz energética de um país representa toda as fontes energéticas exploradas transformadas transportadas e disponibilizadas para uso final ou seja ela representa a relação entre as fontes e sua cadeia energética REIS FADIGAS CARVALHO 2012 p 193 É importante que você compreenda que quando falamos em matriz energética apenas englobamos todos os energéticos incluindo aqueles que são utilizados para a produção de energia elétrica ou como fonte de energia para a combustão de motores por exemplo A matriz energética constitui um importante instrumento de avaliação do desenvolvimento socioeconômico de um país Em se tratando de eletricidade Philippi Júnior e Reis 2016 destacam existir uma relação entre o Índice de Desenvolvimento Humano IDH de um país e o consumo de energia elétrica Países que ocupam posições elevadas no ranking do IDH também são aqueles que apresentam o maior consumo per capita de energia elétrica Em 2013 o Brasil ocupou a 75ª posição na oferta interna de energia elétrica per capita e a 70ª posição no ranking de consumo final de Não pode faltar Reflita O que ele significa em termos práticos Exemplificando Quando nos referimos apenas à produção de eletricidade tratamos exclusivamente da matriz de energia elétrica U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 26 eletricidade per capita MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA 2016 Outro aspecto importante relacionado à matriz energética é que sua análise histórica propicia a concepção de instrumentos de gerenciamento e gestão de energia fornecendo subsídios para as tomadas de decisões políticas referentes ao planejamento energético em nível local regional ou nacional No Brasil diferentemente do que se observa na composição da matriz energética mundial ocorre forte presença de fontes renováveis motivo pelo qual ela é considerada uma das mais limpas do mundo A grande responsável pela disparidade entre a utilização de fontes renováveis no Brasil e no restante do mundo é o etanol bagaço da cana e a energia hidroelétrica participando com respectivamente 411 e 275 das fontes renováveis na matriz energética brasileira no ano de 2015 MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA 2016 Outro aspecto de destaque na matriz energética brasileira é a participação reduzida do carvão mineral se comparada com a matriz mundial Apesar disso fontes não renováveis de energia tais como o petróleo e seus derivados o gás natural e o carvão mineral participam de forma significativa na matriz energética brasileira Veja a seguir a característica das fontes de energia componentes da matriz energética por setor Setor de petróleo o Brasil possui a segunda maior reserva de petróleo do continente sulamericano atrás apenas da Venezuela A empresa estatal Petrobras criada em 1953 é responsável pela exploração e refino do petróleo cuja maior parte da produção vem das plataformas marítimas da Bacia de Campos Com uma das maiores produções mundiais desde 2006 o Brasil é autossuficiente em petróleo REIS FADIGAS CARVALHO 2012 Os derivados do petróleo mais comumente utilizados no Brasil como combustíveis são gás liquefeito de petróleo GLP gasolina querosene e óleo diesel Setor de gás natural o gás natural GN composto por uma mistura de hidrocarbonetos sendo o metano o seu principal componente é encontrado no território brasileiro em sua maior parte na Bacia de Campos RJ De 1993 a 2008 houve um significativo aumento na produção do GN no Brasil principalmente U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 27 com relação à sua utilização como fonte de energia elétrica Além da geração de energia o GN é utilizado no Brasil como gás de cozinha e como combustível na indústria Setor carbonífero o carvão mineral assim como o petróleo e o gás natural é um combustível fóssil formado há milhares de anos pela decomposição da matéria orgânica e que hoje se encontra depositado em bacias sedimentares As principais reservas no Brasil estão na Região Sul do país O Brasil é produtor de sete tipos de carvão a partir do beneficiamento do carvão in natura porém a sua utilização é pouco expressiva se comparada aos outros combustíveis fósseis integrantes da matriz Energia nuclear o Brasil está entre os sete países com maiores reservas de urânio no mundo localizadas em seis estados Minas Gerais Goiás Paraná Paraíba Ceará e Bahia Atualmente estão em funcionamento duas usinas nucleares no país a Angra 1 com capacidade de potência de 640 MW e a Angra 2 com potência de 1350 MW Uma terceira unidade a Angra 3 está em fase de instalação Recursos energéticos renováveis o Brasil apresentou um grande avanço com relação à utilização de energias renováveis Atualmente o país conta com um considerável número de fabricantes de coletores solares e desenvolve pesquisas visando à utilização de outros sistemas de captação e conversão de energia térmica a partir da radiação solar Com relação à energia eólica o Brasil é considerado hoje um dos maiores produtores ocupando lugar de destaque entre as nações em que a exploração de energia eólica mais cresce Mais de 16 mil MW de energia foram contratados o equivalente ao que é gerado pela usina de Itaipu sendo que desses quase 8 mil MW são de empreendimentos que já estão produzindo eletricidade A maior parte das usinas eólicas em operação estão localizadas atualmente na Região Nordeste O país conta com fabricantes de turbinas eólicas espalhados pelas Regiões Nordeste Sudeste e Sul EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA 2014a A energia hidráulica segue sendo a mais explorada entre as fontes renováveis para a geração de energia elétrica no país com U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 28 potencial para a geração de 2000 TWh por ano Tal fato é resultado do número de reservatórios de água no país e é responsável pela posição de destaque do Brasil entre os países que mais utilizam fontes de energia renováveis para a geração de energia elétrica A polêmica Usina de Belo Monte inaugurada em 2016 e que há vários anos causa discussões e conflitos acerca dos impactos ambientais de sua instalação é a maior já construída no país com capacidade para geração de mais de 11200 MW o suficiente para atender 60 milhões de pessoas A energia de biomassa participa de forma expressiva da matriz energética brasileira conforme visto na seção anterior A principal fonte explorada no Brasil é a canadeaçúcar seguida pela lenha carvão vegetal e biomassa florestal Após a apresentação das características dos setores de produção de energia vamos abrir espaço para compreender a situação atual da matriz energética brasileira O Balanço Energético Nacional BEN é um relatório elaborado e divulgado pela Empresa de Pesquisa Energética EPE que apresenta dados relativos à oferta e ao consumo de energia no Brasil Ele abrange a exploração de recursos energéticos primários aqueles utilizados para produção de energia sua conversão em Assimile Nem sempre uma fonte renovável pode ser considerada uma fonte alternativa As energias alternativas são aquelas que além de serem renováveis podem substituir as fontes de energia atualmente utilizadas em larga escala Esse conceito exclui a energia hidráulica como alternativa embora seja renovável É importante enfatizar também que a instalação e a operação de usinas hidrelétricas levantam discussões sobre os impactos ambientais e sociais como alteração na biota local devido à construção das barragens alteração do curso dos rios desmatamentos e necessidade de deslocamento da população ribeirinha A exemplo de fontes alternativas de energia podese citar a eólica e a solar que podem representar uma alternativa na substituição da hidroeletricidade U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 29 formas secundárias de energia como a eletricidade e distribuição para consumo final De acordo com o BEN publicado em 2016 no ano anterior 2015 houve um crescimento de 771 na geração eólica ultrapassando a geração nuclear e aumento de 186 no consumo de etanol Com base no documento é possível extrair outras informações relevantes como a diminuição no consumo da gasolina em 95 MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA 2016 A oferta total de energia disponibilizada para consumo oferta interna de energia teve uma retração de 21 em 2015 fato que pode estar correlacionado com a contração de 38 do Produto Interno Bruto PIB Notase que a demanda de energia apesar da redução teve um recuo menor do que o PIB Com relação à matriz elétrica houve um aumento de 09 na participação das fontes renováveis de energia passando de 746 em 2014 para 755 em 2015 A explicação para o aumento vem da diminuição da geração térmica com uso de petróleo e derivados e aumento da exploração de energia eólica e de biomassa Na Figura 11 você poderá conhecer como está distribuída a oferta interna de energia no Brasil U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 30 Fonte adaptado de httpsgooglxZzhyU Acesso em 1 jun 2017 Figura 11 Gráficos da oferta interna de energia e energia elétrica no Brasil Conforme observado nos gráficos quando se trata de oferta interna de energia as não renováveis contribuem com mais da metade da matriz energética do país sendo o óleo petróleo e derivados o principal responsável por esse dado Entre as renováveis a canadeaçúcar é a mais utilizada como fonte energética Com elação à matriz elétrica a realidade muda já que a maior parte das fontes é renovável com destaque para a energia hidráulica que contribui com mais de 80 A diversificação da matriz energética é uma questão relevante principalmente considerando uma visão de longo prazo No entanto conforme explica Philippi Júnior e Reis 2016 faltam estratégias e políticas públicas bem definidas sobre a composição da matriz para que seja feito um aproveitamento racional das fontes disponíveis U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 31 Aliado a isso os principais problemas referentes ao setor elétrico brasileiro observados na atualidade residem na falta de articulação entre os órgãos do governo ligados ao setor elétrico na dependência brasileira de importação de tecnologia e equipamentos e na carência de mão de obra especializada E como fica o futuro da matriz brasileira Antes de refletirmos sobre essa questão vamos pensar um pouco a respeito da demanda de energia para os próximos anos No ano de 2014 a Empresa de Pesquisa Energética EPE lançou uma nota técnica com a projeção da demanda de energia elétrica para os próximos 10 anos 2015 a 2024 Nesse documento as indústrias são apontadas como as maiores consumidoras seguidas pelas residências consumindo respectivamente 178055 GWh e 132049 GWh em 2014 Ainda segundo a projeção o crescimento demográfico aliado ao crescimento do PIB trará um aumento na demanda de energia que passa de 525 TWh em 2014 para 786 TWh em 2024 Para que a disponibilidade de energia acompanhe o aumento da demanda a Empresa de Pesquisa Energética elaborou o Plano Nacional de Energia 2030 PNE 2030 um documento que apresenta uma prospecção da matriz energética brasileira até o ano de 2030 Alguns dos aspectos relevantes apontados no documento são A produção do petróleo atingirá cerca de três milhões de barris por dia No entanto acreditase que a participação desse energético e seus derivados na matriz energética do Brasil cairá para 30 O gás natural ganhará participação expressiva na matriz com expectativa de produção superior a 250 milhões m3 por dia em 2030 A canadeaçúcar e seus derivados ocuparão a segunda colocação em importância na matriz energética em 2030 com cerca de 185 atrás apenas do petróleo e derivados A hidroeletricidade continuará como a principal fonte da matriz elétrica no entanto sua participação cairá em decorrência da maior exploração de outras fontes energéticas U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 32 As fontes renováveis não hidráulicas eólica solar biomassa e resíduos urbanos terão um crescimento na participação da matriz alcançando participação de 4 da oferta interna de eletricidade É importante ressaltar que aliada à diversificação das fontes de energia com destaque para a exploração das renováveis não hidráulicas alcançar uma maior eficiência energética é um aspecto importante e que deve ser considerado sempre que o assunto é atendimento futuro da demanda energética Para compor a segunda parte de seu relatório da comissão de discussão sobre a matriz energética brasileira foi proposto que você refletisse sobre a crítica que um membro da comissão direcionou à utilização da energia hidrelétrica e discutisse sobre uma fonte de energia alternativa que pudesse ser melhor explorada no Brasil Inicialmente é importante lembrar que a energia hidráulica é uma fonte renovável de energia pois a água está em constante ciclo na natureza no entanto ela não se enquadra na categoria de energia alternativa já que como visto ao longo desta sessão esse tipo de energia envolve uma alternativa para as fontes exploradas em larga escala há muito tempo o que não é o caso das usinas hidrelétricas A crítica feita pelo membro da comissão pode se referir aos impactos ambientais e sociais decorrentes da instalação de usinas hidrelétricas que envolve alteração do curso dos rios perda de espécies alteração da biota e desmatamento Visto que outras fontes de energia estão disponíveis atualmente é necessário refletir sobre o custobenefício da utilização tão intensa desse tipo de energia Entre as fontes de energia alternativas que poderiam ser melhor exploradas no Brasil podemos destacar a energia eólica uma vez que conforme apresentado anteriormente existe potencial para a produção de 16 mil MW de energia eólica e no entanto apenas 8 mil MW estão sendo gerados Além disso o Brasil possui indústrias Sem medo de errar U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 33 Matriz energética e desenvolvimento sustentável Descrição da situaçãoproblema Imagine que você foi convidado para ministrar uma palestra sobre o futuro da matriz energética brasileira e utilizou como material para fundamentar as discussões o Plano Nacional de Energia 2030 Em um dos momentos de sua palestra você fez os seguintes apontamentos Em 2030 a expectativa é que a participação do gás natural na matriz energética aumente atingindo produção superior a 250 milhões m3 por dia A segunda energia mais participativa na matriz energética em 2030 será a canadeaçúcar e seus derivados contribuindo com cerca de 185 perdendo apenas para o petróleo A principal energia da matriz energética elétrica continuará sendo a hidroeletricidade apesar de sua participação sofrer uma queda devido à exploração de outras fontes A participação das fontes renováveis não hidráulicas aumentará na matriz energética atingindo uma participação de 4 Avançando na prática fabricantes de turbinas isentandoo da necessidade de importação O seu relatório possui então duas partes finalizadas até o momento Na primeira parte você propôs uma alternativa para a substituição do petróleo como combustível e preconizou para isso o uso das fontes renováveis de energia Na segunda parte você fez uma reflexão crítica sobre a utilização de hidrelétricas como fonte de eletricidade e propôs o uso de uma fonte alternativa de energia para substituíla Neste momento é importante que você aprofunde os seus conhecimentos no assunto buscando outras fontes de energia alternativa além da eólica que possuam potencial para serem melhor exploradas no Brasil A seguir propomos mais uma situaçãoproblema para que você avance em seu conhecimento prático sobre o tema U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 34 da oferta interna de energia elétrica Após os apontamentos você foi indagado por um dos ouvintes com a seguinte questão você acredita que o Brasil está no caminho certo para contribuir com o tão debatido desenvolvimento sustentável Para responder a essa questão elabore argumentos que defendam que o Brasil está no caminho certo Resolução da situaçãoproblema Para resolver esse problema é necessário que se tenha em mente que o desenvolvimento sustentável prega um crescimento pautado na exploração racional de recursos de tal forma que as necessidades atuais sejam atendidas sem comprometer o atendimento das necessidades das gerações futuras Pensando exclusivamente em energia é prudente para que o desenvolvimento sustentável seja uma realidade que se priorize a exploração de energias renováveis e principalmente com maior participação das energias alternativas Com base no documento é possível apontar como argumentos para defender que o Brasil está em busca do desenvolvimento sustentável a maior participação da canadeaçúcar e de fontes como eólica solar e resíduos urbanos Além disso a participação do petróleo e derivados fontes não renováveis terá um declínio apesar da exploração do petróleo tender ao aumento U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 35 Faça valer a pena 1 A Oferta Interna de Energia Brasileira energia necessária para movimentar a economia deverá ficar no ano de 2016 em mais de 286 milhões de toneladas equivalentes de petróleo tep sendo que deste total 439 correspondem à energia renovável Este indicador faz da matriz energética brasileira uma das mais limpas do mundo Os dados constam no Boletim Mensal de Energia Fevereiro de 2016 Quando considerada a oferta de energia elétrica subconjunto da matriz energética as estimativas para 2016 mostram vantagens ainda mais significativas com as energias renováveis podendo chegar a 793 de participação superior ao indicador de 755 verificado em 2015 no mundo este indicador é de 24 A fonte hidráulica continuará preponderante respondendo por 662 da matriz 64 em 2015 Fonte httpsgoogl7Z7ZBc Acesso em 1 jun 2017 Sobre a matriz energética analise as afirmativas a seguir I A matriz energética é um importante instrumento de avaliação do desenvolvimento socioeconômico de um país II Ao contrário do restante do mundo a composição da matriz de energia elétrica do Brasil é fortemente marcada pelas fontes não renováveis III Tanto a matriz energética quanto a matriz de energia elétrica possuem a energia hidrelétrica como a mais explorada IV A energia hidráulica e a canadeaçúcar e seus produtos são as principais contribuidoras da matriz energética renovável Utilizando V para a afirmativa verdadeira e F para a falsa assinale a alternativa que apresenta a sequência correta a V F F V b V V F F c F F V V d V F F F e F V F V 2 A oferta interna de energia OIE é a energia necessária para que a economia de um país se movimente Sendo o maior país da América do Sul o Brasil tem a maior oferta interna de energia do continente Do total da oferta interna de energia elétrica do Brasil a maior parte corresponde à sendo responsável pela maior parte da contribuição Assinale a alternativa que contém os termos que preenchem correta e respectivamente as lacunas presentes no texto a Energia renovável a energia hidrelétrica U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 36 b Energia não renovável o petróleo c Energia renovável a energia eólica d Energia não renovável o carvão mineral e Energia renovável a cana de açúcar 3 Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica Aneel cerca de 12 milhão de geradores de energia solar deverão ser instalados nos telhados de residências e empresas em todo o Brasil até 2024 representando 15 da matriz energética brasileira Até 2030 a participação do sol na geração de eletricidade tende a superar 23 com investimentos superiores a R 100 bilhões Se o potencial do sistema fotovoltaico for somado à capacidade de geração dos parques eólicos que atualmente suprem 7 da demanda brasileira podese projetar que o País terá a partir de 2030 uma matriz energética 100 limpa renovável e segura Disponível em httpwww istoedinheirocombrnoticiaseconomia20170106brasilfuturo447841 Acesso em 8 jun 2017 O trecho de reportagem aponta para um dos cenários da matriz energética brasileira que prevê um aumento na participação da energia solar Sobre o futuro da matriz energética brasileira analise as afirmativas a seguir I A participação do petróleo e seus derivados tende a diminuir na matriz energética II A canadeaçúcar e seus derivados ocupará a segunda colocação em importância na matriz energética em 2030 III A produção dos barris de petróleo tende a diminuir ao longo do tempo Agora assinale a alternativa abaixo correta a As afirmativas I II e III estão corretas b Apenas as afirmativas I e III estão corretas c Apenas as afirmativas II e III estão corretas d Apenas as afirmativas I e II estão corretas e Apenas a afirmativa I está correta U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 37 Seção 13 Fontes de energia renovável e não renovável Após estudar alguns conceitos das fontes de energia e conhecer as características da matriz energética brasileira iniciaremos a última seção da primeira unidade de ensino intitulada Fontes de energia renovável e não renovável No Convite ao estudo desta unidade você foi inserido em uma comissão de discussões que se reuniria durante três dias para efetuar uma análise da matriz energética brasileira e do potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição Os integrantes da comissão estão redigindo um relatório subdividido em três partes destinado ao Governo Federal No primeiro dia de discussões você redigiu a primeira parte que teve como proposta uma alternativa para a substituição dos combustíveis fósseis focando o uso de energias renováveis No segundo dia de discussões no qual foi redigida a segunda parte do relatório você precisou refletir sobre a substituição da energia gerada por hidrelétricas por fontes alternativas de energia Neste terceiro dia de discussões o relatório técnico será finalizado e o tema em pauta são os aspectos socioeconômicos resultantes da exploração de energia elétrica no país principalmente no quesito energias renováveis já que a exploração desse tipo de energia é um dos temas mais discutidos quando o assunto é sustentabilidade Para finalizar o seu relatório você deverá responder a seguinte questão que aspectos socioeconômicos e ambientais devem ser enfatizados para a defesa da utilização de fontes de energia renováveis em substituição às fontes não renováveis exploradas no Brasil Para redigir a última parte de seu relatório é importante que você se atente a alguns conteúdos que serão abordados nesta seção entre eles as vantagens da exploração de fontes renováveis de energia bem como os aspectos socioeconômicos da energia elétrica Diálogo aberto U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 38 Ao longo dos estudos realizados até agora você construiu alguns conhecimentos acerca da energia e suas fontes Neste momento nos aprofundaremos um pouco mais nas energias não renováveis e renováveis Como o próprio nome diz uma fonte de energia não renovável é aquela que por não se renovar é passível de sofrer esgotamento ao longo do tempo A seguir apresentamos o exemplo dos combustíveis fósseis para explicar porque as fontes não renováveis podem esgotar com o tempo Não pode faltar Exemplificando Os combustíveis fósseis foram formados há milhares de anos por meio de processos naturais de morte soterramento e decomposição de seres vivos Os materiais biológicos que são depositados no fundo dos oceanos são cobertos por sedimentos formado principalmente por partículas de areia e argila Esse material compactado sob essa camada porosa de arenito e argila sofre a ação de bactérias anaeróbias que liberam oxigênio e nitrogênio como subproduto da decomposição da matéria orgânica Algumas moléculas como os hidrocarbonetos saturados encontrados no petróleo são resistentes à digestão À medida que a deposição de sedimento sobre a matéria orgânica em decomposição aumenta aumentamse também a temperatura e a pressão ocasionando a redução da ação das bactérias e a recombinação de moléculas orgânicas em reações que liberam gases como o metano e os hidrocarbonetos leves Esses gases denominamos gases naturais acumulamse em bolsas sob rochas ao passo que os compostos orgânicos mais pesados formam uma emulsão aquosa que fica aprisionada nas porções porosas das rochas formando o petróleo U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 39 Apesar de 70 do volume do gás natural ser formado por metano a sua composição pode variar por influência das características do local onde foi formado pelo processo de produção condicionamento e transporte ESPINOLA 2013 p 103 A formação de gás natural e petróleo é um processo que ocorre ao longo de milhares de anos No entanto acreditase que com a intensa exploração destes recursos é provável que o seu esgotamento ocorra dentro de séculos SPIRO STIGLIANI 2009 O carvão mineral é um combustível fóssil de origem terrestre formado a partir da decomposição por bactérias aeróbias de plantas lenhosas que existiram em pântanos há mais de 200 milhões de anos A ação da decomposição bacteriana é bastante efetiva na degradação da celulose mas não age sobre a lignina um polímero formado por anéis de benzeno que tem como função fornecer rigidez à planta tornála impermeável e resistente ao ataque de microrganismos A lignina na presença da água dos pântanos formou as turfas primitivas Essas turfas transformaramse em carvão mineral graças ao aumento de temperatura e pressão ocorridas devido ao soterramento dos depósitos causados por eventos geológicos de soerguimento da crosta terrestre O óleo de xisto é um combustível de alto poder calorífero extraído da rocha de xisto uma camada de rocha sedimentar contendo matéria orgânica formada sob altas pressões e temperaturas O óleo pode ser obtido a partir de dois tipos de xistos o betuminoso No ano de 2007 o Governo Federal anunciou a descoberta do pré sal uma camada de petróleo encontrada em grandes profundidades oceânicas localizada entre Santa Catarina e Espirito Santo A descoberta causou grande alvoroço e discussões a respeito do tempo de duração da Era do petróleo Saiba mais sobre o tema lendo o artigo Présal Disponível em httpwwwpetrobrascombrptnossasatividades areasdeatuacaoexploracaoeproducaodepetroleoegaspre sal Acesso em 3 jun 2017 Pesquise mais U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 40 cuja matéria orgânica é fluida e o pirobetuminoso que possui matéria orgânica sólida à temperatura ambiente A utilização de combustíveis fósseis apresenta algumas vantagens e desvantagens Vejamos algumas delas no Quadro 11 enfocando o petróleo o gás natural e o carvão mineral Fonte adaptado de Espinola 2013 e Spiro e Stigliani 2009 Quadro 11 Vantagens e desvantagens de alguns combustíveis fósseis COMBUSTÍVEL VANTAGENS DESVANTAGENS Petróleo Fácil transporte por ser líquido Alta e eficaz tecnologia na extração transporte refino e distribuição Relativa abundância de reservas no Brasil Mão de obra qualificada Riscos de derramamento Refino pode causar poluição atmosférica Exige planos eficazes de combate a acidentes e mitigação de danos ambientais Tem sido relacionado como um dos agentes do aquecimento global Gás natural Exige pouco processamento para ser utilizado Emissão de dióxido de carbono por unidade de área inferior à de outros combustíveis fósseis Transporte mais difícil por se tratar de gás Requer sistema de distribuição Riscos de vazamento de metano O gás metano está relacionado ao agravamento do aquecimento global Carvão mineral Possui grandes reservas O transporte é fácil eficiente e barato podendo ocorrer por ferrovia Sua utilização tem sofrido redução A queima pode provocar poluição atmosférica e relaciona se com o aquecimento global A sua exploração exige cuidados com o uso de EPIs já que as minas de carvão são locais de trabalho de alto risco U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 41 Como você pode ter observado no Quadro 11 uma das desvantagens citadas com relação a todos os combustíveis relacionados é a contribuição para o aquecimento global que tem como um de seus principais agentes o dióxido e o monóxido de carbono Por serem provenientes da matéria orgânica os combustíveis fósseis possuem uma grande quantidade de carbono em sua composição química O carbono é um elemento químico que passa por ciclo na natureza podendo ser encontrado na forma orgânica compondo os seres vivos ou inorgânica nas rochas Na atmosfera ele pode ser encontrado na forma de monóxido e dióxido de carbono que é consumido no processo de fotossíntese para a produção de matéria orgânica vegetal e devolvido para a atmosfera por meio da respiração decomposição de restos de organismos e queima de florestas e combustíveis fósseis Acreditase que a intensa ação antrópica em especial por meio da queima de combustíveis fósseis tem alterado a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera o que tem promovido o aumento da temperatura média global em um evento denominado aquecimento global E quanto às energias renováveis Por que são importantes Primeiramente voltemos a refletir sobre o conceito de energia renovável para posteriormente falarmos sobre suas vantagens e desvantagens com relação aos combustíveis fósseis As fontes renováveis de energia diferente do que ocorre no caso dos combustíveis fósseis são aquelas repostas na natureza pois são decorrentes de fontes naturais inesgotáveis dentro de uma escala de tempo geológico GOLDEMBERG LUCON 2007 Podemos citar como exemplos a energia eólica ventos solar Sol hidráulica águas biomassa resíduos vegetais geotermal calor interno da Terra e energia de ondas e marés Um dos grandes benefícios da utilização das energias renováveis relacionase com o alcance de metas de sustentabilidade principalmente no quesito redução das emissões atmosféricas de gases do efeito estufa tratado em acordos mundiais como o Protocolo de Kyoto Além disso segundo a Agência Fapesp 2007 a exploração de energia renovável gera menos poluentes atmosféricos incluindo gases do efeito estufa oferece um meio U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 42 de diversificação de suprimento energético e de combustíveis está menos suscetível à volatilidade de preços por possibilitar reduzida escassez de oferta pode ser implantada em pequena escala e por ser explorada dentro do próprio país reduz pagamentos por energia importada A contribuição das energias renováveis com exceção da biomassa e hidráulica ainda não é expressiva na matriz energética brasileira conforme visto na seção anterior No entanto observa se que o número de instalações de geradores de energias renováveis tem crescido ao longo do tempo Parte desse crescimento devese às políticas governamentais de incentivo ao uso de energias renováveis motivadas pelas questões ambientais e pela segurança energética Esse incentivo pode ocorrer na forma de financiamentos para instalações de equipamentos fomento a pesquisas exigência de um pagamento mínimo por energia renovável pelas concessionárias estabelecimento de metas de energia a ser fornecida com recursos renováveis entre outros FAPESP 2007 Assimile Apesar de todos os benefícios também existem obstáculos à utilização de tecnologias de energias renováveis entre eles o caráter difuso de alguns recursos renováveis isto é eles não possuem uma intensidade constante e podem apresentar baixa densidade de potência intermitência e baixa previsibilidade na produção de energia Tornase portanto necessário ampliar a área de ocupação de suas instalações para que se tenha um maior aproveitamento do potencial energético e isso pode acarretar impactos ambientais Tal fato pode ser contornado com projetos bem elaborados incluindo estudo da melhor localização escolha da tecnologia adequada para cada situação e a possibilidade de maior exploração de tecnologias descentralizadas como os painéis solares em telhados Outro aspecto que deve ser levado em conta na concepção de projetos para verificar a viabilização de geradores de energia renovável inclui a competitividade econômica das tecnologias no mercado se comparadas com outras fontes exploradas U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 43 O suprimento de energia de um país seja utilizando uma fonte renovável ou não renovável é um fator importante para garantir o bemestar social e o crescimento econômico da nação O Brasil é um país com grande extensão territorial e com disparidade na distribuição dos recursos naturais Tal fato aliado às peculiaridades regionais torna o planejamento de oferta e gerenciamento de demanda de energia um desafio De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística IBGE o Brasil contabilizou 20608 milhões de habitantes em 2016 PORTAL BRASIL 2016 distribuídos desigualmente em 85 milhões de km2 o que daria uma densidade demográfica de cerca de 24 habitantes por km2 No entanto as Regiões Sudeste Sul e Nordeste apresentam as maiores densidades demográficas enquanto a Região Norte apresenta a menor conforme pode ser visualizado no mapa da Figura 12 Fonte httpsgoogld7Wtfk Acesso em 8 abr 2017 Figura 12 Mapa da densidade demográfica brasileira de acordo com dados de 2016 U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 44 Assim como a densidade demográfica a capacidade de energia elétrica MW instalada varia de acordo com a região brasileira A Região CentroOeste contribui com 123 da capacidade instalada seguida pelas Regiões Norte 153 Nordeste 191 Sul 221 e Sudeste 313 TOLMASQUIM 2016 Quando se trata de consumo na rede a Região Sudeste ocupa a primeira colocação com consumo médio de 639 kWh mês levando em consideração o consumo residencial industrial e comercial A Região Norte aparece em segundo lugar com consumo médio de 607 kWhmês seguida pelas Regiões Centro Oeste 470 kWhmês sul 384 kWhmês e Nordeste 338 kWh mês TOLMASQUIM 2016 A cobrança de tarifa pela utilização de energia elétrica visa remunerar os serviços prestados pelas geradoras de energia cria incentivos para programas de aumento da eficiência energética e subsidia menor custo para famílias de baixa renda e alguns setores da economia Existe uma variação tarifária de acordo com as condições de geração de eletricidade sinalizada por meio de bandeiras nas cores verde amarela e vermelha A bandeira verde sinaliza condições favoráveis para a geração de energia já a amarela e a vermelha indicam que a geração de energia está com maior custo e portanto as contas sofrerão um acréscimo As Tabelas 11 e 12 mostram respectivamente as tarifas médias por região e as tarifas médias por classe de consumo U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 45 É importante enfatizar que a contribuição da eletricidade para o crescimento socioeconômico do país vai além do tarifário de energia Existe relação entre a expansão do PIB o incremento do Índice de Desenvolvimento Humano IDH e o aumento do consumo de energia Todos esses fatores estão atrelados ao crescimento do país Fonte Empresa de Pesquisa Energética 2016 p 72 Fonte Empresa de Pesquisa Energética 2016 p 72 Tabela 11 Tarifas médias por região RMWh Tabela 12 Tarifas médias por classe de consumo RMWh 2011 2012 2013 2014 2015 20152014 Média Brasil 27847 29285 25445 27697 39500 1426 Norte 29496 32117 27668 30353 37293 1229 Nordeste 27879 29709 25052 26905 34000 1264 Sudeste 2819 29478 26024 28222 41304 1464 Sul 26668 27723 23515 26427 40928 1549 Centro Oeste 27437 29041 25774 27363 39807 1455 2011 2012 2013 2014 2015 20152014 Residencial 31564 33344 28524 30535 41931 13732 Industrial 24554 25734 22319 24901 33531 13466 Comercial 29516 30752 26985 29305 40375 13778 Rural 18238 18974 16762 20256 29296 14463 Poder público 31564 33344 28524 30596 38466 12572 Iluminação pública 17464 18254 16127 17887 23969 13400 Serviço público 22662 23627 20056 21989 32769 14902 Consumo próprio 30973 32251 28280 30823 37246 12084 Consumo próprio 30973 32251 28280 30823 37246 12084 U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 46 Reflita Nesta seção você teve a oportunidade de refletir sobre os aspectos positivos e negativos do uso das energias renováveis e não renováveis Levando em conta os aspectos socioeconômicos da energia elétrica apresentados até que ponto podese dizer que o uso de energias exclusivamente renováveis representa um benefício econômico para um país Reflita sobre esse assunto Sem medo de errar Para redigir a terceira parte de seu relatório e concluir a análise da matriz energética brasileira foi proposto que você analisasse criticamente os aspectos socioeconômicos e ambientais que justifiquem a utilização de fontes de energia renovável em substituição às fontes não renováveis exploradas em nosso país Ao longo desta seção você conheceu mais alguns aspectos que ainda não tinham sido comentados sobre as energias renováveis Com relação ao aspecto ambiental podese dizer que um dos grandes benefícios da utilização das energias renováveis diz respeito ao alcance de metas de sustentabilidade principalmente com relação à redução das emissões atmosféricas de gases do efeito estufa Outros pontos a serem destacados são a exploração de energia renovável gera menos poluentes atmosféricos além dos gases já citados oferecem um meio de diversificação de suprimento energético e de combustíveis estão menos suscetíveis à volatilidade de preços por possibilitarem reduzida escassez de oferta podem ser implantadas em pequena escala e por serem exploradas dentro do próprio país reduzem pagamentos por energia importada Por estar intimamente ligado ao crescimento econômico de um país o suprimento de energia tende a aumentar com o crescimento do PIB e do IDH de uma população Isso significa que uma maior demanda de energia exige também que a matriz tenha uma diversificação em suas fontes para garantir maior segurança no fornecimento de eletricidade Essa diversificação deve priorizar o uso de fontes renováveis de energia por serem oriundas de U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 47 Avançando na prática Será o fim da era do petróleo Descrição da situaçãoproblema Imagine que