Recursos Energéticos: Principais Conceitos e Fontes de Energia

RECURSOS ENERGÉTICOS Cristina Sales Oliveira e Cristiano Alves de Carvalho 2 SUMÁRIO 1 ENERGIA E FONTES CONVENCIONAIS 3 2 ENERGIA HIDRÁULICA 43 3 ENERGIA SOLAR 62 4 ENERGIA DA BIOMASSA E BIOCOMBUSTÍVEIS 90 5 ENERGIA EÓLICA 123 6 OUTRAS FONTES ENERGÉTICAS 141 3 1 ENERGIA E FONTES CONVENCIONAIS Apresentação Olá alunoa Neste bloco serão apresentados os principais conceitos envolvendo energia os recursos energéticos a matriz energética e a organização do sistema elétrico brasileiro Veremos também as principais fontes convencionais de energia como petróleo gás carvão e a energia nuclear E por fim serão apresentadas as principais vantagens e desvantagens das tecnologias de aproveitamento energéticas das fontes convencionais de energia Bons estudos 11 Energia O Sol é a principal fonte de energia disponível que é uma fonte de calor e luz para os vegetais nos processos de fotossíntese para os animais e para o homem nas suas atividades vitais O Sol é a fonte primária de energia e a origem de todas as demais fontes de energia seja na forma de alimentos calor ou luz é responsável pelo ciclo da água promove a circulação de massa de ar provocando os ventos além de outras associações RIBEIRO 2020 De acordo com Moreira 2019 o conceito de energia está associado à capacidade de realização de trabalho Trabalho pode ser definido como o resultado de força sobre o deslocamento de um corpo enquanto a energia pode ser transformada de uma forma em outra através de processos de conversão de energia A energia pode se apresentar de diferentes formas Cinética a partir da força das ondas e dos ventos Gravitacional utiliza a energia potencial por exemplo a partir das quedas de água 4 Elétrica por exemplo as baterias alternadores etc Química obtida pelas reações de combustão Térmica obtida através da queima da madeira ou carvão Radiante a radiação solar Nuclear proveniente da fissão dos átomos de urânio ou fusão do núcleo de hidrogênio As principais fontes de energia de acordo com Moreira 2019 e Santos 2013 são Energia solar fonte de energia renovável e inesgotável proveniente das radiações eletromagnéticas emitidas pelo Sol na forma de calor e luz O aproveitamento da energia solar pode realizado ser através do aquecimento da água de coletores solares de baixa e alta eficiência energia solar térmica ou ainda através da geração de eletricidade por meio de dispositivos de conversão de energia solar tais como os painéis fotovoltaicos Energia eólica energia proveniente da movimentação de massa de ar que forma os ventos devido ao efeito da energia solar incidente sob a atmosfera terrestre como resultado do aquecimento desigual da atmosfera pelo Sol das irregularidades da superfície e da rotação da Terra Energia nuclear é a energia liberada por meio de uma reação nuclear resultado de processos de transformação de núcleos atômicos Esta forma de energia é produzida em usinas termonucleares que utilizam o urânio como combustível O calor produzido na usina nuclear por meio de fissão dos átomos de urânio é empregado na geração de eletricidade Energia química tratase da energia acumulada entre os átomos das moléculas seu aproveitamento é realizado quando as ligações das moléculas dos reagentes possuem mais energia do que nas moléculas dos produtos resultantes de uma dada reação liberando energia Dentre as principais fontes de energia química 5 destacamse os hidrocarbonetos os óleos combustíveis a gasolina o gás liquefeito de petróleo e o gás natural Energia Elétrica referese à circulação de cargas elétricas por meio de um campo de potencial elétrico A energia elétrica produzida a partir de diferentes fontes pode ser emprega na Iluminação no uso de equipamentos eletroeletrônicos ar condicionado uso industrial entre outros A geração de energia elétrica é possível por meio de usinas hidrelétricas termelétricas nucleares geradores eólicos painéis solares fotovoltaicos e células de combustível Energia Térmica corresponde a energia interna ou seja a soma da energia cinética e potencial dos elementos que constituem a matéria A energia interna é transferida de um corpo para outro através da condução convecção ou radiação térmica Dentre as fontes de energia térmica destacase a geotérmica que corresponde ao aproveitamento do calor produzido pelo vapor formado em formações geológicas vulcânicas a produção de vapor como nas termelétricas nucleares a gás carvão e biomassa Energia mecânica corresponde à soma da energia cinética e potencial na forma de eixo girante como ocorre nos eixos de motores No que diz respeito à energia mecânica podese destacar a energia das marés energia das ondas do mar e energia hidráulica que é convertida em eletricidade através de turbinas hidráulicas acopladas a um gerador elétrico Energia magnética tratase da energia acumulada na forma de campos magnéticos que é convertida em energia elétrica por meio de motores e geradores elétricos A energia magnética é aplicada por exemplo em sistema de levitação e propulsão de trens A energia pode ser representada pelas seguintes unidades 6 Tabela 11 Unidades representativas de energia Unidade Fator de conversão 1 J joule 107 ergs 1 W watt 1 Js 1 HP 746 W 1 cal 418 J 1 kWh quilowatthora 36 1013 ergs 3600 kJ 1 tep tonelada equivalente de petróleo 10000 103 kcal ou 11630 kWh 1 BTU British Thermal Unit 252 cal 1 kW anoano 0753 tepano Fonte Santos 2013 De acordo com Moreira 2019 Phillip Jr 2016 as diferentes fontes de energia seguem uma sequência de cadeia energética para serem aproveitadas em usos múltiplos A cadeia energética representa o fluxo desde a fonte de energia primária o processo de transformação a energia secundária energia derivada o uso final energia útil conforme indicado pelo diagrama de blocos da Figura 11 Figura 11 Cadeia Energética 7 A Energia primária consiste na forma primária de energia disponível ou seja aquela que dá origem a outras formas de energia como o Sol o petróleo o gás natural o carvão mineral o carvão vegetal o urânio a energia hidráulica a biomassa as fontes geotérmicas a eólica e o potencial das ondas A energia primária é transformada em usinas de transformação para serem utilizadas para diversos fins O Processo de Transformação corresponde as etapas industriais de conversão das fontes primárias de energia em outras formas como plantas de refino de petróleo transformação de carvão mineral coqueria e vegetal carvoaria usina de geração de energia termelétrica carvão óleo mineral gás natural biomassa nuclear solar usinas de conversão nuclear e plantas de geração de energia hidrelétrica e central eólica A Energia secundária consiste nas fontes derivadas do processo de transformação por exemplo o óleo diesel o óleo combustível a gasolina o gás hidrogênio o gás liquefeito de petróleo GLP a nafta o urânio enriquecido a eletricidade o carvão vegetal o álcool etílico anidro e hidratado e o biogás A etapa de Energia útil corresponde ao consumo final que pode ser para fins energéticos ou não MOREIRA 2019 De acordo com a Segunda Lei da Termodinâmica há uma degradação energética no processo de conversão de energia primária em energia útil ou seja dentro dessa cadeia energética à medida que a energia primária é transformada em energia secundária ocorrem perdas no processo de conversão PHILIP Jr 2019 Em um sistema fechado não é possível converter toda a energia em trabalho e portanto uma parcela da energia útil diminui ao longo dos processos Nesses casos tornase necessário conhecer o rendimento de cada processo de conversão para selecionar a melhor tecnologia de aproveitamento energético 111 Matriz Energética A matriz energética é uma representação da distribuição das ofertas de recursos energéticos consolidado em um documento denominado Balanço Energético Nacional BEN Esse documento tem por finalidade consolidar informações sobre a demanda e oferta de energia do país 8 A matriz energética é elaborada com base nos dados de um ano contemplando informações sobre a demanda dos diversos setores de uso final como o de produção industrial residencial agropecuário e de serviços e sobre a oferta de energia para as principais fontes A matriz energética é o resultado dos fluxos energéticos das fontes primárias e secundárias de energia considerando desde a produção até o uso final O BEN é um documento utilizado como instrumento para o planejamento energético considerando aspectos energéticos socioeconômicos e ambientais No Brasil o Ministério de Minas e Energia MME é a instituição responsável por estabelecer os princípios básicos da política energética nacional O Ministério atribui às empresas vinculadas a elaboração de estudos e análises voltadas ao planejamento do setor A Empresa de pesquisa Energética EPE elabora um documento denominado Balanço Energético Nacional publicado anualmente com as ofertas e demandas de energia De acordo com a matriz energética mundial a participação das fontes renováveis e não renováveis é representada pelas porcentagens descritas na Figura 12 Observase que a maior oferta de energia no mundo é de origem não renovável como o petróleo o carvão e o gás natural Apenas 14 correspondem a fontes renováveis de energia Figura 12 Matriz Energética Mundial Fonte IEA 2020 Elaborado pelo autor 9 No Brasil o cenário é um pouco diferente devido à grande disponibilidade hídrica a energia hidráulica contribui com cerca de 124 a biomassa de cana com 18 lenha e carvão vegetal 87 e outras energias renováveis como solar e eólica com 18 totalizando uma oferta de 461 de fontes renováveis e 539 de não renováveis distribuídas entre petróleo 344 gás natural 122 carvão mineral 53 urânio 14 e outras não renováveis 06 BEN 2020 A participação de fontes renováveis na matriz energética nacional contribui para a redução das emissões de gases de efeito estufa GEE Outra característica interessante da situação energética no Brasil é a diversificação de fontes para reduzir a dependência de combustíveis fósseis A matriz elétrica representa as fontes destinadas a produção de eletricidade No Brasil a matriz elétrica é representada pela maior parte de fontes renováveis devido a disponibilidade de recursos hídricos no país Uma outra fonte de energia que vem ganhando destaque no país é a eólica que vem contribuindo para que a matriz elétrica permaneça com a característica de renovável 112 Organização do sistema elétrico brasileiro O sistema elétrico brasileiro contempla três etapas Geração consiste na conversão da energia primária águas de reservatório gás vapor ventos e energia solar em eletricidade Transmissão responsável pelo transporte da eletricidade até os centros consumidores de carga No Brasil devido à grande extensão territorial e ao fato de a