Centrais Geotérmicas: Estrutura da Terra e Gradiente Geotermal

Centrais geotérmicas energia maremotriz e ondomotriz Silvana J S Diniz 232 1 Centrais geotérmicas 2 Usina Ribeira Grande Açores Portugal Energia geotérmica É definida como a energia térmica armazenada sob a superfície terrestre ou seja no interior do planeta Terra STOBER e BUCHER 2013 As fontes desta energia são rocha seca quente rocha úmida quente vapores seco ou úmido Funciona graças a capacidade natural da Terra eou da água agua subterrânea em reter calor 3 Estrutura do planeta Terra É constituída de diferentes camadas de diferentes espessuras e características O interior da Terra possui três camadas de composição com propriedades diferentes A crosta que compreende gigantescos blocos rochosos de espessuras entre 5 e 70 quilômetros O manto que é denso e se divide em superior e inferior onde se encontra o magma E o núcleo que se divide em externo de consistência líquida e interno de consistência sólida e densa composta por ferro e níquel BRANCO 2016 4 Estrutura do planeta Terra O núcleo interno amarelo claro alta densidade raio de cerca de 3500km temperatura de cerca de 5000C e pressão de cerca de 400GPa O núcleo externo amarelo escuro Constituída por um líquido de alta viscosidade a cerca de 2900C O manto vermelho Constituído uma mistura heterogênea em estado líquido de óxidos que se estende por 2900 km A crosta verde Varia entre 5 e 65km de espessura dependendo da localização e sobre a qual existe a vida como conhecemos 5 Adaptado de STOBER e BUCHER 2013 Gradiente geotermal global É o cálculo da diferença de de temperatura entre uma determinada profundidade e a temperatura da superfície terrestre O gradiente geotermal global médio é estimado em 30ºCkm1 Anomalias térmicas são desvios em relação ao gradiente médio e podem ser positivos ou negativos Desvio positivo é quando o valor encontrado é superior à média podendo atingir valores tão elevados quanto 150Ckm1 e o local é considerado promissor para exploração dos recursos geotérmicos E desvio negativo é quando o gradiente é inferior à média usualmente em bacias sedimentares ou escudos cristalinos Energy Sector Management Assistance Program 2010 6 Diagrama Lindal É tradicionalmente empregado para determinar as diferentes aplicações possíveis para recursos geotérmicos em função de sua temperatura 7 Diagrama de Lindal para utilização de recursos geotérmicos Adaptado de CARVALHO e MARTINS CARVALHO 2004 Placas tectônicas A crosta terrestre é dividida em várias partes chamadas de placas tectônicas Quanto mais abaixo um ponto se encontra na crosta terrestre maiores tendem a ser as temperaturas pois quanto mais próximo se está do magma rochas pastosas derretidas maiores são as temperaturas maior é o gradiente térmico Existem alguns pontos onde ocorrem algumas intrusões magmáticas Coincidem com as placas tectônicas Nessas áreas as rochas aquecemse mesmo em pontos não tão profundos tornandose ideais para a transformação de todo o calor produzido em eletricidade 8 Intrusões magmáticas Nas zonas de intrusões ou cinturões magmáticos a temperatura é muito maior e nelas há elevado potencial geotérmico Essas zonas segundo Souza Filho 2012 e Lindal 1973 podem ser classificadas categoricamente de acordo com a entalpia específica dos fluídos nelas presentes sendo Alta entalpia com temperaturas aproximadas de 150C acima geralmente vapor seco Média entalpia com temperaturas entre 80 e 150C ou baixa entalpia com temperaturas abaixo de 80C 9 A entalpia é a energia térmica em uma reação ou processo químico Ela pode ser de formação combustão ligação neutralização e dissolução O cálculo da variação de entalpia determina se o processo é endotérmico ou exotérmico Capacidade instalada de energia geotérmica no mundo 10 httpwwwgeografiaseedprgovbrmodulesnoticiasarticlephpstoryid581 Recurso geotérmico na América do Sul No Brasil há regiões de baixa entalpia dada a estabilidade tectônica do país 11 Fonte Hamza et al 2008 Geotermia no Brasil Por ter seu território situado no interior de uma dessas placas a SulAmericana o Brasil não apresenta potencial interessante de exploração dessa fonte energética para fins indiretos como a geração de eletricidade