você foi convidado para dar uma palestra em um congresso que será realizado em uma universidade O tema é A era do petróleo terá um fim e você deverá discutir dois pontos importantes sendo eles A era do petróleo está próxima do seu fim Por que substituir o petróleo como fonte de energia Reflita sobre essas questões e proponha argumentos que justifiquem o seu ponto de vista sobre esses assuntos Resolução da situaçãoproblema Para resolver esse problema inicialmente precisamos refletir sobre a formação do petróleo motivo pelo qual ele é considerado uma fonte não renovável de energia Sua formação envolve um processo longo que ocorre durante milhares de anos É necessário além disso que haja condições favoráveis como a decomposição da matéria orgânica que está sedimentada e que ao longo do recursos naturais inesgotáveis pensando em um longo período de tempo dentro da escala geológica É importante lembrar que a proposição da utilização de uma fonte de energia renovável como a eólica e a solar por exemplo deve ser precedida de estudos técnicos para atestar a viabilidade técnica e econômica de sua exploração visto que são fontes intermitentes e de baixa previsibilidade Neste momento é importante que você faça uma reflexão mais aprofundada sobre o assunto pensando em outros aspectos ambientais e socioeconômicos que justifiquem o maior uso das fontes renováveis de energia Não se esqueça de que as três etapas devem ser inseridas em um único documento para que seja entregue ao seu destino o governo A seguir acompanharemos uma nova situaçãoproblema U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 48 Faça valer a pena 1 A formação dos combustíveis fósseis é um processo demorado que leva milhares de anos para acontecer Esse fato faz com que sejam considerados como fontes não renováveis de energia já que acreditase que eles poderão se esgotar com o passar do tempo Analise as afirmativas a seguir a respeito da formação dos combustíveis fósseis I A decomposição da matéria orgânica por ação bacteriana é responsável pela formação do petróleo e do gás natural II Com o aumento dos sedimentos sobre a matéria orgânica submarina ocorre a diminuição da temperatura e pressão fatos envolvidos na formação do petróleo III O gás natural é composto por hidrocarbonetos leves e metano que se acumulam em bolsas sob rochas Assinale a alternativa correta a Apenas as afirmativas I e III estão corretas b As afirmativas I II e III estão corretas c Apenas a afirmativa II está correta tempo pressão e temperatura sejam alterados devido à deposição de camadas de sedimento sobre o material em decomposição Sua natureza esgotável tem levantado debates há anos sobre quando será o seu fim É importante lembrar que o petróleo é explorado não só para o fornecimento de energia mas para outras finalidades como fabricação de alguns tipos de plástico asfalto óleos entre outros Sabese que um dia essa fonte esgotará mas descobertas de novas jazidas a exemplo do présal nos deixa dúvidas de quando isso acontecerá No entanto existem argumentos de cunho ambiental que são favoráveis à substituição do petróleo como fonte de energia A sua utilização libera para a atmosfera gases do efeito estufa que alteram o ciclo do carbono e estão relacionados com o fenômeno do aquecimento global Você viu aqui alguns pontos de destaque que podem ser utilizados em sua palestra porém é importante que você busque mais informações que complementem os seus argumentos a respeito desse assunto U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 49 2 A Comissão Mista de Mudanças Climáticas CMMC vai analisar na próxima quartafeira 5 a decisão do presidente dos Estados Unidos Donald Trump de liberar a exploração de carvão mineral no país A expectativa é sobre os impactos no acordo internacional assinado em Paris para a redução dos gases do efeito estufa O senador Jorge Viana PTAC presidente da CMMC acredita que a ciência e a experiência de outros países vão comprovar que a visão do presidente norteamericano está equivocada Fonte httpwww12senadolegbrnoticiasaudios201703comissao demudancasclimaticasvaianalisardecisaodoseuadeliberar exploracaodecarvaomineral Acesso em 3 jun 2017 O trecho de reportagem aponta para uma decisão dos Estados Unidos de explorar o carvão mineral e levanta uma reflexão sobre a preocupação com os impactos ambientais que a medida poderá gerar A respeito do carvão mineral podese afirmar que a É um combustível que não se forma a partir da decomposição da matéria orgânica b Sua extração acontece pelo beneficiamento da rocha de xisto betuminoso c É um combustível fóssil de origem terrestre d O maior problema de sua utilização é relacionado ao difícil processo de transporte e É o mais utilizado dentre os combustíveis fósseis 3 Segundo a ONU 100 da energia consumida no mundo pode ser proveniente de fontes renováveis até 2050 número que chega a 20 atualmente custos desse sistema energético podem ser mais baratos do que combustíveis fósseis em dez anos Fonte httpsnacoesunidasorgemdezanosfontesdeenergias renovaveispodemsermaisbaratasquecombustiveisfosseis Acesso em 3 jun 2017 Sobres fontes de energia renováveis analise as afirmativas a seguir I O alcance das metas de sustentabilidade é um dos benefícios da exploração de fontes renováveis de energia II O caráter difuso intermitente e de baixa previsibilidade de algumas fontes renováveis de energia constitui um obstáculo para a sua exploração que deve ser previsto em projeto III Energia de biomassa e energia hidráulica são as mais exploradas d Apenas as afirmativas II e III estão corretas e Apenas as afirmativas I e II estão corretas U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 50 entre as energias renováveis da matriz energética brasileira IV Um aspecto importante sobre a exploração de energia renovável é que não existe nenhum dano ambiental envolvido no processo Assinale a alternativa que apresenta corretamente a sequência de Verdadeiro V e Falso F a V F V F b V V F F c F F V V d F V F V e V V V F U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 51 Referências AMARANTE O A C do BROWER M SÁ A L de Atlas do potencial eólico brasileiro Brasília 2001 BARBOSA V O megaprojeto da Tesla que garantirá energia solar 24h no Havaí Exame São Paulo 12 mar 2017 Disponível em httpexameabrilcombr negociosomegaprojetodateslaquegarantiraenergiasolar24hnohavai Acesso em 1 jun 2017 EM dez anos fontes de energias renováveis podem ser mais baratas que combustíveis fósseis ONUBR Sl 6 abr 2017 Disponível em https nacoesunidasorgemdezanosfontesdeenergiasrenovaveispodemsermais baratasquecombustiveisfosseis Acesso em 3 jun 2017 EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA Anuário estatístico de energia elétrica 2016 Ano Base 2015 Brasília Ministério de Minas e Energia 2016 Disponível em httpwwwepegovbrAnuarioEstatisticodeEnergiaEletricaAnuC3A1rio20 EstatC3ADstico20de20Energia20ElC3A9trica202016pdf Acesso em 3 jun 2017 Ed Energia eólica no Brasil e no mundo Brasília Ministério de Minas e Energia 2014a Ed Ranking mundial de energia e socioeconomia Brasília Ministério de Minas e Energia 2014b Ed Plano Nacional de Energia 2030 Brasília Ministério de Minas e Energia 2007 ESCOBAR H Maior projeto da ciência brasileira ganha a canetada que faltava para virar realidade Estadão São Paulo 19 dez 2014 Disponível em httpciencia estadaocombrblogshertonescobarmaiorprojetodacienciabrasileiraganha acanetadaquefaltavaparavirarrealidade Acesso em 1 jun 2017 ESPINOLA A Ouro negro petróleo no Brasil Rio de Janeiro Interciência 2013 FAPESP Um futuro com energia sustentável iluminando o caminho São Paulo Academia Brasileira de Ciências 2007 GOLDEMBERG J LUCON O Energia e meio ambiente no Brasil Estud av São Paulo v 21 n 59 p 720 abr 2007 Disponível em httpwwwscielobrscielo phpscriptsciarttextpidS010340142007000100003lngennrmiso Acesso em 1 jun 2017 HOSOUME Y Coord et al Leituras de física São Paulo GREF Instituto de Física da USP 1998 Disponível em httpwwwifuspbrgrefeletroeletro4pdf Acesso em 1 jun 2017 MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA Resenha Energética Brasileira 2016 Ano Base 2015 Brasília 2016 Disponível em httpsgoogl3GjgzM Acesso em 3 jun 2017 U1 Energia elétrica e o desenvolvimento social 52 Matriz energética de 2016 terá maior participação das energias renováveis Brasília 12 maio 2016 Disponível em httpsgooglJMEfEb Acesso em 1 jun 2017 MOLINA JÚNIOR W F ROMANELLI T L Recursos energéticos e ambiente Curitiba Intersaberes 2015 NÚCLEO DE ESTUDOS ESTRATÉGICOS DE ENERGIA Ed Resenha Energética Brasileira Exercício de 2015 Brasília Ministério de Minas e Energia 2016 PETROBRAS Présal Rio de Janeiro 2016 ou 2017 Disponível em httpwww petrobrascombrptnossasatividadesareasdeatuacaoexploracaoeproducao depetroleoegaspresal Acesso em 3 jun 2017 PHILIPPI JUNIOR A REIS L B dos Energia e sustentabilidade Barueri Manole 2016 PORTAL BRASIL População brasileira cresce 08 e chega a 206 milhões Brasília 31 ago 2016 Disponível em httpwwwbrasilgovbrinfraestrutura201608 populacaobrasileiracresce08echegaa206milhoes Acesso em 3 jun 2017 REIS L B dos FADIGAS E A F A CARVALHO C E Energia recursos naturais e a prática do desenvolvimento sustentável 2 ed Barueri Manole 2012 RUMOS matriz energética brasileira Abril Planeta sustentável São Paulo Disponível em httpplanetasustentavelabrilcombrnoticiadesenvolvimentorumosmatriz energeticabrasileira745212shtml Acesso em 26 mar 2017 SANTOS A B Comissão de mudanças climáticas vai analisar decisão dos EUA de liberar exploração de carvão mineral Senado Notícias Brasília 31 mar 2017 Disponível em httpwww12senadolegbrnoticiasaudios201703comissao demudancasclimaticasvaianalisardecisaodoseuadeliberarexploracaode carvaomineral Acesso em 3 jun 2017 SGUAZZARDI M M M U Org Física geral São Paulo Pearson Education do Brasil 2014 SPIRO T G STIGLIANI W M Química ambiental 2 ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2009 STROBEL C Termodinâmica técnica Curitiba Inersaberes 2016 TOLMASQUIM M T Org Energia renovável hidráulica biomassa eólica solar oceânica Rio de Janeiro Epe 2016 YOUNG H D FREEDMAN R A Física I mecânica 14 ed São Paulo Pearson Education 2015 ZILIO S C BAGNATO V S Capítulo 4 AS LEIS DE NEWTON In Mecânica calor e ondas São Carlos Instituto de Física de São Carlos USP 2008 Disponível em httpwwwfotonicaifscuspbrebookbook3Capitulo4 Acesso em 1 jun 2017 Unidade 2 Energia solar eólica e de biomassa Convite ao estudo Iniciamos agora os estudos da segunda unidade da disciplina Fontes Alternativas de Energia intitulada Energia solar eólica e de biomassa na qual você conhecerá alguns dos aspectos técnicos e aplicações dessas fontes de energias alternativas O crescimento populacional mundial tem exigido dos países a busca por uma diversificação em sua matriz energética visando atender à demanda por energia de forma mais segura Esse fato aliado à busca pelo desenvolvimento sustentável preconizado em acordos mundiais tem voltado há algum tempo os olhos do mundo para as fontes alternativas de energia entre elas a solar a eólica e a de biomassa Na Unidade 1 você teve a oportunidade de estudar aspectos da matriz energética nacional portanto é de seu conhecimento que essas três fontes de energia são exploradas no Brasil no entanto de forma não tão significativa quanto poderiam principalmente quando analisamos a situação atual da energia eólica e solar advindas de recursos energéticos abundantes em nosso país Quando se trata da energia de biomassa o Brasil ocupa uma posição de destaque em sua exploração em relação a outros países principalmente devido à utilização da canadeaçúcar e seus produtos Devido aos seus recursos naturais abundantes o Brasil apresenta potencial para a exploração de energias alternativas como a eólica a solar e a de biomassa que após passarem por um processo de biodigestão resultam em um biogás No entanto observase que essas fontes de energia ainda são menos expressivas do que a energia hidráulica amplamente utilizada atualmente como fonte de abastecimento público Alguns fatores de ordem técnica econômica política e cultural estão envolvidos na relativa baixa popularidade dessas formas de energia alternativa É importante que se reflita sobre esses fatores e que se avalie a viabilidade da implantação de pequenos e grandes empreendimentos de geração de energia com fontes alternativas Dessa forma temos o seguinte contexto de aprendizagem você foi contratado por uma empresa para prestar consultoria em uma grande propriedade rural cujo proprietário preocupado com questões ambientais deseja fazer aproveitamento de energia solar eólica e de biomassa dentro de sua propriedade A partir dessa consultoria você deve elaborar um laudo para orientar o proprietário sobre a viabilidade técnica da exploração das referidas fontes de energia Esse laudo deverá conter os resultados da análise da viabilidade da exploração de energia solar na propriedade bem como as vantagens e as desvantagens dessa fonte de energia e orientações sobre o funcionamento de células fotovoltaicas a viabilidade técnica e econômica da implantação de geradores eólicos para abastecer toda a propriedade e os aspectos que devem ser observados antes da concepção do projeto os aspectos técnicos a serem considerados para a concepção do projeto de um biodigestor na propriedade e as vantagens que o produtor rural teria ao adotar a utilização de biodigestão anaeróbia Para que os objetivos desse laudo sejam alcançados você deverá estar apto a responder aos seguintes questionamentos é viável a exploração de energia solar na propriedade em questão Que orientações devem ser incluídas no laudo para informar ao proprietário sobre o funcionamento de células fotovoltaicas Como você detalharia as vantagens e as desvantagens da utilização de energia solar quando comparada com a utilização de energia exclusivamente hidrelétrica Que aspectos primordiais devem ser observados antes da concepção do projeto de um gerador eólico para que o empreendimento tenha sucesso Que aspectos técnicos precisam ser considerados para a concepção do projeto de um biodigestor na propriedade Quais são as vantagens que o produtor rural teria ao adotar a utilização de um biodigestor A forma de condução da consultoria é o destaque das situaçõesproblema que compõem esta unidade de ensino No entanto não se preocupe pois o desenvolvimento do seu laudo será dividido em etapas que serão cumpridas a cada seção desta unidade que abordarão temas como as características as vantagens as desvantagens e os aspectossocioeconômicos das energias solar eólica e de biomassa Está pronto para começar Então vamos lá 56 U2 Energia solar eólica e de biomassa Seção 21 Energia solar O Brasil é um país com grande potencial para a exploração da energia solar Parte disso devese à sua localização privilegiada já que a maior parte de seu território localizase em zona tropical com incidência solar privilegiada ao longo de todo o ano Pensando nisso e nas vantagens ambientais e econômicas advindas da utilização da energia solar retornamos à situação problema apresentada no início desta unidade na qual você foi contratado por uma empresa para prestar consultoria em uma grande propriedade rural em que o proprietário deseja fazer aproveitamento de energia solar eólica e de biomassa em sua propriedade Essa consultoria deverá gerar um laudo que orientará o proprietário sobre a viabilidade técnica da exploração das referidas fontes de energia Nesta primeira consultoria o proprietário informou que deseja instalar células fotovoltaicas em sua residência pois ouviu dizer que além de ser ambientalmente correto poderia resultar em uma diminuição de sua conta de energia No entanto ele não conhece o funcionamento do equipamento e não sabe se as condições climáticas de sua propriedade são favoráveis Além disso relatou que durante cerca de três meses do ano chove bastante e que o céu normalmente fica muito nublado É viável a exploração de energia solar nessas condições Que orientações devem ser incluídas no laudo para informar ao proprietário sobre o funcionamento de células fotovoltaicas Como você detalharia as vantagens e as desvantagens da utilização de energia solar em comparação à utilização de energia exclusivamente hidrelétrica Para trazer respostas a esses questionamentos que farão parte do seu laudo você deverá focar o estudo das características técnicas dos sistemas fotovoltaicos e termossolares além de realizar uma análise crítica das vantagens e desvantagens dessas formas de obtenção de energia Bons estudos Diálogo aberto 57 U2 Energia solar eólica e de biomassa A incidência de radiação solar sobre a superfície terrestre sofre a influência de alguns fatores como a hora do dia o dia do ano a latitude local e as condições atmosféricas Os dois primeiros fatores mencionados devemse ao movimento de rotação do planeta no qual a Terra que apresenta uma inclinação gira em torno de seu próprio eixo e ao movimento de translação em que o planeta descreve uma trajetória elíptica ao redor do Sol O movimento de rotação ocorre ao longo de 24 horas e é responsável pelo dia e pela noite já o movimento de translação dura cerca de 365 dias e 6 horas e é graças a ele e ao eixo de inclinação da Terra que ocorrem as mudanças de estações do ano cada qual com suas características climáticas influenciadas diretamente pela radiação solar incidente Você deve estar se perguntando como o eixo de inclinação da Terra pode influenciar a radiação solar em diferentes latitudes Primeiro vale relembrar que a latitude é a distância de uma determinada faixa da Terra com relação à linha imaginária do Equador Na linha do Equador a latitude é zero e aumenta à medida que nos afastamos seja na direção norte ou na direção sul Na Figura 21 que ilustra o movimento de translação do planeta Terra é possível observar o eixo ligeiramente inclinado do planeta que forma um ângulo de aproximadamente 23 26 com a linha imaginária do Equador Devido a essa inclinação Hemisférios Norte e Sul recebem radiação solar diferentes ao longo do ano à medida que a orientação da Terra muda com o movimento de translação Não pode faltar Fonte httpsgooglUPQSSW Acesso em 16 jul 2017 Figura 21 Movimento de translação do planeta e inclinação da Terra com relação ao plano da órbita 58 U2 Energia solar eólica e de biomassa Durante o inverno os hemisférios se inclinam para longe do Sol e o oposto ocorre durante o verão Isso quer dizer que a altura do Sol em uma determinada hora do dia pode variar ao longo do ano de tal forma que no verão essa altura é maior e por isso a radiação solar nessa estação é mais intensa e os dias são mais longos Agora que você já sabe como alguns fatores astronômicos influenciam a radiação solar que chega ao planeta vejamos como determinadas condições atmosféricas podem condicionar as características da incidência solar A energia emitida pelo Sol chega ao planeta na forma de ondas eletromagnéticas conforme você estudou na Unidade 1 A atmosfera terrestre formada por gases atenua a radiação solar que atinge a superfície De toda a radiação solar que incide na Terra apenas uma pequena fração em torno de 25 não sofre interferência da atmosfera Essa parcela é denominada radiação direta O restante por outro lado poderá sofrer reflexão espelhamento e absorção Vejamos como isso acontece Partículas de gases e aerossóis que estão suspensos no ar podem dispersar a radiação solar que incide na Terra distribuindo a radiação que chega em linha reta para todas as direções causando o seu espelhamento Graças a esse fenômeno existe claridade em áreas que não recebem iluminação solar direta Na reflexão parte da radiação solar que atravessa a atmosfera é enviada de volta ao espaço ao encontrar determinados meios como os continentes os oceanos o gelo e as nuvens Essa fração da radiação que é refletida recebe o nome de albedo Já a absorção é o processo no qual a radiação é convertida em calor Os gases são bons absorvedores de radiação dióxido de carbono por exemplo participa do efeito estufa processo natural de aprisionamento de parte da radiação solar que atravessa a atmosfera importante para manter o planeta aquecido A parcela de radiação absorvida refletida ou espelhada é denominada radiação difusa Em termos práticos podemos dizer que a radiação solar global Rg é formada pela soma da radiação direta Rdir mais a radiação difusa Rdif Certamente você observou que a reflexão e o espelhamento apenas alteram a direção dos raios solares que incidem no planeta diferente do que ocorre no processo de absorção Conhecer tais 59 U2 Energia solar eólica e de biomassa processos será importante para que você compreenda como a radiação solar é aproveitada na energia fotovoltaica e termossolar que serão abordadas mais adiante Você sabia que o Brasil tem grande potencial para a exploração de energia solar como fonte de eletricidade Isso ocorre porque o nosso país está situado quase que completamente entre a linha do Equador e o Trópico de Capricórnio uma zona de latitude mais baixa onde a incidência de radiação solar ocorre de forma vertical Além disso devido à proximidade com o Equador existe pouca variação da incidência de radiação solar ao longo do ano o que favorece a sua exploração como fonte energética mesmo durante o inverno A média de irradiação anual brasileira varia entre 1200 e 2400 kWhm²ano bem acima da média europeia sendo os maiores valores e a menor variabilidade anual observados na Região Nordeste a região central da Bahia apresenta os valores máximos de irradiação Além disso outras localidades apresentam valores máximos de irradiação com destaque para o norte de Minas Gerais o nordeste de Goiás e o sul de Tocantins NÚCLEO DE ESTUDOS ESTRATÉGICOS DE ENERGIA 2016 Os mapas solarimétricos são ferramentas importantes para a avaliação do potencial de exploração da energia solar por região em diferentes estações do ano De acordo com Pereira et al 2006 a incidência de radiação solar que atinge a superfície na Região Norte do país é menor do que na Região Sul na época do verão apesar da localização do Norte próxima ao Equador Isso ocorre devido à grande presença de nuvens e ocorrência de chuvas que é maior na Região Norte do que na Região Sul nessa estação O oposto é verificado no inverno Ainda segundo os autores durante o outono e o inverno estações secas a Região Central do Brasil recebe a maior incidência de radiação solar pois o índice de precipitação é baixo e os dias de céu mais claro são maiores Já na Região Sul observamse os menores valores de irradiação global devido às características de clima temperado da região Os mapas solarimétricos brasileiros indicam que o país apresenta uma média anual da radiação global horizontal ao longo de toda a extensão territorial que varia entre 385 litoral da Região Sul e 665 interior do Nordeste O interior do Nordeste e parte do norte 60 U2 Energia solar eólica e de biomassa de Minas Gerais apresentam as maiores médias anuais de radiação global horizontal O Brasil iniciou suas pesquisas com energia solar a partir da década de 1950 mas somente a partir da década de 1990 é que essa energia começou a atender as localidades afastadas da rede elétrica O marco inicial para a regulamentação da energia solar ocorreu em 1994 com a criação do Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios PRODEEM pelo Governo Federal em 2003 instituiuse o Programa Nacional de Universalização do Acesso e Uso da Energia Elétrica Programa Luz para Todos LpT Em 2012 ocorreu a regulamentação da energia solar pela ANEEL por meio da Resolução Normativa n 4822012 ANEEL 2012 que estabelece as condições para a geração e a distribuição de energia solar no Brasil tal normativa passou por revisão e sofreu alterações em 2015 aumentando o limite de potência e criando mecanismo de compartilhamento de geração TOLMASQUIM 2016 As normativas combinadas com os programas de incentivo a projetos de sistemas de energia solar têm estimulado a exploração desse uso de energia ampliando o acesso da população à energia descentralizada O aproveitamento da energia eletromagnética emitida pelo Sol para a geração de eletricidade pode ser obtido por dois tipos básicos de sistemas os fotovoltaicos e os termossolares A partir Assimile A energia proveniente do Sol pode ser convertida em eletricidade em pequenos sistemas visando suprir a demanda de residências e empresas incluindo as que estão distantes das redes elétricas ou em sistemas maiores interligados à rede de abastecimento público A eletricidade produzida por esses sistemas pode ser utilizada imediatamente por exemplo para o funcionamento de equipamentos e aquecimento de água coletores solares ou podem contar com um sistema de armazenamento de energia Os coletores solares predominantes no setor residencial são instalados no teto das residências e absorvem a radiação solar que pode ser utilizada para o aquecimento da água de chuveiros por exemplo 61 U2 Energia solar eólica e de biomassa daqui você compreenderá como funcionam esses sistemas e algumas de suas características mais importantes Os dispositivos fotovoltaicos denominados PV sigla para photovoltaic em inglês traduzido como fotovoltaico são compostos por células solares capazes de fazer a conversão direta de energia solar em energia elétrica Essa conversão da energia é possível graças ao material semicondutor utilizado para a construção das células solares que estão ligadas entre si formando os módulos fotovoltaicos que por sua vez podem ser combinados para formarem os painéis ou matrizes PV Explicando mais claramente os materiais semicondutores como o silício amplamente utilizado como matériaprima para a confecção das células solares são formados por duas regiões uma banda de valência preenchida por elétrons e uma banda de condução Fótons de luz ao atingirem o material excitam os elétrons que migram da banda de valência para a banda de condução Essa migração ocorre graças à presença de átomos de fósforo e boro que são acrescentados às células para que os elétrons excitados sejam coletados e gerem uma corrente elétrica útil ao sistema processo denominado efeito fotovoltaico Um sistema fotovoltaico é composto por um conjunto de módulos fotovoltaicos formado pela ligação de células solares estruturado em painéis regulador de tensão inversor corrente contínua corrente alternada e um sistema capaz de armazenar energia Os módulos fotovoltaicos podem ser sustentados por materiais como aço galvanizado madeira ou alumínio e assim como as células que os formam podem apresentar diferentes tamanhos e formatos Além disso o sistema pode contar com um dispositivo que orienta a posição dos painéis de acordo com a movimentação do Sol para melhor aproveitamento da radiação solar O armazenamento da energia é feito por baterias eletroquímicas Para melhor aproveitamento solar existem dois tipos de células PV as de placas planas que são retangulares e planas montadas em ângulos fixos que podem maximizar a exposição do Sol ao longo de todo o ano ou ter sistemas mais flexíveis que podem se movimentar de acordo com o movimento do Sol e as células de lentes convexas que funcionam concentrando as células PV e por isso necessitam de menos material e podem ser menores Em 62 U2 Energia solar eólica e de biomassa contrapartida as lentes convexas não funcionam bem quando há nuvens no céu apresentando uma desvantagem com relação às de placas planas RASHID 2014 A potência gerada em um sistema fotovoltaico ou seja a energia gerada no sistema por unidade de tempo depende de fatores como a radiação solar horária que incide sobre o painel a área do painel e o rendimento total do sistema REIS 2011 Ao propor um projeto de sistema fotovoltaico um profissional do setor precisa realizar uma avaliação para quantificar a radiação solar global que incide sobre o painel e identificar as possíveis sazonalidades analisar a demanda de energia escolher a melhor configuração para o sistema autônomo ou interconectado à rede com ou sem bateria entre outros realizar o dimensionamento do sistema de armazenamento de energia e finalmente fazer o dimensionamento dos painéis e demais componentes elétricos levando em consideração os dados meteorológicos e de demanda CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA 2004 Outra forma de aproveitamento da radiação solar para a obtenção de energia é por meio da geração termossolar um processo que converte energia solar em energia térmica calor que por sua vez é convertida em energia mecânica e finalmente em energia elétrica ou diretamente em energia elétrica Esse processo de conversão em sua forma mais completa envolve a passagem por quatro processos de acordo com Philippi Junior e Reis 2016 p 478 São eles O universo dos sistemas fotovoltaicos é enorme e você pode conhecer mais sobre ele acessando o Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos disponível no link a seguir CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito Grupo de Trabalho de Energia Solar Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos Rio de Janeiro CRESESB 2004 Disponível em httpwwwcresesb cepelbrpublicacoesdownloadManualdeEngenhariaFV2004 pdf Acesso em 16 jul 2017 Pesquise mais 63 U2 Energia solar eólica e de biomassa 1 Coletor capta e concentra a radiação solar que incide na superfície do coletor 2 Receptor absorve e converte a energia solar a um fluido 3 Transportearmazenagem converte a energia térmica do fluido em energia mecânica 4 Conversão elétrica converte energia mecânica em energia elétrica Apesar de ter levado certo tempo para se tornar uma tecnologia economicamente competitiva com outras formas de geração de energia elétrica atualmente observase uma redução dos preços de sistemas fotovoltaicos o que tem tornado essa forma de obtenção de energia viável e adequada para o abastecimento de locais onde a rede pública tenha a sua instalação inviável como ocorre em áreas rurais ou em pequenas comunidades Com relação aos impactos ambientais a exploração da energia solar implica baixos impactos associados principalmente aos métodos de fabricação das células solares que podem envolver o uso de substâncias químicas perigosas No entanto os riscos são reduzidos com a utilização de técnicas modernas e da reciclagem REIS SANTOS 2014 Exemplificando A energia termossolar pode ter diversas aplicações que dependerão da temperatura do calor gerado Em temperaturas menores do que 100 C podese aproveitar a energia para aquecimento de água e ar em indústrias e residências temperaturas entre 100 C e 400 C permitem o seu aproveitamento para dessalinização da água do mar e geração de vapor para uso industrial por exemplo temperaturas acima de 400 C torna essa energia possível de ser aproveitada para a geração de energia elétrica Um dos métodos utilizados nesse último caso é a Energia Solar Concentrada CSP ÁLVAREZ 2015 64 U2 Energia solar eólica e de biomassa Agora que você já conhece as principais características da energia solar não deixe de ampliar os seus conhecimentos sobre o conteúdo pesquisando mais sobre o assunto Bons estudos Você se lembra de que no problema proposto para esta seção você deveria realizar uma primeira consultoria em uma propriedade rural cujo proprietário informou que deseja instalar células fotovoltaicas em sua residência Chegou a hora de refletirmos sobre alguns pontos relevantes que deverão compor o seu laudo técnico levando em consideração que na propriedade em questão durante cerca de três meses do ano chove bastante e o céu normalmente fica muito nublado É viável a exploração de energia solar nessas condições Que orientações devem ser incluídas no laudo para informar ao proprietário sobre o funcionamento de células fotovoltaicas Como você detalharia as vantagens e as desvantagens da utilização de energia solar em comparação à utilização de energia exclusivamente hidrelétrica Para a finalidade relatada pelo proprietário que seria a geração de energia elétrica e não unicamente o aquecimento de água por exemplo é recomendado o uso de painéis solares em sistemas fotovoltaicos Primeiramente vale lembrar que com relação aos sistemas fotovoltaicos existem dois tipos de células PV as de placas planas que são retangulares e planas montadas em ângulos fixos que podem maximizar a exposição do Sol ao longo de todo o ano Reflita As tecnologias de exploração de energia solar para a geração de energia elétrica têm se tornado cada vez mais acessíveis economicamente e isso as coloca numa posição de maior competitividade com as fontes habitualmente utilizadas para a geração de eletricidade Você acredita que em um futuro não muito distante seja possível que a energia solar se torne tão explorada quanto a hidráulica em nosso país Reflita sobre o assunto Sem medo de errar 65 U2 Energia solar eólica e de biomassa ou terem sistemas mais flexíveis que podem se movimentar de acordo com o movimento do Sol e as células de lentes convexas que funcionam concentrando as células PV e por isso precisam de menos material e podem ser menores As placas planas são as que melhor atenderiam as condições climáticas da propriedade já que elas podem apresentar sistemas flexíveis que se movimentam acompanhando o posicionamento do Sol para melhor aproveitamento da radiação Há também os sistemas que utilizam baterias que poderiam ser utilizadas para o armazenamento da energia gerada nas horas mais propícias do dia É importante informar em seu laudo sobre o funcionamento do sistema fotovoltaico já que o proprietário teve dúvidas sobre essa questão Um sistema fotovoltaico é formado por um conjunto de módulos fotovoltaicos estruturados em painéis regulador de tensão inversor corrente contínuacorrente alternada e um sistema capaz de armazenar energia Os módulos fotovoltaicos podem ser sustentados por materiais como aço galvanizado madeira ou alumínio e podem contar com um dispositivo que orienta a posição dos painéis de acordo com a movimentação do Sol para melhor aproveitamento da radiação solar Além disso podem contar com baterias eletroquímicas para o armazenamento da energia Com relação às vantagens da utilização desse tipo de energia em comparação a exclusivamente originada de hidrelétricas é a possibilidade de serem instaladas independente da rede de forma autônoma tornandose viável em propriedades rurais como é o caso em questão É proveniente de uma fonte inesgotável de energia e além disso existem os custos ambientais já que os impactos da exploração de energia solar são menores do que outras fontes de energia ao contrário do que ocorre com as hidrelétricas por exemplo Sobre as desvantagens um aspecto que pode ser citado é a característica intermitente da fonte que torna necessária a escolha da melhor tecnologia que por vezes não é a mais barata para melhor aproveitamento da radiação solar difusa em dias nublados Esses e outros aspectos incluindo as etapas para a elaboração de projetos de sistemas de geração de energia solar podem ser encontrados nesta seção e devem ser aprofundados em outras fontes de informação 66 U2 Energia solar eólica e de biomassa Avançando na prática Projetos de geração de energia solar Descrição da situaçãoproblema Você foi contratado por uma empresa que presta serviços de consultoria industrial para avaliar a viabilidade técnica da implantação de um sistema fotovoltaico em uma indústria de cosméticos localizada em um distrito industrial de uma cidade no interior de São Paulo afastado da zona urbana Nessa consultoria você precisa fazer uma análise preliminar de alguns aspectos antes da elaboração e apresentação do projeto Para que você possa atestar a viabilidade do projeto que critérios precisariam ser analisados inicialmente Quais são as etapas do projeto Para resolver este problema concentre a sua leitura no potencial de radiação solar e influências sobre ele e nas características dos sistemas fotovoltaicos Resolução da situaçãoproblema Para atestar a viabilidade da implantação de um projeto de geração de energia solar inicialmente é preciso que o potencial de radiação solar da região seja avaliado pois esse é um fator que sofre a influência da latitude das características da atmosfera e de condições climáticas em cada período do ano Os mapas solarimétricos são ferramentas importantes para a avaliação do potencial de exploração da energia solar por região em diferentes estações do ano Esse fator aliado à demanda de energia condicionará a escolha do melhor equipamento para ser utilizado visando ao melhor aproveitamento da radiação solar Para que haja sucesso na implantação de um sistema de aproveitamento energético da radiação solar é importante que o projeto seja bem elaborado respeitando as condições locais e a finalidade dos geradores solares Etapas do projeto incluem quantificação da radiação solar global que incide sobre o painel e identificação das possíveis sazonalidades análise da demanda de energia escolha da melhor configuração para o sistema autônomo ou interconectado à rede com ou sem bateria entre outros realização do dimensionamento do sistema de armazenamento 67 U2 Energia solar eólica e de biomassa de energia e finalmente o dimensionamento dos painéis e demais componentes elétricos levando em consideração os dados meteorológicos e de demanda Faça valer a pena 1 O Sol estrela que ocupa o centro de nosso sistema solar emite ondas eletromagnéticas que atravessam a atmosfera terrestre No entanto a radiação solar que incide sobre o planeta Terra sofre a influência de alguns fatores que podem condicionar a quantidade de radiação passível de ser captada por painéis solares Sobre esses fatores analise as assertivas I II e III I A latitude é um fator que influencia a incidência de radiação que atinge o planeta Em latitudes maiores os raios solares atingem a Terra de forma mais intensa e durante todo o ano e portanto são locais em que a energia solar pode ser melhor aproveitada para a geração