distribuição dos grandes centros consumidores muitas vezes estar localizada distante da central geradora temse um sistema composto por uma grande quantidade de linhas de transmissão Distribuição consiste na distribuição da eletricidade para os centros consumidores residenciais e industriais 10 O sistema de transmissão de eletricidade no Brasil é composto por grandes linhas de transmissão interconectadas formando um sistema complexo Uma parte da Regiao Norte devido as características geográficas dificuldade de extensão da rede pela presença da Floresta Amazônica e devido as grandes distâncias envolvidas não está interligada à rede nacional possuindo portanto uma infraestrutura isolada A configuração do sistema elétrico brasileiro possibilita o intercâmbio da energia gerada em todas as regiões do país com exceção dos sistemas isolados que estão localizados principalmente na região Norte O sistema de transmissão de energia é interligado através das grandes extensões de linhas de transmissão distribuídas pelo Brasil que formam o Sistema Interligado Nacional SIN correspondendo a cerca de mais de 100 mil quilômetros km de extensão De acordo com a ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica os sistemas isolados têm sido conectados ao SIN sendo que hoje apenas 2 da eletricidade gerada permanece isolada da rede O sistema interligado possibilita que caso haja algum problema de geração em alguma usina outras unidades possam suprir a demanda por eletricidade imediatamente evitando interrupções no abastecimento de energia Uma configuração possível para o fornecimento de energia da rede de distribuição é a geração distribuída que consiste na geração de eletricidade a partir de fontes como solar eólica hidrelétrica e conexão direta com a rede de distribuição ou consumo local A ANEEL por meio da Resolução Normativa ANEEL nº 4822012 autoriza que o consumidor possa produzir energia elétrica a partir de fontes renováveis ou cogeração para utilização própria e ainda disponibilizar o excedente para a rede de distribuição Essa configuração de geradores corresponde a micro e minigeração de energia elétrica de forma permitir a geração de energia em regiões isoladas da rede e promover menor impacto ambiental com a expansão das redes de transmissão minimizar a sobrecarga das redes diversificar a matriz energética e adiar o plano de expansão do sistema de transmissão de energia e distribuição de eletricidade 11 12 Fontes Convencionais de Energia 121 Petróleo e Gás O petróleo é formado a partir da decomposição de matéria orgânica vegetal e animal sob a ação de pressão e calor que dá origem a uma série de compostos formados principalmente por carbono e hidrogênio que são denominados hidrocarbonetos Em função das características geológicas da região o óleo permanece preso entre camadas de rochas impermeáveis formando as jazidas de petróleo e gás natural De acordo com a pressão e a localização da reserva de petróleo é possível encontrar o gás natural situado nas partes mais altas do interior do reservatório e o petróleo e a água salgada na parte baixa devido a diferença de densidade e da imiscibilidade entre as fases O petróleo não permanece acumulado na rocha em que foi produzido rocha geradora ou rocha matriz sendo direcionado sob a ação de pressões do subsolo até uma rocha porosa Essa rocha ao ser circundada por uma rocha impermeável rocha selante aprisiona o petróleo formando um reservatório Despendendo das condições de porosidade da rocha e da quantidade de petróleo presente é possível fazer a extração comercial dessa fonte energética Em algumas jazidas é possível encontrar o gás natural acima da camada de petróleo A partir dos hidrocarbonetos é possível a obtenção de gasolina combustível de aviação gás de cozinha lubrificantes borrachas plásticos tecidos sintéticos tintas e eletricidade Essa fonte energética está disponível no subsolo terrestre e nos oceanos O petróleo é composto por uma mistura de hidrocarbonetos que contém contaminantes como enxofre nitrogênio oxigênio metais e outros elementos A composição elementar do petróleo é dada pelos elementos apresentados na Tabela 22 MOREIRA 2019 12 Tabela 22 Composição elementar média do petróleo Elemento Teor em massa Carbono 83 a 87 Hidrogênio 10 a 14 Enxofre 005 a 6 Nitrogênio 01 a 2 Oxigênio 005 a 15 Metais Fe Ni V etc 03 Fonte Elaborado pelo autor As propriedades físicas dos diferentes tipos de petróleo dependem do tamanho e do tipo dos hidrocarbonetos presentes Neste caso há duas classificações do petróleo Hidrocarbonetos Não hidrocarbonetos resinas asfaltenos e contaminantes orgânicos sulfurados oxigenados nitrogenados e organometálicos Os hidrocarbonetos são divididos em grupos de acordo com o tipo de ligação química formada entre os átomos e a estrutura da cadeia carbônica Esses podem ser alifáticos ou aromáticos derivados do anel benzênico Alifáticos podem ser de cadeia aberta ou fechada com ligações simples saturadas duplas ou triplas insaturadas Aromáticos podem ser mononucleados com apenas um anel aromático ou polinucleados com dois ou mais anéis aromáticos 13 Tabela 33 Classificações dos hidrocarbonetos Alifáticos Cadeia aberta ou acíclica Alcanos ou parafínicos Alcenos ou olefínicos Alcinos Cadeia fechada ou cíclica Cicloalcanos ou naftênicos Cicloalcenos Aromáticos Mononucleares Polinucleares Fonte Elaborado pelo autor Alcanos ou hidrocarbonetos parafínicos são hidrocarbonetos saturados ou seja de ligações simples podem ser de cadeia normal ou ramificada São conhecidos por hidrocarbonetos parafínicos A fórmula química dos alcanos é dada por CnH2n2 Como exemplo temos metano GLP gasolina querosene óleo diesel e parafina Cicloalcanos ou hidrocarbonetos naftênicos são hidrocarbonetos saturados representados pela fórmula geral CnH2n conhecidos como naftênicos Esses hidrocarbonetos possuem ciclos com cinco ciclopentano ou seis ciclohexano átomos de carbono Exemplos gasolina querosene óleo diesel lubrificantes etc Hidrocarbonetos olefínicos são hidrocarbonetos que possuem uma ou mais ligações duplas ou triplas o que confere alta instabilidade Hidrocarbonetos aromáticos são constituídos por ligações duplas e simples alternadas formando um anel aromático composto por seis átomos de carbono 14 Dentre os exemplos destes hidrocarbonetos aromáticos o mais simples é o benzeno Exemplos Gasolina Querosene óleo diesel lubrificantes gasóleo pesado etc Os não hidrocarbonetos são substâncias compostas de carbono e hidrogênio contendo heteroátomos em suas estruturas Esses compostos são considerados impurezas e causam a emissão de poluentes após a combustão promovem a redução do desempenho dos derivados e podem ocasionar a corrosão nas unidades de refinaria A porção de asfaltenos e resinas correspondem aos agregados moleculares de elevada massa molar alta complexidade estrutural e teores elevados de heteroátomos enxofre nitrogênio oxigênio e metais Como exemplo podemos citar o asfalto e os óleos combustíveis pesados Os contaminantes inorgânicos correspondem à água sais e sulfeto de hidrogênio H2S De maneira geral o petróleo é composto por Sulfurados Nitrogenados Oxigenados Organometálicos Oleofóbicos água e sedimentos BRASIL et al 2014 GAUTO 2016 Compostos sulfurados o enxofre corresponde ao terceiro elemento mais abundante no petróleo bruto sendo encontrado na forma de sulfetos polissulfetos ácido sulfídrico dissulfeto de carbono sulfeto de carbonila e enxofre elementar Estão presentes nas frações pesadas e residuais do petróleo e de maneira geral quanto maior a densidade do petróleo maior será o seu teor de enxofre A parcela de enxofre no processo de combustão da origem aos óxidos de enxofre SO2 e SO3 e SOx que são poluentes atmosféricos por serem 15 precursores da chuva ácida alteram a acidez do solo e responsáveis por doenças do sistema respiratório Compostos nitrogenados os compostos nitrogenados estão presentes na forma orgânica podendo formar amônia Esses tendem a se concentrar nas frações mais pesadas do petróleo gasóleos e resíduos de vácuo sendo responsáveis pela contaminação de catalisadores podem conferir coloração aos derivados do petróleo e formar depósitos Compostos oxigenados apresentamse como ácidos carboxílicos ácidos naftênicos fenóis cresóis ésteres amidas cetonas e benzofuranos sendo facilmente separados do petróleo devido a sua elevada acidez Estão presentes nas frações mais pesadas do petróleo o que confere a alta acidez favorecendo a corrosão em equipamentos e tubulações conferindo coloração odor e formação de gomas Compostos metálicos corresponde aos sais orgânicos dissolvidos na água Na Ca Mg e outros compostos metálicos Fe Zn Cu Pb As Co Mo Mn Cr Hg Ni e V os dois últimos com maior concentração Compostos oleofóbicos tratase de impurezas presentes no óleo cru tais como águas sais brometos iodetos sulfetos cloretos etc argilas areias e sedimentos como os sólidos provenientes da corrosão de equipamentos Resinas e asfaltenos são compostos aromáticos ou naftenoaromática contendo elevados teores de enxofre nitrogênio oxigênio e metais se concentram nas frações mais pesadas e residuais do petróleo 1211 Características do petróleo A composição química e o aspecto do petróleo variam em função das características geológicas do local de extração Dentre as principais características podemos destacar Densidade API 16 Pressão de vapor Ponto de fluidez Viscosidade Acidez Teor de resinas e asfaltenos Teor de contaminantes Curva de destilação GAUTO 2016 BRASIL et al 2014 KUTNER 200 Densidade API utilizase a densidade API API do American Petroleum Institute representada pela equação abaixo O valor de referência é a água a 156 C Quanto maior o valor de API mais leve é o óleo ou o derivado podendo ser obtido maior quantidade de gasolina GLP ou naftas Os petróleos mais pesados ou seja menor API produzem maior quantidade de óleos combustíveis ou asfaltos De acordo com Gauto 2016 podese classificar o petróleo em função do API Petróleos extraleves maior ou igual a 40 API Petróleos leves entre 33 e 40 API Petróleos médios entre 27 e 33 API Petróleos pesados entre 19 e 27 API Petróleos extrapesados entre 15 e 19 API Petróleos asfálticos menor do que 15 API 17 Pressão de Vapor A pressao de vapor Reid PVR e um parâmetro que indica a pressao em que o produto é mantido no estado líquido para o seu transporte e estocagem a temperatura de 378 ºC Esse parâmetro sinaliza as frações leves presentes no petróleo que estão relacionadas com a evaporação segurança no manuseio e estocagem do produto Por exemplo para armazenar petróleo com pressão de vapor maior do que 75 kPa que é considerado muito volátil sua estocagem deve prever recipientes com teto fixo possibilitando a recuperação dos vapores Do contrário