restringindose a apenas para utilização direta aqui fazendo menção às regiões de Poços de Caldas MG e Caldas Novas GO 12 Recursos no Brasil No Estado de Minas Gerais na região da bacia do São Francisco do Triângulo Mineiro e em alguns pontos isolados do sul e sudeste do estado foram verificadas temperaturas entre 100 120ºC e entre 150 180ºC a profundidades de 3 e 5km respectivamente No Estado de São Paulo foram identificadas regiões que apresentaram anomalias térmicas na bacia de Taubaté mostrando um gradiente geotérmico de 70ºCkm1 com valor médio de 57ºCkm1 Na região nordeste do país no estado do Ceará foram identificados diversos locais com valores de gradiente geotérmico anômalos indicando a possibilidade do uso da energia geotérmica para fins indiretos obtenção de energia elétrica Dados térmicos obtidos a partir de poços offshore ao longo da costa do CE e RN indicam a existência de zonas com elevado gradiente geotermal na direção do alinhamento vulcânico de Fernando de Noronha As ilhas de Fernando de Noronha e Trindade foram identificadas como regiões em potencial para a ocorrência de recursos de alta temperatura ARBOIT et al 2013 13 Utilização da energia geotérmica Utilizandose a entalpia critério mais comum existem duas formas de aproveitamento da energia geotérmica A direta de baixa e média entalpia Para fins residenciais industriais agrícolas recreativos de secagem entre outros E a indireta de alta entalpia Para fins de geração de eletricidade em instalações semelhantes às centrais termoelétricas convencionais 14 Capacidade instalada para fins diretos 15 Adaptado de LUND e BOYD 2015 Direto à aquecimento e não energia elétrica Sistemas geotérmicos São compostos de três elementos básicos Uma fonte de calor que necessariamente ocorre de forma natural Um reservatório e um fluido carreador da energia térmica do reservatório Os dois últimos elementos podem não ocorrem naturalmente DICKSON e FANELLI 2003 16 Príncipio de funcionamento de uma usina geotérmica 17 httpsecoinventoscomventajasydesventajasenergiageotermica 1 Magma 2 Reservatório 3 Turbina 4 Gerador 5 Transformador 6 Rede 7 Trocador de calor 8 Torre de resfriamento Descrição do funcionamento Nas usinas geotérmicas convencionais o subsolo é perfurado até o reservatório que contém o vapor dágua Os tubos conduzem o vapor até a central geotérmica O vapor é direcionado sob alta pressão e velocidade para as turbinas movimentando suas pás e transformando a energia mecânica em energia elétrica através do gerador O vapor após passar pela turbina é conduzido para uma torre onde se transforma em água e é resfriado A água resfriada é canalizada para o reservatório subterrâneo onde é reinjetada nas rochas quentes através das tubulações para reiniciar o ciclo Esta eletricidade é conduzida ao transformador aumentando a tensão elétrica e ligado à rede elétrica 18 Vapor flash Vapor flash é um nome dado para o vapor formado a partir do condensado quente no momento em que sua pressão for reduzida Vapor flash não é diferente do vapor normal é somente um nome conveniente usado para explicar como o vapor é formado Flash único é quando ocorre apenas uma vez a transformação de condensado para vapor flash O processo de geração de energia elétrica pode envolver mais de uma etapa de flash permitindo a alimentação da turbina com dois níveis de pressão de vapor Assim pode ser chamado de único duplo estágio ou multiestágio Aumenta o rendimento termodinâmico do ciclo Há necessidade de maior investimento em equipamentos e complexidade do processo 19 Formas de geração de energia elétrica Pode ser Sistemas de vapor úmido Sistemas de vapor seco Ciclo binário Atmosférica Back Pressure Enhanced Geothermal Systems EGS 20 Plantas de vapor úmido É utilizado um reservatório de água como fonte quente O líquido é encaminhado do poço à superfície e por meio de pressão se converte em vapor movendo as turbinas Utilizado para altas entalpias do recurso geotérmico 21 Fonte ENERGY SECTOR MANAGEMENT ASSISTANCE PROGRAM 2010 Usina geotérmica do tipo flash único com condensação Plantas a vapor seco Quando o recurso geotermal está disponível diretamente na forma de vapor A reserva de água da planta é muito baixa e o