de eletricidade II O movimento de translação do planeta aliado à sua inclinação em relação ao plano da órbita é responsável pelas estações do ano que criam condições climáticas sazonais que devem ser avaliadas nos projetos de sistemas de geração de energia solar III No verão a altura do Sol é diferente se comparada ao inverno por isso os dias são mais longos e a radiação solar mais intensa Após a análise das assertivas assinale a afirmativa correta a As assertivas I II e III estão corretas b Apenas as assertivas I e II estão corretas c Apenas as assertivas I e III estão corretas d Apenas as assertivas II e III estão corretas e Apenas a assertiva I está correta 2 A energia que é emitida pelo Sol e chega ao planeta na forma de ondas eletromagnéticas é atenuada pela atmosfera terrestre formada por gases De toda a radiação solar que incide na Terra apenas uma pequena fração denominada radiação direta não sofre interferência da atmosfera O restante poderá sofrer reflexão espelhamento e absorção A respeito da radiação direta e difusa marque a resposta correta a Graças ao fenômeno de absorção a radiação solar difusa torna os dias mais claros mesmo quando há muita nebulosidade b Albedo é o nome dado à parcela de radiação solar direta que sofreu absorção por superfícies como o solo e os oceanos c Os gases são bons refletores de radiação e por isso a poluição atmosférica tem grande influência na dispersão da radiação de volta para o espaço 68 U2 Energia solar eólica e de biomassa d Absorção diferente do que ocorre na reflexão e no espelhamento apenas altera a direção dos raios solares devolvendoos para o espaço e Dizemos que a radiação solar global é a somatória da radiação solar direta que atinge o planeta e da radiação difusa 3 O Brasil é um país que tem grande potencial para a exploração de energia solar como fonte de eletricidade pois está situado em uma zona de latitude mais baixa quase que completamente entre a linha do Equador e o Trópico de Capricórnio Nessa latitude a incidência de radiação solar ocorre de forma vertical e devido à proximidade com o Equador existe pouca variação da incidência de radiação solar ao longo do ano o que favorece a sua exploração como fonte energética mesmo durante o inverno Sobre os sistemas de aproveitamento energético da radiação solar analise as afirmativas julgando V para verdadeiro e F para falso nas sentenças a seguir I As células solares ou fotovoltaicas são capazes de fazer a conversão da energia solar em energia elétrica e para isso são confeccionadas com materiais semicondutores II Elementos químicos como o boro e o fósforo são adicionados às células fotovoltaicas para excitarem os elétrons presentes nos painéis solares III A radiação solar horária que incide no painel solar é um dos fatores que influencia a potência gerada em um sistema fotovoltaico IV Apesar de ser variável em função do material em que é produzido a área do painel não é um fator que causa influência na energia que é gerada pelo sistema durante um dado tempo Com base na leitura e análise das afirmativas assinale a alternativa correta a V F V F b F F V V c V V V F d V F F V e F V F V 69 U2 Energia solar eólica e de biomassa Seção 22 Energia eólica Na Seção 21 desta unidade você conheceu algumas das características da energia solar Agora chegou a vez de explorar o universo de uma outra energia alternativa a eólica que aproveita a energia dos ventos para a geração de eletricidade No início desta unidade você foi inserido em uma situação na qual deve prestar uma consultoria em uma propriedade rural cujo dono deseja explorar algumas fontes de energia alternativa entre elas a eólica A partir da consultoria prestada você deve redigir um laudo informando alguns aspectos técnicos e informações importantes para o esclarecimento de algumas dúvidas relatadas pelo proprietário da fazenda Na primeira parte de seu laudo concluída na seção anterior você fez uma análise da viabilidade da instalação de células fotovoltaicas na residência da propriedade relatou o funcionamento de células fotovoltaicas além das vantagens e desvantagens da utilização de energia solar em comparação à utilização de energia exclusivamente hidrelétrica Nesta segunda parte do laudo você chegou à conclusão de que deverá analisar a viabilidade da utilização da energia eólica O proprietário informou conhecer alguns vizinhos que optaram pela instalação de geradores eólicos em suas propriedades e que gostaria de saber se ele também poderia explorar essa fonte de energia Para informar em seu laudo a viabilidade técnica e econômica da implantação de geradores eólicos para o abastecimento de toda a propriedade será preciso que você deixe claro em seu relatório as respostas das seguintes questões o que é a energia eólica Quais aspectos técnicos primordiais devem ser observados antes da concepção do projeto para que ocorra o sucesso do empreendimento Que fatores devem ser observados para atestar a viabilidade econômica da implantação do projeto Diálogo aberto 70 U2 Energia solar eólica e de biomassa Para responder às questões propostas e compor o seu laudo você deverá fazer a leitura da Seção 22 focando aspectos como a estrutura dos geradores eólicos e as características dos ventos nas diferentes regiões brasileiras principalmente em relação aos fatores locais que podem influenciar a velocidade média dos ventos Além disso você pode buscar por informações adicionais para enriquecer o seu relatório Bom trabalho Você sabia que o início do uso da energia eólica pode ter 3000 anos Apesar de não existir dados muito concretos acreditase que os egípcios utilizavam moinhos de vento em suas atividades cotidianas No entanto existem dados históricos confiáveis de que há pelo menos 200 anos antes de Cristo os povos da Pérsia utilizavam a energia eólica por meio dos moinhos para moer grãos e bombear água FADIGAS 2011 O primeiro moinho de vento utilizado para produção de energia elétrica foi construído na Escócia em 1887 pelo professor James Blyth que instalou uma torre de dez metros no jardim de sua casa mas sua energia não foi utilizada por muito tempo por não ser economicamente viável A partir de então outras experiências de geração de energia elétrica por meio de geradores eólicos foram realizadas pelo mundo e o primeiro aerogerador de grande potência conectado à rede foi construído em 1941 nos Estados Unidos abastecendo cerca de 1000 residências com energia elétrica NÚCLEO DE ESTUDOS ESTRATÉGICOS DE ENERGIA 2014 A energia eólica aproveita a energia cinética de translação dos ventos convertendoa em energia cinética de rotação e ao final em energia elétrica O vento pode ser definido como o ar atmosférico em movimento devido principalmente ao aquecimento da superfície da Terra Esse aquecimento do ar ocorre de forma mais intensa na região equatorial do planeta e o ar quente que se torna menos denso movimentase em direção aos polos cujo ar frio predomina Para ocupar o espaço do ar quente que se deslocou o ar frio dos polos se movimenta em direção ao Equador gerando um padrão de circulação global dos ventos influenciado pela Não pode faltar 71 U2 Energia solar eólica e de biomassa temperatura do ar e pela diferença de pressão entre as regiões mais frias e mais quentes do planeta A circulação global dos ventos também é afetada pelo movimento de rotação do planeta O ar frio que se move dos polos para o Equador perto da superfície terrestre tende a ser desviado para o oeste e o ar quente que se movimenta em direção aos polos é desviado para o leste Devido a esse padrão de circulação atmosférica e ao eixo de inclinação do planeta que você conheceu na Seção 21 ocorrem as variações sazonais da intensidade e direção dos ventos A Figura 22 ilustra a circulação global dos ventos Além da movimentação global existe também uma circulação local dos ventos As brisas marítimas e terrestres ocorrem nas áreas costeiras devido ao aquecimento da superfície terrestre A primeira sopra do mar para a areia durante o dia em consequência do maior aquecimento do ar sobre a areia o que gera uma corrente de ar movendose em sua direção No segundo caso com a chegada da noite a temperatura da areia cai mais rápido do que a temperatura do mar gerando uma brisa que sopra da areia em direção ao mar Nas maiores altitudes os ventos apresentam um padrão de circulação diferente do observado próximo à superfície por não sofrerem influência de fatores como vegetação massas de água absorção da radiação solar e topografia local Fonte httpsgooglTQ2sUc Acesso em 16 jul 2017 Figura 22 Esquema da circulação global da atmosfera 72 U2 Energia solar eólica e de biomassa As características dos ventos podem ser medidas em torres meteorológicas com o uso de aparelhos como o anemômetro que mede a velocidade dos ventos podendo também indicar a sua direção o leme equipamento utilizado para indicar a direção dos ventos o termômetro para medir a temperatura do ar o barômetro para medir a pressão atmosférica e um software para a aquisição e o armazenamento de dados A partir do valor das medições obtidas com os equipamentos são gerados gráficos que fornecem o percentual das velocidades dos ventos de acordo com cada período do dia bem como os períodos de calmaria ventos fortes velocidade máxima e potência média bruta energia disponível em Whm2 passível de aproveitamento pelos geradores eólicos Esses dados são apresentados em mapas cartográficos dentre eles os atlas de energia eólica construídos por meio de informações climatológicas e topográficas obtidas por satélites REIS SANTOS 2014 O conhecimento dessas informações e do comportamento dos ventos é fundamental para a concepção de projetos eficientes de geradores eólicos uma vez que permitem estimar a energia que pode ser gerada pelas centrais eólicas cujo funcionamento será detalhado mais adiante nesta seção Os dados sobre os ventos precisam partir de fontes confiáveis pois as variações na velocidade dos ventos por menores que sejam podem causar grandes variações na potência mecânica que será convertida em energia elétrica nos geradores Na concepção dos projetos após o primeiro passo que seria o estudo das condições dos ventos locais as próximas etapas envolvem a escolha do modelo de turbina da altura da instalação e de outros requisitos técnicos Você sabe como funciona uma turbina eólica Para responder a essa pergunta precisamos compreender inicialmente alguns aspectos Conforme você já estudou as turbinas eólicas convertem a energia cinética dos ventos em energia elétrica Para que isso ocorra a turbina é formada por algumas partes essenciais embora existam diversos tipos de turbinas disponíveis no mercado principalmente quando a exploração desse tipo de energia envolver o uso de máquinas de pequeno porte Vejamos algumas partes componentes das turbinas eólicas 73 U2 Energia solar eólica e de biomassa Torre promove a sustentação do rotor a uma altura adequada para a movimentação das pás pelos ventos Rotor é o local onde estão afixadas as pás e portanto é o componente responsável pela transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica Nacele é o compartimento em que está todo o aparato responsável pela geração incluindo a caixa de transmissão o gerador e o mecanismo de controle Caixa de transmissão é responsável pela transmissão da energia mecânica do rotor para o gerador Gerador converte a energia mecânica em energia elétrica Mecanismo de controle responsável pela orientação do rotor Anemômetro faz medição da intensidade e velocidade dos ventos Pás são responsáveis por captar a energia dos ventos Sensor de direção indicam a direção dos ventos para a obtenção de um maior rendimento Exemplificando Vamos compreender um pouco mais sobre o funcionamento das usinas eólicas Vejamos um exemplo de como elas funcionam As turbinas são instaladas em locais em que os ventos são regulares e podem produzir energia de forma constante A força dos ventos gira as pás das turbinas e acionam um gerador que é capaz de gerar energia elétrica Um cabo instalado no interior da torre envia energia elétrica até a subestação responsável por aumentar a tensão e transmitir energia a grandes distâncias Por meio das linhas de transmissão a energia chega à distribuidora que reduz a tensão para que a energia possa ser utilizada nas residências PORTAL BRASIL Brasil é o quarto país em que energia eólica mais cresce no mundo Exame São Paulo v 1 n 1 p 12 jan 2016 inserir espaços Disponível em httpwwwbrasilgovbrinfraestrutura201601brasil eumdosprincipaisgeradoresdeenergiaeolicadomundo Acesso em 17 jul 2017 74 U2 Energia solar eólica e de biomassa Geralmente a utilização da energia eólica em larga escala envolvendo geradores de grande porte requer uma velocidade média de vento de 65 ms a 75 ms Já os sistemas isolados podem funcionar com ventos que tenham a velocidade média variando entre 35 ms a 45 ms O Brasil apresenta potencial para a exploração de energia eólica que pode variar de acordo com as características locais além da sazonalidade do clima regional O mapa da Figura 23 apresenta a velocidade média anual do Brasil e o fluxo de potência eólica anual a uma altura de 50 m Assimile Com relação às aplicações dos sistemas eólicos com o intuito de geração de energia elétrica eles podem ser interligados à rede elétrica como é o caso das usinas eólicas cuja energia gerada é inserida na rede elétrica convencional também podem ser sistemas isolados que são autônomos e de pequeno porte podendo ser utilizados para o abastecimento de residências rurais pequenas comunidades ou indústrias e sistemas híbridos em que as turbinas eólicas são utilizadas em conjunto com outras formas de obtenção de energia como os sistemas fotovoltaicos 75 U2 Energia solar eólica e de biomassa De maneira geral a distribuição dos ventos no Brasil é controlada pela circulação atmosférica global com destaque para os sistemas de alta pressão anticiclone subtropical do Atlântico Sul e Atlântico Norte e as faixas de baixas pressões da depressão equatorial Para compreendermos como essa circulação atmosférica influencia os ventos do Brasil vamos inicialmente relembrar que na região equatorial ocorre um maior aquecimento do ar em função do ângulo de incidência do Sol O ar aquecido sobe e a cerca de 10 km de altura na camada denominada troposfera deslocase em direção aos polos dos Hemisférios Norte e Sul Ao longo desse deslocamento o ar resfria e tornase mais denso aumentando o peso da coluna de ar atmosférico e criando cinturões de alta pressão conhecidos como alta subtropical Como o ar agora mais denso tende a descer suprimindo os ventos ascendentes ele é Fonte httpsgoogl4n2r6J Acesso em 17 jul 2017 Figura 23 Velocidade média anual do Brasil e o fluxo de potência eólica anual a uma altura de 50 m 76 U2 Energia solar eólica e de biomassa denominado anticiclone e por estar na região subtropical latitude entre 20 e 30 é quente O ar que consegue circular nas zonas de alta pressão ao atingir a superfície forma ramos que se deslocam em direção ao polo e ramos que se deslocam para o Equador formando os ventos alísios Devido ao movimento de rotação do planeta os ventos alísios são desviados para a esquerda no Hemisfério Sul ventos alísios de sudeste e para a direita no Hemisfério Norte ventos alísios de nordeste Os ventos alísios que se direcionam para o Equador dão origem à Zona de Convergência Intertropical ZCIT que tem influência no clima brasileiro incluindo as abundantes chuvas na região Amazônica A Depressão Equatorial é geralmente uma zona de ventos fracos no entanto ao sul de sua localização os ventos são persistentes Esse perfil geral de circulação atmosférica induz à atuação de ventos de leste ou nordeste ao norte da Bacia Amazônica e no litoral nordeste De acordo com as características de ventos de cada localidade do território brasileiro ele foi subdividido em regiões que você conhecerá a seguir Bacia Amazônica Ocidental e Central localizase entre as latitudes 10 S e 5 N apresenta ventos fracos com velocidades médias anuais inferiores a 35 ms Parte dessa baixa velocidade dos ventos devese à presença de grandes extensões de florestas na região que criam uma zona de atrito próxima à superfície Bacia Amazônica Oriental abrange uma área continental que vai de Santarém no Pará até 100 km da costa entre o Amapá e o Maranhão Predominam na região os ventos alísios de leste a nordeste ao norte e leste a sudeste em sua porção sul No entanto os ventos são fracos velocidade média de 35 ms devido à rugosidade gerada pela vegetação densa Zona Litorânea NorteNordeste faixa da costa com 100 km estendendose da costa do Amapá ao Cabo de São Roque no Rio Grande do Norte Nessa região predominam os ventos alísios de leste e brisas marítimas e terrestres resultando em ventos com velocidades médias anuais entre 5 ms e 75 ms no norte litorais do Amapá e Pará e entre 6 ms a 9 ms ao sul litorais do Maranhão 77 U2 Energia solar eólica e de biomassa Piauí Ceará e Rio Grande do Norte Zona Litorânea NordesteSudeste região de 100 km de largura estendendose de Cabo de São Roque RN até o estado do Rio de Janeiro Os ventos apresentam velocidades médias anuais de cerca de 9 ms ao norte Rio Grande do Norte e de 35 ms a 6 ms ao longo do restante da costa No entanto entre o sul do Espírito Santo e o nordeste do Rio de Janeiro as velocidades são próximas de 75 ms Elevações NordesteSudeste são áreas de serras e chapadas localizadas ao longo da costa brasileira do Rio Grande do Norte até o Rio de Janeiro Os ventos têm velocidades médias anuais de 65 ms a 8 ms nas maiores elevações Planalto Central estendese do sul da Bacia Amazônica até as fronteiras com Bolívia e Paraguai A velocidade média anual dos ventos varia entre 4 ms e 6 ms Em algumas regiões mais elevadas as velocidades médias anuais podem chegar a 7 ms Planaltos do Sul estendese de São Paulo ao sul do Rio Grande do Sul com velocidades médias anuais de 55 ms a 65 ms podendo apresentar ventos mais intensos entre 7 ms e 8 ms nos locais de maiores elevações e ao longo do litoral sul A partir das informações apresentadas é possível ter uma noção da potencialidade do Brasil para o aproveitamento da energia eólica principalmente nas áreas litorâneas e regiões de maiores altitudes O potencial eólico brasileiro está descrito em um atlas com uma série de informações sobre os fatores locais que influenciam a velocidade média dos ventos e as características da energia eólica no Brasil Para conhecer o Atlas do Potencial Eólico Brasileiro consulte a referência a seguir AMARANTE Odilon A Camargo do et al Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Brasília Cresesb 2001 Disponível em httpwww cresesbcepelbrpublicacoesdownloadatlaseolicoAtlas20 do20Potencial20Eolico20Brasileiropdf Acesso em 17 jul 2017 Pesquise mais 78 U2 Energia solar eólica e de biomassa No entanto o espaço da energia eólica tem sido conquistado gradativamente e o cenário tem se alterado principalmente em decorrência dos programas de incentivo De acordo com o Núcleo de Estudos Estratégicos de Energia 2014 vinculado ao Ministério de Minas e Energia o ponto de partida para o desenvolvimento do setor eólico no Brasil foi o surgimento do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas Proinfa que viabilizou o contrato de 54 usinas com a geração de cerca de 14 GW de potência No entanto tratavase de uma energia cara e pouco competitiva R 36600MWh quadro que começou a mudar a partir de 2009 quando ocorreu o primeiro leilão exclusivo para energia eólica A partir de então os custos da geração de energia eólica caíram chegando a R 13600MWh em 2014 O Brasil conta atualmente com empresas que fabricam turbinas e torres eólicas o que reduz os custos da produção de energia já que diminui a necessidade de importação de equipamentos Entretanto existem alguns entraves que durante algum tempo trouxeram dificuldades para que essa fonte de energia fosse melhor explorada entre eles destacamse a logística de transporte das peças de grande porte escassez de mão de obra qualificada e a demora no licenciamento ambiental Para solucionar tais problemas novos materiais e procedimentos de construção das torres têm sido testados cursos de capacitação têm sido oferecidos por algumas instituições de ensino e foi aprovada em 2014 a resolução CONAMA nº 462 BRASIL 2014 que uniformiza as regras para licenciamento das usinas e permite o licenciamento prévio de todo o complexo eólico ao invés de cada parque separadamente como era feito até então A utilização da energia eólica para o fornecimento de energia elétrica tem vantagens socioeconômicas e ambientais dentre elas a redução da emissão de gases do efeito estufa e o desenvolvimento econômico das áreas em que os parques eólicos são instalados com a possibilidade de qualificação profissional da população e o aumento na geração de empregos melhorias na infraestrutura das cidades e estímulo ao desenvolvimento tecnológico dos equipamentos para produção e comercialização interna Além disso por possibilitar a sua exploração de forma autônoma e isolada pode chegar às localidades onde tornase 79 U2 Energia solar eólica e de biomassa inviável a instalação de rede elétrica ou representar uma redução da conta de energia elétrica em relação ao que é cobrado quando essa energia é fornecida apenas pelas concessionárias Na situaçãoproblema desta seção você deve redigir a segunda parte de seu laudo fruto de uma consultoria em uma propriedade rural cujo dono deseja instalar equipamentos para a exploração de energia alternativa dentre elas a eólica Para compor essa parte de seu laudo foi solicitado a você que analisasse os aspectos primordiais que devem ser observados antes da concepção do projeto para que o empreendimento tenha sucesso Para redigir o aspecto proposto em seu laudo é preciso inicialmente lembrar que a energia eólica explora a velocidade dos ventos que por serem uma fonte intermitente podem sofrer variações em escala global e regional Conhecer as características dos ventos é um fator primordial para a concepção de projetos eficientes de exploração de energia eólica Globalmente a intensidade dos ventos sofre influência da latitude e da rotação do planeta Nas latitudes próximas ao Equador ocorre um maior aquecimento do ar que se torna menos denso ascende e movimentase em direção aos polos Localmente fatores como a presença de vegetação a topografia do terreno a proximidade com corpos hídricos e a presença de barreiras físicas artificiais podem influenciar a velocidade dos ventos aumentando ou diminuindo a sua intensidade As condições gerais dos ventos de cada região podem ser consultadas no Atlas de potencial eólico que apresenta características Reflita Reflita sobre o motivo pelo qual a energia eólica ainda é tão pouco explorada no Brasil apesar de todas as vantagens que ela representa É possível viabilizar ainda mais a exploração de energia eólica O que você teria como proposta caso tivesse o poder de decidir o futuro da energia eólica no Brasil Sem medo de errar 80 U2 Energia solar eólica e de biomassa dos ventos como as velocidades de acordo com cada período do dia os períodos de calmaria ventos fortes e potência média bruta energia disponível em Whm2 passível de aproveitamento pelos geradores eólicos Mesmo dispondo dos mapas é sempre preferível que sejam utilizados instrumentos de medição para a realização de curvas para cada localidade em que se pretende implantar um gerador eólico Tais instrumentos são o anemômetro que mede a velocidade dos ventos a biruta que indica a direção dos ventos e o barômetro que mede a pressão atmosférica Tendo em mãos as características dos ventos da região incluindo a variação temporal é possível propor o tipo de equipamento que será utilizado lembrando que no caso em questão será utilizado um gerador de pequeno porte visando atender à demanda apenas da propriedade rural Nesse caso existem diversos modelos disponíveis cuja escolha deve levar em conta as características do vento e seu potencial para a geração de energia das condições físicas do local e disponibilidade de recurso financeiro A viabilidade econômica de um projeto de energia eólica pode ser contabilizada pela economia de energia fornecida unicamente pela concessionária além do atendimento às necessidades de energia elétrica de uma propriedade que por ser rural pode estar longe das redes de abastecimento Essas informações constituem a base de seu laudo e poderão ser complementadas com informações adicionais adquiridas durante os seus estudos desta seção O melhor local para uma usina eólica Descrição da situaçãoproblema Você foi procurado por uma empresa para analisar o melhor local para a implantação de um grande empreendimento uma usina eólica Para isso deramlhe duas opções de localização o sul do Amazonas e o litoral do Maranhão Que aspectos importantes devem ser levados em consideração para a escolha da localidade Como podem ser obtidas as informações necessárias para a escolha Pensando apenas nos aspectos técnicos qual estado você escolheria Avançando na prática 81 U2 Energia solar eólica e de biomassa Faça valer a pena Resolução da situaçãoproblema Para resolver essa situação é necessário lembrar que os dois estados apesar de estarem em latitudes aproximadas apresentam condições locais de ventos diferentes influenciadas por fatores como a rugosidade do terreno a presença de vegetação e a proximidade com o oceano As condições locais dos ventos e suas variações sazonais são fatores que devem ser levados em consideração para analisar a viabilidade técnica de implantação de usinas eólicas No caso em questão tais informações podem ser obtidas em atlas de potencial eólico O Brasil pode ser dividido em regiões de acordo com as características dos ventos O estado do Amazonas está inserido na Bacia Amazônica uma região predominantemente de ventos fracos com velocidades médias anuais inferiores a 35 ms Esse fato devese à presença de grandes extensões de florestas na região que criam uma zona de atrito próxima à superfície O litoral do Maranhão está inserido na Zona Litorânea Norte Nordeste onde predominam os ventos alísios de leste e brisas marítimas e terrestres resultando em ventos com velocidades médias anuais entre 6 ms e 9 ms Conforme você estudou nesta seção os empreendimentos de grande porte requerem uma velocidade média de vento de 65 ms a 75 ms portanto a melhor escolha para essa situação levando em conta apenas aspectos técnicos seria o litoral do Maranhão 1 Leia o trecho a seguir O vento é o ar atmosférico em movimento devido à diferença de pressão e ao que ocorre de forma mais intensa do planeta e o que se torna denso movimentase em direção cujo ar frio predomina A alternativa que contém os termos que completam na sequência e corretamente as lacunas é a Aquecimento da superfície da Terra na região equatorial ar quente menos aos polos b Aquecimento da superfície da Terra nos polos ar frio mais ao Equador 82 U2 Energia solar eólica e de biomassa c Aquecimento da superfície da Terra na região equatorial ar quente mais aos polos d Resfriamento da superfície da Terra na região equatorial ar frio mais aos polos e Resfriamento da superfície da Terra nos polos ar frio menos ao Equador 2 As turbinas eólicas funcionam convertendo a energia cinética dos ventos em energia elétrica Para tanto ela é formada por algumas partes essenciais que possibilitam que essa conversão ocorra de forma eficiente A respeito de alguns dos componentes básicos das turbinas eólicas e suas respectivas funções associe os componentes que estão na COLUNA A com as suas respectivas funções que estão na COLUNA B COLUNA A 1 Torre 2 Rotor 3 Gerador 4 Pá COLUNA B A Converte a energia mecânica em energia elétrica B Capta a energia dos ventos C Promove a sustentação do equipamento a uma altura adequada para a movimentação das pás pelos ventos D Transforma a energia cinética de translação dos ventos em energia cinética de rotação A alternativa que contém a associação correta entre os componentes da turbina e suas respectivas funções é a 1 C 2 A 3 D 4 B b 1 A 2 B 3 C 4 D c 1 B 2 C 3 D 4 A d 1 D 2 C 3 A 4 B e 1 C 2 D 3 A 4 B 3 No ano passado 2016 o Brasil adicionou mais 2 gigawatts GW de energia eólica em 81 novos parques fazendo com que o setor atingisse 1075 GW de capacidade acumulada Ao todo o país já conta com 430 parques eólicos representando 7 da matriz elétrica nacional Os dados constam no relatório anual sobre o setor divulgado nesta semana pela Associação Brasileira de Energia Eólica ABEEólica Os bons ventos associados a investimentos vultosos que somaram US 54 bilhões refletiram na geração de mais de 30 mil postos de trabalho em 2016 83 U2 Energia solar eólica e de biomassa Em termos de geração a energia eólica cresceu 55 em relação a 2015 de acordo com a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CCEE gerando o equivalente ao abastecimento mensal de uma média de 1727 milhões de residências por mês No mercado internacional o Brasil ultrapassou a Itália e ocupa agora a nona posição no ranking mundial de capacidade instalada de energia eólica de acordo com dados do GWEC Global Wind Energy Council Fonte httpexameabrilcombreconomiaoventosoproufortepara eolicanobrasilem2016 Acesso em 17 jul 2017 O trecho da reportagem aponta para o crescimento da energia eólica no Brasil A respeito dessa energia analise as afirmativas a seguir I Os sistemas eólicos podem ser aplicados interligados à rede elétrica em sistemas isolados e em sistemas híbridos Nesse último caso as turbinas eólicas são utilizadas em conjunto com outras formas de obtenção de energia II As turbinas eólicas exploram a energia cinética dos ventos alísios que são formados pela diferença de aquecimento da água do mar e da areia das praias III Entre as vantagens ambientais da utilização de energia eólica podese destacar a redução da emissão de gases do efeito estufa em relação ao uso de outras tecnologias tais como aquelas baseadas em fontes fósseis Enunciado Após a análise das afirmativas apresentadas marque a resposta correta a Apenas as afirmativas II e III estão corretas b Apenas as afirmativas I e III estão corretas c Apenas as afirmativas I e II estão corretas d Apenas a afirmativa I está correta e As afirmativas I II e III estão corretas 84 U2 Energia solar eólica e de biomassa Seção 23 Energia de biomassa Na Unidade 1 você estudou as características da matriz energética brasileira em que observamos a contribuição da energia de biomassa como uma das mais significativas entre as fontes renováveis de energia A utilização da biomassa como fonte de energia não é um acontecimento recente A queima da lenha para aquecimento e cocção de alimentos foi amplamente empregada por muitas sociedades e de forma mais restrita pode ser observada até os dias atuais No entanto essa prática sempre foi associada ao desmatamento já que a extração de madeira para a queima não se apoiava em uma produção sustentável Esse panorama começou a mudar a partir da crise do petróleo na década de 1970 já que a biomassa passou a ser vista como matériaprima para a produção de energia Em 1975 o governo brasileiro criou o Programa Nacional do Álcool Proálcool que ofereceu incentivos fiscais ao setor sucroalcooleiro e às indústrias automobilísticas para que a produção de carros movidos a álcool aumentasse Esse foi o impulso inicial para que os biocombustíveis se tornassem atrativos e competitivos no mercado de combustíveis Vários impasses econômicos e políticos permeiam a ampliação da exploração da biomassa como fonte de energia No entanto existem questões socioambientais que fornecem subsídio para que a participação da biomassa na matriz energética brasileira seja maior No início desta unidade você foi contratado para prestar consultoria em uma propriedade rural cujo proprietário manifestou interesse em explorar fontes alternativas de energia A partir da consultoria será gerado um laudo com informações para esclarecer algumas das dúvidas do agricultor quanto às fontes escolhidas por ele Até o momento você analisou aspectos da exploração de energia solar e eólica Diálogo aberto 85 U2 Energia solar eólica e de biomassa Nesta seção o produtor rural manifestou interesse em construir um biodigestor já que em sua propriedade há criação de suínos e bovinos o que resulta numa produção de grande quantidade de dejetos diariamente No entanto sem conhecimento técnico para avaliar se essa seria uma boa ideia você foi questionado sobre a viabilidade da construção do equipamento Portanto você concluiu que terá de ressaltar no laudo a ser entregue ao proprietário da fazenda os seguintes pontos que aspectos técnicos precisam ser considerados para a concepção do projeto de um biodigestor na propriedade Quais são as vantagens que o produtor rural teria ao adotar a utilização de um biodigestor Ao longo dos estudos desta seção você terá a oportunidade de compreender o que é a biomassa e como ela é formada além de conhecer as características dessa fonte de energia que contribui para o seu aproveitamento energético Discutiremos também sobre alguns aspectos econômicos e socioambientais envolvendo o tema Não deixe de buscar outras fontes de informação para complementar os seus estudos Você sabe o que é a biomassa e como ela é convertida em energia De acordo com a Agência de Energia Elétrica ANEEL 2005 a biomassa é um recurso renovável oriundo de matéria orgânica de origem animal ou vegetal utilizada para a produção de energia A formação da biomassa e a obtenção de energia pelos seres vivos só é possível graças à presença de energia solar participante indispensável do processo de fotossíntese Para que você compreenda como a energia da biomassa é aproveitada é preciso que saiba o que é a fotossíntese Portanto vamos relembrar como ocorre esse processo biológico A fotossíntese de forma simplificada acontece em nível celular nos seres clorofilados plantas e algas que absorvem seiva bruta água e sais minerais obtidos por absorção do solo e a envia por meio de vasos condutores até as folhas que têm estruturas denominadas estômatos pelo qual entra o gás carbônico e os cloroplastos que estão dentro das células e contêm em seu interior Não pode faltar 86 U2 Energia solar eólica e de biomassa um pigmento denominado clorofila A combinação entre o gás carbônico e a seiva bruta na presença de radiação solar absorvida pela clorofila gera glicose água e oxigênio A glicose é um carboidrato utilizado como fonte imediata de energia para que a planta realize seus processos vitais e pode ainda ser convertida em outras moléculas orgânicas energéticas que ficarão armazenadas em algumas partes da planta e poderão ser disponibilizadas na cadeia alimentar A biomassa pode ser aproveitada diretamente por meio de combustão em fornos e caldeiras por processos termoquímicos gaseificação e pirólise por exemplo ou por processos biológicos fermentação anaeróbia Gaseificação e pirólise são processos de conversão termoquímica da biomassa ou seja utilizase a combustão para converter a energia química armazenada na biomassa em calor Na gaseificação ocorre a combustão incompleta dos biocombustíveis e matériasprimas oriundas da biomassa devido ao baixo fornecimento de comburente no processo Como resultado dessa combustão parcial é produzido um gás que apresenta componentes como metano hidrogênio e monóxido de carbono Na pirólise fornecese pouco ou nenhum oxigênio comburente para o processo de combustão e como resultado formamse produtos líquidos óleo pirolítico sólidos carvão vegetal e gasosos gás pirolítico Assimile Podemos dizer que a fotossíntese é um processo em que a energia luminosa é transformada em energia química Essa energia química acumulada nas plantas pode ser aproveitada pelo homem como fonte de combustível e geração de energia elétrica Exemplificando O processo de pirólise também pode ser empregado para o tratamento e a destinação final de resíduos sólidos urbanos por exemplo 87 U2 Energia solar eólica e de biomassa A fermentação anaeróbia consiste em utilizar microrganismos fermentadores na ausência de oxigênio para gerar biogás e biofertilizantes Um dos empregos mais difundidos desse processo ocorre com os biodigestores anaeróbios que detalharemos um pouco mais adiante ainda nesta seção De acordo com as características dos biocombustíveis que gera a biomassa pode ser classificada em florestal da agricultura ou de resíduos urbanos A biomassa florestal gera os biocombustíveis lenhosos que podem ser sólidos líquidos ou gasosos Os sólidos utilizam lenha e carvão vegetal para combustão direta destinada à geração de calor em fogões à lenha e caldeiras Os combustíveis lenhosos líquidos entre eles o licor negro o etanol e o óleo pirolítico são utilizados no funcionamento de motores de veículos e os combustíveis lenhosos gasosos a exemplo do gás pirolítico empregados em fornos industriais e incineradores Os agrocombustíveis são originados da biomassa de cultivos e subprodutos agrícolas e agroindustriais destinados à produção de biocombustíveis como é o caso do bagaço da canadeaçúcar casca de arroz palha de milho soja semente de girassol entre outros A canadeaçúcar é uma das principais fontes de energia renovável utilizada no Brasil Dela originase o etanol combustível para motores do ciclo Otto além do bagaço e da palha aproveitados na cogeração de energia elétrica Destacase também que o advento da mecanização da lavoura tem contribuído para uma maior disponibilização da palha para aproveitamento energético visto que anteriormente esse material era queimado antes da colheita manual VILLELA FREITAS ROSA 2015 O Brasil se destaca entre os países produtores de agrocombustíveis especialmente em função de ser o líder na produção de canade Nesse caso o processo de pirólise envolve a inserção do resíduo em tambores rotativos que lentamente realizam a combustão do material tendo como resultado a produção de biogás