podese utilizar tanques com teto flutuante Ponto de Fluidez este parâmetro indica qual a menor temperatura que uma substância flui sob a ação da gravidade Esse parâmetro sinaliza o teor da parafina no petróleo quanto maior ponto de fluidez maiores chances de compostos parafínicos Essa característica indica a temperatura adequada para a transferência em oleodutos e estocagem do petróleo De acordo com o ponto de fluidez o petróleo pode ser classificado em Baixo ponto de fluidez BPF inferior à temperatura ambiente Alto ponto de fluidez APF superior à temperatura ambiente Viscosidade essa característica indica a resistência ao escoamento de uma determinada substância sendo importante para o transporte do petróleo e derivados Substâncias muito viscosas apresentam maior perda de carga no bombeamento exigindo maior potência de bombas De forma geral quanto maior a temperatura do petróleo menor a sua viscosidade Acidez parâmetro importante para o controle de processos corrosivos em equipamentos e tubulações A presença de compostos oxigenados confere ao petróleo essa característica ácida que é mensurada pela quantidade de hidróxido de potássio KOH necessário para neutralizar uma grama de petróleo ou seja remover a acidez Teor de Resinas e asfaltenos sinaliza a estabilidade do petróleo que está diretamente relacionada a interação dos compostos asfaltenos e resinas bem como sua composição De maneira geral podese constatar que um petróleo é estável quando os compostos 18 asfaltenos permanecem dispersos pelas resinas e instável quando o teor de resinas e aromáticos são insuficientes para garantir o equilíbrio da dispersão Curva de Destilação esse parâmetro consiste na separação dos constituintes de uma amostra de petróleo devido aos pontos de ebulição verdadeiros PEV Corresponde a um teste de bancada de laboratório no qual a amostra de petróleo é submetida a uma elevação gradual de temperatura para obter pequenos volumes fracionados Esse teste apresenta uma curva de destilação na qual obtémse informações sobre a temperatura versus o volume percentual de uma determinada fração Assim é possível determinar o tipo de hidrocarboneto presente na amostra em função da temperatura que foi submetida à evaporação O teste é realizado mediante o aquecimento do petróleo na qual a cada instante são vaporizados no topo da coluna os compostos que possuem pontos de ebulição iguais ou menores do que a temperatura naquele determinado ponto Dessa forma para cada faixa de temperatura do topo se obtém uma fração corresponde ao ponto de ebulição do componente mais pesado presente na fase de vapor 1212 Derivados do petróleo e processos de obtenção A importância dos hidrocarbonetos na matriz energética mundial está relacionada às inúmeras aplicações dos produtos e derivados que se pode produzir a partir deles Os combustíveis como a gasolina e o diesel são responsáveis pelo acionamento das frotas de automóveis o gás natural e o óleo combustível podem ser aplicados na produção de energia para movimentar geradores elétricos o gás natural e a nafta são matérias primas utilizadas na produção de derivados petroquímicos Os derivados são obtidos em uma refinaria de petróleo a partir de diversos tipos de processos de refino físicos ou químicos O petróleo bruto contém diversos hidrocarbonetos e alguns contaminantes necessitando de um refino para a separação e purificação das diversas frações através de operações unitárias e conversões químicas Nas refinarias o petróleo passa por diversos processos físicoquímicos para obtenção de produtos como 19 Gás liquefeito de petróleo GLP ou gás de cozinha Gasolina Naftas Óleo diesel Querosenes de aviação e de iluminação Óleo combustível Asfalto Lubrificantes Solventes Parafinas Coque de petróleo Enxofre Outros O refino do petróleo é realizado em função dos tipos de processos necessários que são divididos em quatro grupos principais Processos de separação corresponde a uma separação física com o objetivo de desmembrar o petróleo em suas frações básicas ou processar um componente específico É um processo sob a ação de energia na forma de temperatura ou pressão Processos de conversão referese a processos químicos com o intuito de modificar a composição molecular de uma fração 20 Processos de tratamento referese às técnicas de tratamento ou acabamento químico empregadas para melhorar a qualidade dos produtos por meio da remoção de impurezas se modificar as frações Processos auxiliares promove o fornecimento de insumos para efetuar o tratamento de rejeitos dos outros processos Tabela 14 Tipos de Refino de Petróleo Classe Descrição Exemplos de processos Processos físicos de separação Promove a separação física dos produtos sem alteração da composição química dos componentes É realizado pela destilação e extração a solvente Destilação atmosférica Destilação a vácuo Desasfaltação a propano Desparafinação do óleo lubrificante Processos de conversão ou transformação Processo de conversão química dos derivados do petróleo convertendo produtos de pouco valor ou pouca utilidade em produtos rentáveis e de grande demanda Esses processos promovem a alteração da estrutura molecular dos hidrocarbonetos Craqueamento Alquilação Isomerização Coqueamento Hidrogenação Reforma catalítica Processos de tratamento ou acabamento Através de processos físicos ou químicos removem as impurezas do petróleo ou fração dele derivada Dessalgação Hidrodessulfurização catalítica Lavagem cáustica Extração com aminas Processos auxiliares Fornecem água energia vapor e hidrogênio para as Geração de hidrogênio Tratamento de água e efluente 21 diversas unidades de uma refinaria Geração de vapor e energia Recuperação de enxofre Fonte Gaute 2016 Elaborado pelo autor Os derivados podem ser divididos em duas classes os combustíveis e não combustíveis FARAH 2013 GAUTO 2016 Derivados combustíveis Gás Liquefeito de Petróleo GLP O GLP é a fração leve do petróleo embora no estado gasoso à pressão atmosférica e temperatura ambiente pode ser liquefeito quando submetido à pressurização Tratase de uma mistura de hidrocarbonetos de três ou quatro carbonos São comercializados como propano propeno butanos e butenos O GLP é principalmente utilizado na cocção de alimentos podendo ser empregado na indústria petroquímica na fabricação de borracha polímeros álcoois e éteres e como combustível nas indústrias de vidro cerâmica e alimentícia O GLP pode ainda ser utilizado como combustível automotivo em máquinas empilhadeiras bem como combustível para o tratamento térmico e na galvanização O GLP é produzido a partir de unidade de processamento de gás natural UPGNs e nas refinarias via destilação atmosférica no craqueamento catalítico ou através do coqueamento retardado e na reforma catalítica Gasolina Tratase de um combustível constituído por hidrocarbonetos parafínicos olefínicos naftênicos e aromáticos composto por cadeias de cinco a 10 átomos de carbono A gasolina automotiva no Brasil contempla a adição de uma porcentagem de etanol anidro conforme estabelecido na lei federal nº 102032001 22 Tabela 15 Tipos de Gasolina Gasolina A Gasolina produzida pelas refinarias sem a adição de etanol comercializada somente às distribuidoras A octanagem é menor do que a da gasolina contendo etanol Gasolina comum Gasolina tipo A com mistura de etanol O percentual da mistura é definido pela legislação Tratase da gasolina distribuída ao público Gasolina aditivada Gasolina formulada com a adição de substâncias com propriedades detergentes antioxidantes e redutoras de fuligem à gasolina comum O aditivo tem como objetivo manter a limpeza do motor Gasolina premium Gasolina que apresenta número de octanas na faixa de 95 Essa gasolina é produzida a partir de hidrocarbonetos com maior proporção de compostos naftênicos e aromáticos do que na gasolina comum Nessa gasolina o percentual de etanol é de 25 Gasolina de aviação Gasolina com octanagem na faixa de 100 a 130 possui grande parte da sua composição de nafta proveniente de reforma catalítica contendo alto teor de aromáticos e adição do chumbo tetraetila Gasolinas especiais e de competição Gasolinas produzidas com formulações específicas para atender motores com diferenciada octanagem densidade e composição Fonte Gauto 2016 Elaborado pelo autor 23 Querosene de Aviação Combustível utilizado em turbinas de avião é uma mistura de hidrocarbonetos com faixa de destilação compreendida entre 150 e 300C contendo compostos parafínicos O Querosene de Aviação é composto por moléculas com nove a 17 átomos de carbono e possui restrição quanto ao teor de compostos aromáticos para garantir a melhor queima de combustível reduzir a formação e deposição de fuligem e evitar danificação às borrachas do sistema de combustível Óleo Diesel Referese à mistura de hidrocarbonetos obtidos a partir do petróleo sob destilação a 150 e 400 C Composto por cadeias carbônicas entre 10 e 18 átomos sendo constituído de cadeias parafínicas olefínicas naftênicas e aromáticas Assim como ocorre com a gasolina o diesel produzido nas refinarias é do tipo A não sendo distribuído para a população Nos postos revendedores encontrase o óleo diesel do tipo B composto pela adição de 7 em volume de biodiesel conforme estabelecido pelo Conselho Nacional de Política Energética CNPE O óleo diesel aciona máquinas de combustão interna segundo o ciclo Diesel e pode ser empregado em máquinas agrícolas ferroviárias e marítimas bem como na geração de energia elétrica Óleo Combustível Combustível obtido a partir das frações mais pesadas do petróleo por meio da destilação atmosférica e à vácuo O óleo combustível é composto por hidrocarbonetos parafínicos naftênicos aromáticos poliaromáticos resinas e asfaltenos de cadeias de mais de 20 carbonos obtido através de destilação acima dos 300 C A principal aplicação dos óleos combustíveis é para o aquecimento industrial em fornalhas na geração de energia através da produção de vapor em caldeiras em usinas termelétricas e ainda como combustíveis para navios 24 Coque Tratase de um composto sólido produzido a partir das frações pesadas residuais de alguns processos aos quais o petróleo é submetido para a obtenção de subprodutos dentre eles a destilação a vácuo desalfaltação e craqueamento O coque é constituído de cerca de 85 de carbono elementar e 15 de hidrocarbonetos A utilização mais comum é através da queima em fornos em altas temperaturas como nas indústrias siderúrgicas e cimenteiras pois detém de um poder calorífico em comparação ao carvão e madeira Pode ser empregado como eletrodo de sacrifício na produção de alumínio a partir da bauxita bem como na forma de grafite coque agulha para a produção de eletrodos para fornos de arco elétricos da siderurgia Derivados não combustíveis Os