Métodos e Sistemas de Produção de Energia

INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Rodrigo Rodrigues Sistemas e métodos de produção de energia Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Descrever sistemas e métodos de produção de energia Diferenciar os sistemas de produção de energia Comparar fontes de energia renováveis de fontes de energia não renováveis Introdução Os diversos métodos e tecnologias utilizados na produção e consumo de energia estão fortemente associados à evolução histórica do desen volvimento econômico da humanidade e suas consequências sociais e ambientais Um sistema de produção de energia comporta um conjunto de ati vidades que iniciam na produção da energia e progridem para demais etapas necessárias para que ela chegue no consumidor final formando assim uma cadeia Todas as formas de energia apresentam vantagens e desvantagens que podem ser econômicas eou ambientais Por isso é necessário que os profissionais responsáveis pela produção de energia estejam atentos e aptos a avaliar qual será a fonte mais adequada para determinado fim Neste texto você vai estudar os sistemas de produção de energia os diferentes métodos e fontes de energia renováveis e não renováveis bem como entender as cadeias enérgicas no âmbito nacional Instalações ElétricasU4C5indd 71 04102017 131657 Sistemas e métodos de produção de energia 72 Sistemas de produção de energia e métodos utilizados As fontes que não se esgotam são chamadas de renováveis Algumas delas são fontes permanentes e contínuas como o Sol o vento a água e o calor da terra outras como a biomassa podem se renovar Já as fontes de energia não renováveis como o petróleo o carvão mineral o gás natural e o urânio usado nas usinas nucleares podem se esgotar São reservas formadas durante milhões de anos pela decomposição natural de matéria orgânica e não podem ser repostas pela ação do homem As fontes de energia renováveis tendem a ser formas mais limpas de pro dução de eletricidade As considerações econômicas como a disponibilidade de recursos naturais e viabilidade de exploração sempre influenciaram na formação das bases energéticas dos países No Brasil a abundância de recursos hídricos foi significativa para a formação de um sistema predominantemente hidráulico Atualmente a questão ambiental é de extrema relevância no planejamento energético dos países A Alemanha estabeleceu um plano de desativação de todo o seu sistema energético nuclear devido a seus impactos sobre o meio ambiente Energia hidráulica É a energia gerada a partir de uma fonte contínua de movimento de água A força da queda da água é utilizada para movimentar turbinas que acionam um gerador elétrico Para que isso ocorra na construção de usinas hidrelétricas são criados grandes reservatórios de água inundando uma extensa área de terra o que pode provocar profundas alterações no ecossistema como a des truição da fauna e da fl ora locais Conforme o tipo de relevo e da região onde se encontra o empreendimento as hidrelétricas podem também ocasionar o alagamento de terras e o deslocamento de populações ribeirinhas A usina de fi o dágua é um outro tipo de usina hidrelétrica que opera sem a necessidade de grandes reservatórios A Figura 1 mostra um esquema simplifi cado de geração de energia hidráulica Instalações ElétricasU4C5indd 72 04102017 131657 73 Sistemas e métodos de produção de energia Figura 1 Esquema simplificado de geração de energia hidráulica Fonte Reis 2011 A abundância de recursos hídricos faz com que a utilização de energia hidráulica na geração de eletricidade ocorra de forma significativa em alguns países como é o caso do Brasil onde atualmente mais de 85 da energia elétrica é gerada com esse tipo de usina Em 2009 a capacidade instalada em usinas hidrelétricas era de 782 GW REIS 2011 A hidreletricidade era considerada uma forma de energia não poluente mas sabese que a decomposição da vegetação submersa gera gases como o metano o gás carbônico e o óxido nitroso que causam mudanças no clima da Terra Vale lembrar que das emissões de CO2 gás carbônico e CH4 metano de uma barragem uma parte ocorre de forma natural carga orgânica trans portada pelos afluentes da barragem que naturalmente se decompõem emitindo CO2 e CH4 e que a outra é antrópica ou seja de interferência humana como as emissões provenientes do esgoto doméstico despejado no reservatório além das emissões decorrentes da biomassa inundada pela barragem da hidrelétrica Ainda assim as usinas hidrelétricas são consideradas menos prejudiciais do que as termelétricas que emitem outros gases tóxicos como o dióxido de enxofre e de nitrogênio além de material particulado poeira e fumaça resultantes da queima de combustíveis fósseis especialmente das termelétricas movidas a óleo combustível prejudiciais à saúde Os sistemas de energia hidráulicos estão voltados basicamente para a ge ração de eletricidade Seus métodos envolvem grandes hidrelétricas pequenas centrais