que pode ser utilizado como fonte energética 88 U2 Energia solar eólica e de biomassa açúcar matériaprima para a fabricação do etanol e em decorrência da produção de diesel a partir de óleos vegetais Os óleos vegetais são utilizados nos motores a diesel após a sua conversão em biodiesel que tem como objetivo reduzir a viscosidade do fluido para não danificar o motor No entanto o óleo in natura também pode ser utilizado como energético especialmente na queima em usinas termelétricas em substituição aos combustíveis fósseis empregados para essa finalidade VILLELA FREITAS ROSA 2015 Os biocombustíveis de resíduos urbanos incluem os resíduos sólidos gerados nas cidades os gases de aterros sanitários em especial o metano e os lodos das estações de tratamento de esgoto Uma das aplicações da biomassa como fonte para a geração de energia é a produção de vapores em caldeiras O mecanismo consiste na queima de biocombustíveis ou diretamente da biomassa com o objetivo de fornecer calor para o aquecimento da água até que ela entre em ebulição A utilização do vapor de água em processos industriais não é recente No século XVIII o mundo experimentou o início de uma Revolução Industrial que teve a Inglaterra como berço Nesse período houve a substituição em grande escala do trabalho artesanal pelo uso de máquinas e o desenvolvimento da locomotiva a vapor O princípio de utilização das caldeiras não sofreu grandes alterações desde seu desenvolvimento para os dias atuais no entanto houve uma modernização dos equipamentos De acordo com a forma como são construídas as caldeiras podem ser classificadas em aquatubular e flamotubulares Nas caldeiras aquatubulares ocorre a passagem de água no interior de tubulações que estão envoltas por gases quentes A ebulição da água e consequente geração de vapor ocorre pela transferência de calor dos gases para a água Nessa caldeira podemos encontrar os seguintes componentes Câmara de combustão local em que ocorre a queima de combustíveis e a geração dos gases quentes Tubos local de circulação da água que será aquecida pelos gases Coletores local de coleta de água ou vapor 89 U2 Energia solar eólica e de biomassa Tubulão tambor horizontal que fica no topo do corpo da caldeira no qual se conectam os tubos coletores Superaquecedor conjunto de serpentinas que aquecem o vapor de água saturado Préaquecedor de ar aquece o ar de alimentação das chamas Economizador aproveita os gases residuais da combustão para um préaquecimento da água antes de passar pelo tubulão visando economia de energia Alvenaria refratário revestimento interno da parede das caldeiras com material resistente a altas temperaturas Ventiladores forçam a saída do ar de combustão até as câmaras de combustão e o ar das câmaras de combustão até a chaminé Chaminé conduz os gases de combustão para a atmosfera Válvulas de segurança permitem a saída do vapor em casos de aumento da pressão dentro do equipamento ultrapassando o limite permitido As caldeiras flamotubulares são formadas por uma série de tubulações dentro das quais passam gases quentes O entorno das tubulações é preenchido pela água que será aquecida pelo calor dos gases e consequentemente sofrerá ebulição passando para o estado gasoso Existem diversos tipos de caldeiras tubulares tubos verticais tubos horizontais podendo ser do tipo cornuália Lancaster multitubulares de fornalha interna multitubulares de fornalha externa locomóvel e escocesas Nos limitaremos nesta seção a descrever a estrutura de uma caldeira típica que apresenta basicamente as seguintes partes Corpo é feito de aço carbono e consiste na estrutura na qual estão organizadas as demais partes Espelho estrutura que se encaixa no corpo da caldeira e possui perfurações por onde passam os feixes tubulares Feixes tubulares ou tubos de fogos tubos que absorvem os calores dos gases para o aquecimento da água Caixa de fumaça local de reversão dos gases para passarem novamente pelos feixes tubulares 90 U2 Energia solar eólica e de biomassa Tubo fornalha local em que o combustível será queimado Comparadas às caldeiras aquatubulares as caldeiras flamotubulares apresentam custo de aquisição mais baixos porém têm capacidade limitada com baixo rendimento térmico limitação de pressão de operação partida lenta e baixa taxa de vaporização sendo mais recomendadas para pequenas capacidades ou quando não se exige que o vapor saturado tenha alta pressão Além da geração de energia para o aquecimento de água em caldeiras a biomassa pode ser utilizada para a geração de biogás e biofertilizante por meio do processo de biodigestão A biodigestão é um processo em que a biomassa de origem vegetal ou animal como dejetos por exemplo sofre decomposição por bactérias anaeróbicas que realizam esse processo vital na ausência de oxigênio gerando biogás e biofertilizante Os biodigestores são os equipamentos nos quais ocorre a biodigestão da matéria orgânica Existem diversos tipos disponíveis no mercado dentre os quais destacamse o modelo indiano o chinês e a batelada usualmente empregados nas propriedades rurais Fonte Adaptada de httpsgoogl8YeEzu Acesso em 17 jul 2017 Figura 24 Estrutura de uma caldeira típica 91 U2 Energia solar eólica e de biomassa Basicamente um biodigestor é uma câmara fechada na qual o material orgânico a ser decomposto é inserido diluído Ele é formado por tubulações para inserção da matéria orgânica e coleta do biogás local de armazenamento do biogás câmara para armazenamento e retirada do biofertilizante e gasômetro Para o dimensionamento de biodigestores inicialmente devese levar em consideração se é uma das finalidades o aproveitamento ou não do biogás gerado Um outro ponto a ser considerado é a produção diária em litros dos dejetos que abastecerão o biodigestor além das características desse material como os sólidos totais presentes a quantidade de fósforo e de potássio É interessante levar em consideração que os dejetos de animais são matérias orgânicas ricas em nitrogênio e fósforo e quando despejados em grandes quantidades em corpos hídricos podem desencadear danos ambientais com mortandade de organismos aquáticos Esse problema pode ser parcialmente evitado com o uso da biodigestão que também pode fornecer biofertilizante promovendo uma economia com custos de fertilização do solo e o aproveitamento do biogás O biogás gerado formado em sua maior parte por metano pode ser utilizado nos fogões para o preparo de alimentos e no abastecimento de veículos O Brasil possui tecnologia para o aproveitamento do metano biometano em automóveis que está regulamentado pela Agência Nacional do Petróleo Gás Natural e Biocombustíveis ANP desde 2015 apesar de ainda não ser oferecido nos postos de combustíveis Interessouse pela biodigestão anaeróbia Esse processo que ocorre de forma natural pela ação de microrganismos sobre a matéria orgânica tem auxiliado o homem no melhor aproveitamento energético contido nos dejetos de animais que seriam simplesmente eliminados no ambiente Para saber mais informações sobre os biodigestores rurais nos modelos indiano chinês e batelada acesse o link a seguir e leia Pesquise mais 92 U2 Energia solar eólica e de biomassa o artigo Biodigestores rurais modelo indiano chinês e batelada DEGANUTTI et al 2008 Disponível em httpswwwagenciacnptiaembrapabrRepositorioBi odigestores000g76qdzev02wx5ok0wtedt3spdi71ppdf Acesso em 17 jul 2017 Os benefícios econômicos sociais e ambientais da utilização da energia de biomassa a torna uma alternativa viável para a substituição parcial dos combustíveis fósseis Entre benefícios econômicos e sociais destacamse a criação de empregos para a população a geração de receita para os municípios e a independência energética já que a energia pode ser produzida regionalmente Também destacase que a parcialidade na substituição dos combustíveis fósseis por biocombustíveis decorre do fato de que em algum momento na produção e transporte de biocombustíveis poderá ser empregado um derivado de petróleo por exemplo e a sua vantagem reside principalmente na possibilidade de economia de combustível fóssil Quanto aos benefícios ambientais é importante mencionar a redução da emissão para a atmosfera de óxido de enxofre hidrocarbonetos monóxido de carbono e dióxido de carbono ocasionado pela queima de combustíveis fósseis a possibilidade de reciclagem de resíduos orgânicos e o uso de biomassa florestal proveniente de reflorestamento A grande área territorial e as condições climáticas favoráveis tornam o Brasil um país com excelente potencial para o aproveitamento energético da biomassa em larga escala seja na produção de álcool nas caldeiras industriais ou no setor de geração de energia elétrica A energia de biomassa é a terceira fonte de energia mais explorada no Brasil perdendo apenas para a hidroeletricidade e os combustíveis fósseis Com relação à bioeletricidade em 2016 o setor sucroenergético sozinho deteve 7 da potência outorgada no país perdendo para as hidrelétricas e termelétricas SECRETARIA DE ENERGIA E MINERAÇÃO DO ESTADO DE SÃO PAULO 2016 93 U2 Energia solar eólica e de biomassa Segundo a União da indústria de canadeaçúcar 2007 projetase que o Brasil colherá em 2020 cerca de um bilhão de toneladas de canadeaçúcar o que representaria um aumento para 10 na participação da bioeletricidade na matriz energética brasileira Você está elaborando um laudo técnico para apresentar a um produtor rural interessado em explorar energias alternativas em sua propriedade entre elas a solar a eólica e a biomassa No início desta seção você foi inserido em uma situação em que um produtor rural manifestou interesse em construir um biodigestor em sua propriedade aproveitando os dejetos de suínos e bovinos Sem conhecimento técnico para avaliar se essa seria uma boa ideia você foi questionado sobre a viabilidade da construção do equipamento Foi solicitado que você ressaltasse em seu laudo os aspectos técnicos que precisam ser considerados para a concepção do projeto de um biodigestor na propriedade e as vantagens que o produtor rural teria ao adotar a utilização de um biodigestor Para apresentar uma resposta ao agricultor é importante inicialmente que ele compreenda que a biodigestão é um processo em que a biomassa de origem vegetal ou animal como os dejetos que são produzidos na fazenda sofre decomposição por bactérias anaeróbicas que realizam esse processo vital na ausência de oxigênio gerando biogás e biofertilizante Para que se realize o processo de biodigestão em sua propriedade ele deverá inicialmente construir um biodigestor que consiste em um equipamento no qual ocorrerá a biodigestão da matéria orgânica Reflita Você acredita ser possível que a participação dos biocombustíveis na matriz energética brasileira supere os combustíveis fósseis Quando foi a última vez que você utilizou etanol como combustível em um veículo Reflita sobre o assunto Sem medo de errar 94 U2 Energia solar eólica e de biomassa Genericamente um biodigestor é uma câmara fechada na qual o material orgânico a ser decomposto é inserido diluído Ele é formado por tubulações para inserção da matéria orgânica e coleta do biogás local de armazenamento do biogás câmara para armazenamento e retirada do biofertilizante e gasômetro Nem sempre é desejo de um agricultor que almeja a construção de um biodigestor o aproveitamento do biogás já que além dele também é produzido um biofertilizante que aplicado ao solo atua na fertilização com nutrientes importantes para o desenvolvimento vegetal como o nitrogênio o fósforo e o potássio Por isso antes da construção de um biodigestor é importante que o agricultor informe na etapa do projeto se deseja aproveitar ou não o biogás que pode ser utilizado por exemplo nos fogões para a cocção de alimentos Existe também a opção de abastecimento de veículos automotores que comportam esse tipo de combustível As informações sobre os usos do biogás produzido são de suma importância para o agricultor que deseja ter um biodigestor visto que por falta de conhecimento poderá desperdiçar uma fonte energética Um outro ponto a ser considerado na concepção dos projetos de biodigestores é a produção diária em litros dos dejetos que abastecerão o biodigestor além das características desse material como os sólidos totais presentes a quantidade de fósforo e potássio Por isso é importante orientar o produtor rural sobre a importância de realizar essas análises já que essas características podem influir no biogás e biofertilizantes formados É interessante orientar o produtor rural de que os dejetos dos animais criados na fazenda são matérias orgânicas ricas em nitrogênio e fósforo que quando despejados em grandes quantidades em corpos hídricos podem desencadear danos ambientais com mortandade de organismos aquáticos Esse problema pode ser evitado em partes com o uso da biodigestão que também pode fornecer biofertilizante e biogás promovendo uma economia com custos de fertilização do solo e gastos com energia 95 U2 Energia solar eólica e de biomassa Pensando em um projeto de caldeira Descrição da situaçãoproblema As caldeiras são equipamentos utilizados para a ebulição da água e geração de vapor Sua utilização se dá em indústrias de vários segmentos alimentícias de cosméticos de construção civil farmacêutica entre outras Nesse contexto você foi contratado para participar da elaboração de um projeto de instalação de uma caldeira utilizada para tingimento de tecido em uma indústria têxtil de grande porte A sua atribuição na elaboração do projeto é escrever os seguintes itens Entre a utilização de uma caldeira aquatubular e uma caldeira flamotubular qual você recomendaria Por quê Qual é o princípio de funcionamento da caldeira indicada por você Você recomendaria o uso de biomassa para a geração de energia na caldeira Por quê Resolução da situaçãoproblema Para desenvolver a sua parte do projeto inicialmente deve se levar em consideração as diferenças entre os dois tipos de caldeiras mencionadas como opção de instalação As caldeiras aquatubulares são mais caras no entanto têm maior capacidade e rendimento térmico As caldeiras flamotubulares apresentam custo de aquisição mais baixos porém têm capacidade limitada com baixo rendimento térmico limitação de pressão de operação partida lenta e baixa taxa de vaporização sendo mais recomendadas para pequenas capacidades ou quando não se exige que o vapor saturado tenha alta pressão Nesse caso a caldeiras aquatubulares seriam as mais indicadas O mecanismo de funcionamento das caldeiras consiste na queima de biocombustíveis ou diretamente da biomassa com o objetivo de fornecer calor para o aquecimento da água até que ela entre em ebulição Avançando na prática 96 U2 Energia solar eólica e de biomassa Faça valer a pena 1 A biomassa pode ser utilizada para a obtenção de energia por meio de processos termoquímicos com uso de pouco ou nenhum oxigênio na combustão e como resultado formamse produtos líquidos sólidos e gasosos O texto menciona o processo de a Gaseificação b Pirólise c Decomposição d Biodigestão e Fermentação 2 Um problema que afeta a maioria das propriedades rurais produtoras de suínos aves e bovinos é a destinação de carcaças de animais que morrem por causas rotineiras ou catastróficas A preocupação se deve especialmente à falta de uma regulamentação específica para a remoção e destinação que atenda os aspectos sanitários ambientais e econômicos Para auxiliar produtores e órgãos regulamentadores a Embrapa Suínos e Aves SC tem atuado na avaliação de algumas práticas e tecnologias apontadas como rotas tecnológicas como a compostagem acelerada a biodigestão anaeróbia a desidratação a incineração e a reciclagem industrial de carcaças rendering para a produção de farinhas gorduras fertilizantes e outros coprodutos de valor agregado Fonte httpsfagrouolcombrprojetodefiniramelhoresestrategias paradestinacaodeanimaismortos Acesso em 17 jul 2017 A biodigestão anaeróbia é citada na matéria como uma das alternativas No caso da caldeira indicada ocorre a passagem de água no interior de tubulações que estão envoltas por gases quentes A ebulição da água e consequente geração de vapor ocorre pela transferência de calor dos gases para a água O uso de biomassa para a queima em caldeiras é indicado visto que se comparado aos combustíveis fósseis há uma redução da emissão de materiais particulados óxido de enxofre hidrocarbonetos monóxido de carbono e dióxido de carbono para a atmosfera Esses são alguns pontos básicos que devem ser incluídos em sua parte do projeto no entanto é importante que outras informações complementares sejam inseridas para enriquecer o seu trabalho 97 U2 Energia solar eólica e de biomassa para auxiliar os produtores rurais na destinação da carcaça de animais mortos confirmando a importância ambiental e sanitária do processo A respeito da biodigestão analise as afirmativas a seguir I Apesar de apresentar benefícios ambientais como a redução da emissão de gases do efeito estufa o biogás biometano proveniente da biodigestão ainda não é utilizado no Brasil II A biodigestão anaeróbia ocorre no interior de um biodigestor que consiste em uma câmara fechada na qual o material orgânico a ser decomposto é inserido diluído III Para que a biodigestão ocorra é necessário que o material orgânico a ser inserido esteja isento de qualquer tipo de microrganismo ou seja o meio precisa estar estéril Após a análise das afirmativas marque a alternativa que apresenta a resposta correta a Apenas as afirmativas I e II estão corretas b Apenas a afirmativa I está correta c Apenas a afirmativa II está correta d Apenas as afirmativas II e III estão corretas e Apenas a afirmativa III está correta 3 As caldeiras são utilizadas para o aquecimento de água a partir da queima de um combustível e consequente formação de vapor que é aproveitado em processos industriais Existem alguns tipos de caldeiras disponíveis no mercado entre elas as aquatubulares e as flamotubulares A respeito desses dois tipos de caldeiras marque V para verdadeiro e F para falso nas assertivas a seguir I Nas caldeiras flamotubulares os gases quentes passam no interior de tubulações e o entorno das tubulações é preenchido pela água que será aquecida pelo calor dos gases II Comparadas às caldeiras aquotubulares as caldeiras flamotubulares apresentam custo de aquisição mais baixos III Comparadas às caldeiras aquotubulares as flamotubulares possuem capacidade limitada com baixo rendimento térmico sendo mais recomendadas para pequenas capacidades ou quando não se exige que o vapor saturado tenha alta pressão Após a análise das assertivas marque a alternativa que apresenta a ordem correta de verdadeiro V ou falso F a V V V b F F V c V V F d F V V e F F F 98 U2 Energia solar eólica e de biomassa 99 U2 Energia solar eólica e de biomassa Referências ÁLVAREZ Juan José Pérez Aproveitamento de energia termo solar 17 ed Ilha Solteira Unesp 2015 AMARANTE Odilon A Camargo do et al Atlas do potencial eólico brasileiro Brasília Cresesb 2001 Disponível em httpwwwcresesbcepelbrpublicacoes downloadatlaseolicoAtlas20do20Potencial20Eolico20Brasileiropdf Acesso em 17 jul 2017 ANEEL AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Atlas de energia elétrica do Brasil 2 ed Brasília Aneel 2005 Resolução Normativa n 482 de 17 de abril de 2012 Estabelece as condições gerais para o acesso de microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de distribuição de energia elétrica o sistema de compensação de energia elétrica e dá outras providências Brasília 2012 Disponível em httpwww2 aneelgovbrcedocren2012482pdf Acesso em 17 jul 2017 BARBOSA Vanessa O vento soprou forte para eólica no Brasil em 2016 país adicionou mais 2 GW de energia eólica em 81 novos parques mas vigor do setor pode estar em risco Examecom São Paulo maio 2017 Disponível em http exameabrilcombreconomiaoventosoprouforteparaeolicanobrasil em2016 Acesso em 17 jul 2017 BRASIL Resolução CONAMA nº 462 de 24 de julho de 2014 Estabelece procedimentos para o licenciamento ambiental de empreendimentos de geração de energia elétrica a partir de fonte eólica em superfície terrestre altera o art 1º da Resolução CONAMA nº 279 de 27 de julho de 2001 e dá outras providências Diário Oficial da União Ministério do Meio Ambiente Brasília DF 25 jul 2014 p 96 CENTRO DE PESQUISAS DE ENERGIA ELÉTRICA Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito Grupo de Trabalho de Energia Solar Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos Rio de Janeiro CRESESB 2004 DEGANUTTI Roberto et al Biodigestores rurais modelo indiano chinês e batelada Bauru Unesp 2008 DUTRA Ricardo Org Energia eólica princípios e tecnologia Rio de Janeiro Cresesb 2000 Disponível em httpwwwcresesbcepelbrdownloadtutorial tutorialeolica2008ebookpdf Acesso em 17 jul 2017 FADIGAS Elaine A Faria Amaral Energia eólica Barueri Manole 2011 NÚCLEO DE ESTUDOS ESTRATÉGICOS DE ENERGIA Energia eólica no Brasil e no mundo Brasília Ministério de Minas e Energia 2014 Energia solar no Brasil e no mundo ano base 2015 Brasília Ministério de Minas e Energia 2016 100 U2 Energia solar eólica e de biomassa PEREIRA Enio Bueno et al Atlas Brasileiro de Energia Solar São José dos Campos Swera 2006 PHILIPPI JÚNIOR Arlindo REIS Lineu Belico dos Ed Energia e sustentabilidade Barueri Manole 2016 19 v Coleção ambiental PORTAL BRASIL Brasil é o quarto país em que energia eólica mais cresce no mundo Exame São Paulo v 1 jan 2016 Disponível em httpwwwbrasilgov brinfraestrutura201601brasileumdosprincipaisgeradoresdeenergiaeolica domundo Acesso em 17 jul 2017 PROJETO VAI DEFINIR ESTRATÉGIAS PARA DESTINAÇÃO DE ANIMAIS MORTOS SF Agro São Paulo mar 2017 Disponível em httpsfagrouolcombrprojeto definiramelhoresestrategiasparadestinacaodeanimaismortos Acesso em 17 jul 2017 RASHID Muhammad H Eletrônica de potência dispositivos circuitos e aplicações 4 ed São Paulo Pearson Education do Brasil 2014 REIS Lineu Belico dos Geração de energia elétrica 2 ed Barueri Manole 2011 REIS Lineu Belico dos SANTOS Eldis Camargo Energia elétrica e sustentabilidade Aspectos tecnológicos socioambientais e legais 2 ed Barueri Manole 2014 SECRETARIA DE ENERGIA E MINERAÇÃO DO ESTADO DE SÃO PAULO Biomassa representa 88 da matriz elétrica do Brasil São Paulo 2016 Disponível em httpwwwenergiaspgovbr201607biomassarepresenta88damatriz eletricadobrasil Acesso em 16 maio 2017 TOLMASQUIM Mauricio Tiomno Coord Energia renovável hidráulica biomassa eólica solar oceânica Rio de Janeiro EPE 2016 UNIÃO DA INDÚSTRIA DE CANADEAÇÚCAR Unica Perspectivas para o setor sucroalcooleiro no Brasil São Paulo Unica 2007 VILLELA Alberto A FREITAS Marcos A V ROSA Luiz Pinguelli O uso de energia de biomassa no Brasil Rio de Janeiro Interciência 2015 Unidade 3 Energia hidráulica e gaseificação Convite ao estudo Nas Unidades 1 e 2 você teve a oportunidade de conhecer alguns aspectos da matriz energética brasileira e das fontes de energia que a compõem Aprendeu sobre as características da exploração da energia solar eólica e de biomassa e refletiu sobre os aspectos econômicos e socioambientais que permeiam as discussões sobre a viabilidade do uso dessas fontes alternativas de energia Agora chegou a vez de tratarmos sobre alguns dispositivos que exploram a energia hidráulica carneiros hidráulicos e rodas dáguas e sobre o processo de gaseificação Quanto menor a qualidade da água disponível mais oneroso o seu tratamento e distribuição para a população já que além dos gastos com produtos químicos e pessoal há também o gasto com energia elétrica que ocorre ao longo O Brasil é um país privilegiado com abundância de disponibilidade de recursos hídricos mantendo se em uma situação confortável em relação a outros países do mundo No entanto existe uma desigualdade na distribuição desse recurso pelo território nacional De acordo com o Relatório de Conjuntura dos Recursos Hídricos passam pelo território brasileiro em média cerca de 260000 m3s de água dos quais 205000 m3s estão localizados na bacia do rio Amazonas restando para as demais parcelas do território 55000 m3s de vazão média ANA 2016 p 23 das diversas etapas do tratamento e que é perdida ao longo do processo Parte desse consumo de energia é atribuído ao funcionamento das bombas de água Nesse contexto tornase necessária a adoção de medidas que viabilizem a captação e o reúso de água de forma a atender aos requisitos de sustentabilidade aliando os diferentes usos da água com medidas para minimizar os gastos com energia elétrica decorrente de sua captação Os carneiros hidráulicos e as rodas dágua são alternativas atrativas nesse sentido Além disso a força das águas é fonte para a geração de energia elétrica Embora grande parte da energia hidráulica gerada no país seja atribuída às grandes hidrelétricas as rodas dágua e as microcentrais hidroelétricas também podem ser utilizadas com essa finalidade e são alternativas promissoras em propriedades rurais e pequenas comunidades Quanto à gaseificação você teve a oportunidade de conhecer alguns aspectos desse processo na Unidade 2 quando estudamos a exploração da energia de biomassa Trata se da conversão termoquímica de um sólido ou líquido em um produto gasoso Nesta unidade você poderá aprofundar os seus estudos sobre a gaseificação conhecendo os processos e os equipamentos empregados para essa finalidade Além disso você também estudará nesta unidade os princípios de funcionamento e aplicações do carneiro hidráulico e da roda dágua além das características funcionamento projeto e aspectos ambientais das microcentrais hidroelétricas Com a finalidade de aplicar o conhecimento adquirido nesta unidade apresentamos o seguinte contexto você foi convidado para realizar o projeto de construção de equipamentos para a exploração de fontes de energias alternativas em outra grande propriedade rural produtora de madeiras de reflorestamento e que também conta com uma fábrica de móveis Nessa propriedade rural que é margeada por um rio residem algumas famílias de empregados em casas espalhadas pela fazenda além do seu proprietário Em tempos de crise o produtor rural manifesta bastante preocupação com relação à sua conta de energia que tem ultrapassado o valor habitual e se tornado um obstáculo para a manutenção da propriedade e da fábrica de móveis Visando minimizar os gastos ele deseja obter informações sobre a viabilidade de aproveitamento dos recursos naturais de sua propriedade na redução da utilização da energia fornecida pela concessionária Para a realização desse projeto você deverá cumprir três etapas que serão trabalhadas uma por seção mediante as situaçõesproblema apresentadas no decorrer desta unidade Você deverá responder questões tais como o produtor rural poderia fazer o uso de roda dágua para reduzir o custo com energia elétrica Que fatores devem ser observados para verificar a viabilidade do uso desse dispositivo No caso das microcentrais hidroelétricas MCH que estudos prévios são necessários para atestar a viabilidade de sua construção na propriedade em questão Quais são as etapas do projeto de uma MCH Levando em consideração os recursos naturais disponíveis na fazenda você poderia propor a construção de um gaseificador Como você explicaria o processo de gaseificação e justificaria sua viabilidade ao proprietário Esperamos que esses assuntos despertem a sua curiosidade para buscar por outras fontes de informação para aprofundar o seu conhecimento sobre o tema Bons estudos U3 Energia hidráulica e gaseificação 104 Seção 31 Carneiro hidráulico e roda dágua Os benefícios econômicos e ambientais decorrentes da utilização de fontes de energia alternativas têm sido atrativos para alguns setores da economia principalmente aqueles envolvidos na produção de bens Nesse sentido temos a seguinte situação você foi convidado para realizar um projeto de construção de equipamentos para a exploração de fontes de energia alternativas em outra grande propriedade rural produtora de madeiras de reflorestamento e que também conta com uma fábrica de móveis Nessa propriedade rural que é margeada por um rio residem algumas famílias de empregados em casas espalhadas pela fazenda além do seu proprietário Em tempos de crise o produtor rural manifesta bastante preocupação com relação à sua conta de energia que tem ultrapassado o valor habitual e se tornado um obstáculo para a manutenção da propriedade e da fábrica de móveis Visando minimizar os gastos ele deseja obter informações sobre a viabilidade de aproveitamento dos recursos naturais de sua propriedade na redução da utilização da energia fornecida pela concessionária Para a realização desse projeto você deverá dividi lo em três etapas que serão trabalhadas uma por seção mediante as situaçõesproblema apresentadas no decorrer desta unidade Para a realização da primeira parte de seu projeto você deverá propor uma possível forma de reduzir os custos com energia elétrica na propriedade em questão por meio da utilização de rodas dágua Para tanto foi necessário obter algumas informações adicionais sobre a propriedade como a disponibilidade de água na região O proprietário lhe informou que o rio que corta a propriedade apresenta baixo desnível e que sua água está imprópria para consumo Nessa situação o proprietário poderia fazer uso desse dispositivo Que fatores você deve analisar na fazenda para verificar a viabilidade da instalação de uma roda dágua Essas informações devem constar na primeira parte do projeto Diálogo aberto U3 Energia hidráulica e gaseificação 105 que será apresentado ao produtor rural e para responder a essas questões você deverá recorrer aos assuntos a serem abordados nesta seção enfatizando o princípio de funcionamento e as aplicações das rodas dágua É importante que você amplie o seu universo de pesquisas buscando informações adicionais que deem condições para melhor fundamentar o seu projeto Bom trabalho Você sabia que o carneiro hidráulico é um dispositivo de bombeamento de água inventado em 1796 Inicialmente tratavase de um equipamento com funcionamento manual que posteriormente foi automatizado O seu nome é uma relação entre o barulho feito pelos golpes que o animal carneiro profere com a cabeça e o barulho da bomba em funcionamento que também realiza um golpe quando o escoamento de água pela tubulação devido à gravidade sofre uma interrupção brusca originando o chamado golpe de aríete Devido a esse fenômeno o carneiro hidráulico também pode ser chamado de bomba de aríete Em síntese o carneiro hidráulico ou bomba de aríete é um dispositivo mecânico utilizado para o bombeamento de água utilizando o golpe de aríete e a própria força da gravidade para gerar uma pressão que eleva a água de um nível mais baixo a um nível mais alto sem a necessidade do uso de eletricidade ou combustível O carneiro hidráulico pode ser fabricado industrialmente ou ser construído com diversos tipos de materiais representando um equipamento simples e de baixo custo Entre os seus componentes principais destacamse Tubo de impulso cano por onde a água do manancial é coletada Válvula de desperdício seu fechamento gera o golpe de aríete forçando a abertura da válvula de entrega Válvula de entrega local de passagem da água do tubo de impulso para a câmara de compressão do ar Não pode faltar U3 Energia hidráulica e gaseificação 106 Câmara de compressão do ar é um componente dispensável mas a sua presença aumenta a eficiência do bombeamento pois o ar comprimido dentro dela permite que a água flua de forma estável para o tubo de saída Tubo de saída da água local por onde a água coletada do manancial sai podendo ser conduzida a um reservatório ou estar simplesmente conectado a uma mangueira de água A Figura 31 representa um esquema da estrutura de um carneiro hidráulico com os componentes enumerados Basicamente o funcionamento de um carneiro hidráulico consiste na entrada de água do manancial pelo tubo de impulso até que por força da pressão feche a válvula de desperdício gerando o golpe de aríete fazendo com que a água force a sua entrada pela válvula de entrega Passando pela válvula de entrega a água segue contra a gravidade entrando pela câmara de compressão de ar que pressiona a saída da água pela válvula de saída Da válvula de saída a água pode ser direcionada a um reservatório elevado A altura em que a água será elevada dependerá da pressão no interior da câmara de compressão de ar O golpe de aríete é um aumento de pressão que ocorre quando Esquema de um carneiro hidráulico representando 1 tubo de impulso 2 água saindo com pressão pela válvula de desperdício 3 válvula de saída 4 válvula de desperdício 5 válvula para impedir o refluxo de água 6 câmara de compressão de ar Fonte httpsgooglFYfbZY Acesso em 10 ago 2017 Figura 31 Esquema de um carneiro hidráulico U3 Energia hidráulica e gaseificação 107 Fonte httpsgoogltMwBnS Acesso em 10 ago 2017 Figura 32 Esquema do carneiro hidráulico comercial e suas respectivas partes um fluxo de água dentro de uma tubulação é interrompido Um exemplo prático para entender esse fenômeno ocorre quando interrompemos o fluxo de água em uma mangueira de jardim utilizando o dedo Devido ao aumento de pressão é possível inclusive perceber o movimento da mangueira À medida que a água avança contra a gravidade para chegar ao tubo de saída ela desacelera em decorrência da atuação de uma força contrária ao seu movimento fechando a válvula de entrada Com a válvula de entrada fechada a água que passa pelo tubo de impulso diminui a velocidade de seu fluxo e a válvula de desperdício reabre para aumentar a pressão da água Assim o ciclo se inicia novamente A estrutura de um carneiro hidráulico comercial pode ser um pouco diferente apesar do princípio de funcionamento ser o mesmo A seguir será representado um esquema do carneiro hidráulico comercial Figura 32 Para a proposição de um projeto de instalação de carneiro hidráulico é necessário saber se a vazão da queda dágua é suficiente para o funcionamento do equipamento determinar o diâmetro do tubo de alimentação e do tubo de bombeamento estimar o consumo de água que deverá ser bombeado e o rendimento do equipamento Os carneiros hidráulicos fabricados têm os tamanhos definidos em função dos diâmetros de entrada e saída Para saber U3 Energia hidráulica e gaseificação 108 qual é o tamanho mais indicado para a finalidade que se deseja devese pesquisálo nas tabelas fornecidas pelos fabricantes No que se refere à aplicação dos carneiros hidráulicos eles podem ser utilizados em propriedades rurais para finalidades como irrigação dessedentação de animais e abastecimento das residências Yamaushi et al 2014 apresentam uma alternativa para a utilização dos carneiros hidráulicos na construção civil e destacam a viabilidade financeira e a eficácia da utilização do equipamento para conversão da água da chuva até os reservatórios de habitações É importante destacar que o uso do carneiro hidráulico apresenta vantagens e desvantagens que precisam ser analisadas antes de sua instalação Entre as vantagens destacamse o fácil manejo a independência do uso de energia elétrica e combustíveis para o seu funcionamento o baixo custo de aquisição do equipamento podendo inclusive ser construído com materiais de fácil acesso o seu funcionamento contínuo uma vez instalado ele trabalha 24 h apresenta rendimento relativamente elevado Como desvantagens podese citar o ruído produzido pelo golpe de aríete a influência das condições locais na eficiência do equipamento a necessidade de utilização de água limpa e apenas uma fração da vazão disponível é recalcada Além do carneiro hidráulico um outro dispositivo hidráulico de interesse é a roda dágua Você sabia que o emprego das rodas dágua é ainda mais antigo do que o uso do carneiro hidráulico Dados dão conta de que as rodas dágua são utilizadas há mais de 2000 anos principalmente na agricultura para a realização de irrigação Você pode conhecer mais sobre o princípio de funcionamento da roda dágua e do carneiro hidráulico bem como outros assuntos relacionados à hidráulica lendo a obra Série energias renováveis hidráulica organizada por Geraldo Lúcio Tiago Filho 2007 Disponível em httpcerpchunifeiedubrwpcontentuploadscartilhas cartilhasenergiasrenovaveishidraulicapdf Acesso em 10 ago 2017 Pesquise mais U3 Energia hidráulica e gaseificação 109 e outros trabalhos Atualmente elas têm ganhado destaque como uma alternativa para a geração de eletricidade Um aspecto interessante sobre as rodas dágua é que elas podem funcionar com o próprio peso da água apenas com a velocidade do fluxo da água ou com ambos os processos combinados O tipo de funcionamento dependerá do local de admissão de água que pode ser por cima funcionando com o próprio peso da água nas chamadas rodas dágua sobreaxial ou por baixo giram com a velocidade de fluxo e nesse caso são denominadas subaxial Nas rodas dágua do tipo sobreaxial Figura 33 a água é conduzida por uma tubulação ou por um canal até a porção superior do equipamento Ao ser derramada a água preenche as cubas fazendo com que um dos lados da roda fique mais pesado promovendo a sua rotação Nesse modelo a energia potencial da água é aproveitada já que ela se desloca de um ponto mais alto para o mais baixo Ao passar pela roda a água cai em pequenos reservatórios construídos em torno dela Exemplificando As rodas dágua produzem um trabalho a partir do fluxo de água que pode ser uma pequena queda com pequena vazão de água Isso é exemplificado pelo princípio básico de seu funcionamento que consiste na transformação de energia hidráulica em energia mecânica cuja potência pode ser influenciada por fatores como a altura da queda e a vazão do curso de água que por sua vez irão determinarão a velocidade de passagem da água pelo dispositivo U3 Energia hidráulica e gaseificação 110 As rodas dágua do tipo subaxial são acionadas quando recebem um fluxo de água por baixo de seu eixo já que suas aletas estão em contato direto com a água aproveitando