derivados não energéticos mais importantes são nafta petroquímica solventes óleos básicos lubrificantes parafinas cimento asfáltico de petróleo resíduo aromático e coque Gases propelentes os gases constituintes do GLP propano e butano ao passarem por filtros catalíticos que removem o odor passam a ser utilizados como gases propelentes de aerossóis em substituição ao CFCs Nafta Petroquímica é uma fração leve produzida a partir da destilação do petróleo ou da fração pesada do gás natural GN Esse composto apresenta predomínio de hidrocarbonetos parafínicos em sua composição dependendo do tipo de aplicação a que se destina É utilizado como matériaprima em indústrias petroquímicas para produção de eteno propeno o benzeno tolueno e xilenos Solventes corresponde às frações de petróleo obtidas na destilação da nafta e do querosene cuja composição desejada é definida de acordo com a aplicação Podem ser utilizados em diversos segmentos como em laboratórios e indústrias extração de óleos vegetais em tintas na limpeza industrial ou doméstica em 25 veículo de agroquímicos Os solventes atuam na solubilização e na diluição de materiais Parafinas e Lubrificantes Os óleos básicos lubrificantes podem ser sintéticos produzidos a partir de indústrias petroquímicas ou os minerais obtidos a partir do refino do petróleo presente em grande parte dos óleos lubrificantes comerciais Esses óleos são compostos por hidrocarbonetos parafínicos e naftênicos com menor proporção de aromáticos Os óleos básicos são utilizados como matéria prima para a produção de diversos tipos de lubrificantes misturados aos aditivos como detergentes dispersantes inibidores de corrosão antioxidantes antiespumantes e agentes antidesgaste As parafinas são constituídas por alcanos de cadeias lineares compostas por 18 átomos de carbono São empregadas em diversos segmentos velas e ceras as indústrias de fósforo de papel e de cosméticos a agricultura construção civil entre outros e para cada aplicação é necessário atender alguns requisitos específicos Asfalto correspondem aos materiais aglutinantes semissólidos de coloração escura compostos por hidrocarbonetos não voláteis de elevado peso molecular São produzidos a partir dos resíduos do petróleo Possuem características de adesividade termoviscoplasticidade impermeabilidade à água além de baixa reatividade Podem ser utilizados para a pavimentação de ruas bem como para o uso industrial Enxofre é um componente elementar do petróleo Responsável quando submetido à reação de combustão as emissões de óxidos de enxofre que ocasionam a chuva ácida e promovem a intensificação do efeito estufa Para evitar essas emissões no Brasil a gasolina tem uma restrição do teor de enxofre em sua composição em torno de 10 ppm e o diesel um limite de até 50 ppm No seu estado elementar S ele possui várias aplicações por exemplo na fabricação de pólvora fungicidas vulcanização da borracha produção de fármacos entre outras 26 1213 Processamento do Gás Natural O gás natural corresponde à terceira fonte mais abundante na matriz energética mundial ficando atrás apenas do petróleo e do carvão TOLMASQUIM 2016 O gás natural pode ser disponibilizado em estado livre no qual forma uma nuvem de gás sobre ou associado ao petróleo presente no reservatório O gás natural é conhecido como gás úmido composto por uma cadeia carbônica com mais de três átomos de carbono dando origem ao gás liquefeito de petróleo GLP e uma nafta leve conhecida como gasolina natural As unidades de processamento de gás natural UPGN tem por objetivo recuperar o GLP e a gasolina natural para diversas aplicações como GI gás industrial caldeira industrial GR gás residencial lavadoras secadoras etc GLP gás liquefeito de petróleo gás de cocção GNV gás natural veicular GN gasolina natural indústria petroquímica 1214 Reservas de Petróleo De acordo com a Agência Nacional de Petróleo ANP 2019 em 2018 as reservas de petróleo no mundo eram equivalentes a 17 trilhão de barris As reservas dos membros da Organização dos Países Exportadores de Petróleo Opep totalizaram 12 trilhão de barris 718 do total mundial Já os países não membros da Opep apresentam uma cota de cerca de 4875 bilhões de barris O Oriente Médio região com maior concentração de reservas mundiais atingiu a marca de 8361 bilhões de barris 483 do total mundial A Venezuela permanece como o país com as maiores reservas petrolíferas com cerca de 3033 bilhões de barris 175 do total mundial As reservas referentes à Arábia Saudita totalizam por volta de 2977 27 bilhões de barris 172 do total mundial mantendose na segunda posição do ranking mundial de reservas provadas de petróleo O Brasil está na 15ª posição no ranking mundial de reservas de petróleo com um volume de 134 bilhões de barris O Brasil se destacou pela exploração de petróleo na camada do présal O termo présal referese a um conjunto de rochas localizadas em parte do litoral brasileiro que apresenta um grande potencial para a produção de petróleo Essas reservas também podem ser encontradas no Golfo do México e na costa oeste africana No Brasil as maiores reservas de petróleo na camada do présal estão localizadas numa faixa de 800 km entre os estados de Santa Catarina e Espírito Santo apresentando volumes significativos de óleo leve colocando o Brasil numa posição de destaque em relação ao resto do mundo Figura 13 Camada do présal Fonte Petrobras 2021 122 Carvão De acordo com Tolmasquim 2016 o carvão fóssil é uma rocha sedimentar combustível que tem origem partir de restos vegetais troncos galhos sementes que ao longo de milhões de anos foram submetidos a processos de compactação e transformações 28 devido à elevada pressão e temperatura formando carbono e hidrogênio carbonificação O carbono é o elemento principal da composição do carvão As reservas de carvão estão localizadas em bacias sedimentares ou em depressões preenchidas por sedimentos sendo resultado da movimentação de placas tectônicas Estimase que as reservas mundiais de carvao variam em torno de 1080 bilhoes de toneladas quantidade que seria suficiente para os próximos 210 anos de acordo com a atual demanda por esse combustível HINRICHS 2014 No Brasil as reservas se apresentam na ordem de 32 bilhões de toneladas distribuídas principalmente no sul do país 901 no Estado do Rio Grande do Sul 96 em Santa Catarina e 03 no Paraná TOLMASQUIM 2016 O carvao está disposto na forma de veios ou leitos sendo extraido do subsolo ou de minas de superfície Grande parte das reservas cerca de 60 do carvao produzido é obtido de minas de superficie ou seja de veios próximos a superficie De acordo com Tolmasquim 2016 o carvão apresenta algumas propriedades que definem a sua qualidade teor da matéria mineral cinzas e enxofre além do teor de umidade poder calorífico matéria volátil carbono fixo total e teor de hidrogênio O teor de carbono é um importante parâmetro pois indica a maturidade geológica denominada rank que indica o estágio de carbonificação atingido durante a formação do carvão De acordo com HINRICHS 2014 o carvao pode ser classificado dependendo da quantidade de carbono em 4 classes Lignitos carvao subbetuminoso carvao betuminoso e antracito Lignito carvão mais jovem e possui alto teor de água e baixo poder calorífico Subbetuminoso este carvão embora possua alto teor de água apresenta a vantagem de ter menor teor de enxofre e menores custos envolvidos com a extração 29 Betuminoso há uma forte incidência de calor e pressão que confere a este carvão um maior poder calorífico que os demais sendo esse o mais abundante na superfície terrestre Contém altos teores de enxofre Antracito possui alto poder calorífico Este tipo de carvão apresenta como vantagem baixa emissão de poeira e fuligem além de sua queima durar mais tempo entretanto é mais raro de se encontrar O carvão mineral pode ser empregado em diversos segmentos dependendo das suas propriedades Por exemplo um carvão com alto poder calorífico por unidade de massa pode ser empregado em caldeiras para produção de vapor e acionamento de turbinas para geração de eletricidade O gás produzido pelo carvão pode ser utilizado na produção de fertilizantes amônia combustíveis líquidos lubrificantes combustível para aviação e isqueiros diesel metanol entre outros O carvão metalúrgico coqueificantes tem aplicação como matériaprima na fabricação de coques em altos fornos na indústria siderúrgica Apresentam boa qualidade devido ao baixo teor de cinzas sendo responsáveis por cerca de 85 do consumo de carvão metalúrgico O processo de coqueificação consiste em submeter o carvão a temperaturas elevadas na ausência de oxigênio para liberação de gases produzindo um material sólido poroso denominado coque O coque é considerado uma fonte de energia térmica sendo empregado ainda na indústria metalúrgica A Figura 14 apresenta as principais aplicações para os diferentes tipos de carvão 30 Figura 14 Tipos de Carvão e aplicação Fonte DNPM 2009 As etapas da mineração do carvão podem ser divididas em Prospecção ou procura pelo mineral Exploração que se caracteriza pelo estudo caracterização e avaliação do mineral Desenvolvimento que se caracteriza na preparação e no traçado Lavra propriamente dita O processamento mineral Desativação da mina Recuperação ambiental A mineração pode ser realizada a céu aberto superfície ou lavra subterrânea Grande parte da extração de carvão no mundo é realizada pela lavra subterrânea A mineração a céu aberto é recomendada quando o carvão encontrase próximo à superfície e consiste em algumas etapas a começar pela remoção do solo que encoberta o carvão de forma a expor esse material para extração 31 Remoção da camada de solo superficial Perfuração de extratos que cobrem a camada de carvão Carregamento do material estéril fragmentado Perfuração e detonação da parcela de carvão Carregamento e transporte do carvão Recuperação ambiental Disponibilização da área para uso futuro O inconveniente da extração a céu aberto é a extensa área de exploração bem como a utilização de uma grande estrutura de produção como dragas pás grandes caminhões escavadoras e transportadoras Depois da exauridas as possibilidades de extração e carvão é necessário promover o encerramento da mina e recuperar as áreas degradadas Essa atividade ocasiona grande impacto ambiental devido à exposição de rejeitos e à contaminação de recursos hídricos não obstante ocasiona processos erosivos além do impacto visual que causa à área A mineração subterrânea consiste na extração de carvão do interior do terreno realizada através de dois métodos via câmara ou pilares e frente larga dependendo das características da mina por exemplo a espessura da camada de carvão a profundidade a inclinação da camada a natureza do teto e a quantidade de