hidrelétricas mini e microcentrais hidrelétricas Veja no esquema a seguir Figura 2 como se dá a cadeia de atividades relacionada à geração de eletricidade por meio de recursos hídricos Instalações ElétricasU4C5indd 73 04102017 131658 Sistemas e métodos de produção de energia 74 Figura 2 Cadeia da produção de energia elétrica a partir de hidrelétricas Fonte Reis 2016 Energia termelétrica A energia térmica ou calorífi ca se origina da combustão de diversos materiais como carvão petróleo gás natural outras fontes não renováveis e biomassa lenha bagaço de cana etc que é uma fonte renovável podendo ser convertida em energia mecânica e eletricidade por meio de equipamentos como caldeiras a vapor e turbinas a gás Após a geração de eletricidade o calor que sobra pode ainda ser aproveitado em outros processos principalmente na indústria Usinas de cogeração é o nome dado às usinas que produzem ao mesmo tempo calor e eletricidade Há diferentes métodos utilizados para a geração de energia térmica e eles envolvem diferentes combustíveis Gás natural reservas de gás natural foram formadas há milhões de anos com a sedimentação do plâncton Sua combustão libera óxido de nitrogênio e dióxido de carbono Depois de tratado e processado o gás natural é amplamente utilizado em indústrias no comércio em residências e em veículos Em países de clima frio é muito utilizado no aquecimento ambiental Já no Brasil seu uso residencial e comercial é na cocção de alimentos e no aquecimento de água REIS 2011 Petróleo o petróleo que se formou durante milhões de anos pelas transformações químicas de materiais orgânicos como os plânctons a partir da queima de seus derivados também pode operar termelétricas Contudo os derivados do petróleo gasolina óleo combustível óleo diesel etc quando queimados produzem gases contaminantes como monóxido de carbono óxidos de nitrogênio e dióxido de carbono que poluem a atmosfera e contribuem para o aquecimento da Terra e para a formação de chuva ácida entre outros efeitos nocivos O consumo de petróleo e seus derivados no Brasil está mais relacionado ao setor de transportes do que ao setor elétrico Instalações ElétricasU4C5indd 74 04102017 131658 75 Sistemas e métodos de produção de energia Carvão mineral é outro combustível muito usado em termelétricas Também formado há milhões de anos a partir de restos de plantas e animais dos combustíveis não renováveis esse é o que causa o maior impacto ambiental Sua combustão além de liberar dióxido de carbono que contribui para o aumento do efeito estufa emite grandes quantidades de óxidos de nitrogênio e enxofre que provocam acidificação chuva ácida e podem agravar doenças pulmonares cardiovasculares e renais nas populações próximas A abundância de outros recursos naturais disponíveis no Brasil principal mente no que diz respeito à geração de energia elétrica faz com que a utilização do carvão mineral seja bastante limitada em consequência também de sua baixa qualidade como teor calorífico baixo e alto teor de enxofre Segundo os dados da Agência Internacional de Energia a produção global de carvão caiu significativamente em 2016 enquanto o comércio global de gás natural aumentou A produção de carvão caiu fortemente na China em 2016 em cerca de 320 milhões de toneladas ou 9 A produção também caiu em outros lugares como nos EUA e na Austrália levando a uma queda da produção global em 458 milhões de toneladas INTERNATIONAL ENERGY AGENCY c2017 Biomassa é uma fonte renovável formada por matéria de origem or gânica que pode ser usada como combustível em usinas termelétricas Um exemplo de biomassa é o bagaço da cana Veja no esquema a seguir Figura 3 como se dá a cadeia de atividades rela cionada à geração de energia elétrica e energia térmica por meio da biomassa Instalações ElétricasU4C5indd 75 04102017 131658 Sistemas e métodos de produção de energia 76 Figura 3 Processos biológicos para geração de energia Fonte Reis 2016 Para saber mais sobre novas fontes de energia e o cenário brasileiro leia o Capítulo 5 Outras fontes do Atlas de energia elétrica do Brasil AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA 2008 Energia nuclear Por uma reação denominada fi ssão nuclear a energia é liberada no reator nuclear Os núcleos dos átomos são bombardeados uns contra os outros pro vocando o rompimento dos núcleos e a liberação de energia resultando em radiação e calor que transforma a água em vapor A pressão resultante desse processo é usada para produzir eletricidade O urânio um metal pesado radioativo é a matériaprima empregada na produção de energia nuclear Esse tipo de produção de energia gera muitas discussões seja pelos problemas de contaminação resultantes da extração do urânio ou pelas dificuldades de eliminação de dejetos radioativos Além disso assim como em outros tipos de usinas termelétricas a água empregada nos sistemas de refrigeração quando lançada em rios ou mares por exemplo aumenta a temperatura e prejudica os seres