a energia cinética do curso de água A estrutura de uma roda dágua subaxial pode ser visualizada na Figura 34 Fonte httpsgooglPvhfU2 Acesso em 10 ago 2017 Fonte httpsgoogln7LXKq Acesso em 10 ago 2017 Figura 33 Fotografia de uma roda dágua sobreaxial Figura 34 Fotografia de uma roda dágua subaxial U3 Energia hidráulica e gaseificação 111 Outra aplicação das rodas dágua é o seu emprego em sistemas hidrocinéticos para a produção de energia elétrica Esses sistemas baseiamse na utilização da própria velocidade do curso de água para a movimentação da roda dágua que está conectada a um gerador que produz energia elétrica Devese levar em consideração que em decorrência da energia gerada pelo dispositivo estar intimamente relacionada com a velocidade com que a água passa pela roda dágua pode ser necessário o uso de um sistema multiplicador de velocidade para que a demanda de energia seja satisfeita ou a escolha de um local em que haja velocidade promissora para a implantação do sistema Assimile Tal como os carneiros hidráulicos as rodas dágua são empregadas nas propriedades rurais como um sistema de captação de água de fácil construção e manutenção e isentas da necessidade de uso de combustíveis para o seu funcionamento As rodas apresentam ainda a vantagem de viabilidade de construção em locais com pequeno desnível e a independência de água de boa qualidade para o seu acionamento podendo essa inclusive ser imprópria para consumo humano As rodas dágua são dispositivos muito bons e promissores na geração de energia elétrica Se interessou pelo tema Conheça mais sobre as turbinas hidrocinéticas acessando o vídeo Turbina hidrocinética capítulo 1 indicado a seguir Disponível em httpswwwyoutubecomwatchvjYJ9VWLSx4 Acesso em 10 ago 2017 Pesquise mais Reflita Ao longo desta seção você conheceu o funcionamento básico e algumas utilizações do carneiro hidráulico e da roda dágua Refletindo sobre os usos e as condições de funcionamento dos U3 Energia hidráulica e gaseificação 112 dois dispositivos você conseguiria propor a implantação deles em algum local de sua cidade ou arredores Que benefícios o uso desses dispositivos poderia trazer para a população Reflita sobre o assunto Estamos chegando ao final desta primeira seção da unidade Não deixe de reler o material anotando os pontos principais e suas dúvidas é importante que você busque por fontes de dados complementares para aprofundamento da construção de seu conhecimento Bons estudos Na situação proposta para esta seção você deve elaborar um projeto para uma propriedade rural que tem uma pequena fábrica de móveis cujo proprietário manifestou interesse em aproveitar os recursos naturais da propriedade para a geração de energia com o objetivo de conseguir uma possível economia financeira Esse projeto foi dividido em três partes sendo o objetivo da primeira parte a proposta de uma possível forma de reduzir os custos com energia elétrica na propriedade em questão por meio da utilização de rodas dágua O proprietário lhe informou que o rio que corta a propriedade apresenta baixo desnível e que sua água está imprópria para consumo Nessa situação você deveria saber dizer se o proprietário poderia fazer uso desse dispositivo nessas condições além de analisar os fatores que atestassem a viabilidade da instalação de uma roda dágua Para a instalação de rodas dágua inicialmente devese ter disponível um curso de água seja ele natural ou artificial e dados sobre a vazão do curso dágua e altura da queda caso ela exista Existem rodas dágua sobreaxial e subaxial Nas rodas dágua tipo sobreaxial a água é conduzida por uma tubulação ou por um canal até a porção superior do equipamento e ao ser derramada faz com que um dos lados da roda fique mais pesado promovendo a sua rotação Nesse caso é necessário que haja um desnível para que a roda gire aproveitando a energia potencial da água Sem medo de errar U3 Energia hidráulica e gaseificação 113 Já nas rodas dágua do tipo subaxial a água flui por baixo de seu eixo já que suas aletas estão em contato direto com a água aproveitando a energia cinética do curso de água Esse seria o tipo mais indicado para a fazenda descrita pois conforme descrito pelo proprietário o rio que corta a propriedade apresenta um baixo desnível As rodas dágua em propriedades rurais podem ser utilizadas na captação de água para irrigação e abastecimento das casas além de poderem ser utilizadas em sistemas hidrocinéticos em que são acopladas a geradores para o fornecimento de energia elétrica Esses sistemas baseiamse na utilização da própria velocidade do curso de água para a movimentação da roda dágua e geração da energia Com relação ao fato da água ser imprópria para consumo humano uma das vantagens da utilização das rodas dágua para a geração de energia é justamente a independência de água de boa qualidade para que seja empregada na geração de energia e portanto esse não seria um impedimento para a instalação do dispositivo É importante salientar que a eficiência das rodas dágua na geração de energia elétrica em modelos hidrocinéticos depende da velocidade de rotação da roda dágua fato que está intimamente ligado ao fluxo de água que passa pelo dispositivo e portanto esse é um fator que necessita ser conhecido antes da instalação da roda dágua com o objetivo de geração de energia elétrica Esses são alguns dos pontos principais que devem fazer parte dessa primeira etapa de seu projeto Não se esqueça de ir além e buscar por informações adicionais que complementem o que foi proposto até o momento Para isso sugerimos a leitura do artigo Geração de energia paisagismo e sustentabilidade de Lucas Pletsch Lazzarin e Gilmar de Oliveira Veloso 2015 Disponível em httpeventosifcedubrwpcontentuploadssites 5201510GERAC387C383ODEENERGIAPAISAGISMOE SUSTENTABILIDADE2pdf Acesso em 10 ago 2017 Pesquise mais U3 Energia hidráulica e gaseificação 114 Instalando um carneiro hidráulico Descrição da situaçãoproblema Os carneiros hidráulicos são equipamentos utilizados há tempos pelo homem com a finalidade de captação de água Você é um projetista que foi procurado pelo dono de uma pequena propriedade rural interessado em realizar a captação de água de um córrego que corta a propriedade Ele informoulhe apenas que a finalidade da captação é o abastecimento de uma caixa de água que distribui a água captada para outras localidades da propriedade Nesse caso o que deve ser verificado no local para propor a viabilidade de uso de um carneiro hidráulico Como eles funcionam Quais são as vantagens e as desvantagens que esses dispositivos apresentam Resolução da situaçãoproblema Tanto as rodas dágua quanto os carneiros hidráulicos podem ser utilizados com a finalidade de captação de água em propriedades rurais no entanto no caso em questão como nenhuma informação adicional além da finalidade do uso foi informada tornase necessário estudar alguns aspectos do corpo de água do qual se fará a captação Entre esses aspectos é importante destacar a distância do córrego até o local de armazenamento de água a vazão do córrego e se existe queda que poderia influir no fluxo de água Só assim é que poderíamos verificar a viabilidade de instalação dos dispositivos No carneiro hidráulico a água do manancial entra pelo tubo de impulso até que por força da pressão feche a válvula de desperdício gerando o golpe de aríete o que faz com que a água force a sua entrada pela válvula de entrega Passando pela válvula de entrega a água segue contra a gravidade entrando pela câmara de compressão de ar que pressiona a saída da água pela válvula de saída Da válvula de saída a água pode ser direcionada a um reservatório elevado A altura em que a água será elevada dependerá da pressão no interior da câmara de compressão de ar À medida que a água avança contra a gravidade para chegar ao tubo de saída ela desacelera em decorrência da atuação de uma força contrária ao seu movimento fechando a válvula de entrada Avançando na prática U3 Energia hidráulica e gaseificação 115 Com a válvula de entrada fechada a água que passa pelo tubo de impulso diminui a velocidade de seu fluxo e a válvula de desperdício reabre para aumentar a pressão da água Assim o ciclo iniciase novamente Entre as vantagens do carneiro hidráulico listase o fácil manejo a independência do uso de energia elétrica e combustíveis para o seu funcionamento o baixo custo de aquisição do equipamento podendo inclusive ser construído com materiais de fácil acesso o seu funcionamento contínuo uma vez instalado ele trabalha 24h e o rendimento relativamente elevado Como desvantagens podese citar o ruído produzido pelo golpe de aríete a influência das condições locais na eficiência do equipamento a necessidade de utilização de água limpa e apenas uma fração da vazão disponível é recalcada Faça valer a pena 1 O carneiro hidráulico é um dispositivo mecânico utilizado em propriedades rurais para o bombeamento de água de um nível mais baixo a um nível mais alto Para isso é utilizado o golpe de aríete e a própria força da gravidade para gerar uma pressão que eleva a água Em que consiste o golpe de aríete empregado no funcionamento do carneiro hidráulico a Consiste na interrupção brusca do escoamento de água por uma tubulação b Consiste na redução de pressão na válvula de entrada c Consiste no aumento do nível de água do corpo dágua de onde é bombeada d Consiste no aumento do escoamento de água no interior da tubulação e Consiste no fechamento das válvulas de refluxo 2 Os carneiros hidráulicos podem ser utilizados na captação de água em propriedades rurais com a finalidade de irrigação e abastecimento de caixas de água das residências Independente do uso alguns fatores devem ser levados em consideração antes da proposição de um projeto de instalação de carneiros hidráulicos A respeito desse assunto analise as assertivas a seguir I Uma das vantagens do uso do carneiro hidráulico é que não é necessária a existência de queda dágua para o seu funcionamento II Conhecer a vazão do corpo hídrico de onde a água será bombeada U3 Energia hidráulica e gaseificação 116 é uma importante fase inicial do projeto de instalação de carneiros hidráulicos III Ao se optar pela instalação de um carneiro hidráulico fabricado comercialmente não é necessário realizar um projeto Após a análise das assertivas marque a alternativa que contém a resposta correta a As assertivas I II e III estão corretas b Apenas as assertivas I e II estão corretas c Apenas a assertiva II está correta d Apenas a assertiva I está correta e Apenas as assertivas II e III estão corretas 3 As rodas dágua podem ser utilizadas nas propriedades rurais para a captação de água e geração de energia elétrica Elas podem ser do tipo sobreaxial e a subaxial As rodas dágua do tipo são acionadas quando recebem um fluxo de água já que suas aletas estão em contato direto com a água aproveitando a do curso de água Marque a alternativa com a sequência que preenche corretamente as lacunas a Subaxial por baixo de seu eixo energia potencial b Sobreaxial por cima de seu eixo energia cinética c Subaxial por cima de seu eixo energia cinética d Subaxial por baixo de seu eixo energia cinética e Sobreaxial por baixo de seu eixo energia potencial U3 Energia hidráulica e gaseificação 117 Seção 32 Microcentrais hidroelétricas Caro aluno iniciamos agora a Seção 32 da disciplina Fontes alternativas de energia Nela abordaremos a exploração da água como fonte para a geração de energia elétrica Já é de seu conhecimento que o Brasil é um país rico em recursos hídricos embora não esteja distribuído de forma igualitária em todo o território A riqueza desse recurso natural permite que ele seja o principal explorado no país como fonte para a geração de energia elétrica A primeira hidroelétrica do Brasil foi construída no reinado de D Pedro II no município de Diamantina MG Para o seu funcionamento com apenas 05 megawatt de potência utilizavamse as águas do Ribeirão do Inferno um afluente do rio Jequitinhonha e uma linha de transmissão de energia de apenas 2 km Apenas cerca de 100 anos depois a potência instalada nas hidroelétricas sofreu um significativo aumento e hoje o Brasil é um dos principais exploradores de energia hidroelétrica do mundo O aumento do consumo de energia elétrica no país aliado ao desenvolvimento de novas tecnologias fez crescer as discussões a respeito dos impactos ambientais gerados pelas grandes usinas hidroelétricas e a necessidade de diversificação da matriz energética brasileira Nesse contexto o uso das microcentrais hidroelétricas surge como opção de geração de energia descentralizada e de baixo impacto ambiental No início desta unidade foi proposta uma situação em que você foi convidado para realizar o projeto de construção de equipamentos para a exploração de fontes de energia alternativas em uma grande propriedade rural produtora de madeiras de reflorestamento e que também conta com uma fábrica de móveis Você recebeu a informação de que essa propriedade rural é margeada por um rio e que nela residem algumas famílias de empregados em casas espalhadas pela fazenda além do seu proprietário que manifestou interesse em saber a viabilidade de aproveitamento dos recursos Diálogo aberto U3 Energia hidráulica e gaseificação 118 naturais de sua propriedade para a redução da utilização da energia elétrica fornecida pela concessionária O projeto que você está desenvolvendo foi dividido em três etapas Uma delas que envolveu a proposição de uma possível forma de reduzir os custos com energia elétrica na propriedade em questão por meio da utilização de rodas dágua já foi concluída anteriormente Para a realização da segunda parte do projeto você caminhou ao longo do rio que margeia a propriedade e analisou que ele poderia ser uma boa fonte de geração de energia Que estudos prévios são necessários para atestar a viabilidade da implantação de uma microcentral hidroelétrica para abastecer essa propriedade Quais são as etapas do projeto Os estudos preliminares as etapas de projeto e outros aspectos sobre as microcentrais hidroelétricas serão o assunto de destaque desta seção As hidroelétricas são a principal fonte geradora de energia elétrica da matriz nacional conforme visto na Unidade 1 desta disciplina No entanto grande parte dessa contribuição compete às grandes usinas hidroelétricas geradoras de alguns impactos ambientais e fornecedora de uma energia centralizada ambos assuntos que são objetos de críticas a essas instalações e que você também estudou em unidades anteriores No entanto existe alternativa para a exploração descentralizada de energia hidroelétrica por meio da instalação das microcentrais hidroelétricas MCH Você conhece uma microcentral hidroelétrica Sabe o que a define como microcentral Entende os aspectos ambientais que permeiam as discussões sobre o seu uso Tem noção das etapas de projeto de construção de uma microcentral hidroelétrica Essas são questões que embasarão os estudos desta seção Entre os usos da água um que merece atenção é a geração de energia elétrica Embora a construção das grandes hidroelétricas gere controvérsias com relação aos possíveis impactos ambientais que podem causar fato que tem inclusive tornado mais burocrático o seu licenciamento a grande presença de corpos hídricos no Brasil Não pode faltar U3 Energia hidráulica e gaseificação 119 e a natureza renovável da água ainda são fatores que justificam a sua exploração Primeiro vamos entender por que a hidroeletricidade é uma fonte de energia renovável Tudo está relacionado ao ciclo da água na natureza conhecido como ciclo hidrológico Devido a esse ciclo pelo qual a água passa a sua quantidade total no planeta é constante há milhares de anos A água presente na superfície evapora devido ao calor do Sol e paralelamente a isso o vapor de água também é enviado para a atmosfera por meio da evapotranspiração de plantas e animais A água evaporada e transpirada se condensa na forma de nuvens até que ao atingir saturação ocorre a precipitação líquida na forma de chuva que abastecerá os corpos hídricos superficiais e subterrâneos ou sólida na forma de neve e granizo A Figura 35 traz um esquema sobre o ciclo da água enfocando os processos pelos quais a água passa de um estado a outro O conhecimento do ciclo hidrológico e da velocidade com que a água passa pelos seus estados físicos ao longo desse ciclo em função do tempo e do espaço é objeto de estudo da Fonte httpsgooglNNLst9 Acesso em 11 ago 2017 Figura 35 Fotografia de uma roda dágua subaxial U3 Energia hidráulica e gaseificação 120 hidrologia Compreender os aspectos fundamentais da hidrologia é importante para a aquisição de dados que fundamentem os projetos de centrais hidroelétricas A energia hídrica é uma fonte de energia renovável que pode contribuir com aspectos socioambientais positivos quando as geradoras de energia são bem estruturadas No entanto para a geração de energia em hidroelétricas aproveitase o fluxo da água e para isso normalmente é feito o desvio do curso do rio e a formação de reservatórios É importante salientar portanto que não se trata de uma energia limpa uma vez que com a formação desses reservatórios de água ocorre a decomposição vegetal processo que emite gases para a atmosfera O mesmo podese dizer dos equipamentos utilizados na construção e manutenção da infraestrutura das hidroelétricas REIS 2011 Os problemas socioambientais associados à hidroeletricidade têm inviabilizado os projetos de usinas de grande porte No entanto temse verificado uma disseminação nos projetos de pequenas e microcentrais hidroelétricas que têm como uma de suas principais vantagens a possibilidade de descentralização no fornecimento de energia tornando viável a sua instalação em locais onde a instalação de redes de energia é difícil visto que quanto maior a usina hidroelétrica mais distante ela tende a ser dos centros consumidores e maior é a exigência da construção de grandes linhas de transmissão Além disso oferece a oportunidade de empregos e possibilita os usos múltiplos da água de tal forma que a água utilizada para o fornecimento de energia também pode ser aproveitada na irrigação em unidades de moagem entre outros Como saber se uma instalação é micro pequena ou grande central hidroelétrica Para isso algumas variáveis são utilizadas para fazer a classificação das centrais hidroelétricas entre elas a localização da central a vazão a altura da queda dágua a capacidade ou potência instalada o tipo de barragem turbina e reservatório Todas essas variáveis citadas são interdependentes ou seja existe uma influência mútua entre os fatores a altura da queda por exemplo depende do local em que a central será instalada o que por sua vez influenciará nos aspectos técnicos como os tipos de barragem turbina e reservatório que serão construídos U3 Energia hidráulica e gaseificação 121 Todos os fatores citados influenciarão na potência instalada que determinarão se tratase de Usina Hidroelétrica UHE uma Pequena Central Hidroelétrica PCH ou Microcentral Hidroelétrica MCH De acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL 2008 uma MCH gera valores inferiores a 1 megawatt MW e são adotadas para uso particular como em indústrias e em propriedades rurais as PCH têm entre 11 MW e 30 MW de potência instalada e apresentam área do reservatório de até 13 km2 as UHE geram mais de 30 MW eou têm reservatórios com mais de 13 km2 Basicamente uma MCH é formada por uma tomada de água barragem de desvio câmara de carga tubulações casa de força e linhas de transmissão A Figura 36 esquematiza de forma simplificada como ocorre a geração de energia elétrica nas microcentrais hidroelétricas Assimile As MCH podem ser instaladas junto a pequenas quedas dágua e não necessitam de reservatórios para armazenagem de água ou instalações sofisticadas para a transmissão da energia Por isso em comparação às UHE são menos impactantes ambientalmente contribuem para a diversificação da matriz energética e representam uma alternativa interessante para os locais em que as redes elétricas vindas das UHE não chegam como propriedades rurais pequenas comunidades e agroindústrias Fonte Adaptada de httpengiobracommicrousinashidreletricas Acesso em 10 ago 2017 Figura 36 Esquema simplificado sobre o processo de geração de energia elétrica em microcentrais hidroelétricas U3 Energia hidráulica e gaseificação 122 Nas centrais hidroelétricas a água que estava concentrada na tomada de água passa pelo conduto e aciona uma turbina responsável por movimentar o rotor de um gerador elétrico para produzir energia As barragens são construções que permitem a criação de um desnível hidráulico elevando o nível das águas do rio enchendo a tomada de água Existem vários tipos de barragens que podem ou não serem necessárias cuja escolha dependerá de parâmetros de projeto Para as microcentrais a altura da barragem é da ordem de três metros A tomada de água é um local de captação de água que apresenta como funções controlar a vazão da água que será enviada para o conduto e reter corpos flutuantes para que eles não cheguem até as turbinas Nesse último caso podese utilizar grades de proteção para reter os sólidos maiores e um desarenador para reter os materiais sedimentáveis Além dos equipamentos para a retenção dos sólidos a tomada de água também apresenta comportas de manutenção e comportas de limpeza Os condutos são canais por onde a água represada passa para chegar à turbina Eles podem ser livres ou forçados Um conduto livre pode ser construído na forma de aqueduto ou canais abertos por onde a água passa livremente Já os condutos forçados dependem de uma pressão da água para gerar uma queda Segundo Reis 2011 a perda de carga nos condutos é um problema associado a fenômenos de escoamento de água como o atrito resultando em uma diminuição na queda útil de água É importante que essa perda seja calculada na etapa de projeto e que se considere que o tipo de material utilizado na construção do conduto pode ter grande influência nesse processo A turbina os geradores os reguladores de tensão e outros equipamentos que participam da geração de energia elétrica são instalados dentro de uma casa de força que podem ser construídas em arranjo de eixo horizontal ou de eixo vertical Os parâmetros de construção dependerão de características do aproveitamento elétrico como o porte da central o tipo e o tamanho da turbina e dos geradores utilizados entre outros Portanto determinar o tipo e o tamanho da turbina que deve estar de acordo com o aproveitamento energético da água é fundamental para definir a configuração da casa de força As turbinas são equipamentos utilizados para converter energia U3 Energia hidráulica e gaseificação 123 hidráulica em energia mecânica O funcionamento da turbina respeita o mesmo princípio da roda dágua que você estudou na Seção 31 desta unidade a água que passa pela turbina gira um eixo mecânico que está acoplado ao rotor de um gerador elétrico O projeto das turbinas hidroelétricas deve respeitar as características do aproveitamento energético para que uma maior eficiência em seu funcionamento seja alcançada Os geradores elétricos são utilizados na conversão da energia mecânica em energia elétrica Normalmente são utilizados os do tipo síncrono para operar com frequência fixa de potência O controle da potência é feito por meio de reguladores de tensão e de velocidade REIS 2011 Para a realização de projetos de microcentrais hidroelétricas algumas fases precisam ser respeitadas São elas realização de estudos detalhes da execução das obras civis análise e escolha de equipamentos mecânicos e elétricos definição de custos e avaliações De acordo com o Manual de micro centrais hidrelétricas da Eletrobrás 1985 devese 1 Estudar a topografia hidrologia geologia geotecnia ecologia aspectos socioeconômicos e ambientais de toda a área que sofrerá influência da central hidroelétrica Nos estudos hidrológicos destacamse o cálculo das vazões normais de aproveitamento vazões de cheia visando dimensionamento das obras de desvio e dos extravasores as características do curso dágua queda vazões máximas e mínimas níveis máximos e mínimos a montante e a jusante Aqui também é importante destacar a necessidade de calcular a potência requerida para os usos elétricos estabelecidos pelo proprietário 2 Realizar uma estimativa de custo preliminar para subsidiar a decisão do proprietário quanto ao prosseguimento ou não do projeto Nesta etapa devese levar em consideração a altura da queda a potência necessária a extensão da linha de transmissão o comprimento das tubulações conduto o comprimento e a altura da barragem caso seja necessária a sua construção e custos com transporte de equipamentos 3 Fazer um estudo aprofundado das configurações de barragens e dos tipos de equipamentos disponíveis no mercado reconhecendo as especificações técnicas de cada um U3 Energia hidráulica e gaseificação 124 4 Realizar os dimensionamentos da tomada de água bem como escolher a sua localização o seu tipo que dependerá da vazão da água as características da comporta de água das grades e do desarenador 5 Fazer a escolha do tipo e realizar o dimensionamento da barragem do vertedouro e das tubulações que devem levar em consideração as características hidrológicas do corpo de água 6 Selecionar o tipo e o tamanho da turbina hidráulica considerando a altura da queda de água e a descarga m3s 7 Realizar a escolha dos reguladores de tensão e velocidade e do tipo de gerador que será utilizado bem como dos demais equipamentos que servirão para proteger e auxiliar o funcionamento do gerador e a distribuição da energia gerada 8 Determinar o custo final da obra A elaboração de um bom projeto para o aproveitamento energético em microcentrais hidroelétricas pode garantir uma maior eficiência na geração de energia além de possibilitar a estimativa de custos com o empreendimento Para saber mais sobre a metodologia de elaboração de projetos dessa natureza acesse o documento a seguir ELETROBRÁS Ed Manual de micro centrais hidrelétricas Brasília Ministério de Minas e Energia 1985 Disponível em httpeletrobras comptPaginasManuaiseDiretrizesparaEstudoseProjetosaspx Acesso em 11 ago 2017 Pesquise mais Exemplificando Almeida 2007 realizou um estudo de caso visando atestar a viabilidade técnica e econômica da implantação de uma microcentral hidroelétrica Para tanto foi necessário a avaliação de aspectos técnicos relacionados à construção operação e manutenção de equipamentos Para verificar um exemplo de como ocorreu toda a etapa de estudos envolvendo o projeto leia o capítulo 4 Estudo de caso microcentral hidrelétrica do centro de energias renováveis Para isso acesse o link indicado a seguir U3 Energia hidráulica e gaseificação 125 Para a instalação de uma microcentral hidroelétrica é necessário que a Aneel seja informada fornecendo alguns dados básicos como informações sobre o proprietário a localização que se pretende instalar a MCH e a potência Já no caso das PCH e UHE torna se necessário realizar um inventariamento da bacia hidrográfica em que se pretende fazer a instalação que deve ter autorização prévia da Aneel para ser feito e posteriormente ser submetido para avaliação e aprovação As informações de outorgas de geração de energia elétrica são fornecidas por meio de boletins trimestrais pela Aneel e de acordo com o documento publicado em março de 2017 as pequenas centrais hidroelétricas novas registradas autorizadas e ampliadas no Brasil no primeiro trimestre de 2017 somaram 141 unidades com geração total de 221MW Chegamos ao fim de mais uma seção da Unidade 3 Esperamos que as informações aqui adquiridas abram as portas para o aprofundamento do assunto levando em consideração a diversidade de características que as microcentrais hidroelétricas podem apresentar Bons estudos ALMEIDA José Leandro Casa Nova Análise da viabilidade técnica e econômica de implantação de uma microusina hidrelétrica 2007 67 f Dissertação Mestrado Curso de Engenharia Mecânica Universidade Estadual Paulista Guaratinguetá 2007 Disponível em httpsrepositoriounespbrbitstreamhandle1144999288almeida jlcnmeguarapdfsequence1 Acesso em 11 ago 2017 Reflita As microcentrais hidroelétricas têm se tornado uma alternativa atrativa para a geração descentralizada de energia Você conhece alguma microcentral hidroelétrica na cidade em que mora Saberia sugerir algum local onde seria vantajosa a sua instalação Reflita sobre o assunto U3 Energia hidráulica e gaseificação 126 Você está desenvolvendo a segunda parte de seu projeto que tem como objetivo apresentar algumas alternativas para a exploração de energia em uma propriedade rural cujas características foram apresentadas no início desta seção A primeira parte de seu relatório envolveu a proposição da viabilidade da redução de custos com energia elétrica na propriedade em questão por meio da utilização de rodas dágua Para a realização da segunda parte do projeto objetivo desta seção foi proposto a você que descrevesse os estudos prévios necessários para atestar a viabilidade da implantação de uma microcentral hidroelétrica para abastecer a propriedade e que indicasse quais são as etapas do projeto Inicialmente é necessário levar em consideração o primeiro prérequisito para a realização de um projeto dessa natureza que é a presença de um curso de água cuja hidrologia seja favorável à exploração energética No caso das microcentrais hidroelétricas não é necessária a presença de corpos hídricos com grandes vazões já que a geração de energia tem potência máxima de 1 MW Para a realização de projetos de MCH devese obedecer às seguintes etapas realização de estudos detalhes da execução das obras civis análise e escolha de equipamentos mecânicos e elétricos definição de custos e avaliações A etapa de estudos envolve a obtenção de dados sobre a topografia hidrologia geologia geotecnia ecologia aspectos socioeconômicos e ambientais de toda a área que sofrerá influência da central hidroelétrica Entre os estudos hidrológicos temse o cálculo das vazões normais de aproveitamento vazões de cheia visando dimensionamento das obras de desvio e dos extravasores as características do curso dágua queda vazões máximas e mínimas níveis máximos e mínimos a montante e a jusante e o cálculo da potência requerida para os usos elétricos estabelecidos pelo proprietário Uma estimativa do custo preliminar é importante para subsidiar a decisão do proprietário quanto ao prosseguimento ou não do projeto Nessa etapa considerase a altura da queda a potência necessária a extensão da linha de transmissão o comprimento Sem medo de errar U3 Energia hidráulica e gaseificação 127 das tubulações conduto o comprimento e a altura da barragem caso seja necessária a sua construção custos com transporte de equipamentos e os custos prévios com os geradores de eletricidade É desejável também que seja realizado um estudo aprofundado das configurações de barragens e dos tipos de equipamentos disponíveis no mercado reconhecendo as especificações técnicas de cada um Realizar os dimensionamentos da tomada de água do vertedouro e da barragem bem como escolher a sua localização o seu tipo e as demais características desses equipamentos é importante para estimar o custo final da obra assim como selecionar o tipo e o tamanho da turbina hidráulica além de escolher os reguladores de tensão e velocidade e o tipo de gerador que será utilizado Essas são algumas das etapas de projeto que são importantes para atestar a viabilidade técnica e econômica para a instalação de uma microcentral hidroelétrica Não deixe de aprofundar o seu conhecimento sobre o assunto levantando outros aspectos sobre a etapa de projeto por meio das leituras complementares indicadas na seção e buscando por outras fontes de informação Resolvendo um problema de projeto Descrição da situaçãoproblema Um projeto bem feito de uma microcentral hidroelétrica é um requisito importante para garantir o sucesso de seu empreendimento Suponha que você foi contratado para compor uma equipe que está desenvolvendo um projeto de uma microcentral hidroelétrica para abastecer a sede de uma pequena propriedade rural Os primeiros estudos para o desenvolvimento do projeto já foram realizados no entanto uma característica não consta nos dados hidrológicos as caraterísticas da água em função da presença de sólidos suspensos e sedimentáveis Assim são feitos os seguintes questionamentos por que essa informação é importante Como a falta desse dado pode afetar o projeto da microcentral hidroelétrica Que etapa do projeto deve ser revista para a inclusão do dado Avançando na prática U3 Energia hidráulica e gaseificação 128 Resolução da situaçãoproblema As características hidrológicas do curso dágua em que a energia hidráulica será explorada é um aspecto fundamental para que o projeto seja bemsucedido pois nessa etapa não apenas a vazão poderá ser calculada mas outras características da água poderão ser mensuradas A presença de sólidos é uma delas Os sólidos suspensos e sedimentáveis deverão ser removidos para que não passem pelo conduto obstruindoo ou interfira na rotação das turbinas A ausência desses dados na etapa de projeto influencia nas características da tomada de água que é um local de captação de água cujas funções são controlar a vazão da água a ser enviada para o conduto e reter corpos flutuantes para que não cheguem até as turbinas Nesse último caso podese utilizar grades de proteção para reter os sólidos maiores e um desarenador para reter os materiais sedimentáveis Devido à falta de um dado hidrológico será necessário retornar à etapa de estudos do projeto e realizar atividades em campo de preferência em diferentes períodos do ano a fim de complementar a informação sobre a característica da água ausente no projeto Faça valer a pena 1 As microcentrais hidroelétricas MCH podem ser utilizadas para a geração de energia em propriedades rurais muitas vezes longe dos centros de distribuição elétrica em agroindústrias e em pequenas comunidades Uma das vantagens atribuídas a elas é justamente a possibilidade de descentralização de energia levando eletricidade para os locais em que é onerosa a instalação de redes Sobre as características das MCH analise as assertivas a seguir I São instalações que apresentam entre 11 MW e 30 MW de potência instalada e uma área do reservatório de até 13 km² II A operação das MCH possibilita os usos múltiplos da água de tal forma que a água utilizada para o fornecimento de energia também possa ser aproveitada na irrigação por exemplo III Se comparada às usinas hidroelétricas as MCH têm baixo impacto ambiental e uma das referências é a redução da emissão de gases do efeito estufa já que não é necessário realizar inundação de áreas com vegetação para a construção de reservatórios Após a análise das assertivas marque a alternativa correta U3 Energia hidráulica e gaseificação 129 a Apenas as assertivas II e III estão corretas b Apenas as assertivas I e III estão corretas c Apenas as assertivas I e II estão corretas d As assertivas I II e III estão corretas e Apenas a assertiva III está correta 2 Basicamente uma microcentral hidroelétrica MCH é formada por algumas estruturas entre elas a tomada de água a barragem de desvio que pode ou não estar presente a câmara de carga tubulações casa de força e linhas de transmissão O funcionamento em conjunto dessas estruturas possibilita a conversão de energia hidráulica em energia elétrica Nas MCH qual estrutura é responsável pela conversão de energia hidráulica em energia mecânica a O gerador b A turbina c A tomada de água d A barragem e O regulador de tensão 3 A é um local em que ocorre a captação de água Tem como função controlar a da água que será enviada para o e reter corpos flutuantes para que eles não cheguem até Assinale a alternativa com a sequência que preenche corretamente as lacunas a Barragem vazão gerador as turbinas b Barragem queda dágua conduto as turbinas c Turbina vazão conduto o gerador d Tomada de água queda dágua conduto o gerador e Tomada de água vazão conduto as turbinas U3 Energia hidráulica e gaseificação 130 Seção 33 Gaseificação Chegamos à última seção da terceira unidade da disciplina Fontes alternativas de energia Nesta unidade você conheceu os princípios e o funcionamento do carneiro hidráulico e roda dágua foi apresentado ao universo das microcentrais hidroelétricas MCH e nesta seção compreenderá alguns aspectos relacionados à gaseificação entre eles como ocorre o processo os combustíveis utilizados os gases gerados e as principais aplicações No início desta unidade você foi convidado para realizar o projeto de construção de equipamentos para a exploração de fontes de energias alternativas em uma propriedade rural produtora de madeiras de reflorestamento e que também conta com uma fábrica de móveis Para realizar o projeto algumas informações adicionais foram fornecidas como a presença de um rio margeando a propriedade e o fato de algumas famílias de empregados residirem em casas espalhadas pela fazenda além do proprietário Em contato com o produtor rural foi visível a sua preocupação com relação à conta de energia que tem ultrapassado o valor habitual e se tornado um obstáculo para a manutenção da propriedade e da fábrica de móveis Com o objetivo de minimizar os gastos ele solicitou informações sobre a viabilidade de aproveitamento dos recursos naturais de sua propriedade na redução da utilização da energia fornecida pela concessionária Esse projeto deve ser realizado em três etapas Duas delas você já concluiu na primeira você analisou a viabilidade da instalação da roda dágua e na segunda você atestou a viabilidade da implantação de uma microcentral hidroelétrica para abastecer essa propriedade Para realizar a terceira e última parte de seu projeto temos a seguinte situação após dois dias percorrendo a propriedade e investigando os gastos com energia você notou que boa parte do