gás O acesso ao carvão é realizado via poços verticais construídos a partir da superfície os chamados shafts por onde é possível o trânsito de operadores equipamentos suprimentos e o próprio minério A partir dos poços podem ser construídas galerias escavações horizontais para prover a extração do carvão As vantagens da extração subterrânea é que ela ocupa uma área de exploração menor e portanto tem menores gastos com a recuperação do local o clima local não influencia no processo produtivo e não requer grandes movimentações de solo porém há uma maior probabilidade de acidentes o investimento em infraestrutura também é maior 32 bem como o gasto energético Para essa forma de exploração são necessários profissionais especializados e há uma maior dificuldade com a operação da mina A geração de energia elétrica a partir de carvão em usinas termelétricas consiste nos seguintes processos O carvão beneficiado é encaminhado às usinas permanecendo acumulado em pilhas no pátio da usina Através de correias transportadoras o carvão é encaminhado para a preparação trituração preliminar e uma etapa de pulverização nos moinhos O carvão após a obtenção da granulometria necessária é armazenado em silos Por fim o carvão é encaminhado para a queima em fornalha de caldeiras Dentro das caldeiras há a formação de calor que é transferido à água que circula pela tubulação que envolve a fornalha convertendoa em vapor superaquecido O vapor superaquecido aciona a turbina que movimenta seu eixo O vapor é condensado nas superfícies do condensador e o calor latente é removido através da utilização de água de resfriamento O condensado logo após as bombas passa pelo aquecedor de baixa pressão o desaerador a bomba de alimentação e os aquecedores de alta pressão retornam de novo para a caldeira e o ciclo é fechado O eixo da turbina acoplado a um gerador transforma seu movimento giratório em eletricidade TOLMASQUIM 2016 De acordo com Tolmasquim 2016 e Hinrichs 2014 dentre os principais impactos ambientais relacionados ao aproveitamento energético do carvão podemse destacar Uso e ocupação do solo a implantação de usina termelétrica provoca alteração da paisagem alteração do uso do solo e interfere na fauna e na flora Dentre as medidas mitigadoras propõese a busca por alternativas arquitetônicas para reduzir o impacto visual práticas de reflorestamento ou restauração ecológica e o monitoramento do ecossistema na implantação e operação da usina 33 Recursos hídricos a usina termelétrica requer uma unidade de resfriamento o que ocasiona um consumo significativo de água Dentre as alternativas para minimizar o consumo de água devese optar por tecnologias de resfriamento que empreguem baixo consumo controlar os desperdícios e fazer uso de água de reuso Como tratase de uma atividade que faz uso de grande volume de água está sujeita à outorga junto aos órgãos ambientais que garantem os usos prioritários em casos de escassez abastecimento humano e dessedentação de animais Emissões de poluentes atmosféricos as usinas a carvão são responsáveis pelas emissões de óxidos de nitrogênio NOx óxidos de enxofre SOx e material particulado MP Esses poluentes são responsáveis pela degradação da qualidade do ar ocasionam danos à saúde da população e provocam a acidificação da água das chuvas SOx e NOx Dentre as medidas alternativas para minimizar os impactos decorrentes das emissões é possível selecionar uma área que favoreça a dispersão atmosférica e implantar um sistema de limpeza de gases Dentre as principais emissões atmosféricas destacase o CO2 como resultado das reações de combustão considerado um gás de efeito estufa Geração de resíduos sólidos As termelétricas à carvão geram grande quantidade de resíduos sólidos entre eles as cinzas e a lama do sistema de dessulfurização de gases resíduos do sistema de tratamento de efluentes líquidos Os resíduos promovem a alteração da qualidade do solo e dos recursos hídricos que devem ser encaminhados ao tratamento e destinação adequados Geração de efluentes líquidos as termelétricas geram água de processo devido às purgas do sistema de resfriamento e arrefecimento de caldeiras e a geração de esgoto sanitário Os efluentes líquidos devem ser submetidos ao tratamento pois podem degradar a qualidade do solo e dos recursos hídricos População A implantação de uma usina termelétrica atrai um alto contingente da população em alguns casos promove a alteração da estrutura local de cidades como o aumento do trânsito local e da demanda por equipamentos e 34 serviços públicos hospitais escolas comércios bem como nos hábitos da população Para minimizar alguns impactos socioeconômicos da região devese priorizar a capacitação e contratação de mão de obra local Empregos a implantação de uma usina acarreta a geração de empregos diretos e indiretos Receitas Um novo empreendimento gera receitas no recolhimento de tributos bem como a promoção da economia local 13 Energia Nuclear A Energia Nuclear é gerada a partir das reações nucleares para a obtenção de energia sendo aplicada em diferentes segmentos inclusive na geração de eletricidade De acordo com Philip Jr 2016 o aproveitamento energético nuclear é realizado por meio de alguns processos físicos fissão fusão ou decaimento radiativo O processo de fusão ocorre quando átomos leves são forçados a se unir dando origem aos átomos mais pesados e nesse caso há a emissão de energia nuclear devido à combinação dos núcleos leves Na fissão os átomos pesados se dividem em partes mais leves estáveis promovendo a liberação de energia nuclear A radioatividade está relacionada ao decaimento radioativo e nesse caso a energia recebe o nome de radiação O decaimento radioativo corresponde ao fato que átomos instáveis emitem energia acomodandose em níveis menores de energia tornandose estáveis Alguns elementos químicos possuem vários isótopos que possuem uma mesma combinação de prótons e nêutrons e os mais instáveis emitem radioatividade para formar compostos mais estáveis Os isótopos instáveis são conhecidos como radioisótopos uma vez que são radioativos e portanto emitem radiação A geração de energia elétrica a partir da energia nuclear é realizada com urânio como combustível sendo uma tecnologia isenta da emissão de gases do efeito estufa A energia nuclear também não emite óxidos de nitrogênio derivados de enxofre entre 35 outros gases como ocorre na utilização de carvão e petróleo Tratase de uma fonte energética que independe das condições climáticas como ocorre na geração hidrelétrica eólica entre outras garantindo portanto previsibilidade e segurança energética A geração de energia elétrica nuclear é realizada em reatores e utilizase comumente urânio O processo de obtenção do combustível nuclear é realizado através de algumas etapas prospecção mineração conversão enriquecimento e a produção do combustível O urânio é encontrado em parte das rochas ou mesmo no mar sendo o processo de extração do óxido de urânio do minério realizado a céu aberto ou de forma subterrânea O minério é encaminhado às usinas de processamento para a separação do urânio O minerio de urânio e moido e disperso em água de forma a produzir uma lama compostas por partículas finas suspensas que é enviada para tanques com ácido sulfúrico para a dissolução dos óxidos de urânio separando as rochas remanescentes e outros minerais não dissolvidos O Brasil ocupa a 9ª posição em reservas de urânio sendo que os países que apresentam maiores reservas são Austrália Canadá Estados Unidos África do Sul e Níger O aproveitamento energético do urânio iniciase pelo ciclo do combustível nuclear que consiste num conjunto de processos industriais que transformam o minério urânio no combustível que gera energia em reatores nucleares O processo iniciase com a mineração ou lavra que se refere à retirada do minério do solo A energia nuclear utilizar o urânio como fonte energética sendo esse encontrado na natureza na forma de vários isótopos que possuem o mesmo número de prótons 92 entretanto podem ser encontrados diferentes números de nêutrons Por exemplo o isótopo mais abundante é o U238 que possui 146 nêutrons por isso recebe a denominação U238 que corresponde a 92 prótons 146 neutros depois o U235 92 prótons143 nêutrons que possui 143 nêutrons e por fim o U234 com 142 nêutrons As etapas que formam o ciclo do combustível podem ser divididas em 36 Mineração e beneficiamento a camada superficial do solo é removida para a exposição da rocha contendo urânio O minério passa por uma etapa de trituração sendo submetido a um processo químico para separação da fração de urânio de outros componentes presentes A mineração por lixiviação que consiste em bombear uma solução ácida através de um orifício no sentido da perfuração do solo e bombear no sentido contrário para que o líquido retorne à superfície O urânio presente nessa solução é enviado à usina de beneficiamento que por meio de alguns processos forma um concentrado de urânio de cor amarelada denominado de yellow cake O yellow cake passa por uma etapa de purificação para separação de elementos nucleares indesejáveis No Brasil essa etapa é realizada na Unidade de Concentração de Urânio localizada na cidade de CaetitéBA Conversão o concentrado de urânio é dissolvido e purificado sendo convertido para o estado gasoso formando o hexafluoreto de urânio UF6 O enriquecimento do urânio é possível se estiver na forma gasosa O UF6 em temperatura ambiente apresentase como um sólido porém em condições de temperatura e pressão nas etapas de enriquecimento apresentase como um gás Enriquecimento etapa que consiste no aumento da concentração do urânio conferindo a esse a característica de ser um combustível Essa concentração do isótopo U235 passa de 07 como encontrado na natureza para 35 a 5 suficiente para produzir energia O processo de enriquecimento é realizado por meio de ultracentrífugas em usinas de enriquecimento de urânio O gás hexafluoreto de urânio é submetido a movimentos giratórios em velocidade extremamente alta para que ocorra a separação dos átomos mais leves dos mais pesados Esse processo possibilita que a concentração de urânio natural passe de 07 para até 365 O enriquecimento faz com que o átomo de urânio libere calor e produza energia No Brasil essa etapa é realizada na Fábrica de Combustível Nuclear da INB em ResendeRJ Vale destacar que no Brasil apenas 37 a Indústrias Nucleares do Brasil INB está autorizada a extrair e processar o urânio Reconversão após a etapa de enriquecimento do urânio em forma de gás esse passa por alguns processos para formar o tricarbonato de amônio e uranila TCAU que consiste num composto sólido e amarelo que é aquecido e misturado ao hidrogênio e ao vapor dágua O gás hexafluoreto de urânio enriquecido