vapor abundante O vapor é então entubado em uma central com alta pressão sendo capaz de movimentar as turbinas do gerador com excepcional força tornandose assim uma fonte eficiente na geração de eletricidade A configuração da usina é similar à configuração de vapor úmido porém mais simples uma vez que não há necessidade de um vaso de separação 22 Plantas de ciclo binário A característica fundamental desse tipo de usina é que a energia térmica contida no fluido geotérmico é transferida através de um trocador de calor a um fluido secundário que então gera eletricidade 23 Fonte ENERGY SECTOR MANAGEMENT ASSISTANCE PROGRAM 2010 Plantas de ciclo binário As plantas do ciclo binário podem operar utilizando água a médias temperaturas em torno de 107C ou recursos de baixamédia entalpia 85 200ºC RABELO et al 2001 O fato do fluido geotérmico não entrar em contato com equipamentos ou com peças mecânicas em movimento garante um maior tempo de vida A sua injeção de volta no reservatório evita a liberação de poluentes na atmosfera tais como gases do efeito estufa H2S e metais pesados FRANCO e VILLANI 2009 24 Atmosférica Back Pressure Consiste em um sistema aberto que descarrega o vapor exausto da turbina seco ou úmido diretamente para a atmosfera É a alternativa mais simples em termos de equipamentos necessários e também de operação Exige o menor investimento em termos de equipamentos dentre as alternativas acima porém com menor rendimento termodinâmico HAMMONS 2011 25 Fonte DICKSON e FANELLI 2003 EnhancedEngineered Geothermal System EGS Ou Sistema Geotérmico Aprimorado consiste na criação de poços artificiais Utilizam rochas aquecidas naturalmente no interior da Terra que ao receberem a reinjeção de um fluxo contínuo de água proporcionam a produção de vapor Este vapor é então convertido em energia mecânica e posterior geração elétrica Em um EGS típico são perfurados dois ou mais poços que permitem a injeção e extração de um fluido carreador de energia do reservatório É apontado como uma tecnologia promissora para a produção geotermal de eletricidade pois permite em teoria que praticamente qualquer localidade seja considerada um reservatório geotermal em potencial CHAMORRO et al 2012 Até 2006 não havia em operação nenhuma usina geotérmica que empregasse EGS em escala comercial Mas há dois projetos em desenvolvimento devido à sua escala e importância 26 Usina geotérmica EGS em SoultzsousForêts França A geração de eletricidade é feita através de um ciclo binário com isobutano como fluido de trabalho A capacidade elétrica instalada é de 15MW O EGS consiste em cinco poços com profundidade entre 3 5km e uma temperatura de fundo de poço de cerca de 200ºC GENTER et al 2010 27 Fonte GENTER et al 2010 Usina geotérmica EGS piloto em Innamincka Austrália Por meio de quatro poços com profundidade superior a 42km foi possível atingir recursos geotermais com temperatura no fundo do poço de aproximadamente 244ºC Estimase um gradiente geotérmico local de cerca de 32ºCkm1 Em 2013 durante sete meses a planta foi operada em um ciclo fechado de circulação e produziu cerca de 1MW de eletricidade HOGARTH e BOUR 2015 28 Fonte HOGARTH e BOUR 2015 Produção geotermal de eletricidade mundial de acordo com o tipo de usina 29 Adaptado de BERTANI 2015 O número de instalações mundial para cada tipo de usina 30 Adaptado de BERTANI 2015 O tipo binário é o predominante no mundo Capacidade instalada e geração de eletricidade 2015 31 Adaptado de BERTANI 2015 Vantagens Não agredir o solo Não depender de matériasprimas específicas Possuir uma produção flexível Não estar à mercê dos eventos climáticos É renovável sua duração pode ser medida em eras geológicas A tecnologia envolvida é considerada madura e bem estabelecida comercialmente 32 Vantagens O seu suprimento é considerado confiável podendo servir de base para uma matriz energética embora ainda seja considerada como fonte complementar Apresenta baixo impacto ambiental emissão de CO2 e outro poluentes quando comparada às usinas térmicas alimentadas com combustíveis fósseis com exceção das atmosférica As usinas apresentam baixo custo de manutenção e operação 33 Desvantagens Projetos de usinas geotérmicas apresentam elevado investimento