consumo elétrico ocorre na fábrica de móveis Levando em consideração os recursos naturais disponíveis na fazenda como as madeiras utilizadas para a fabricação dos móveis você poderia Diálogo aberto U3 Energia hidráulica e gaseificação 131 propor a construção de um gaseificador Como você explicaria o processo de gaseificação e justificaria sua viabilidade ao proprietário Para finalizar o seu projeto busque informações ao longo da leitura desta seção e não deixe de aprofundar os seus conhecimentos sobre o tema com leituras complementares Bom trabalho Nesta unidade de estudos você tem conhecido algumas fontes de energia consideradas limpas se comparadas às fontes mais usualmente exploradas em nosso país para a geração de eletricidade Compreendeu as características e o funcionamento dos carneiros hidráulicos e rodas dágua Seção 31 e das microcentrais hidrelétricas Seção 32 Esta última seção da unidade é dedicada ao aprofundamento do funcionamento e características da gaseificação que você teve a oportunidade de conhecer brevemente na Seção 23 quando estudou o processo de produção de energia a partir de biomassa Após essa breve introdução do conteúdo você provavelmente se lembrou de algumas informações sobre a gaseificação e a pirólise dois processos de conversão termoquímica da biomassa utilizados para a produção de biocombustíveis e eletricidade A seguir vamos relembrar alguns aspectos desses processos e ampliar os conhecimentos sobre a gaseificação A combustão da biomassa é geralmente utilizada para a geração de energia e calor em fornos e caldeiras No entanto a partir dela também é possível obter alguns hidrocarbonetos com características comparáveis aos combustíveis líquidos comerciáveis como a gasolina e o diesel e até eletricidade Uma das rotas utilizadas para a conversão da biomassa em biocombustíveis e energia elétrica é denominada termoquímica dentro das quais se incluem a gaseificação objeto de estudo desta seção Portanto é nela que vamos nos ater A rota termoquímica é de forma bastante singular uma série de reações químicas que ocorrem em temperaturas elevadas e a determinadas pressões Quando a biomassa é submetida ao aquecimento na ausência de oxigênio pirólise ou na presença Não pode faltar U3 Energia hidráulica e gaseificação 132 parcial dele gaseificação as ligações químicas de seus compostos celulose e material mineral são quebradas originando inicialmente compostos orgânicos intermediários não voláteis e após uma decomposição termal secundária compostos voláteis Caso sofram polimerização os compostos intermediários orgânicos poderão também formar produtos com um alto peso molecular como o carvão A partir de reações primárias e secundárias termais observadas na gaseificação também poderão ser formados gases conhecidos como gás de síntese gás de biomassa gás pobre ou producer gás cujas características estudaremos mais adiante nesta seção A escolha do agente de gaseificação deve levar em consideração as vantagens e as desvantagens de cada um Vejamos algumas delas Ar apresenta baixo poder calorífero mas em contrapartida há as vantagens de ter baixo custo e apresentar moderado teor de materiais particulados e alcatrão depende do gaseificador utilizado Vapor requer a utilização de um gerador de vapor há a necessidade de limpeza catalítica devido ao acréscimo do teor de alcatrão no gás No entanto sua vantagem é o fato de o gás produzido ter alto poder calorífero e teor de hidrogênio Oxigênio exige uma planta para separação de ar e altas temperaturas de gaseificação porém apresenta a vantagem Assimile A gaseificação pode portanto ser definida como a conversão termoquímica de um material rico em carbono em estado sólido ou líquido a altas temperaturas utilizando um gaseificador com a participação de um agente de gaseificação tal como o ar o vapor de água e o oxigênio ou uma mistura deles Esse processo diferente da combustão ocasiona a oxidação incompleta do carbono e do hidrogênio componentes do combustível originando gases combustíveis como CO H2 e CH4 além de compostos típicos da combustão entre eles CO2 H2O O2 N2 e hidrocarbonetos eteno etano entre outros U3 Energia hidráulica e gaseificação 133 de produzir um gás de síntese sem alcatrão e a gaseificação da biomassa pode ocorrer em estado líquido Dióxido de carbono precisa ser aquecido o gás produzido precisa passar por limpeza catalítica e exige altas temperaturas para que o dióxido de carbono seja reativo Entre as vantagens atribuídas à sua utilização como agente estão o alto poder calorífero do gás produzido e altos teores de monóxido de carbono e hidrogênio O processo de gaseificação ocorre entre 800 e 1800 C sendo que a temperatura será responsável por influenciar os produtos formados Vejamos a seguir conforme destaca Oliveira 2010 algumas reações químicas que podem ocorrer na gaseificação envolvendo produtos como carbono monóxido de carbono dióxido de carbono metano hidrogênio e água Combustão reação de liberação de calor exotérmica que ocorre na presença de oxigênio e é primordial para que outras reações ocorram Reação de Boudouard reação heterogênea de oxirredução de dióxido e monóxido de carbono a uma determinada temperatura que quando alta predominase a formação de monóxido de carbono e quando baixa leva à formação de dióxido de carbono Reação de formação de metano reação heterogênea exotérmica em que ocorre a reação entre carbono e hidrogênio para formar metano Reação de carbonovapor reação heterogênea endotérmica envolvendo a formação de monóxido de carbono e hidrogênio a partir da reação entre carbono e vapor de água O gás de síntese pode ser utilizado diretamente em motor alternativo de combustão interna MACI turbina a gás TG em células a combustível ou em caldeiras e fornos queima direta Também pode ser empregado na geração de eletricidade podendo nesse último caso ser combinado com a síntese de combustível em uma única planta num processo denominado poligeração LORA VENTURINI 2012 A Figura 37 esquematiza de forma simplificada o processo de gaseificação da biomassa U3 Energia hidráulica e gaseificação 134 Fonte Adaptada de httpsgooglHjjqGZ Acesso em 11 ago 2017 Figura 37 Gaseificação da biomassa em esquema simplificado O prétratamento da biomassa envolve entre outros o processo de secagem já que a umidade da biomassa é um fator que pode alterar a eficiência da gaseificação No gaseificador a biomassa é submetida a altas temperatura e pressão e convertida em gás de síntese que passa por um processo de limpeza para redução de impurezas e segue para um reator que utiliza catalizadores para transformar os gases produzidos no gaseificador em combustíveis Vejamos agora alguns tipos de reatores existentes e as características de cada um deles Existem seis tipos principais de gaseificadores que podem ser classificados de acordo com características como a direção do fluxo da biomassa a forma como ocorre o fornecimento de calor e o fluxo do agente de gaseificação São eles de leito fluidizado borbulhante LFB de leito fluidizado circulante LFC de leito fixo contracorrente de leito fixo cocorrente de leito fixo tipo fluxo cruzado e de leito arrastado Os gaseificadores em leito fixo podem também ser denominados gaseificadores em leito móvel devido ao fato de o leito se movimentar do topo para o fundo do reator na medida em que ele é alimentado por combustível e as cinzas são retiradas O movimento do fluxo de gases através do reator e o fluxo do combustível pode classificálo como reator em corrente ascendente contracorrente e reator em corrente descendente cocorrente U3 Energia hidráulica e gaseificação 135 Nos gaseificadores contracorrentes ocorre a alimentação com biomassa na parte superior do reator e no sentido contrário à alimentação segue o fluxo do gás gerado O agente da combustão é inserido na parte inferior do gaseificador Nesse tipo de gaseificador o combustível biomassa passa pelo processo de secagem pirólise redução e combustão e os gases gerados seguem para a saída que fica na parte superior do reator Esse tipo de gaseificação origina gases com alto teor de alcatrão e normalmente os gases gerados são oxidados para a geração de energia térmica Nos gaseificadores do tipo cocorrente a biomassa é inserida na parte superior do reator e descende passando pelo processo de secagem pirólise oxidação e redução O agente de gaseificação é inserido nas laterais do gaseificador na altura de onde ocorre a oxidação e os gases produzidos são retirados pela parte inferior Nesse tipo de gaseificador o gás produzido tem baixo teor de alcatrão já que ocorre o seu craqueamento na zona de combustão devido às altas temperaturas Os gaseificadores em leito fluidizado não apresentam zonas de reação diferenciadas como observado nos reatores de leito fixo Nesse tipo de reator existe uma câmara de reação que apresenta placas distribuidoras com partículas inertes que fica suspensa por um meio fluidizante que atravessa o reator em sentido ascendente Quando se fala em gaseificação da biomassa esse tipo de reator apresenta elevada eficiência energética distribuindo uniformemente a temperatura no interior do reator e por isso alta taxa de conversão de carbono em combustível LORA VENTURINI 2012 Para que um gás de síntese seja utilizado é necessário que alguns requisitos de qualidade sejam atendidos incluindo as suas características e a presença de impurezas fatores influenciados pelo tipo de gaseificador parâmetros de operação e os agentes envolvidos na gaseificação A Tabela 31 apresenta os requisitos do gás de síntese para utilização como biocombustível em motores alternativos de combustão interna MACI turbina a gás TG e células a combustível quanto aos parâmetros material particulado álcalis amônia ácido clorídrico sulfeto de hidrogênio óxido de silício e alcatrão U3 Energia hidráulica e gaseificação 136 IMPUREZA MACI TG CÉLULA A COMBUSTÍVEL Material particulado mgNm³ 50 30 Álcalis mgNm³ 025 Amônia mgNm³ 55 01 Ácido clorídrico ppm 01 Sulfeto de hidrogênio mgNm³ 1150 1 Óxido de silício mgNm³ 1 Alcatrão mgNm³ 100 1 Fonte Adaptada de Lora e Venturini 2012 p 414 Tabela 31 Requisitos do gás de síntese para utilização em MACI em TG e em células a combustível Desafios relativos à gaseificação envolvem a formação de impurezas como materiais particulados sulfeto de hidrogênio metais alcalinos e vapores condensáveis denominados alcatrão cuja formação tem relação com as condições de operação do gaseificador e a umidade da biomassa O alcatrão representa um problema pois polimerizase em motores e turbinas em decorrência de sofrer condensação quando as temperaturas são reduzidas Existem tecnologias disponíveis para remover o alcatrão antes que ocorra a condensação nas superfícies Um método primário envolve a otimização do gaseificador para que o gás produzido tenha baixa concentração de alcatrão Havendo a formação utilizase o método secundário em que se realiza a limpeza do gás A necessidade de utilização de equipamentos secundários para a obtenção de gases de boa qualidade é um fator a ser considerado para a utilização da gaseificação como fonte de obtenção de energia a partir de biomassa já que tais equipamentos apresentam preço elevado encarecendo o processo OLIVEIRA 2010 U3 Energia hidráulica e gaseificação 137 A presença de umidade em excesso na biomassa é um fator que influencia negativamente a qualidade do gás produzido e o desempenho do gaseificador já que parte do calor utilizado no processo precisa ser gasto para a secagem da biomassa Além das aplicações já relatadas nesta seção a gaseificação pode ser utilizada na geração de eletricidade em pequena escala Para tanto diferentes formas de tecnologia poderão ser utilizadas tais como o gaseificador de leito fixo ou leito fluidizado acoplados a motores alternativos de combustão interna microturbina a gás turbina a gás células a combustível ciclo a vapor ciclo orgânico Rankine e Sistema Integrado de Gaseificação de biomassa com turbina a gás Para que você compreenda como funciona a gaseificação na produção de eletricidade veja o exemplo no quadro Exemplificando Para saber mais sobre os equipamentos responsáveis por melhorar a qualidade dos gases gerados na gaseificação leia o material intitulado Capítulo 6 gaseificação e pirólise para a conversão da biomassa em eletricidade e biocombustíveis de Electo Eduardo Silva Lora et al e conheça algumas das tecnologias aplicadas para a limpeza dos gases e remoção do material particulado Disponível em httpwwwnestunifeiedubrportuguespagsdownloads filesBiocombustiveisCap06pdf Acesso em 11 ago 2017 Pesquise mais Exemplificando Figueiredo et al 2012 investigaram a produção de energia elétrica através da biomassa em sistema de gaseificação concorrente Para tanto foi utilizado um motor de combustão interna MWM adaptado a ciclo Otto acoplado ao gerador de eletricidade com capacidade de 50 kVA alimentado exclusivamente com o gás de síntese proveniente do gaseificador que utilizou lenha de eucalipto como combustível Os resultados da pesquisa mostraram que foi consumido em média 496 kgh de biomassa com um teor de umidade de 1642 O gás de síntese produzido apresentava a seguinte composição 169 de U3 Energia hidráulica e gaseificação 138 H2 01 de O2 501 de N2 200 de CO 109 de CO2 e 20 de CH4 A quantidade de gás produzida foi suficiente para suprir a demanda do grupo gerador em potência máxima de 264 kW com tensão variando entre 222 e 223 V Para saber detalhes sobre como esse teste foi realizado leia o artigo indicado a seguir FIGUEIREDO F L et al Produção de energia elétrica através da biomassa em sistema de gaseificação concorrente e grupo gerador com capacidade de 50 kVA Semina Ciências Exatas e Tecnológicas Londrina v 33 n 2 p 165174 juldez 2012 Disponível em httpwwwuelbrrevistas uelindexphpsemexatasarticleviewFile1018611652 Acesso em 11 ago 2017 Reflita Nesta seção tivemos a oportunidade de conhecer alguns detalhes sobre a gaseificação da biomassa que pode ser utilizada na conversão de compostos ricos em carbono incluindo os resíduos sólidos urbanos em gases que podem ser utilizados entre outros para a geração de eletricidade Até que ponto você acredita ser vantajoso aos proprietários de fazendas e indústrias a geração de eletricidade por meio de gaseificação Você acha que essa prática deveria receber algum tipo de incentivo fiscal Reflita sobre estes assuntos Estamos finalizando mais uma unidade de estudos Não deixe de revisar os conteúdos apresentados e anotar as suas dúvidas e considerações mais importantes Esperamos que as leituras realizadas o tenham motivado a buscar informações complementares Para finalizar o projeto que você está desenvolvendo na propriedade rural que entre outros aspectos tem uma indústria de madeira foi solicitado a você que respondesse aos seguintes questionamentos você poderia propor a construção de um Sem medo de errar U3 Energia hidráulica e gaseificação 139 gaseificador Como você explicaria o processo de gaseificação e justificaria sua viabilidade ao proprietário Para responder a essas questões e finalizar o seu projeto é necessário inicialmente levar em consideração que o processo de gaseificação é uma conversão termoquímica de um material rico em carbono com a finalidade de produzir gases que possam ser utilizados para o aquecimento de caldeiras e fornalhas para o funcionamento de motores e para a geração de energia elétrica em pequena escala Analisando as características da fazenda observase que a propriedade conta com algumas casas incluindo a do próprio proprietário além da fábrica de móveis de madeira O funcionamento de uma pequena fábrica de madeiras obedece às seguintes etapas o projeto do móvel é desenvolvido a partir do desejo do cliente e ao ser aprovado é enviado ao setor responsável pelo corte e laminagem da madeira Após essa etapa o marceneiro recebe o material para realizar a montagem do móvel a fim de verificar algum problema na confecção do objeto e em seguida ocorre a desmontagem e se necessário pintura do móvel Durante o processo de corte da madeira resíduos são gerados e podem ser aproveitados em reatores para realizar o processo de gaseificação Ao longo do processo produtivo da indústria não se faz necessário o uso de caldeiras ou outros equipamentos que justificassem por exemplo o uso dos gases produzidos na gaseificação para o aquecimento de equipamentos Portanto a justificativa para o uso dos gases da gaseificação poderia se pautar em sua aplicação para o funcionamento de veículos e geração de eletricidade visto que conforme mencionado o fazendeiro demonstrou desejo em reduzir a sua conta de energia Existem alguns tipos de gaseificadores no mercado entre eles os gaseificadores em leito fixo em que o leito se movimenta do topo para o fundo do reator na medida em que ele é alimentado por combustível e as cinzas são retiradas e os gaseificadores em leito fluidizado que não apresentam zonas de reação diferenciadas como o observado nos reatores de leito fixo Independentemente do tipo de reator que será escolhido o seu funcionamento é feito por meio da alimentação com biomassa que no caso em questão seriam os restos de madeira da indústria de móveis utilização de U3 Energia hidráulica e gaseificação 140 um agente gaseificante que poderia ser ar oxigênio ou vapor por exemplo e a conversão da biomassa fazse por meio de secagem pirólise redução e combustão e os gases gerados seguem para a saída do reator para serem utilizados No caso do uso de gaseificadores para a geração de eletricidade que seria o mais indicado para a propriedade em estudo é necessário que o gaseificador seja acoplado a um gerador cuja escolha dependerá de estudos aprofundados sobre a potência que será necessária as características do gás gerado na gaseificação e a disponibilidade de recursos financeiros Devido à formação de impurezas entre elas o alcatrão que podem se depositar sobre os equipamentos e causar danos é necessário que um tratamento dos gases gerados seja realizado Esse tratamento pode encarecer o processo inviabilizando o uso da gaseificação em pequenas propriedades Portanto antes de finalizar o projeto é necessário fazer um estudo da composição da madeira que será utilizada para alimentar o reator realizar adequadamente a escolha do reator que será utilizado bem como o agente gaseificante pois conforme apresentado ao longo desta seção essas variáveis influenciam a característica do gás gerado e poderá determinar que tipo de tratamento posterior deverá ser aplicado para que ele tenha a quantidade de impurezas aceitáveis para seu uso Não deixe de aprofundar os seus estudos sobre o assunto para complementar o seu projeto com mais informações que poderiam subsidiar a decisão do proprietário sobre a utilização do gaseificador em sua propriedade Um problema chamado alcatrão Descrição da situaçãoproblema A gaseificação é um processo que tem ganhado destaque devido à possibilidade da utilização dos gases gerados em várias finalidades entre elas o aquecimento em caldeiras o uso em motores de veículos e a geração de eletricidade Você profissional de uma indústria que utiliza a gaseificação para a geração de gases para o aquecimento de caldeiras e geração de eletricidade foi solicitado Avançando na prática U3 Energia hidráulica e gaseificação 141 para fazer uma análise da composição química do gás gerado na gaseificação de uma nova biomassa que está sendo utilizada Um dos fatores que lhe chamou a atenção foi a grande quantidade de alcatrão detectado na análise De que forma você explicaria para os responsáveis legais da indústria a formação desse composto Que medidas você indicaria para minimizar o problema Resolução da situaçãoproblema O alcatrão é uma das impurezas que pode ser formada nos gases gerados a partir da gaseificação da biomassa e que pode causar problemas entre eles a polimerização em motores e turbinas em decorrência de sofrer condensação quando as temperaturas são reduzidas Nesse caso podem causar danos aos equipamentos Se uma nova biomassa está sendo utilizada e se após isso foi constatado o aumento da geração de alcatrão é provável que exista uma relação entre a composição da biomassa e a impureza presente no gás Seria recomendável a análise da composição química da nova biomassa e uma proposta de substituição Caso não seja possível existem tecnologias disponíveis para remover o alcatrão antes que ocorra a condensação nas superfícies Um método primário envolve a otimização do gaseificador para que o gás produzido tenha baixa concentração de alcatrão Havendo a formação utilizase o método secundário em que se realiza a limpeza do gás A decisão a ser tomada dependerá da finalidade da utilização do gás já que pode haver a necessidade de características específicas que são desejáveis da disponibilização de biomassa e da viabilidade econômica para a realização de substituição de reatores otimização da operação e uso de equipamento de limpeza de gases Faça valer a pena 1 A gaseificação pode ser definida como de um material rico em em estado a temperaturas utilizando um gaseificador com a participação de um agente de gaseificação tal como o ar o vapor de água e o oxigênio Assinale a alternativa com a sequência de termos que preenchem corretamente as lacunas do texto U3 Energia hidráulica e gaseificação 142 3 A gaseificação é um processo de conversão de biomassa em gases que podem ser utilizados para diferentes finalidades e tem ganhado destaque principalmente no que se refere à possibilidade de geração de eletricidade A respeito do processo de gaseificação e sua utilização analise as assertivas a seguir I Existem requisitos de qualidade que devem ser atendidos pelos gases gerados na gaseificação dependendo do uso a que se destina Por exemplo um gás com teor de alcatrão superior a 100 mgNm3 poderá ser utilizado apenas em motores alternativos de combustão interna II A formação de impurezas nos gases gerados a partir da gaseificação é um desafio no entanto existem tecnologias disponíveis para removê las além da possibilidade de otimização do gaseificador para que o gás produzido tenha baixa concentração dessas impurezas III A presença de umidade em excesso na biomassa é um fator que influencia negativamente a qualidade do gás produzido e o desempenho do gaseificador já que parte do calor utilizado no processo precisa ser gasto para a secagem da biomassa Após realizar a análise das assertivas marque a alternativa correta a Apenas as assertivas I e II estão corretas b Apenas as assertivas II e III estão corretas c Apenas as assertivas I e III estão corretas d As assertivas I II e III estão corretas e Apenas a assertiva III está correta 2 Neste tipo de gaseificador o leito se movimenta na medida em que ele é alimentado por combustível e as cinzas são retiradas A biomassa que é inserida na parte superior do reator desce passando pelo processo de secagem pirólise oxidação e redução Nas laterais do reator é inserido o agente de gaseificação e os gases produzidos são retirados pela parte inferior Assinale a alternativa que contém o tipo de reator que é descrito no texto a Reator de leito fixo do tipo cocorrente b Reator de leito fixo do tipo contracorrente c Reator de leito fixo tipo fluxo cruzado d Reator de leito fluidizado borbulhante e Reator de leito fluidizado circulante a A conversão bioquímica carbono sólido altas b A conversão bioquímica nitrogênio sólido ou líquido altas c A conversão termoquímica nitrogênio sólido altas d A conversão termoquímica carbono sólido ou líquido altas e A conversão termoquímica carbono líquido baixas U3 Energia hidráulica e gaseificação 143 Referências ALMEIDA José Leandro Casa Nova Análise da viabilidade técnica e econômica de implantação de uma microusina hidrelétrica 2007 67 f Dissertação Mestrado Curso de Engenharia Mecânica Universidade Estadual Paulista Guaratinguetá 2007 Disponível em httpsrepositoriounespbrbitstreamhandle1144999288 almeidajlcnmeguarapdfsequence1 Acesso em 11 ago 2017 ANA AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS Relatório de conjuntura dos recursos hídricos 3 ed Brasília 2016 ANEEL AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Atlas de energia elétrica do Brasil 3 ed Brasília Aneel 2008 ELETROBRÁS Ed Manual de microcentrais hidrelétricas Brasília Ministério de Minas e Energia 1985 Disponível em httpeletrobrascomptPaginasManuais eDiretrizesparaEstudoseProjetosaspx Acesso em 10 ago 2017 FIGUEIREDO Fabrízio L et al Produção de energia elétrica através da biomassa em sistema de gaseificação concorrente e grupo gerador com capacidade de 50 kVA Semina Ciências Exatas e Tecnológicas Londrina v 33 n 2 p 165174 juldez 2012 Disponível em httpwwwuelbrrevistasuelindexphpsemexatasarticle viewFile1018611652 Acesso em 11 ago 2017 LORA Electo Eduardo Silva VENTURINI Osvaldo José Org Biocombustíveis Rio de Janeiro Interciência 2012 OLIVEIRA Jofran Luiz de Potencial energético da gaseificação de resíduos da produção de café e eucalipto 2010 80 f Dissertação Mestrado Curso de Engenharia Agrícola Universidade Federal de Viçosa Viçosa 2010 Disponível em httplocusufv brbitstreamhandle1234567893559textocompletopdfsequenceisAllowedy Acesso em 15 set 2017 REIS Lineu Belico dos Geração de energia elétrica 2 ed São Paulo Manole 2011 YAMAUSHI Vander et al Aplicabilidade do carneiro hidráulico na construção civil In SEMINÁRIO NACIONAL DE CONSTRUÇÕES SUSTENTÁVEIS 3 2014 Passo Fundo Anais Passo Fundo Faculdade Meridional IMED 2014 Unidade 4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos Convite ao estudo Nas Unidades 1 2 e 3 você conheceu alguns aspectos da matriz energética brasileira e das fontes de energia que a compõem Aprendeu sobre as características da exploração da energia solar eólica e de biomassa e refletiu sobre os aspectos econômicos e socioambientais que permeiam as discussões sobre a viabilidade do uso dessas fontes alternativas de energia Além disso conheceu as características de alguns dispositivos que exploram a energia hidráulica carneiros hidráulicos e rodas dáguas e sobre o processo de gaseificação Esta quarta e última unidade será dedicada aos biocombustíveis à celula a combustível e ao aproveitamento de resíduos e neste contexto você conhecerá também a funcionalidade básica dos motores do ciclo Otto e Diesel O século XVIII marca o início do desenvolvimento dos motores a combustão externa cuja queima do combustível ocorre fora dos cilindros Tratavamse de motores a vapor movidos por meio da queima de lenha um combustível de baixo custo que propiciaram o apogeu da Revolução Industrial Com a evolução do desenvolvimento de motores o vapor foi substituído pelo ar quente o que provocou um rendimento melhor já que operavam com pressões superiores Destacase nesse quesito os modelos desenvolvidos por Robert Stirling no ano de 1816 e o de John Ericson elaborado em 1826 O primeiro motor com pistão foi desenvolvido por Jean Joseph Etienne Lenoir em 1860 Tal motor apresentava um controle de entrada e saída de gases por meio de válvulas de admissão e exaustão sendo que a combustão ocorria dos dois lados do pistão de forma que o motor trabalhava com duas fases de deslocamento na primeira fase o ar era injetado no pistão e queimado por uma faísca aumentando a pressão e fazendo com que os gases de combustão empurrassem o pistão até o fim do curso Na segunda batida do pistão acontecia a saída dos gases de exaustão enquanto uma nova combustão ocorria do outro lado do pistão Em 1867 Nicolaus Otto e Eugen Langen apresentavam o seu motor de pistão livre cujos rendimentos eram melhores do que o motor movido a ar quente que era de cerca de 5 apenas Esse motor que estava ligado a um volante era impulsionado pela explosão de gases no interior do cilindro e era capaz de produzir trabalho mecânico Com o passar do tempo motores mais leves e mais eficientes foram criados passando a trabalhar com novos tipos de combustíveis No final da década de 1890 motivado pela exploração do petróleo foram disponibilizados os primeiros motores à gasolina já que a exploração do petróleo impulsionou o uso de combustíveis líquidos contribuindo para o desenvolvimento de motores a combustão O motor a diesel foi registrado em 1892 e diferentemente da centelha produzida pelos motores Otto nesse caso o funcionamento do motor ocorre pela compressão gerando combustão espontânea devido à combinação de pressão e temperaturas elevadas É importante destacar que os combustíveis explorados têm impacto no desenvolvimento dos motores de combustão interna uma vez que a indústria mecânica está constantemente em busca de aprimorar a qualidade e a eficiência dos motores existentes buscando o desenvolvimento de motores que utilizem combustíveis alternativos com atenção especial aos biocombustíveis provenientes da biomassa e decomposição da matéria orgânica e mais recentemente ao hidrogênio utilizado nas células a combustível Os biocombustíveis as células a combustível e o aproveitamento energético dos resíduos serão o tema de destaque desta unidade Para que você consiga colocar em prática os conhecimentos adquiridos com os temas propostos vamos situálo no seguinte contexto os aterros sanitários poderiam ser comparados a grandes usinas devido à possibilidade de aproveitamento energético dos resíduos que recebem diariamente Essa energia acumulada nos resíduos pode ser liberada e aproveitada a partir da aplicação de alguns métodos de tratamento do lixo Uma cidade de 300 mil habitantes deseja modernizar as instalações de seu aterro sanitário que recebe cerca de 240 toneladas de resíduos por dia e recobre uma área total de 45 hectares dentro das quais estão localizados a área para disposição dos resíduos dois escritórios administrativos área de pesagem e galpão para segregação do lixo Inserido no projeto de modernização está a possibilidade de produção e utilização do biogás e futura instalação de células a combustível Como isso poderá ser feito Você na posição de um consultor técnico foi procurado para estudar a possibilidade de aproveitamento energético nesse aterro e esse estudo será realizado em três etapas Esperamos que o estudo dessa unidade o motive a explorar de forma mais aprofundada o universo dos biocombustíveis da célula a combustível e do aproveitamento de resíduos Bons estudos U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 148 Seção 41 Biocombustíveis A primeira seção de estudos será dedicada ao desenvolvimento da primeira parte de sua consultoria Nessa primeira etapa você deverá refletir sobre quais são as vantagens da utilização do biogás como combustível no contexto mencionado e de que forma esse biogás poderia ser produzido dentro do próprio aterro Para isso imagine que estudando a dinâmica de funcionamento do aterro você notou que uma das possibilidades para o aproveitamento energético seria a utilização do biogás Dessa forma quais são as vantagens da utilização do biogás como combustível no contexto apresentado anteriormente De que forma esse biogás poderia ser produzido dentro do próprio aterro Para a conclusão dessa primeira parte você deverá atentar se ao processo de formação do biogás ao seu uso como fonte energética e às principais vantagens que a sua utilização poderia representar ao aterro Esses e outros assuntos relacionados serão abordados ao longo desta seção Vamos lá Você sabe o que é um motor a combustão Conseguiria diferenciar um motor a combustão interna de um motor de combustão externa Sabe que tipo de combustíveis podem ser utilizados nesses motores A resposta a essas questões bem como a utilização do biogás como combustível e maneiras de substituir o diesel na agricultura serão os assuntos de destaque desta primeira seção da Unidade 4 Inicialmente é importante que você compreenda que os motores são equipamentos que convertem um tipo de energia que pode ser térmica hidráulica elétrica entre outras em energia mecânica para realizar o movimento de um veículo ou de uma máquina por exemplo Os motores a combustão realizam Diálogo aberto Não pode faltar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 149 movimento mecânico por meio da queima de um combustível que pode ser sólido lenha líquido gasolina diesel e biocombustíveis ou gasoso ar e biogás ou seja transformam energia térmica calorífera em trabalho mecânico Quanto ao tipo de combustão os motores podem apresentar combustão externa ou interna Na combustão externa o combustível é queimado fora do motor já que o fluido de trabalho fica completamente separado da mistura arcombustível O calor dos produtos da combustão é transferido através das paredes de um reservatório ou caldeira para os motores a vapor fazendo com que o pistão se movimente TILLMANN 2013 Como exemplo desse tipo de motores podese citar o Stirling Figura 41 um motor que utiliza ar quente como fluido de trabalho e funciona em quatro fases e dois tempos do pistão o ar que está dentro de uma câmara é aquecido por uma fonte externa e com o aumento da pressão faz com que o pistão se movimente A movendo a manivela Ao mesmo tempo o ar anteriormente aquecido se arrefece fazendo com que o pistão se movimente no sentido contrário B Fonte adaptada de httpsgooglngYKBm Acesso em 12 set 2017 Figura 41 Esquema de um motor de combustão externa em funcionamento U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 150 Nos motores de combustão interna diferentemente do que ocorre nos motores movidos a combustão externa o combustível é queimado internamente por meio de um mecanismo formado por pistão biela e virabrequim que em conjunto possibilitam a transformação da energia térmica em energia mecânica Quanto à sua utilização esse tipo de motor pode ser estacionário destinado ao funcionamento de geradores elétricos motobombas ou outras máquinas que operam em rotação constante por exemplo industriais quando utilizados para o acionamento de máquinas ou veiculares quando usadas em veículos de transporte em geral TILLMANN 2013 Os motores de combustão interna podem ter como componente um pistão como é o caso dos motores do ciclo Otto e do ciclo Diesel ou apresentarem um êmbolo rotativo cujo exemplo são os motores Wankel Nos limitaremos nesse material a apresentar as características dos motores Otto e Diesel mas antes conheça as partes componentes e complementares de um motor de combustão interna Os motores de combustão interna são formados pelos seguintes componentes Bloco é responsável por dar sustentação a todas as outras partes e por isso forma a maior parte do motor Cabeçote sua função é fechar a parte superior do bloco e tal ação é feita com o uso de parafusos e uma junta de vedação Cárter faz o fechamento da parte inferior do bloco e atua também como depósito para o óleo lubrificante do motor Pistão Também chamado de êmbolo é a parte do motor que recebe o movimento de expansão dos gases que são queimados na câmara de combustão Normalmente é feito de ligas de alumínio e tem um formato aproximadamente cilíndrico No pistão encontramse dois tipos de anéis a anéis de vedação estão mais próximos da parte superior cabeça do pistão b anéis de lubrificação estão localizados na parte inferior do pistão e têm a finalidade de lubrificar as paredes do cilindro O pistão ligase à biela através de um pino O pino é U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 151 normalmente fabricado de aço cementado Câmara de Combustão é o espaço livre depois da cabeça do pistão quando este atinge o PMS ou seja a câmara de combustão é delimitada entre os cursos PMI e PMS no tempo de compressão O volume inicial ocupado pelo ar é somente o da câmara de combustão A relação ou taxa de compressão é a relação entre o volume inicial e o volume final Bielas fazem a ligação entre o pistão e o virabrequim São elas que recebem o impulso dos pistões e o transfere ao virabrequim Virabrequim responsável por transformar a energia gerada pela combustão em torque força que age em um objeto fazendo com que ele gire Volante fica fixado no virabrequim e tem como função absorver e acumular a energia cinética do pistão liberandoa nos tempos em que ele não está no tempo de potência Válvulas existem em dois tipos admissão e escape e sua abertura e fechamento possibilitam o funcionamento adequado do motor já que estão relacionadas com o movimento do pistão e com o ponto de injeção alimentação do motor com combustível Além dos componentes citados existem sistemas auxiliares que são essenciais para o bom funcionamento dos motores São eles sistema de alimentação de ar sistema de alimentação de combustível sistema de lubrificação sistema de arrefecimento e sistema elétrico Agora que você conhece os componentes básicos de um motor e suas respectivas funções voltaremos a nossa atenção para os motores do ciclo Otto e ciclo Diesel Os motores de combustão interna independentemente de seu tipo funcionam em ciclos que compreendem dois tempos ou quatro tempos Nos ciclos de quatro tempos ocorrem as fases de admissão compressão explosão expansão e escape No caso dos ciclos de dois tempos admissão e escape ocorrem simultaneamente à compressão e à expansão Os motores do ciclo Otto utilizam comumente como combustível a gasolina e o etanol Em seu funcionamento de quatro tempos inicialmente o pistão desce e aspira uma mistura de ar e combustível para o interior do cilindro fase de admissão U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 152 Fonte adaptada de httpsgooglK2bx3w Acesso em 12 set 2017 Figura 42 Funcionamento dos motores de quatro tempos do ciclo Otto Os motores do ciclo Diesel como indica o próprio nome utilizam o óleo diesel como combustível assim como o biodiesel e o etanol Tais motores podem ser de dois tempos ou quatro tempos Nos motores de quatro tempos na fase de admissão ocorre apenas a admissão de ar no interior do cilindro Na fase de compressão o pistão comprime o ar na câmara de combustão promovendo a elevação da temperatura de tal forma que no final dessa fase