é reconvertido em pó de dióxido de urânio UO2 essa etapa também realizada na INB no Rio de Janeiro Fabricação de pastilhas a partir do urânio transformado em pó na etapa anterior é submetido a uma prensa formando pastilhas com cerca de um centímetro de diâmetro Fabricação do Elemento Combustível Nuclear as pastilhas de urânio enriquecido são dispostas num conjunto de tubulações muito pequenas numa espécie de varetas formadas a partir de liga de aço As varetas são combinadas em feixes formando uma estrutura de aproximadamente cinco metros de altura dando origem ao combustível nuclear Geração de energia Os átomos de urânio que formam o combustível nuclear são submetidos a uma reação de fissão dentro do núcleo do reator gerando calor para aquecer a água e formar o vapor que irá movimentar as turbinas e acionar o gerador elétrico produzindo eletricidade Figura 15 Produção do Elemento Combustível Nuclear Fonte INB 2015 38 No Brasil as duas únicas usinas nucleares estão localizadas em Angra dos Reis no Rio de Janeiro pertencentes à EletrobrasEletronuclear Está em fase de construção a terceira Usina Nuclear brasileira localizada também na cidade de Angra dos Reis Nos reatores nucleares a energia é gerada a partir de uma reação de fissão dos átomos de urânio na qual os átomos mais pesados se dividem em partes mais leves liberando energia No interior do reator ocorre a reação de fissão dos átomos do U235 por meio de um bombardeio de nêutrons Cada átomo emite dois ou três nêutrons gerando uma reação em cadeia A geração de energia envolve o aquecimento de vapor à alta pressão que movimenta o eixo de uma turbina acionando um gerador elétrico acoplado O vapor que sai da turbina em baixa pressão passa por uma etapa de resfriamento e o condensado é novamente aquecido reiniciando o ciclo térmico de Rankine A energia nuclear e considerada uma fonte de energia limpa pois não emite gases responsáveis pela intensificação do efeito estufa e aquecimento global bem como não gera grandes quantidades de resíduos porém requer um rígido sistema de segurança nuclear como a realização de práticas de prevenção de acidentes ou a mitigação de riscos de forma a preservar a integridade dos colaboradores vizinhança e o meio ambiente contra os efeitos da radiação Quando ocorre um acidente em uma usina nuclear as consequências são extremamente perigosas para os envolvidos Em 1979 nos Estados Unidos na usina de Three Mile Island na Pensilvânia devido a erros humanos e falhas em equipamentos houve um problema com o resfriamento de um reator que ao perder o controle das reações de fissão gerou muita energia e o núcleo do reator esquentou em temperatura tão elevada que começou a derreter Os rejeitos radiativos causaram a contaminação do local mas a população foi preservada Ao todo cerca de 140 mil pessoas tiveram que se descolar da região para evitar contaminação por radiação Podese dizer que o acidente na usina nuclear de Chernobyl na Ucrânia foi um dos mais desastrosos acidentes envolvendo energia nuclear Em 1986 um reator da usina explodiu durante um teste de segurança causando a morte de mais de 25 mil pessoas segundo estimativas oficiais O combustível nuclear queimou por cerca de dez dias 39 emitindo à atmosfera radionuclídeos de alta intensidade o que contaminou grande parte do continente europeu Os reatores soviéticos não possuíam uma estrutura de contenção que tem por objetivo revestir de aço e concreto o vaso do reator de forma a manter a radiação dentro da unidade em casos de acidente Com a ruptura do elemento combustível foram liberados para a atmosfera parte da carga de combustível e produtos de fissão como plutônio iodo estrôncio e césio Na época as lideranças tentaram encobrir o desastre para evitar que a notícia se espalhasse Embora haja uma dificuldade na aceitação da geração de energia nuclear devido aos trágicos acidentes decorrentes dessa fonte energética muito foi aprendido e avanços tecnológicos foram alcançados para evitar riscos inerentes a essa atividade especialmente na área de reprocessamento e tratamento dos rejeitos e aspectos relacionados à segurança Tratase de uma fonte de energia com baixa emissão de gases responsáveis pelo aquecimento global dentre outros poluentes atmosféricos além de ser uma fonte confiável no que diz respeito ao abastecimento de energia e apresenta baixos custos de operação no Sistema Interligado Nacional Dentre as vantagens da usina nuclear para a geração de energia elétrica podese destacar que existe uma boa flexibilidade na implantação de uma usina embora a disponibilidade e o transporte de combustível apresentemse como fatores relevantes para a seleção do local de instalação da usina Outro aspecto também importante para seleção da área é a disponibilidade hídrica essencial para a unidade de resfriamento Como uma usina requer uma área relativamente pequena essa pode ser implantada próxima ao centro de carga minimizando os impactos referentes à transmissão e à distribuição de energia uso e ocupação do solo e os impactos sociais com a desapropriação de áreas e retirada da população residente Tratase de uma fonte praticamente isenta de emissões de efluentes gasosos promovendo a prevenção dos efeitos relacionados às mudanças climáticas O Brasil possui grande disponibilidade desse combustível de forma a garantir a segurança no abastecimento energético além de se tratar de uma fonte que requer uma 40 pequena quantidade de combustível para geração de muita energia devido à alta densidade energética As usinas nucleares dependendo da tecnologia de resfriamento adotada requerem consumo significativo de água impactando na disponibilidade hídrica para outros fins Como medida de controle do consumo de água é possível utilizar tecnologias de resfriamento de baixo consumo de água minimizar os desperdícios e fazer reuso da água ou ainda utilizar a água do mar como ocorre nas usinas de Angra dos Reis Nas usinas Angra 1 e Angra 2 a água utilizada para o resfriamento é captada do mar e adquire uma temperatura mais elevada sendo necessário realizar o controle e monitorar a temperatura de retorno ao oceano para não influenciar a qualidade da água e impactar a fauna local As usinas nucleares produzem resíduos sólidos e rejeitos que podem apresentar diversos graus de radioatividade Os resíduos sólidos não radioativos devem ser submetidos ao gerenciamento dos resíduos sólidos com tratamento e destinação ambientalmente adequados Os rejeitos radioativos podem causar alteração da qualidade do solo e dos recursos hídricos danos à saúde e impactos na flora e na fauna Os principais tratamentos são a solidificação a compactação e o confinamento em containers especiais para evitar vazamentos esses procedimentos são realizados para minimizar os rejeitos e auxiliar no monitoramento ambiental A questão dos rejeitos radioativos é um tema preocupante devido aos riscos de eventuais fugas decorrentes do armazenamento e repositório Os rejeitos precisam ser monitorados e controlados em tempo integral de forma a evitar emissões radioativas fugitivas cumprindo o estabelecido pela legislação de forma a proteger os trabalhadores a população e o meio ambiente Há que se considerar uma rejeição da comunidade residente próxima às áreas de depósito desses rejeitos com receio do risco de contaminação 41 Segundo a Associação Mundial Nuclear a forma recomendada para destinação final desses rejeitos é por meio do armazenamento em repositórios geológicos profundos garantindo o isolamento permanente Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo o aproveitamento da energia os diferentes recursos energéticos as características da matriz energética e a organização do sistema elétrico brasileiro Nesse bloco foram apresentados os principais conceitos vantagens e desvantagens das fontes convencionais de energia como o petróleo o gás o carvão e a energia nuclear REFERÊNCIAS ANP Agência Nacional de Petróleo Anuário estatístico 2019 Disponível em httpwwwanpgovbrarquivoscentralconteudosanuario estatistico2019anuario2019textosecao1pdf Acesso em mar 2021 BRASIL N I ARAUJO M A S Processamento de petróleo e gás petróleo e seus derivados processamento primário processos de refino petroquímica meio ambiente Rio de Janeiro LTC 2014 DNPM Agência Nacional de Mineração Carvão Mineral Serie estatísticas e economia mineral Disponível em httpswwwgovbranmptbrcentraisde conteudopublicacoesserieestatisticaseeconomiamineraloutraspublicacoes 122carvao Acesso em 17 mar 2021 FARAH M A Petróleo e seus derivados definicao constituicao aplicacao especificacoes caracteristicas de qualidade Rio de Janeiro LTC 2013 GAUTO M Petróleo e gás princípios de exploração produção e refino Porto Alegre Bookman 2016 HINRICHS R A Energia e meio ambiente Sao Paulo Cengage Learning 2014 42 IEA Internacional Energy Agency World Energy Balances Overview 2018 Disponível em httpswwwieaorgreportsworldenergybalancesoverviewworld Acesso em 10 mar 2021 INB Indústrias Nucleares Do Brasil S A Sítio contendo informações sobre o ciclo do combustível nuclear Disponível em httpwwwinbgovbr Acesso em mar 2021 KUTNER R Processamento Primário de petróleo In Recursos Humanos Universidade Petrobrás Escola de Ciências e Tecnologias EP Rio de Janeiro LTC 2007 MOREIRA J R S Energias renováveis geração distribuída e eficiência energética Rio de Janeiro LTC 2019 PHILIPPI JR A Energia e sustentabilidade Barueri SP Manole 2016 RIBEIRO M F S Sistemas de bioenergia Curitiba Contentus 2020 SANTOS M A org Fontes de Energia Nova e Renovável Rio de Janeiro LTC 2013 TOLMASQUIM M T Energia Termelétrica Gás Natural Biomassa Carvão Nuclear Rio de Janeiro EPE 2016 43 2 ENERGIA HIDRÁULICA Apresentação Olá alunoa A energia hidráulica consiste no aproveitamento da energia hídrica para geração de energia elétrica Neste bloco serão apresentados os principais impactos da obtenção de energia a partir dessa fonte os principais empreendimentos do setor o potencial hidrelétrico e os componentes do sistema de uma usina hidrelétrica Não obstante veremos as vantagens e desvantagens da energia hidrelétrica Bons estudos 21 Energia Hidráulica A energia hidráulica é uma importante fonte de energia proveniente da água capaz de fazêla gerar trabalho útil A energia hidráulica tem sido a principal fonte de geração de eletricidade no Brasil ao longo das últimas décadas devido à competitividade econômica pela disponibilidade de recursos energéticos em grande parte do território nacional A energia hídrica é uma tecnologia madura e confiável no que diz respeito à segurança energética em razão da possibilidade de armazenamento apresenta menos emissões de gases de efeito estufa se comparado as demais fontes além de ser uma fonte renovável De acordo com Hinrichs 2014 