inicial e alto risco O intervalo de tempo entre o início do projeto e a comercialização de energia no mercado é longo Grande parte dos locais ao redor do mundo com recursos geotérmicos de alta temperatura já foram explorados os restantes de baixamédia temperatura apresentam desafios tecnológicos e econômicos consideráveis ao seu aproveitamento Poços produtores geralmente se situam em locais distantes dos pontos de consumo 34 Desvantagens Há uma menor capacidade para a expansão da oferta de energia em comparação por exemplo com uma usina térmica alimentada com combustível fóssil Há relatos de casos em que a extração de energia do poço ultrapassou a reposição térmica natural do reservatório e o recurso geotérmico foi exaurido O odor desagradável a natureza corrosiva e as propriedades nocivas do ácido sulfídrico H2S são causas que preocupam Nos casos onde a concentração de ácido sulfídrico H2S é relativamente baixa o cheiro do gás causa náuseas Em concentrações mais altas pode causar sérios problemas de saúde e até a morte por asfixia É igualmente importante que haja tratamento adequado a água vinda do interior da Terra que invariavelmente contém minérios prejudiciais a saúde Não deve ocorrer simplesmente seu despejo em rios locais para que isso não prejudique a fauna local 35 Usinas geotérmicas mundiais 36 The Geysers Geothermal Complex Cerro Prieto Geothermal Power Station VIDEO httpsyoutubeodTByhxsL60 Energia marémotriz Energia maremotriz Ou energia das marés é o modo de geração de energia por meio do movimento das marés As marés ocorrem devido a atuação da força gravitacional sobre a água A maré é uma fonte natural de energia não poluidora e renovável 0 aproveitamento da energia das marés pode ser feito a partir de centrais elétricas que funcionam por ação da água dos mares É necessária uma diferença de 7 metros entre a maré alta e a maré baixa para que o aproveitamento desta energia seja renovável 38 Formação das marés 39 As marés altas ocorrem nas regiões que estão mais próximas ao Sol e à Lua enquanto nas demais regiões ocorrem as marés baixas Cada uma das marés acontece duas vezes em todos os pontos do planeta Quando há o alinhamento entre o Sol a Terra e a Lua as forças gravitacionais sobrepõemse e as marés ficam bem mais elevadas Princípio de funcionamento As marés estão relacionadas com a posição da Lua e do Sol e do movimento de rotação da Terra O aproveitamento energético das marés é obtido através de um reservatório formado junto ao mar através da construção de uma barragem contendo uma turbina e um gerador Tanto o movimento de subida quanto o de descida produz energia A água é turbinada durante os dois sentidos da maré na maré alta a água enche o reservatório passando através da turbina e produzindo energia elétrica na maré baixa a água esvazia o reservatório passando em sentido contrário ao do enchimento através da turbina e desta maneira também produz energia elétrica 40 Como funciona 0 sistema utilizado é semelhante ao de uma usina hidrelétrica As barragens são construídas próximas ao mar e os diques são responsáveis pela captação de água durante a alta da maré A água e armazenada e em seguida e liberada durante a baixa da maré passando por uma turbina que gera energia elétrica 41 Tipos de obtenção de energia maremotriz Dois tipos de energia maremotriz podem ser obtidos Energia cinética das correntes devido às marés E energia potencial pela diferença de altura entre as marés alta e baixa 42 Obtenção cinética Obtenção potencial Vantagens A constância e previsibilidade da ocorrência das marés 0 fato de as marés serem uma fonte inesgotável de energia A sua confiabilidade 0 fato de serem uma fonte de energia não poluente 45 Desvantagens Os custos de instalação são bastante elevados Só é produzida energia enquanto existir um desnível entre os níveis veis de água que se encontram nas partes superior e inferior do muro da barragem Só podem ser instaladas centrais para a produção de eletricidade a partir desta energia em locais que respondam às necessidades geomorfologicas necessárias para a mesma e que possuam um desnível entre marés bastante elevado cerca de 7 m A sua construção pode acarretar grandes impactos