o combustível é injetado na câmara de combustão e em contato com o ar quente se inflama Durante a expansão ocorre a mistura arcombustível e conforme ocorre a combustão do diesel os gases se aquecem e o pistão é acionado transformando a energia térmica em mecânica Na fase de escape ocorre a descarga dos resíduos da combustão por meio do movimento do pistão que envia esses resíduos através da válvula de descarga VARELLA SANTOS 2010 A Figura 43 traz um esquema de como ocorre o funcionamento dos motores do ciclo Diesel de quatro tempos na segunda fase compressão a mistura sofre compressão pelo pistão na fase de explosão uma centelha é liberada pela vela de ignição e a mistura sofre combustão No quarto e último tempo chamado de escape ou exaustão os gases produzidos pela combustão são empurrados pelo pistão saem do cilindro e vão para o coletor de escape A Figura 42 representa esquematicamente os quatro tempos dos motores do ciclo Otto U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 153 Fonte adaptada de httpsgooglopx7Qt Acesso em 12 set 2017 Figura 43 Esquema do funcionamento dos motores do ciclo Diesel Com relação aos combustíveis utilizados nos motores de combustão interna nos limitaremos a abordar os biocombustíveis como o etanol o biodiesel e o biogás O etanol ou álcool etílico é uma substância orgânica formada por carbono hidrogênio e oxigênio cuja fórmula química é C H OH 2 5 Os postos de combustíveis comercializam o etanol hidratado que possui cerca de 5 de água em contrapartida o etanol anidro apresenta apenas 05 de unidade Em veículos movidos à gasolina é admitido que um teor de álcool seja misturado desde que o motor sofra modificações que impeçam que a mistura álcool Assimile A potência pode ser definida como uma quantidade de trabalho realizado por unidade de tempo O motor é a fonte de potência dos veículos pois é ele quem lhe dá movimentação capacidade de realizar trabalho Quanto maior é a potência do motor maior é a sua capacidade de carga e maior é a velocidade do veículo No entanto é importante destacar que baseandonos no conceito de potência não apenas os motores a combustão são considerados fontes de potência Se pensarmos na área agrícola por exemplo a força animal as quedas dágua as energias eólica e elétrica podem exemplificar fontes de potência U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 154 gasolina cause danos ao seu funcionamento Em comparação à gasolina o álcool etílico apresenta um menor poder calorífero o que aumenta o seu consumo LORA VENTURINI 2012 Produtos de origem agrícola são as principais matériasprimas para a produção do etanol Entre eles destacamse a canadeaçúcar e a beterraba no grupo dos vegetais açucarados cereais e tubérculos que fazem parte do grupo das amiláceas resíduos da agricultura palhas e bagaço e madeiras que pertencem ao grupo dos vegetais celulósicos Tais matériasprimas passam por todo um processo que envolve algumas etapas No caso do etanol as principais etapas são lavagem da canadeaçúcar moagem ou difusão para a extração do caldo tratamento do caldo fermentação alcoólica conversão da glicose em etanol pela ação de microrganismos destilação que produz o etanol hidratado 96 vv e desidratação para produção do álcool anidro 995 vv O biodiesel é um combustível biodegradável que pode ser obtido a partir de diversas matériasprimas incluindo óleos vegetais óleos residuais e até gorduras animais Ele pode ser utilizado puro ou misturado em diversas proporções ao diesel de petróleo em motores do ciclo Diesel Quando misturado recebe denominação de acordo com a porcentagem em que se encontra na mistura Por exemplo a mistura de 5 de biodiesel ao diesel de petróleo é chamada B5 O processo de obtenção mais comum do biodiesel ocorre por meio da transesterificação que consiste em uma reação química de óleos vegetais ou de gorduras animais com etanol ou metanol estimulada por um catalisador Por meio desse processo também é extraída a glicerina destinada à fabricação de sabonetes e outros cosméticos As características do biodiesel podem alterar dependendo do tipo de álcool utilizado na transesterificação o metanol é o mais utilizado devido ao baixo custo e por suas características físicoquímicas que representam vantagem no processo Nos últimos anos o mercado mundial de biodiesel experimentou um incremento devido ao aumento nos preços do petróleo e à busca por combustíveis de fontes renováveis o que provocou o aumento da participação de biocombustíveis nas matrizes energéticas LORA VENTURINI 2012 U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 155 O biogás é um gás combustível composto em sua maior parte por metano originado a partir da decomposição anaeróbia de matéria orgânica Esse gás pode ser utilizado no funcionamento de motores de combustão interna assim como na geração de energia elétrica Apesar de representar uma opção para a diversificação da matriz energética brasileira a geração e o aproveitamento do biogás representam uma interessante opção para o tratamento de resíduos do setor agroindustrial e dos Resíduos Sólidos Urbanos RSU podendo também ser obtido a partir do tratamento de efluentes domésticos Entre os benefícios atribuídos ao uso do biogás estão a preservação de águas subterrâneas e superficiais pela redução da carga orgânica de poluenteso aproveitamento energético dos resíduos além da geração de empregos e estímulos ao desenvolvimento tecnológico O processo de digestão anaeróbia da matéria realizada por grupos de microrganismos simbiontes envolve as etapas de hidrólise acidogênese acetogênese e metanogênese A hidrólise e a acidogênese envolvem a quebra inicial da matéria orgânica em moléculas acessíveis à ação dos microrganismos e são formadas nos processos ácidos orgânicos voláteis ácido lático álcoois hidrogênio amônia e sulfeto de hidrogênio Na etapa de acetogênese os produtos formados na acidogênese são oxidados a acetatos hidrogênio e dióxido de carbono sendo os dois primeiros assimiláveis pelas bactérias metanogênicas que transformam esses produtos em metano e dióxido de carbono Alguns fatores como temperatura pH disponibilidade de nutrientes e presença de compostos tóxicos podem alterar a atividade microbiológica influenciando na qualidade e na quantidade do biogás gerado Na Unidade 2 você estudou que a energia de biomassa pode ser aproveitada em reatores para a geração de fertilizante e biogás Os aterros sanitários podem ser comparados a reatores gigantes pois são locais de deposição dos resíduos sólidos urbanos e entrada de água Tratamse de grandes instalações que contam com sistema de impermeabilização do solo para evitar a sua contaminação canaletas para coleta do chorume líquido produzido a partir da decomposição da matéria orgânica e sistema de coleta do biogás gerado São construções com custo de implantação e manutenção U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 156 relativamente elevados e portanto tornase desejável que sua vida útil seja prolongada ao máximo Nesse contexto a segregação e a destinação correta dos materiais recicláveis e a compostagem dos resíduos orgânicos visam minimizar a carga de resíduos que é depositada nos aterros e no último caso geram adubo orgânico para a agricultura e o biogás O biogás gerado nos aterros é composto por metano 55 a 65 dióxido de carbono 35 a 45 nitrogênio 0 a 1 hidrogênio 0 a 1 e gás sulfídrico 0 a 1 ABREU 2014 O seu aproveitamento pode ocorrer em motores de combustão interna do ciclo Otto ou Diesel e turbinas a gás Com relação às vantagens e às desvantagens de cada um deles Abreu 2014 apresenta as seguintes considerações Motores de combustão interna apresentam baixo custo de manutenção pequeno tamanho rápida instalação e eficiência em carga total e parcial porém apresentam limitação de potência como desvantagem Turbina a gás não há formação de condensados maior confiabilidade mecânica e combustão mais completa se comparadas aos motores de combustão interna Como desvantagens podese citar o investimento inicial elevado e a sua maior sensibilidade a partículas e a impurezas Se interessou pelo uso do biodiesel Quer saber mais sobre o panorama do biodiesel no Brasil Então não deixe de acessar o artigo indicado a seguir LIMA Paulo César Ribeiro Biodiesel um novo combustível para o Brasil Brasília Biblioteca Digital da Câmara dos Deputados 2005 Disponível em httpbdcamaragovbrbdbitstreamhandlebdcamara1141biodiesel combustivellimapdfsequence1 Acesso em 13 set 2017 Pesquise mais U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 157 Assim como os aterros sanitários o meio rural é subsidiado por fontes diversas de matéria orgânica que podem servir como matériaprima para a geração de adubo e biogás Tratamse de resíduos vegetais e dejetos de animais que são passíveis de sofrer degradação por microrganismos fermentadores conforme você estudou na Unidade 2 na seção dedicada à energia de biomassa O biogás que pode ser gerado dentro da propriedade rural com o biodiesel extraído de vegetais amplamente cultivados no Brasil e o Etanol são alternativas viáveis à substituição do uso do diesel na agricultura se levarmos em consideração a ampla oferta de matériaprima e a crescente evolução dos motores de combustão interna Exemplificando A quantidade de biogás gerado em aterros sanitários pode ser estimada a partir de um modelo matemático do Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC Waste Model Para saber mais sobre os cálculos que são realizados para estimar a quantidade de gases gerados em um aterro leia o Capítulo 3 Modelos numéricos para o cálculo da geração de biogás da obra indicada a seguir BORBA Silvia Mary Pereira Análise de modelos de geração de gases em aterros sanitários estudo de caso Disponível em httpwww cetesbspgovbrwpcontentuploadssites27201401borbapdf Acesso em 13 set 2017 Reflita Em abril de 2017 a Comissão de Minas e Energia da Câmara dos Deputados aprovou o Projeto de Lei nº 1291 de 2015 que visa criar uma Política Nacional de Biocombustíveis Que benefícios ambientais a promulgação desta lei traria Você acredita que esta lei é suficiente para incentivar o aumento da participação dos biocombustíveis na matriz energética brasileira Para conhecer o projeto de lei e refletir sobre as questões propostas acesse o link indicado a seguir Disponível em httpwwwcamaragovbrsilegintegras1332785 pdf Acesso em 13 set 2017 U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 158 Estamos chegando ao final de primeira seção da Unidade 4 Esperamos que os temas aqui abordados sejam apenas a porta de entrada para que você aprofunde o seu conhecimento nesses assuntos No início desta seção foi proposto que você realizasse a primeira parte de sua consultoria que está sendo desenvolvida em um aterro sanitário Essa consultoria está dividida em três partes e na primeira delas você foi inserido na seguinte situação imagine que estudando a dinâmica de funcionamento do aterro você notou que uma das possibilidades para o aproveitamento energético seria a utilização do biogás Quais são as vantagens da utilização do biogás como combustível no contexto mencionado De que forma esse biogás poderia ser produzido dentro do próprio aterro Para iniciar a sua consultoria é importante que você tenha em mente que o processo de produção de biogás ocorre a partir da decomposição da matéria orgânica realizada por grupo de microrganismos em sua maior parte fermentadores por ser essencialmente um processo anaeróbio Como resultado dessa degradação microbiológica anaeróbia ocorre a produção do biogás e de material fertilizante tal como ocorre nos biodigestores Tal como os biodigestores os aterros sanitários podem ser considerados reatores gigantes em que ocorre a deposição de matéria orgânica e água ambas matériasprimas para a fermentação anaeróbia Portanto a produção do biogás ocorre de forma natural tanto que os coletores de gases fazem parte da estrutura de um aterro sanitário O biogás gerado nos aterros é composto por metano 55 a 65 dióxido de carbono 35 a 45 nitrogênio 0 a 1 hidrogênio 0 a 1 e gás sulfídrico 0 a 1 e alguns fatores como temperatura pH disponibilidade de nutrientes e presença de compostos tóxicos podem alterar a atividade microbiológica influenciando na qualidade e na quantidade do biogás gerado No caso dos aterros sanitários é importante partir do princípio de que por se tratarem de empreendimentos grandes ocupam uma área geográfica expressiva e onerosos é interessante que sua vida Sem medo de errar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 159 útil seja prolongada ao máximo e esse fato pode ser alcançado em parte pela compostagem da matéria orgânica que seria inserida nas células do aterro Essa decomposição também é fonte de fertilizante que tomandose as devidas precauções com relação a contaminações microbiológicas pode ser comercializado a baixo custo com agricultores gerando fonte de renda para o aterro e o biogás que assim como aquele gerado nas próprias células do aterro podem ser utilizados para a geração de eletricidade e para a movimentação de veículos e maquinários Além dos benefícios elencados podese citar outros como a preservação de águas subterrâneas e superficiais pela redução da carga orgânica de poluentes que no caso dos aterros é originada na forma de chorume e a geração de empregos e estímulos ao desenvolvimento tecnológico que podem trazer benefícios não só para o funcionamento dos aterros mas também para a sociedade como um todo Substituindo o Diesel no meio rural Descrição da situaçãoproblema Você foi procurado por um produtor rural que deseja substituir a utilização do Diesel por outros combustívelis em sua propriedade No entanto ele está encontrando dificuldades em convencer os seus sócios a aceitarem e ideia e por isso você foi contratado para utilizando os seus conhecimentos na área de energia ajudálo a convencer os sócios a aceitarem a substituição do combustível Que argumentos favoráveis você poderia utilizar para auxiliar na aceitação dos novos combustíveis Resolução da situaçãoproblema Inicialmente por se tratar de uma questão que envolve a zona rural é interessante que seja esclarecido que alguns combustíveis como o biogás podem ser produzidos a partir de resíduos originados na própria propriedade com a utilização de biodigestão e serem utilizados em motores a combustão maquinário e na geração de eletricidade Além disso é importante frisar que o diesel Avançando na prática U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 160 Faça valer a pena 1 Os motores são equipamentos que convertem um tipo de energia que pode ser térmica hidráulica elétrica entre outras em energia mecânica para realizar o movimento de um veículo ou uma máquina por exemplo Os motores a combustão realizam trabalho por meio da queima de um combustível transformando energia térmica calorífera em trabalho mecânico A respeito dos motores analise as assertivas a seguir I Na combustão externa o combustível é queimado fora do motor e o calor dos produtos da combustão é transferido através das paredes de um reservatório ou caldeira para os motores fazendo com que o pistão se movimente II Os motores a combustão interna podem ser estacionários quando destinados ao funcionamento de máquinas que operam em rotação constante por exemplo industriais quando utilizados para o acionamento de máquinas ou veiculares quando usadas em veículos de transporte em geral III Os motores do ciclo Otto e do ciclo Diesel devido às características de seu funcionamento são exemplos de motores de combustão externa Após análise das assertivas marque a alternativa que contém a resposta correta a As assertivas I II e III estão corretas b Apenas as assertivas I e II estão corretas c Apenas as assertivas II e III estão corretas d Apenas a assertiva I está correta e Apenas a assertiva II está correta por ser um combustível derivado de petróleo está ameaçado por questões de cunho ambiental e portanto pode sofrer variações de preço no mercado experimentando altas já que investimentos governamentais têm sido direcionados às tecnologias de obtenção de biodiesel e etanol de variadas culturas vegetais Vale lembrar também que o biogás que pode ser gerado dentro da propriedade rural com o biodiesel extraído de vegetais amplamente cultivados no Brasil e o Etanol são alternativas viáveis à substituição do uso do diesel na agricultura se levarmos em consideração a ampla oferta de matériaprima e a crescente evolução dos motores de combustão interna U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 161 2 Os motores de combustão interna apresentam para o seu bom funcionamento um conjunto de equipamentos que fazem parte do sistema de componentes que são essenciais e de sistemas complementares que são auxiliares pois são importantes para o funcionamento do motor mas que não agem diretamente na transformação energética Dos itens citados a seguir assinale a alternativa que contém apenas os equipamentos que fazem parte dos componentes responsáveis pela transformação energética no motor a Pistão biela e virabrequim b Virabrequim pistão e sistema de lubrificação c Biela virabrequim e sistema de alimentação de ar d Sistema de alimentação de ar sistema de lubrificação e pistão e Pistão sistema de arrefecimento e sistema de lubrificação 3 A respeito dos biocombustíveis analise as afirmativas e marque a resposta correta a O biogás é um gás combustível composto em sua maior parte por gás carbônico originado a partir da decomposição anaeróbia de matéria orgânica b Os produtos de origem animal são considerados as melhores matérias primas para a produção do etanol c O processo de obtenção mais comum do biodiesel ocorre por meio da transesterificação que consiste em uma reação química de óleos vegetais ou de gorduras animais com etanol ou metanol d Apesar de apresentar uma boa visibilidade quando se trata de questões ambientais o uso de biodiesel não recebe estímulos governamentais e Para que o uso do biodiesel seja efetivo no Brasil é necessário o desenvolvimento de motores que são capazes de funcionar de forma eficiente com esse tipo de combustível Biocombustíveis são derivados de biomassa renovável que podem substituir parcial ou totalmente combustíveis derivados de petróleo e gás natural em motores a combustão ou em outro tipo de geração de energia Cerca de 45 da energia e 18 dos combustíveis consumidos no Brasil já são renováveis No resto do mundo 86 da energia vem de fontes energéticas não renováveis Pioneiro mundial no uso de biocombustíveis o Brasil alcançou uma posição almejada por muitos países que buscam desenvolver fontes renováveis de energia como alternativas estratégicas ao petróleo BRASIL 2017 sp U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 162 Seção 42 Célula a combustível Na primeira seção desta unidade você estudou alguns aspectos dos biocombustíveis dentre eles as suas características básicas e aplicações além de conhecer o funcionamento de motores de combustão interna Esta seção será dedicada ao estudo de um dispositivo gerador de eletricidade cujo funcionamento ocorre na presença do gás hidrogênio como combustível as células a combustível Tal tecnologia que começou a ser utilizada em 1960 foi descoberta em 1839 por William Grove e desde então tem mostrado avanços que possibilitaram o seu uso nos mais diversos setores da economia Antes de adentrarmonos no universo das células a combustível é importante lembrarmos que no início desta unidade você foi inserido em um contexto em que foi contratado como consultor técnico para estudar a possibilidade de aproveitamento energético em um aterro O aterro em questão atende a uma cidade de 300 mil habitantes e pretendese modernizar as suas instalações uma vez que ele recebe cerca de 240 toneladas de resíduos por dia e recobre uma área total de 45 hectares dentro das quais está a área para disposição dos resíduos dois escritórios administrativos área de pesagem e galpão para segregação do lixo Inserido no projeto de modernização está a possibilidade de produção e utilização do biogás e futura instalação de células a combustível O seu estudo foi dividido em três partes sendo que a primeira que envolvia a possibilidade da utilização do biogás produzido pelo próprio aterro como combustível dentro das instalações foi concluída na primeira seção Nesta segunda seção imagine que curioso sobre um artigo que leu recentemente o responsável pelo aterro lhe questionou sobre o funcionamento das células a combustível e sobre a viabilidade da utilização desse dispositivo futuramente no aterro Você indicaria o uso de células a Diálogo aberto U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 163 combustível em alguma etapa de operação do aterro sanitário Quais são as vantagens e as desvantagens da utilização desse modelo de conversão energética Para responder a essas questões e concluir a segunda etapa da consultoria direcione a sua atenção para a leitura dos assuntos relacionados ao funcionamento à aplicabilidade às vantagens e às desvantagens do uso das células a combustível que serão detalhados ao longo desta seção Bom trabalho Ao longo de sua vida você esteve em contato com inúmeros dispositivos capazes de gerar energia elétrica entre eles as pilhas e as baterias Se algum dia teve a curiosidade de pesquisar como esses dispositivos funcionam certamente descobriu que se trata de reações eletrolíticas que envolvem transporte de elétrons capazes de transformar a energia química em energia elétrica Saiba que essa também é a ideia básica de uma célula a combustível FC sigla para Fuel Cell que possui algumas diferenças em comparação às baterias que conhecemos Nesta seção você compreenderá o princípio básico de funcionamento das células a combustível bem como a sua aplicação e os aspectos socioeconômicos e ambientais envolvidos As células a combustível são dispositivos eletroquímicos que produzem energia elétrica a partir do uso de um combustível o hidrogênio puro ou um gás rico em hidrogênio Estruturalmente elas são formadas por dois eletrodos um ânodo e um cátodo conforme pode ser visualizado na Figura 44 Entre os eletrodos existe o eletrólito cujo material permite que íons sejam transportados entre os eletrodos mas forçando os elétrons a percorrerem um circuito externo gerando uma corrente elétrica Para que a reação eletrolítica ocorra e a energia seja produzida a célula a combustível precisa ser constantemente suprida por um combustível hidrogênio inserido no ânodo reagindo com um oxidante oxigênio que é inserido pelo cátodo A partir dessa reação além da geração de eletricidade ocorre a liberação de calor e formação de água Não pode faltar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 164 Fonte adaptada de httpsgooglhS3XML Acesso em 13 set 2017 Figura 44 Esquema do funcionamento de uma célula a combustível os íons de hidrogênio inserido na região do ânodo reagem com os íons de oxigênio inserido pelo cátodo por meio do eletrólito e a partir dessa reação ocorre a liberação de calor e água Os elétrons que se movimentam externamente ao eletrólito formam uma corrente elétrica que gera energia No início desta seção foi mencionado que baterias e células a combustível apresentam o mesmo princípio básico de funcionamento respeitando algumas diferenças Após ler sobre o funcionamento das células a combustível você saberia listar uma delas Diferentemente do ocorrido em baterias que são capazes de armazenar energia em seu interior as células a combustível necessitam de um suprimento constante de combustível e oxidante para funcionarem ou seja a energia elétrica é gerada enquanto houver fornecimento de hidrogênio e oxigênio para que a reação eletrolítica ocorra Nesse caso as células a combustível não precisam ser recarregadas tal como ocorre com as baterias Por outro lado outra característica compartilhada entre as células a combustível e as baterias além do princípio de funcionamento é a possibilidade de empilhar os dispositivos formando pilhas de células e permitindo a elevação da tensão de saída de uma unidade a qualquer valor REIS 2011 Diferente do que ocorre no processo de gaseificação que você estudou na Unidade 3 e nos motores a combustão interna estudados na primeira seção desta unidade a conversão da energia química em energia elétrica nas células a combustível ocorre de forma direta sem que haja a necessidade de combustão Uma vantagem disto é que a produção de eletricidade é mais eficiente silenciosa e sem emissão de poluentes REIS 2011 Se você observou atentamente a Figura 44 provavelmente notou a presença de duas equações Tratamse de reações eletrolíticas de oxid ação e redução que ocorrem no interior de uma célula a combustível Vejamos agora como isso ocorre As reações de oxidação são aquelas que envolvem perda de elétrons e inversamente nas reações de redução ocorre ganho de elétrons Nas células a combustível ocorrem duas meias reações uma de oxidação e uma de redução Tal reações ocorrem nos eletrodos que estão interconectados um ao outro pelo eletrólito Os elétrons que migram por meio de um circuito externo para o cátodo local em que ocorre a reação de redução O sentido da corrente elétrica é inverso ao sentido de migração dos elétrons ou seja a corrente elétrica sai do cátodo polo positivo em direção ao ânodo polo negativo Na reação global de uma célula a combustível o hidrogênio e o oxigênio reagem formando água conforme Equação 41 Essa equação global é resultada da combinação da meia reação de oxidação que ocorre no ânodo Equação 42 com a meia reação de redução que ocorre no cátodo Equação 43 2H₂ O₂ 2H₂O 41 2H₂ 4OH 4H₂O 4e 42 O₂ 2H₂O 4e 4OH 43 Conforme visualizado nas equações o hidrogênio é utilizado como combustível para o funcionamento das células a combustível Você deve estar se perguntando por que o hidrogênio E de onde ele vem As respostas a essas perguntas serão discutidas a seguir O hidrogênio é um elemento químico simples mas que do U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 166 ponto de vista energético representa toda a fonte de energia que recebemos do Sol já que a estrela que aquece o nosso planeta é formada basicamente por hidrogênio e hélio que juntos transformam o Sol em um grande reator nuclear em que por meio da fissão ocorre a transformação de hidrogênio em hélio liberando uma grande quantidade de energia Se comparado a outros combustíveis o hidrogênio apresenta o mais alto conteúdo de energia por unidade de massa além de ser o elemento mais leve existente Para que você tenha uma noção a combustão de uma unidade e massa de hidrogênio libera 25 vezes o calor liberado na combustão de hidrocarbonetos como a gasolina o metano os óleos entre outros LORA VENTURINI 2012 O hidrogênio utilizado pelas células a combustível é proveniente de uma fonte primária que pode ser um combustível fóssil ou uma fonte renovável obtido por diferentes tecnologias cuja escolha depende da quantidade e grau de pureza que se necessita Vejamos algumas dessas tecnologias Eletrólise da água uso de energia elétrica para separar hidrogênio e oxigênio que formam a molécula de água utilizando uma célula eletrolítica formada por dois eletrodos e um eletrólito que pode ser uma solução aquosa de KOH NaOH NaCl ou um eletrólito imobilizado em matrizes poliméricas Uma desvantagem do método é a grande quantidade de energia consumida no entanto existe a possibilidade do uso de fontes renováveis como energia eólica e solar Oxidação parcial utilizase um agente oxidante oxigênio reagindo com um hidrocarboneto pesado a altas temperaturas entre 1000 C e 1200 C com a formação de hidrogênio e monóxido de carbono Devido à alta temperatura não é necessário o uso de catalisador Reforma a vapor reação entre um hidrocarboneto metano etano propano butano etc e o vapor de água a altas temperaturas 600 C a 1000 C e na presença de um catalisador que resulta na formação de dióxido de carbono e hidrogênio É um processo eficiente e econômico e por isso tem se destacado como o método mais utilizado No entanto apresenta como desvantagens só se aplicar a combustíveis fósseis e não a combustíveis renováveis e a alta emissão de dióxido de carbono Hidrogênio fotobiológico utilização de algumas espécies U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 167 de algas verdes para produzir hidrogênio de forma natural a partir da realização da fotossíntese com a combinação de técnica de purificação do hidrogênio presente na molécula de glicose gerada Reforma autotérmica combina a reforma a vapor com a oxidação parcial em um reator Pirólise rápida da biomassa utilização de uma atmosfera inerte e altas temperaturas para converter a biomassa em produtos sólidos líquidos e gasosos Devido à formação de gases com baixo teor de hidrogênio essa técnica é combinada com o processo de reforma a vapor para a obtenção de uma mistura gasosa com alto teor de hidrogênio Gaseificação de biomassa o processo consiste em utilizar a gaseificação que você estudou na Unidade 3 combinada com reator de reforma de vapor e reator shift que têm como objetivo aumentar a concentração de hidrogênio para finalmente fazer a purificação do hidrogênio O carvão formado a partir da pirólise também pode ser submetido à gaseificação com a formação de hidrogênio Reforma do bioetanol é um combustível obtido a partir da fermentação da biomassa e que apresenta alto conteúdo de hidrogênio O processo de obtenção do hidrogênio pode ocorrer por meio de reforma com vapor de água e reforma autotérmica De acordo com Lora e Venturini 2012 a produção do hidrogênio a partir da biomassa só é viável economicamente se for em grande escala No entanto a produção em menor quantidade reduz problemas relacionados ao transporte do hidrogênio e é favorável quando ocorre no local em que o combustível será utilizado Segundo os autores grande parte do hidrogênio é produzido de forma descentralizada no próprio local de consumo mas também pode ser distribuído por meio de gasodutos Independentemente da forma de produção em algumas situações é desejável que o hidrogênio obtido seja armazenado e tal processo necessita ser feito de forma cuidadosa uma vez que o hidrogênio é inflamável e explosivo Entre os métodos de armazenamento o hidrogênio pode estar na forma de gás comprimido convertido para o estado líquido gás liquefeito absorvido em carbono no estado sólido armazenado no interior de microesferas combinado com elementos químicos metálicos ou U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 168 combustíveis como metanol gasolina e outros hidrocarbonetos para posteriormente ser retirado As células a combustível podem ser de diferentes tipos conforme pode ser visualizado na Tabela 41 Fonte adaptada de Wendt Götz e Linardi 2000 p 539 e Lora e Venturini 2012 p 607 Tabela 41 Diferentes tipos de células a combustível suas características principais e os usos a que se destinam Tipo de célula Eficiência Temperatura C Potência kW Eletrólito Vantagens Desvantagens Aplicação Alcalina AFC 50 60 100 10 100 KOH Alta eficiência Sensível a CO2 Naves espaciais Membrana PEMFC 45 80 120 1 1000 Polímero Operação flexível Custo da membrana e contaminação do catalisador com CO Transporte portátil e veículos automotores Ácido Fosfórico PAFC 45 200 100 5000 H PO 3 3 Maior desenvolvimento tecnológico Sensibilidade a CO e eficiência limitada pelo calor1 Geração estacionária e cogeração eletricidade calor Carbonatos fundidos MCFC 50 650 100 10000 Carbonatos fundidos Tolerância a COCO2 Necessidade da reciclagem de CO2 e interface trifásica de difícil controle Geração estacionária e cogeração eletricidade calor Cerâmicas SOFC 50 800 1000 1000 100000 ZrO2 Alta eficiência e a reforma do combustível pode ser feita na célula Expansão térmica e necessidade de pré reforma Geração estacionária e cogeração eletricidade calor 1 O monóxido de carbono pode provocar danos ao catalisador quando há sensibilidade a esse gás Quer saber mais sobre as características de cada tipo de célula a combustível Então não deixe de acessar o artigo a seguir WENDT Hartmut GÖTZ Michael LINARDI Marcelo Tecnologias de células a combustível Química Nova v 23 n 4 2000 Disponível em httpwwwscielobrpdfqnv23n42655pdf Acesso em 13 set 2017 Pesquise mais U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 169 Quando se trata dos usos das FC a Tabela 41 ilustra alguns exemplos como aplicação em sistemas móveis entre eles espaçonaves Figura 45 e veículos automotores Figura 46 além de sistemas estacionários caracterizandose principalmente na geração de energia elétrica que pode ocorrer próximo ao consumidor garantindo redução ou mesmo eliminação de investimentos em redes de distribuição e ainda possibilitando o uso térmico para o aquecimento de água ou produção de vapor no caso de indústrias Fonte httpsgooglfByuLM Acesso em 13 set 2017 Fonte httpsgooglLWFPfV Acesso em 13 set 2017 Figura 45 Célula a combustível utilizada pela NASA Figura 46 Célula a combustível em carro U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 170 Chegamos ao fim de mais uma seção Não deixe de reler os assuntos aqui apresentados anotando as suas dúvidas e os pontos de destaque No início desta unidade você foi inserido em um contexto em que foi contratado como consultor técnico para estudar a possibilidade de aproveitamento energético em um aterro que atende a uma cidade de 300 mil habitantes e que recebe cerca de 240 toneladas de resíduos por dia recobrindo uma área total de 45 Exemplificando Quanto à operação das células a combustível com biocombustíveis quando ele é gasoso como o biogás proveniente da gaseificação ou gases de aterro a produção da eletricidade ocorre no local em que está a biomassa e para que eles sejam utilizados nas células a combustível requerem limpeza e tratamento dependendo do tipo de célula a ser utilizada Nas MCFC e SOFC é possível a utilização dos gases de aterro após o processo de metanização degradação anaeróbia de matéria orgânica por microrganismos gerando o biogás apenas Já no caso da utilização em PEMFC e PAFC além da metanização é necessário que os gases passem por um reformador sistema de purificação que retira compostos indesejáveis como enxofre por um reator de shift equipamento que converte monóxido de carbono do gás de síntese a dióxido de carbono e hidrogênio e por um sistema de esfriamento antes de ser utilizado Devido à complexidade das instalações os custos para a utilização de biocombustíveis no funcionamento das FC são elevados entretanto os gases de aterro sanitário são mais atrativos economicamente até mesmo que o gás natural já que se obtêm como subprodutos de outro processo Reflita O que falta para que as células a combustível se tornem efetivamente viáveis De que forma o poder público poderia contribuir para a difusão delas Sem medo de errar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 171 hectares Nessa área estão a área para disposição dos resíduos dois escritórios administrativos área de pesagem e galpão para segregação do lixo Os responsáveis pelo aterro mostraram interesse em realizar um projeto de modernização das instalações visando realizar aproveitamento energético dentro do próprio aterro Inserida nesse projeto de modernização está a possibilidade de produção e utilização do biogás e futura instalação de células a combustível O seu estudo foi dividido em três partes sendo que a primeira que envolvia a possibilidade da utilização do biogás produzido pelo próprio aterro como combustível dentro das instalações foi concluída na primeira seção Nesta segunda seção correspondente à segunda parte de sua consultoria você deverá esclarecer ao responsável pelo aterro algumas de suas dúvidas relacionadas ao funcionamento das células a combustível FC e sobre a viabilidade da utilização desse dispositivo futuramente no aterro Para tanto foi proposto que você respondesse às seguintes questões você indicaria o uso de células a combustível em alguma etapa de operação do aterro sanitário Quais são as vantagens e as desvantagens da utilização desse modelo de conversão energética Para responder às questões e concluir a segunda parte de sua consultoria é preciso relembrar o que são as células a combustível e o seu princípio de funcionamento As células a combustível são dispositivos eletroquímicos que produzem energia elétrica a partir do uso de um combustível o hidrogênio puro ou um gás rico em hidrogênio Estruturalmente ela é formada por dois eletrodos um ânodo e um cátodo e entre os eletrodos existe o eletrólito cujo material permite que íons sejam transportados entre os eletrodos mas forçando os elétrons a percorrerem um circuito externo gerando uma corrente elétrica Para que a reação eletrolítica ocorra e a energia seja produzida a célula a combustível precisa ser constantemente suprida por um combustível hidrogênio inserido no ânodo reagindo com um oxidante oxigênio que é inserido pelo cátodo A partir dessa reação além da geração de eletricidade ocorre a liberação de calor e formação de água É importante lembrar que existem diferentes tipos de células cada qual com suas particularidades Para o aterro em questão poderia ser indicado o uso de célula a combustível na movimentação U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 172 de veículos e maquinários dentro do próprio aterro e geração de eletricidade O combustível a ser utilizado poderia ser o próprio gás rico em metano gerado a partir da biodigestão anaeróbia da matéria orgânica presente nos resíduos sólidos depositados nas células do aterro No entanto destacase que quanto à operação das células a combustível com biocombustíveis quando ele é gasoso como os gases de aterro a produção da eletricidade ocorre no local em que está a biomassa e para que eles sejam utilizados nas células a combustível requerem limpeza e tratamento dependendo do tipo de célula a ser utilizada Nas MCFC e SOFC é possível a utilização dos gases de aterro