vivos locais No caso das usinas nucleares do Brasil o rejeito de calor é lançado ao mar Instalações ElétricasU4C5indd 76 04102017 131658 77 Sistemas e métodos de produção de energia As usinas nucleares também estão sujeitas a acidentes como aconteceu nas usinas de Three Miles Island nos EUA em 1979 e em Chernobyl na Ucrânia em 1986 O vazamento de radiação tem o poder de provocar alterações genéticas e doenças como câncer por várias gerações além de danos incalculáveis ao meio ambiente Vários países da Europa foram afetados pelas consequências do vazamento radioativo de um reator em Chernobyl e toda a área da usina segue isolada até hoje Energia eólica É a energia produzida a partir da força dos ventos A força do vento é captada nos aerogeradores por hélices ligadas a uma turbina que aciona um gerador elétrico Essa fonte é abundante limpa e renovável podendo ser explorada em muitos lugares Ela é utilizada desde os anos 1970 para fins comerciais em decorrência da crise do petróleo no mundo inicialmente pelos Estados Unidos e alguns países da Europa na busca de diminuir a dependência do petróleo e do carvão No Brasil o potencial de aproveitamento da energia eólica é de 143000 megawatts Os estados que apresentaram os potenciais mais promissores são Ceará e Rio Grande do Norte A seguir veja no esquema Figura 4 como é formada a cadeia de atividades relacionada à geração de energia eólica Figura 4 Cadeia de geração de energia eólica Fonte Reis 2016 Instalações ElétricasU4C5indd 77 04102017 131658 Sistemas e métodos de produção de energia 78 Energia solar O sol é uma fonte de energia inesgotável Muitas fontes de energia renováveis derivam do sol com seu uso direto para fi ns de aquecimento ou geração de eletricidade e indiretamente como é o caso da energia dos ventos das águas das plantas etc Com o uso de diversas tecnologias a radiação solar pode ser convertida em energia útil Usando concentradores solares feitos de espelhos facetados é possível obter elevadas temperaturas sendo utilizadas em processos térmicos ou na geração de eletricidade REIS 2011 A cadeia de atividades da geração de energia solar é bem simples Figura 5 mas a instalação dos equipamentos ainda tem um custo elevado Figura 5 Cadeia de aproveitamento de energia solar Fonte Reis 2016 Diferenças entre sistemas de produção de energia Uma das formas de diferenciar os sistemas de produção de energia é quanto à condição de renovável ou não renovável A energia não renovável ou esgotável é aquela que é obtida a partir de fontes naturais que não são capazes de se regenerar como Petróleo Carvão Instalações ElétricasU4C5indd 78 04102017 131659 79 Sistemas e métodos de produção de energia Gás natural A energia renovável é aquela que é obtida a partir de fontes naturais capazes de se regenerar como Energia da biomassa Energia hidráulica Energia solar Energia eólica Os sistemas de produção por meio de energias renováveis apresentam as seguintes vantagens em relação às energias convencionais São lançados anualmente na atmosfera toneladas de CO2 pelo consumo de energias convencionais como petróleo gás natural e carvão O CO2 é o maior responsável pelo aumento do efeito estufa fazendo a temperatura média global aumentar O uso elevado das energias convencionais pode fazer elas esgotarem mais rápido do que o tempo necessário para que a natureza as produza novamente Já a produção de energia por métodos renováveis não se esgota Com exceção da biomassa que origina quantidades insignificantes de CO2 SO2 e N2O para a atmosfera a produção de energia por métodos renováveis é mais limpa e não emite gases com efeito estufa A produção local de energia por métodos renováveis contribui para reduzir a dependência energética relativa à importação do petróleo Instalações ElétricasU4C5indd 79 04102017 131659 Sistemas e métodos de produção de energia 80 Instalações ElétricasU4C5indd 80 04102017 131700 AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Outras fontes In AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA Atlas de energia elétrica do Brasil Brasília Aneel 2008 Dispo nível em httpwww2aneelgovbrarquivospdfatlaspar2cap5pdf Acesso em 06 set 2017 INTERNATIONAL ENERGY AGENCY Site Sl IEA c2017 Disponível em httpswww ieaorg Acesso em 06 set 2017 REIS L B Energia e sustentabilidade Barueri Manole 2016 REIS L B Matrizes energéticas conceitos e usos em gestão e planejamento Barueri Manole 2011 Leituras recomendadas BRASIL Matriz energética brasileira é uma das mais limpas do mundo segundo indica dor Brasília Portal Brasil 2016 Disponível em httpwwwbrasilgovbrinfraestru tura201605matrizenergeticade2016teramaiorparticipacaodasenergiasre novaveisarticle1jpgview Acesso em 06 set 2017 FADIGAS E A F A Energia eólica Barueri Manole 2011 REIS L B Energia recursos naturais e a prática do desenvolvimento sustentável Barueri Manole 2012 VILLELA A A ROSA L P FREITAS M A V O uso de energia de biomassa no Brasil Rio de Janeiro Interciência 2015