ambientais devido à criação da muro da represa 46 Usinas maremotrizes mundiais 47 Sihwa Lake Rance Energia ondomotriz Energia ondomotriz É gerada por meio da movimentação das ondas É uma fonte de energia alternativa limpa e renovável para a geração de energia elétrica É ainda pouco explorada no mundo As pesquisas da geração ondomotriz são incipientes e conta somente com a instalação de projetos pilotos Existe uma grande variedade de formas de captação da energia das ondas que resultam das diferentes formas em que a energia pode ser capturada 49 Sistemas ondomotrizes Absorvedores flutuantes Os absorvedores flutuam na água do oceano Tratamse de enormes boias compostas por turbinas Quando as ondas passam um pistão dentro da boia é movimentado o que ativa a turbina para geração de energia elétrica 50 Sistemas ondomotrizes Atenuadores Pelamis Os atenuadores flutuam paralelamente à direção das ondas Tratamse de dispositivos longos e segmentados conectados a bombas hidráulicas Quando as ondas passam estas são movimentadas o que alimenta um transformador de energia elétrica 51 Sistemas ondomotrizes Terminais Os terminais são torres instaladas na costa do mar Em cada torre há uma turbina Quando as ondas passam elas movimentam a coluna de água na base da turbina subindo e descendo Isso faz com que a turbina seja acionada e transforme o movimento cinético em energia elétrica 52 httpswwwaecwebcombrrevistamateriasprojetotransformamovimento dasondasemenergiaeletrica8397 Sistemas ondomotrizes Dispositivos overtopping Os dispositivos overtopping são enormes caixas como balsas flutuando no mar Quando as ondas passam elas enchem de água Com a ajuda da gravidade a água é empurrada o que aciona a turbina no fundo que transforma o movimento em eletricidade 53 Vantagens Fonte de energia não poluente e renovável Apresenta riscos mínimos ao meio ambiente Não necessita de equipamentos muito sofisticados com diversos processos envolvidos até a obtenção da energia elétrica 54 Desvantagens Fornecimento instável pois depende do vento e outros fatores Altos custos de instalação e manutenção dos equipamentos As instalações devem ser fortes e sólidas o suficiente para resistirem às tempestades ao mesmo tempo em que devem ser sensíveis o bastante para captação da energia das ondas 55 Brasil Projeto piloto No Brasil em 2012 foi instalado um projeto piloto de energia de ondas a Usina do Porto do Pecém localizada no Ceará O projeto que nasceu com uma parceria dos pesquisadores da Coordenação dos Programas de PósGraduação de Engenharia COPPE da Universidade Federal do Rio de Janeiro UFRJ e conta com o apoio do Governo do Estado do Ceará 56 Usina do Porto do Pecém O sistema é composto por flutuadores braços mecânicos e bombas conectadas a um circuito de água doce Na ponta de cada um dos braços mecânicos há uma boia circular que sobe e desce de acordo com o movimento das ondas acionando as bombas hidráulicas As bombas fazem com que a água doce contida em um circuito fechado circule em um local de alta pressão Essa água sob pressão movimenta uma turbina que aciona um gerador e produz energia elétrica 57 Esquema da Usina de Ondas do porto do Pecém CE Usinas no mundo No mundo existem alguns protótipos de usinas para geração de energia elétrica via energia ondomotriz especialmente em países europeus como Dinamarca Portugal e Reino Unido 58 Usinas ondomotrizes mundiais 59 Orkney Wave power station Aguçadoura Wave Farm VIDEO httpsyoutubenYvzaJgooM Bibliografia BRAULIO CORREA COSTA DE AZEVEDO ROCHA ANÁLISE EXERGÉTICA DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO GEOTÉRMICA DE POTÊNCIA UFRJ 2016 O que é Energia Maremotriz PDF Free Download Site Adriana Fiorotti CAMPOS 1 Cynthia de Barros Lima SCARPATI 2 Luan Tolentino dos SANTOS 3 Uonis Raasch PAGEL 4 Victor Hugo Alves de SOUZA 5 Um panorama sobre a energia geotérmica no Brasil e no Mundo Aspectos ambientais e econômicos Revista espacios Vol 38 Nº 01 Año 2017 Pág 8 Energia geotérmica no mundo httpconhecaenergiageotermicablogspotcom201309energia geotermicanomundohtml Acesso em 20 de maio 2015 Você sabe como funciona a energia das ondas httpsautossustentavelcom202004ondomotrizenergiaondashtml Acesso em 20 de maio 2015 60