após processo de metanização apenas Já no caso da utilização em PEMFC e PAFC além da metanização é necessário que os gases passem por um reformador por um reator de shift e por um sistema de esfriamento antes de ser utilizado Uma desvantagem do uso das FC em aterros é que devido à complexidade das instalações os custos para a utilização de biocombustíveis em seu funcionamento podem ser elevados Entretanto os gases de aterro sanitário são mais atrativos economicamente até mesmo que o gás natural já que são obtidos como subprodutos de outro processo A utilização das células a combustível representa um ganho ambiental visto que se funcionando adequadamente não geram gases do efeito estufa liberando como subproduto apenas água Célula a combustível em automóveis Descrição da situaçãoproblema O hidrogênio é considerado o combustível do futuro devido à sua presença abundante no planeta ao alto conteúdo de energia por unidade de massa e à possibilidade de sua utilização para a geração de energia elétrica e funcionamento de veículos automotores sem emissão de poluentes Pensando no funcionamento das células a combustível FC imagine que você foi contratado para elaborar um projeto de uma célula a combustível para ser utilizada em um veículo automotor Para a elaboração desse projeto você deverá propor uma forma de obtenção de hidrogênio que seja mais Avançando na prática U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 173 economicamente viável Assim reflita sobre as seguintes questões como descrever que tipo de célula a combustível poderia ser utilizada Quais serão os componentes básicos utilizados para a construção da célula Resolução da situaçãoproblema Para a elaboração do projeto de uma célula a combustível para automóvel inicialmente devese levar em consideração que será necessário obter o hidrogênio combustível necessário ao funcionamento da FC e suprir o sistema com uma fonte de oxigênio que reagirá com o hidrogênio gerando energia No caso em questão o hidrogênio poderia ser obtido a partir da eletrólise da água que consiste no uso de energia elétrica para separar hidrogênio e oxigênio que formam a molécula de água utilizando uma célula eletrolítica formada por dois eletrodos e um eletrólito que pode ser uma solução aquosa de KOH NaOH NaCl ou um eletrólito imobilizado em matrizes poliméricas Uma desvantagem do método é a grande quantidade de energia consumida No entanto existe a possibilidade do uso de fontes renováveis como o uso de painéis solares Para o projeto poderia ser utilizada uma célula a combustível do tipo Membrana PEMFC cuja estrutura básica é formada por dois eletrodos um em que será inserido o hidrogênio ânodo e outro por onde ocorrerá a entrada de oxigênio cátodo Entre os eletrodos deverá haver um eletrólito que permitirá a passagem de íons mas que forçará os elétrons a serem transportados externamente gerando uma corrente elétrica em sentido contrário ao transporte dos elétrons U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 174 Faça valer a pena 1 As células a combustível FC são dispositivos eletroquímicos que produzem energia elétrica a partir do uso de um combustível o hidrogênio puro ou um gás rico em hidrogênio A respeito do funcionamento dessas células analise as assertivas a seguir I As FC são formadas por dois eletrodos um ânodo e um cátodo e entre eles existe o eletrólito cujo material permite que os elétrons sejam transportados gerando uma corrente elétrica II Para que uma FC funcione é necessária a ocorrência de uma reação eletrolítica e para isso a célula a combustível precisa ser constantemente suprida por um combustível hidrogênio inserido no ânodo reagindo com um oxidante oxigênio que é inserido pelo cátodo III Uma característica interessante das FC é a possibilidade de empilhar os dispositivos formando pilhas de células e permitindo a elevação da tensão de saída de uma unidade a qualquer valor Após a análise das assertivas marque a alternativa que contém a resposta correta a As assertivas I II e III estão corretas b Apenas as assertivas I e II estão corretas c Apenas as assertivas II e III estão corretas d Apenas as assertivas I e III estão corretas e Apenas a assertiva III está correta 2 O hidrogênio utilizado pelas células a combustível é proveniente de uma fonte primária que pode ser um combustível fóssil ou uma fonte renovável obtido por diferentes tecnologias cuja escolha depende da quantidade e grau de pureza que se necessita Uma determinada tecnologia de obtenção de hidrogênio utiliza energia elétrica para separar hidrogênio e oxigênio que formam a molécula de água utilizando uma célula eletrolítica formada por dois eletrodos e um eletrólito que pode ser uma solução aquosa de KOH NaOH ou um eletrólito imobilizado em matrizes poliméricas Assinale a alternativa que apresenta a tecnologia de obtenção de hidrogênio descrita no textobase a Eletrólise da água b Oxidação parcial c Reforma a vapor d Pirólise rápida da biomassa e Reforma do bioetanol U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 175 3 Existem diferentes tipos de células a combustível FC cada qual com suas particularidades Imagine que você necessite instalar em uma indústria uma FC Essa instalação tem como objetivo a cogeração de eletricidade e calor e deverá apresentar alta eficiência com capacidade de realizar reforma do combustível no interior da própria célula e utilizar como eletrólito o óxido de zircônio Dos tipos de células a seguir qual é a opção que melhor se encaixa na descrição do textobase a Alcalina b Membrana c Ácido fosfórico d Carbonatos fundidos e Cerâmica U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 176 Seção 43 Aproveitamento energético do lixo urbano e resíduos industriais A Unidade 4 da disciplina Fontes alternativas de energia dedica se ao estudo de tecnologias que visam fazer o aproveitamento energético de combustíveis obtidos a partir de fontes renováveis Até o momento você conheceu características dos biocombustíveis e motores nos quais eles são empregados aprendeu sobre o funcionamento das células a combustível e agora para finalizar esta unidade conhecerá alguns aspectos sobre os resíduos sólidos urbanos e industriais e o seu respectivo tratamento e aproveitamento energético A realização de atividades cotidianas culmina com a geração de resíduos sólidos que precisam receber a destinação correta para a preservação da saúde e do meio ambiente Ao longo da história da humanidade epidemias assolaram o mundo muitas das quais tiveram o seu início na falta de saneamento básico O advento da industrialização contribuiu para que o quadro se agravasse uma vez que levou à geração de uma maior quantidade de resíduos sólidos descartados de forma incorreta no meio ambiente No Brasil após 21 anos de discussões no congresso foi aprovada em 2010 a Política Nacional de Resíduos Sólidos BRASIL 2010 Lei nº 1230510 que estabelece princípios objetivos diretrizes metas e ações para a gestão de resíduos sólidos entre elas a obrigatoriedade de implantação de aterros sanitários e a importância do tratamento de resíduos para o aproveitamento energético antes de sua destinação final Lembrese de que no início desta unidade você foi inserido em um contexto em que foi contratado como consultor técnico para estudar a possibilidade de aproveitamento energético em um aterro que atende a uma cidade de 300 mil habitantes e do qual se pretende modernizar as instalações Esse aterro recebe cerca de 240 toneladas de resíduos por dia e recobre uma área total Diálogo aberto U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 177 de 45 hectares dentro das quais estão a área para disposição dos resíduos dois escritórios administrativos área de pesagem e galpão para segregação do lixo Inserido no projeto de modernização está a possibilidade de produção e utilização do biogás e futura instalação de células a combustível O seu estudo foi dividido em três partes sendo que a primeira e a segunda delas que envolveram respectivamente um estudo sobre a possibilidade da utilização do biogás produzido pelo próprio aterro como combustível dentro das instalações e o uso de células a combustível na operação do aterro sanitário já foram concluídas nas seções anteriores Na terceira e última parte de sua consultoria analisando a quantidade de resíduo disposto no aterro diariamente você chegou à conclusão de que é possível gerar uma boa quantidade de energia utilizando técnicas de tratamento dos resíduos Visando esse aproveitamento energético dos resíduos que métodos de tratamento poderiam ser empregados Para responder às questões e finalizar a sua consultoria atente se principalmente à leitura do conteúdo sobre os tratamentos de resíduos sólidos visando o aproveitamento energético abordado ao longo desta terceira seção Bom trabalho Para iniciar esta seção vamos a algumas questões norteadoras você conhece os tipos de resíduos e sua classificação Sabe como ocorre a destinação final dos resíduos gerados nos centros urbanos e nos processos industriais Tem noção dos métodos de tratamento que são empregados visando ao aproveitamento energético dos resíduos gerados Se você não conseguiu responder a essas questões não se preocupe pois elas serão discutidas ao longo desta seção A geração e a destinação adequada dos resíduos sólidos gerados sempre foram questões que levantaram muitos debates devido à preocupação com a poluição do solo e dos recursos hídricos além da necessidade de ocupação de área relativamente Não pode faltar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 178 ampla para a deposição do resíduo gerado que por muito tempo foi feita de forma incorreta inclusive acarretando riscos à saúde e ao bemestar da população Pensando na emergência do gerenciamento e gestão dos resíduos sólidos no dia 2 de agosto de 2010 foi instituída a Política Nacional de Resíduos Sólidos PNRS Lei nº 12305 BRASIL 2010 que dispõe sobre diretrizes princípios objetivos e instrumentos relativos à gestão integrada e gerenciamento de resíduos sólidos De acordo com a Lei nº 123052010 e a norma da Associação Brasileira de Normas Técnicas ABNT a NBR 100042004 ABNT 2004 os resíduos sólidos podem ser classificados de acordo com sua origem e periculosidade Com relação à origem segundo o art 13 da Política Nacional de Resíduos Sólidos BRASIL 2010 os resíduos podem ser classificados em a Domiciliares são originados em residências urbanas a partir de atividades domésticas b Limpeza urbana são provenientes de varrição limpeza de logradouros e vias públicas além de outros serviços de limpeza urbana c Estabelecimentos comerciais e prestadores de serviços são resíduos gerados no comércio e em atividades de prestação de serviço com exceção dos provenientes de limpeza urbana resíduos dos serviços públicos de saneamento básico resíduos de serviços de saúde resíduos da construção civil e resíduos de serviços de transportes d Serviços públicos de saneamento básico são resíduos gerados a partir dos serviços de saneamento básico com exceção dos resíduos domiciliares e de limpeza urbana e Industriais são resíduos gerados a partir de processos produtivos e instalações industriais f Serviços de saúde resíduos originados nos serviços de saúde g Construção civil são resíduos gerados nas construções reformas reparos e demolições de obras de construção civil incluídos nesse caso os resultantes da preparação e escavação de terrenos para obras civis h Agrossilvopastoris são os resíduos gerados em atividades agropecuárias e silviculturais incluídos os insumos que são utilizados nessas atividades U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 179 i Serviços de transportes são resíduos originários de portos aeroportos terminais alfandegários rodoviários ferroviários e passagens de fronteira j Mineração resíduos gerados na atividade de pesquisa extração ou beneficiamento de minérios Os resíduos domiciliares e de limpeza urbana em conjunto são denominados resíduos sólidos urbanos RSU e a critério do poder público municipal respeitando as características e a quantidade de resíduo gerada podem ser incluídos dentro dessa mesma categoria os resíduos de estabelecimentos comerciais e prestadores de serviços Quanto à periculosidade os resíduos podem ser classificados em Perigosos são aqueles que podem apresentar como característica inflamabilidade corrosividade reatividade toxicidade patogenicidade carcinogenicidade teratogenicidade e mutagenicidade e portanto apresentam risco significativo à saúde pública ou podem interferir na qualidade ambiental Não perigosos são aqueles que não apresentam as características destacadas para os resíduos perigosos Quer saber mais sobre a classificação dos resíduos sólidos quanto à sua periculosidade Então não deixe de acessar a ABNT NBR 100042004 disponível a seguir ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 10004 Resíduos sólidos classificação Rio de Janeiro ABNT 2004 Disponível em http wwwunaerpbrdocumentos2234abntnbr10004file Acesso em 13 set 2017 Pesquise mais A fim de facilitar o gerenciamento dos resíduos eles podem ainda ser caracterizados de acordo com a sua natureza em físicos químicos e biológicos Tal caracterização influenciará nos tipos de tratamentos disponíveis conforme veremos mais adiante nesta seção De acordo com a NBR 100042004 da ABNT são características dos resíduos U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 180 Físicas geração per capita quantidade de resíduo gerada por habitante diariamente composição gravimétrica percentual de cada componente papel plástico alumínio vidro metal matéria orgânica entre outros em relação ao peso total da amostra de resíduo analisada peso específico aparente peso do resíduo sem compactação solto em função do volume ocupado teor de umidade quantidade de água presente no resíduo e compressividade grau de redução de volume do resíduo após compactação Químicas poder calorífico capacidade de liberação de calor quando incinerado pH teor de acidez ou alcalinidade do resíduo composição química teores de compostos químicos presentes no resíduo relação carbononitrogênio grau de decomposição da matéria orgânica presente no resíduo Biológicas presença de população microbiana e agentes patogênicos nos resíduos Por se tratar de um tema amplo voltaremos a nossa atenção nesta seção aos resíduos sólidos urbanos que como mencionado anteriormente incluem os resíduos domiciliares de limpeza urbana e em alguns casos os resíduos de estabelecimentos comerciais e prestadores de serviços e industriais De acordo com dados da Associação Brasileira de Empresas de Limpeza Pública e Resíduos Especiais Abrelpe no ano de 2015 a geração total de resíduos sólidos urbanos RSU no Brasil foi de 218874 toneladas por dia dado que representa um aumento de 17 em relação ao ano anterior Com relação à geração per capita de resíduos sólidos ou seja a quantidade de resíduos que uma pessoa gera em média o número registrado no ano de 2015 foi de 1071 Kghabdia um aumento de 08 em relação ao ano de 2014 dado que equivale ao crescimento populacional do país que também foi de 08 em 2015 com relação a 2014 ABRELPE 2016 Ainda segundo dados da Abrelpe 2016 o índice de cobertura de coleta dos RSU gerados no Brasil é de 908 sendo que 92 que em 2015 representaria 73 milhões de toneladas de resíduos não são coletados e consequentemente são destinados de forma incorreta U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 181 Qual seria a forma correta de destinar esses resíduos De acordo com a PNRS os resíduos devem passar por segregação na fonte coleta seletiva e aquilo que não for passível de ser reaproveitado reciclado ou tratado para aproveitamento energético deve ser destinado aos aterros sanitários Para que a destinação correta dos resíduos fosse atendida em sua totalidade a política preconizou o fim dos lixões e sua substituição por aterros em quatro anos a partir da promulgação da Lei n 1260510 BRASIL 2010 Isso quer dizer que de acordo com a legislação em questão todos os lixões deveriam passar por desativação até o dia 2 de agosto de 2014 estando o gestor que desobedecesse tal lei sujeito a sofrer as sanções da lei de crimes ambientais No entanto de acordo com dados do Panorama dos Resíduos Sólidos no Brasil sob responsabilidade da Abrelpe em 2015 um ano após o prazo final para a desativação dos lixões o Brasil ainda tinha 1552 municípios com lixões ativos um número um pouco menor com relação a 2014 que era de 1559 Ao todo cerca de 413 dos resíduos sólidos gerados em 2015 receberam destinação incorreta A Tabela 42 apresenta a quantidade de municípios por tipo de disposição adotada em cada região brasileira no ano de 2015 Reflita Você conhece os dados do saneamento básico de sua cidade Acredita que a população do local em que mora contribui para a redução e a reciclagem dos resíduos sólidos que geram O que poderia ser feito para melhorar o panorama do saneamento na sua cidade Reflita sobre essas questões U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 182 Fonte adaptada de Abrelpe 2016 p 24 Tabela 42 Quantidade de municípios por região tipo de disposição final adotada em 2015 e comparação com o total em 2014 Disposição final Regiões Brasil Brasil 2014 Norte Nordeste Centro Oeste Sudeste Sul Aterro Sanitário 97 456 165 820 706 2244 2236 Aterro Controlado 110 504 148 646 366 1774 1775 Lixão 243 834 154 202 119 1552 1559 BRASIL 450 1794 467 1668 1191 5570 5570 Você notou que a Tabela 42 apresenta três formas de disposição final de resíduos lixão aterro controlado e aterro sanitário Vamos compreender neste momento que diferenças existem entre cada um desses métodos de disposição Nos lixões o resíduo sólido é depositado diretamente no solo e não recebe nenhum tipo de cobertura ficando exposto a céu aberto Esse método de disposição de resíduos atrai animais que se alimentam dos restos de alimentos e catadores de objetos recicláveis representando um risco à saúde Além disso são fontes de odores e o chorume líquido oriundo da decomposição da matéria orgânica representa uma fonte de contaminação do solo e de águas subterrâneas Os aterros controlados surgiram como uma forma de reduzir os impactos à saúde decorrentes da disposição de resíduos nos lixões Diferem dos anteriores pela cobertura com terra depositada sobre os resíduos visando impedir a chegada de animais e minimizar a ação dos catadores No entanto por não apresentar uma proteção no solo em que o resíduo é depositado ainda há contaminação do solo e águas subterrâneas pelo chorume Nos aterros sanitários os resíduos são depositados sobre o solo impermeabilizado com uma manta que impede que o chorume que é coletado por tubulações e enviado para estação de tratamento cause contaminações Além disso o resíduo recebe uma cobertura para impedir a atração de animais e catadores e os gases gerados a partir da decomposição da matéria orgânica U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 183 são coletados Normalmente os aterros sanitários são construídos em locais afastados das residências e são delimitados com cercas vivas para reduzir o impacto estético provocado pela presença de um aterro Com relação aos resíduos industriais suas características e grau de periculosidade variam em função do processo produtivo empregado e da matériaprima utilizada Tal como nos RSU existe a possibilidade de reciclagem desses resíduos e do tratamento visando recuperação energética A resolução CONAMA nº 3132002 BRASIL 2002 dispõe sobre o Inventário Nacional de Resíduos Sólidos Industriais que apresenta informação acerca da geração características transporte armazenamento reutilização reciclagem tratamento recuperação e disposição final dos resíduos sólidos que são gerados no parque industrial brasileiro Tendo em vista que tanto os RSU quanto os resíduos industriais podem passar por processo de tratamento para recuperação energética destacaremos os processos de tratamento térmico que podem ser empregados para ambas as origens dos resíduos respeitando as suas características Denominamos recuperação energética os métodos e os processos que permitem que parte da energia dos resíduos sólidos seja recuperada Tais métodos cuja escolha e eficiência Assimile De acordo com a PNRS os resíduos sólidos são quaisquer materiais substâncias objetos ou bens descartados oriundos de atividades humanas em que a destinação final deve ser realizada em estado sólido ou semissólido incluindo gases contidos em recipientes Os rejeitos são considerados a sobra dos resíduos sólidos após terem passado por processo de reciclagem ou reutilização A legislação prevê que os resíduos sólidos sejam submetidos a todas as possibilidades de tratamento e recuperação usando a tecnologia disponível e economicamente viável antes de ser enviado para a disposição final ambientalmente correta em aterros sanitários Tal medida visa evitar riscos à saúde pública e à segurança bem como minimizar os impactos ambientais oriundos da geração de resíduos U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 184 dependerão das características dos resíduos podem ser divididos basicamente em dois grupos incineraçãomass burning que envolvem a utilização de oxigênio em excesso e a gaseificação pirólise que utilizam pouco ou nenhum oxigênio para o seu funcionamento Além disso quando os resíduos orgânicos são separados dos resíduos inorgânicos a biodigestão pode ser empregada como uma forma eficiente de tratamento Nesta seção daremos enfoque principal aos processos de incineração e pirólise e apresentaremos outro método relacionado ao tratamento térmico dos resíduos com o objetivo de recuperação energética a tecnologia de plasma Os demais processos citados já foram estudados em unidades anteriores portanto para relembrar os conceitos sobre a biodigestão anaeróbia e sobre a gaseificação releia a Seção 23 Energia de biomassa da Unidade 2 Energia solar eólica e de biomassa e a Seção 33 Gaseificação da Unidade 3 Energia hidráulica e gaseificação A incineração indicada para os materiais que não podem ser reciclados ou reaproveitados envolve a combustão total dos resíduos com presença constante de oxigênio com o objetivo de redução de peso e volume e ocasionalmente a periculosidade no caso de resíduos perigosos possibilitando ainda a utilização do calor gerado no aquecimento de caldeiras e produção de vapor para a movimentação de turbinas geradoras de eletricidade Os incineradores são formados por um dispositivo de alimentação por onde o resíduo é inserido em uma câmara primária que recebe injeção de ar e se necessário de combustível auxiliar Uma segunda câmara câmara secundária acoplada à primeira recebe os gases oriundos da incineração e mais ar é injetado Os gases são então enviados para uma seção de tratamento e podem ser utilizados para a geração de eletricidade As cinzas que restaram da incineração são retiradas Entre as vantagens do uso da incineração destacase a redução da área do aterro já que ela pode reduzir o volume do RSU de 80 a 90 BARROS 2013 sendo essa redução imediata já que não depende da ação de microrganismos para a decomposição também destacase que com a utilização de tecnologias de recuperação de calor é possível realizar a compensação dos custos da operação com a comercialização de energia e o fato de que os efluentes gasosos que são gerados são passíveis de serem tratados No entanto é importante ressaltar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 185 que a escolha pela incineração deve ser precedida de estudos sobre a composição dos resíduos já que alguns materiais podem originar emissões nocivas quando queimados entre eles aqueles que possuem metais pesados As práticas operacionais devem ser executadas corretamente para não originar dioxinas e furanos altamente tóxicos Tudo isso exige que um capital elevado seja investido em equipamentos e treinamento de operadores Na pirólise o RSU passa por um processo de degradação térmica em uma atmosfera com reduzida quantidade de oxigênio resultando na formação de subprodutos líquidos gasosos e sólidos que podem ser utilizados como fonte energética Tal processo ocorre no interior de reatores pirolíticos que são alimentados de forma descendente com resíduos triturados e da parte inferior saem as cinzas O equipamento funciona em fases na primeira que envolve temperaturas de 100 C a 200 C e ocorre na parte superior do reator os resíduos são secados na segunda que acontece nas regiões média e inferior do reator e é composta por três subetapas ocorre a volatilização e fusão na região média e exclusão das cinzas na região inferior com temperaturas variando entre 300 C e 1600 C região média Assim como na incineração existem vantagens e desvantagens do uso de pirólise para o tratamento térmico de resíduos sólidos Entre as vantagens estão a redução do volume de resíduos que consequentemente contribui para uma economia da área de aterros a geração de gás combustível para a produção de energia e a possibilidade de descentralização do tratamento JÚNIOR SAIANI DOURADO 2014 Os riscos com a produção de gases tóxicos e em desacordo com a legislação ambiental e os altos custos com equipamentos e operadores qualificados são apontados como desvantagens do processo Na tecnologia de plasma usase temperaturas muito elevadas em um ambiente com ausência de oxigênio em que o resíduo é decomposto em moléculas simples gerando como subprodutos um gás combustível e um rejeito inerte Para o processamento do resíduo utilizase uma corrente elétrica que ioniza um gás inerte originando a formação de um arco elétrico com temperaturas que podem ultrapassar 6000 C Nessa temperatura ocorre a vaporização dos compostos voláteis e a fundição da matéria U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 186 inorgânica formando um rejeito vitrificado A tecnologia de plasma apresenta a vantagem de tratar uma variada gama de resíduos e o processo resulta em formação de gases formados principalmente por monóxido de carbono e hidrogênio que podem ser utilizados como fonte de combustível e para a geração de eletricidade No entanto há de se ressaltar que a elevada demanda energética do processo pode representar altos custos e uma desvantagem da utilização do processo Chegamos ao final de nossa última unidade e para finalizar a sua jornada não deixe de retomar a leitura e realizar anotações sobre os conteúdos que mais lhe chamaram a atenção ou aqueles em que sentiu maiores dificuldades de compreensão É sempre importante buscar a complementação de seus estudos em fontes de pesquisa diversificadas e manterse atualizado sobre as fontes alternativas de energia disponíveis no mercado Exemplificando As Usinas de Recuperação Energética URE de RSU visam aproveitar o potencial energético dos resíduos que seriam destinados aos aterros sanitários para a geração de energia elétrica e térmica Diferente das usinas hidrelétricas e termelétricas nas usinas de recuperação energética o objetivo principal não é a geração de energia mas o saneamento básico tendo como subproduto a possibilidade de aproveitamento energético A primeira usina de recuperação energética do Brasil está sendo implantada em Barueri SP e terá capacidade para tratar 825 toneladas por dia de resíduos sólidos urbanos com a geração de 20 MWh de energia elétrica suficiente para abastecer 80 mil residências Para saber mais sobre o funcionamento da URE de Barueri acesse os vídeos a seguir URE Barueri Disponível em httpswwwyoutubecomwatchv m7CXFujTN0c Acesso em 13 set 2017 Unidade de Recuperação Energética Barueri Disponível em https wwwyoutubecomwatchvBiL2cbRECsA Acesso em 13 set 2017 U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 187 Os resíduos sólidos urbanos RSU formados pelos resíduos domiciliares de limpeza urbana e em alguns casos os resíduos de estabelecimentos comerciais e prestadores de serviços são compostos principalmente por material orgânico e materiais inorgânicos É possível o aproveitamento energético do RSU no entanto é desejável que o material passível de ser reciclado seja separado já que constituem uma fonte de renda que não deve ser desperdiçada A matéria orgânica caso seja separada do material inorgânico pode passar pelo processo de biodigestão assunto tratado na Unidade 3 gerando um gás rico em metano que pode ser utilizado para acender chama de fogão ou abastecer veículos O material inorgânico resultante que não pode ser reciclado pode passar pela incineração pirólise ou tecnologia de plasma A incineração consiste na combustão total dos resíduos com presença constante de oxigênio com o objetivo de redução de peso e volume e ocasionalmente da periculosidade no caso de resíduos perigosos possibilitando ainda a utilização do calor gerado no aquecimento de caldeiras e produção de vapor para a movimentação de turbinas geradoras de eletricidade Os incineradores são formados por um dispositivo de alimentação por onde o resíduo é inserido em uma câmara primária que recebe injeção de ar e se necessário de combustível auxiliar Uma segunda câmara câmara secundária acoplada à primeira recebe os gases oriundos da incineração e mais ar é injetado Os gases são então enviados para uma seção de tratamento e podem ser utilizados para a geração de eletricidade Na pirólise o RSU passa por um processo de degradação térmica em uma atmosfera com reduzida quantidade de oxigênio resultando na formação de subprodutos líquidos gasosos e sólidos que podem ser utilizados como fonte energética Tal processo ocorre no interior de reatores pirolíticos que são alimentados de forma descendente com resíduos triturados e de sua parte inferior saem as cinzas O equipamento funciona em fases na primeira que envolve temperaturas de 100 C a 200 C e ocorre na parte superior do reator os resíduos são secados na segunda que acontece nas regiões média e inferior do reator e é composta por Sem medo de errar U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 188 três subetapas ocorre a volatilização e a fusão na região média e exclusão das cinzas na região inferior com temperaturas variando entre 300 C e 1600 C região média Na tecnologia de plasma usase temperaturas muito elevadas em um ambiente com ausência de oxigênio em que o resíduo é decomposto em moléculas simples gerando como subprodutos um gás combustível e um rejeito inerte Para o processamento do resíduo utilizase uma corrente elétrica que ioniza um gás inerte originando a formação de um arco elétrico com temperaturas que podem ultrapassar 6000 C Nessa temperatura ocorre a vaporização dos compostos voláteis e a fundição da matéria inorgânica formando um rejeito vitrificado É importante lembrar que independentemente da tecnologia escolhida há vantagens e desvantagens que envolvem os custos com equipamentos para o tratamento de gases e mão de obra qualificada Esses aspectos devem ser analisados antes da escolha do tratamento Uma oportunidade para o caso em questão é a implantação de usinas de recuperação energética que visam aproveitar o potencial energético dos resíduos que seriam destinados aos aterros sanitários para a geração de energia elétrica e térmica A energia que vem dos resíduos Descrição da situaçãoproblema As indústrias de mineração são responsáveis pela geração de diversos tipos de resíduos incluindo os perigosos que quando destinados de forma incorreta podem trazer danos ao ambiente e à saúde da população Imagine que você foi contratado por uma indústria de mineração que deseja realizar o aproveitamento energético dos resíduos gerados em suas instalações Foi solicitado a você que orientasse os funcionários da indústria sobre a possibilidade do uso de tratamento térmico para aproveitamento energético Para isso você deve responder às seguintes questões norteadoras o que deve ser levado em consideração para propor a instalação de um equipamento de tratamento térmico Viabilizada Avançando na prática U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 189 a sua instalação de que forma esse equipamento poderia contribuir para o aproveitamento energético dos resíduos Resolução da situaçãoproblema Inicialmente é importante lembrar que de acordo com a Política Nacional de Resíduos Sólidos os resíduos de mineração são aqueles gerados na atividade de pesquisa extração ou beneficiamento de minério No entanto as mineradoras não possuem apenas esse tipo de resíduo já que existem setores na mineradora que são geradores de outros materiais Antes de propor o tratamento térmico dos resíduos é importante que eles sejam caracterizados já que no caso da mineração existem aqueles cuja composição pode conter produtos voláteis tóxicos ao serem queimados Para auxiliar nesse trabalho a resolução CONAMA nº 3132002 BRASIL 2002 dispõe sobre o Inventário Nacional de Resíduos Sólidos Industriais que apresenta informação acerca da geração características transporte armazenamento reutilização reciclagem tratamento recuperação e disposição final dos resíduos sólidos que são gerados no parque industrial brasileiro Atestada a viabilidade da utilização do tratamento térmico é possível que o calor gerado no processo seja aproveitado para a geração de eletricidade a fim de abastecer as instalações da mineradora Faça valer a pena 1 A problemática ambiental relacionada à geração de lixo foi discutida ao longo de mais de 20 anos até que foi promulgada a lei que instituiu a Política Nacional de Resíduos Sólidos Tal lei com a NBR 100042004 estabelece a classificação para os resíduos sólidos Sobre esse assunto analise as assertivas a seguir I O poder calorífero dos resíduos é um fator que interfere na escolha do método de tratamento adequado e é tratado na NBR 100042004 como um fator físico II Um resíduo que apresenta como característica o fato de ser inflamável é classificado como perigoso de acordo com a norma III A composição gravimétrica do resíduo diz respeito ao percentual de cada componente papel plástico alumínio vidro metal matéria U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 190 2 A incineração é um dos métodos de tratamento dos resíduos sólidos que visa ao aproveitamento energético Ela pode ser utilizada para uma gama de materiais incluindo aqueles cujas características impedem que sejam dispostos em aterros sanitários A respeito do processo de incineração no tratamento de resíduos sólidos marque a alternativa correta a É desejável que os resíduos reciclados sejam tratados por meio da incineração visando ao seu aproveitamento energético b Uma das vantagens da incineração é que os gases que são gerados não precisam passar por tratamento c Na incineração não é necessário a utilização de oxigênio para a realização da combustão dos resíduos d A escolha pela incineração deve ser precedida de estudos sobre a composição dos resíduos já que alguns materiais podem originar emissões nocivas quando queimados e Para o processamento do resíduo na incineração utilizase uma corrente elétrica que ioniza um gás inerte 3 Leia o texto e em seguida marque a resposta correta é o processo em que o RSU passa pela degradação térmica em uma atmosfera com quantidade de oxigênio resultando na formação de subprodutos líquidos gasosos e sólidos que podem ser utilizados como fonte energética Marque a alternativa que apresenta os termos que preenchem corretamente as lacunas a Pirólise reduzida b Incineração reduzida c Pirólise grande d Incineração grande e Tecnologia de plasma grande orgânica entre outros em relação ao peso total da amostra de resíduo analisada e é uma característica física de acordo com a legislação Após a análise das assertivas assinale a alternativa que apresenta a resposta correta a As assertivas I II e III estão corretas b Apenas as assertivas I e II estão corretas c Apenas as assertivas II e III estão corretas d Apenas a assertiva I está correta e Apenas a assertiva II está correta U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 191 Referências ABRELPE Panorama dos resíduos sólidos no Brasil 2015 Abrelpe São Paulo 2016 Disponível em httpwwwabrelpeorgbrPanoramapanorama2015pdf Acesso em 13 set 2017 ABREU Fábio Viana de Biogás economia regulação e sustentabilidade Rio de Janeiro Interciência 2014 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS NBR 10004 Resíduos sólidos classificação Rio de Janeiro ABNT 2004 BARROS Regina Mambeli Tratado sobre resíduos sólidos gestão uso e sustentabilidade Rio de Janeiro Interciência 2013 BRASIL Agência Nacional do Petróleo Gás Natural e Biocombustíveis ANP Biocombustíveis Disponível em httpwwwanpgovbrwwwanp biocombustiveis Acesso em 9 jul 2017 Lei nº 12305 de 2 de agosto de 2010 Institui a Política Nacional de Resíduos Sólidos altera a Lei nº 9605 de 12 de fevereiro de 1998 e dá outras providências Diário Oficial da União Poder Legislativo 3 ago 2010 p 2 Resolução CONAMA nº 313 de 29 de outubro de 2002 Dispõe sobre o Inventário Nacional de Resíduos Sólidos Industriais Diário Oficial da União Conselho Nacional do Meio Ambiente 22 nov 2002 Seção 1 p 8591 JÚNIOR Rudinel Tonedo SAIANI Carlos César Santejo DOURADO Juscelino Resíduos sólidos no Brasil Barueri Manole 2014 LORA Electo Eduardo Silva VENTURINI Osvaldo José Biocombustíveis Rio de Janeiro Interciência 2012 REIS Lineu Belico dos Geração de energia elétrica 2 ed São Paulo Manole 2011 TILLMANN Carlos Antônio da Costa Motores de combustão interna e seus sistemas Pelotas Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia 2013 VARELLA Carlos Alberto Alves SANTOS Gilmar de Souza Noções básicas de Motores Diesel Seropédica Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro 2010 WENDT Hartmut GÖTZ Michael LINARDI Marcelo Tecnologias de células a combustível Química Nova v 23 n 4 2000 Disponível em httpwwwscielo brpdfqnv23n42655pdf Acesso em 13 set 2017 U4 Biocombustíveis célula a combustível e aproveitamento de resíduos 192 Referências KLS FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA Fontes alternativas de energia