de toda eletricidade produzida no mundo cerca de 21 correspondem à energia hidráulica sendo que na America Latina este percentual está por volta dos 75 e na Africa cerca de 16 local que apresenta grande potencial de exploração desse recurso De acordo com o Balanço Energético Nacional de 2020 que utilizou os dados base de 2019 a oferta interna de energia hidráulica no Brasil naquele ano foi de aproximadamente 65 da sua matriz energética nacional EPE 2020 A maior usina hidrelétrica do mundo em operação e a represa das Tres Gargantas localizada na China com capacidade de 22000 MW em seguida destacase a Unisa de 44 Itaipu no Brasil com capacidade para 14000 MW Além das outras usinas ao redor do mundo cabe destacar Belo Monte também localizada no Brasil com capacidade para 11233 MW A utilização dos recursos hídricos para gerar eletricidade depende da disponibilidade de mananciais extensão dos territórios e das condições geográficas e climáticas que são fatores determinantes Embora seja uma fonte renovável de energia e não emitir gases provenientes da queima de combustíveis fósseis como o petróleo e o carvão por exemplo ela não está isenta de impactos ambientais pois a construção de uma represa ou barragem acarreta a inundação de grandes áreas de terra De acordo com Santos 2013 a usina hidrelétrica consiste em uma obra de construção civil contendo equipamentos eletromecânicos para realizar o aproveitamento da energia potencial de água Essa fonte de energia se dá a partir do potencial hidráulico de um curso dágua que considera a vazão de água disponível num determinado período com os seus desníveis Esses desníveis podem ser alcançados de forma natural como as quedas dágua ou de maneira artificial mediante a construção de barragens O potencial hídrico disponível em um rio é determinado pelo produto da vazão da altura existente entre o reservatório a montante o sistema de descarga a jusante da barragem e a aceleração da gravidade SOUZA 1999 Ainda segundo Santos 2013 o aproveitamento da energia hídrica pode ser realizado de algumas maneiras A partir de uma queda natural de água A partir de uma barragem reservatório formando um desnível artificial entre as cotas a montante e a jusante Por meio da energia cinética da água hidrocinética 45 Ou a partir do bombeamento de água para uma cota superior e posterior queda da água sistemas de armazenagem e bombeamento A força motriz da energia hidráulica é a água e portanto existem algumas configurações de usinas dependendo da quantidade e disponibilidade deste recurso De acordo com Moura 2019 as centrais hidrelétricas podem ser classificadas Em função da potência disponível microcentrais potências menores ou iguais a 100 kW minicentrais potências entre 100 kW e 1000 kW pequenas centrais potências entre 1 MW e 10 MW médias centrais potências entre 10 MW e 100 MW grandes centrais potências maiores do que 100 MW Em função do desnível centrais de baixíssima queda alturas menores ou iguais a 10 m centrais de baixa queda alturas entre 10 m e 50 m centrais de média queda alturas entre 50 m e 250 m centrais de alta queda alturas maiores do que 250 m Os reservatórios hidrelétricos podem ser classificados em Fio dágua Acumulação Armazenamento por bombeamento ou reversíveis 46 As usinas a fio dágua sao utilizadas quando as vazoes de estiagem do rio sao iguais ou maiores que a descarga necessária para a potência instalada do empreendimento de forma a atender a demanda máxima prevista no projeto Essa configuração de usina dispensa o volume do reservatório As usinas de acumulação consistem naquelas nas quais há a barragem para armazenamento de grande volume de água para a regularização da vazão pois as vazões de estiagem do recurso hídrico são inferiores à vazão necessária para atender à potência instalada As usinas reversíveis são aquelas que podem utilizar a queda dágua por gravidade ou armazenar água em um reservatório mais elevado a partir do bombeamento de água de um reservatório inferior Por exemplo isso ocorre na usina de Pedreira e Usina de Traição em São Paulo Embora seja uma tecnologia consolidada a hidreletricidade apresenta algumas barreiras que de acordo com Santos 2013 podem ser divididas em três categorias Investimento alto em obras para barragens e grupos geradores Investimento alto para a infraestrutura de transmissão da energia produzida para centros de maior demanda Impactos socioambientais decorrentes da exploração do recurso No que diz respeito ao investimento em obras civis para a construção de barragens casa de força tubulação entre outros equipamentos há que se dispor desse recurso antes mesmo da entrada de receita do investimento Entretanto os reservatórios também apresentam usos múltiplos como controle de cheias irrigação navegabilidade entre outros O investimento em sistema de transmissão de energia muitas vezes a longa distância está sujeito ao processo de licenciamento ambiental assim como a própria construção da usinabarragem que pode demorar anos devido aos procedimentos burocráticos porém necessários para a avaliação do impacto ambiental decorrente Para a instalação de uma usina hidrelétrica há que se fazer um levantamento do recurso energético disponível para avaliar a viabilidade técnicoeconômica do seu aproveitamento Muitos 47 aproveitamentos hidrelétricos estão localizados longe dos centros de maior carga sendo necessário o investimento em linhas de transmissão de energia Embora as barreiras citadas acima sejam um desafio aos investidores há que se destacar as questões socioambientais devido aos inúmeros impactos ao meio ambiente e à sociedade em razão da construção de uma usina hidrelétrica Dentre os principais impactos ambientais da implantação de uma usina hidrelétrica podemos destacar Emissão de gases CH4 para a atmosfera devido ao alagamento de áreas cobertas por vegetação alteração no microclima da região alteração da qualidade e quantidade de água alteração no balanço de evaporação turbidez sedimentação entre outros No que diz respeito à fauna e à flora nativa é possível observar alteração no ecossistema aquático tanto à montante quanto à jusante da barragem alteração nos nutrientes presentes na água zooplâncton reprodução de peixes extinção de determinadas espécies da fauna e flora Os aspectos sociais envolvem a produção econômica da região na pesca alterações no turismo alagamento de cidades inteiras impactando a população residente bem como sítios arqueológicos e alterações nas questões culturais O aproveitamento hidrelétrico apresenta como vantagem de ser uma fonte renovável de energia o sistema possui alta eficiência de conversão chegando a cerca de 85 a 90 Tem uma grande confiabilidade no fornecimento de energia devido ao armazenamento da matéria prima podendo ser armazenados grandes volumes de água Tratase de uma tecnologia consolidada com baixo custo de operação custos nulos de matéria prima vida útil dos equipamentos e sistema bastante longo não faz uso de combustíveis fósseis possibilita a sincronia e regulação com a rede de transmissão de energia facilmente Como mencionado o reservatório pode apresentar benefícios ambientais no que diz respeito ao controle de cheias irrigação entre outros usos múltiplos além da geração de eletricidade Essa fonte de energia não gera resíduos sólidos como acontece em termelétricas e outras fontes e nem acarreta na contaminação de recursos hídricos e do solo devido aos lançamentos de produtos químicos 48 Entre as desvantagens além das que foram citadas anteriormente podemos destacar a dependência de fatores climáticos devido às incertezas relacionadas à variação da precipitação na bacia hidrográfica O represamento da água em reservatório acarreta a interrupçao continua de rios e demais cursos dágua proporciona a inundaçao de grandes áreas e alteração do equilíbrio ecológico da fauna e da flora já comentados anteriormente Há a formação de gases biogênicos como o metano decorrente da decomposição de matéria orgânica submersa Os grandes reservatórios podem ocasionar perdas de áreas agrícolas e outras alterações no uso e ocupação do solo além dos aspectos sociais já comentados acima 22 Aproveitamento hidrelétrico Segundo GEDRA et al 2014 a geração hidroelétrica tem como princípio de funcionamento o aproveitamento da energia potencial da água acumulada em reservatórios para movimentação de uma turbina A turbina produz energia mecânica através do movimento de rotação em um eixo que está conectado a um gerador elétrico capaz de produzir eletricidade Para o dimensionamento do aproveitamento hidrelétrico são necessários o atendimento de alguns parâmetros básicos como os descritos abaixo É necessário um desnível vertical entre dois pontos altura da queda É necessário contabilizar a vazao do curso dágua para verificar a viabilidade técnica e econômica do recurso Verificar a área do reservatório Verificar o volume do reservatório Determinar o fator de capacidade número de horas em que as máquinas estão disponíveis para geração Verificar o número de máquinas A potência nominal das máquinas 49 A potência total instalada De maneira resumida uma hidrelétrica precisa atender duas condições Queda desnível Diferença de altitude nível entre os pontos onde a água é captada e onde é liberada de volta ao leito metros m Vazão Volume de água captada que escoa num determinado tempo litros por segundo ls ou metros cúbicos por segundo m3s Caso não seja possível obter o desnível conforme apontado acima é possível gerar energia considerando a parcela da energia cinética movimento da água entretanto obtémse uma eficiência reduzida MOURA 2019 A energia disponível para aproveitamento a partir de uma usina hidrelétrica considera Energia mgH Em que m massa que escoa por segundo g aceleração da gravidade H queda bruta Se o recurso hidrico e proveniente de um rio com velocidade v a expressao que representa a energia considera a energia potencial e a energia cinética sendo expressão pela equação abaixo Energia mgH 12 mv2 Como a velocidade do rio é pequena essa parcela da expressão pode ser desprezada Da equação da energia que considera E mgH podemos extrair que a vazão que trata do volume de água que escoa por segundo através do tubo vazão pode ser expresso pela letra Q m3s Fazendo uma análise dimensional temos que mtempo Q 50 Análise dimensional da expressão acima kgs kgm3 m3s A grandeza Energia por Tempo é a potência Etempo P mgHtempo Portanto a potencia energetica disponivel num determinado curso dágua e expressa pela equação abaixo P r Q g H Em que P potência disponível W r densidade do fluido kgm3 1000 kgm3 para água Q vazão de água m3s g aceleração da gravidade 981 ms2 H desnível topográfico m Como o sistema possui perdas a eficiência das máquinas deve ser considerada na formulação matemática TOT H T g H Rendimento do sistema hidráulico T Rendimento da turbina g Rendimento do gerador Valores típicos de eficiência são 076 TOT 087 com H096 094 T 088 097 g 090 51 P r Q g H H T g 103 kW P TOTgQH Dessa forma a energia gerada depende da cota altura de carga H da vazão de água Q e da eficiência dos equipamentos Exemplo 1 Considere um possível aproveitamento hidrelétrico localizado na cidade de Itajubá que apresenta uma vazão constante de 3m3s uma altura de desnível de 10m para um rendimento hidráulico de 95 a turbina com eficiência de 90 e um gerador elétrico com rendimento de 95 Calcule a energia gerada por dia neste empreendimento Energia diária Ediária 981H QH T g 24hdia Ediária 98110309509009524 Ediária 573723 kWhdia Exemplo 2 Você foi contratado por uma empresa de consultoria para realizar um estudo de viabilidade técnica para um aproveitamento hidrelétrico na região de Delfim Moreira em Minas Gerais A altura do desnível topográfico é de 40 metros os estudos hidrológicos apontam uma vazão de projeto de 150ls que permanece durante todo o ano Determine a capacidade instalada para um rendimento global de 70 Dados A vazão de projeto é de Q 150 ls para transformálo na unidade do sistema internacional temos Q015 m3s A altura H é de 40 m e o rendimento global 70 ou 07 Usando a equação que expressa a potência da usina temos 52 P TOTgQH P 981 015 4006 P 353 kW Portanto cerca de 35 kW de capacidade instalada devem estar disponíveis Para saber a quantidade de energia possível de ser gerada por dia basta multiplicar pelas horas do dia 9 24 horasdia E Ptempo de funcionamento 35324hdia 9888 kWhdia Quando não temos disponível o desnível necessário para ao aproveitamento da energia potencial devese considerar a parcela de energia cinética no dimensionamento do potencial hidrelétrico Para tanto a expressão matemática que representa a energia gerada neste tipo de hidrelétrica considera Energia 12 mv2 Dessa forma a potência pode ser dada por PEtempo ½ mtempo v2 Em que v velocidade ms A área m2 rágua 1000 kgm3 Sendo mtempo r Q e a vazão corresponde à velocidade multiplicado pela área Q vA temos Etempo PW ½ r Q v2 ½ r A v3 Dessa forma a expressão da potência elétrica fica 53 P ½ ht hgr A v3 kW Potência Instalada Fator de Capacidade e Energia Gerada Segundo Moura 2019 a energia elétrica gerada considerando que o sistema opere 24 horas em todos os dias considerando um valor médio de 24 horas x 304 dias temos 730 horas num mês ou 8760 num ano e sob potência máxima pode ser determinada através da equação abaixo E 730 P kWh Entretanto existem fatores que influenciam na disponibilidade dessa geração como os períodos de seca que limitam a vazão disponível para a turbina os períodos que se deve reduzir ou interromper a geração para reforçar o volume de um recurso hídrico em dias e horários determinados em casos de locais com potencial turístico e ainda as paradas periódicas de manutenção que também podem ser agendadas para os casos descritos acima Para esses casos é necessário prever uma quantidade menor de energia gerada denominado o fator de capacidade FC correspondente à porcentagem de tempo equivalente em que a usina estaria gerando à plena capacidade O fator de capacidade corresponde à relação entre a produção real da usina em um determinado período e a capacidade máxima de produção nesse mesmo período Considerando P como a potência instalada que representa a potência máxima extraída do sistema podese assumir que a energia mensal média efetivamente gerada será EME EMFC 730 P FC kWh mensal EA PFc8760 kWh anual Exemplo 3 Considere uma usina com vazão Q de 5 ls que apresente um desnível H de 200 m fator de capacidade de 90 e a eficiência total do sistema de 60 Determine a Potência instalada e a energia mensal 54 Potencia instalada do sistema P ηTOTQH981 06051000200981 59 kW Energia mensal média gerada EME 730 PFC 73059090 3876 kWh Exemplo 4 Agora vamos considerar uma vazão Q de 200 ls um desnível H de 5 m e fator de capacidade de 90 para a mesma eficiência do sistema Potencia instalada do sistema P ηTOTQH981 06020010005981 588 kW Energia mensal média gerada EME 730 PFC 730588090 38632 kWh Observase que nos exemplos 3 e 4 o valor da potência instalada e da energia gerada são bastante similares embora haja uma diferença significativa nas grandezas vazão e altura baixa vazão e alta queda versus alta vazão e baixa queda Diante do exposto podemos notar que os custos do projeto do exemplo 1 considerará que estão associados com maior tubulação e maior pressão no sistema O projeto do exemplo 2 contemplará gastos maiores com a turbina e as obras devido à canalização e casa de força De maneira geral podese constatar que para uma mesma potência instalada do sistema as usinas que apresentam menor relação quedavazão costumam ser mais custosas que as com maior relação quedavazão 23 Componentes básicos de uma usina hidrelétrica De acordo com Moura 2019 os principais componentes de uma usina hidrelétrica são Reservatório Barragem Descarregador de superfície ou vertedouro Descarregador de fundo ou dreno de areia 55 Captação e condutos de adução de água Casa de máquinas Equipamentos A central conta ainda com uma subestação elevadora que é responsável por elevar a tensão para a transmissão de energia elétrica Subestação O reservatório consiste numa área destinada ao armazenamento da água do rio por meio de uma barragem De acordo com Santos 2013 os reservatórios podem ter algumas funções além da própria geração de energia como o abastecimento de água para consumo humano o abastecimento de água para atividades agropecuárias irrigação o controle de cheias a piscicultura e a aquicultura e a navegação Os reservatórios são responsáveis pelo alagamento de áreas muitas vezes extensas o que gera impactos ambientais e sociais significativos Entretanto existem alguns projetos de hidrelétricas que dispensam a implantação de barragens e reservatórios denominadas hidreletricas a a fio dágua dispondo somente do fluxo de água do curso natural no ponto de captação Nessa configuração de usina os impactos ambientais e sociais são menores A barragem consiste em uma obra com o objetivo de represar a passagem da água do rio de forma a possibilitar sua captação e desvio elevar o nível das águas para atender o desnível necessário para o aproveitamento da energia potencial de maneira a garantir a navegabilidade do rio regular a vazão de água para o aproveitamento hidrelétrico e amortecer possíveis ondas que possam surgir De acordo com Moura 2019 toda barragem deve ter implantada os descarregadores para excedente de vazões quando ocorre a cheia dos rios e a capacidade de armazenamento é suprida para evitar transbordamentos em locais não recomendados Os descarregadores podem ser de superfície também denominados vertedor ou de 56 fundo Os vertedouros têm a função de verter a água excedente podendo ser descarga livre ou serem equipados por comportas para controle da descarga Os descarregadores de fundo são instalados na parte inferior da barragem e a vazão é controlada através de comportas Existem algumas configurações de barragens que possuem tanto o vertedor como o descarregador de fundo com o objetivo de remover o material assoreado no pé da barragem O sistema de geraçao hidreletrica e composto pelas partes de captaçao tomada dágua e condutos de adução de água A tomada dágua consiste no ponto em que se inicia a condução de água para as turbinas que podem ser ligadas à barragem ou possuir uma estrutura independente São compostas por grades de proteção para evitar que materiais soltos como galhos animais pedras entre outros possam danificar as turbinas Essas grades normalmente são constituídas por barras verticais com espaçamento para reter os materiais soltos na água Além das grades a tomada dágua possui as comportas que têm como papel controlar a admissão de água nos condutos O sistema contempla ainda comportas de emergência com o intuito de interromper a captação de água em casos de emergência e para manutenção do sistema O sistema de captação de água sob pressão requer um conjunto de tubos de aeração galeria vertical aberta na parte superior de maneira a possibilitar a entrada de ar na tubulação para os casos de fechamento das comportas e evitar o esmagamento dos condutos devido à formação de depressão no interior desses Os condutos de adução de água têm como objetivo o encaminhamento da água da barragem às turbinas Podem ser de baixa pressão caracterizados por baixa declividade e portanto baixa velocidade de escoamento ou por conduto forçado no qual o escoamento é realizado a pressões crescentes com a parte inferior submetida à máxima pressão Geralmente nos condutos a céu aberto para médias e altas pressões são utilizadas tubulações de aço soldados 57 A usina hidrelétrica é composta pela casa de máquinas casa de força que tem a finalidade de alojar as máquinas e os equipamentos sendo o local onde está instalado os geradores acoplados às turbinas Dentre os principais equipamentos que compõe uma usina hidrelétrica podemos destacar Caixa espiral é uma tubulação toroidal forma geométrica semelhante a um anel que envolve a região do rotor que tem o papel de distribuir a água igualmente na entrada da turbina Rotor consiste em uma das partes móveis da turbina formado pelo conjunto de pás fixas ou não O eixo do rotor é acoplado a um sistema regulador de velocidade que desempenha a funçao de distribuir o fluxo dágua instalado na entrada do rotor denominado de prédistribuidor e distribuidor Distribuidor é um conjunto de palhetas móveis todas as palhetas movemse ao mesmo tempo num movimento igual que são acionadas por meio de mecanismo hidráulico instalado sobre a tampa da turbina A potência da turbina é controlada pela vazão de água através do distribuidor Regulador de velocidade com o propósito de manter a velocidade da máquina constante O sistema de regulação de velocidade é constituído por um conjunto eletrohidráulico que controla a potência ativa através da alteração da velocidade da turbina de forma instantânea ao modificar a vazão de água que entra na turbina Essa regulação é importante para o controle da rotação da turbina Turbinas são dispositivos constituídos por pás que tem como objetivo transformar o movimento linear da água em movimento circular se assemelha a uma roda dágua Para converter a força das águas em eletricidade a água represada passa pelos dutos e são direcionadas de maneira a realizar o movimento de rotação das turbinas que por estar acoplada ao eixo do gerador 58 faz com que esse entre em movimento gerando portanto a eletricidade A energia primária água deve ser convertida em energia cinética de rotação De acordo com Santos 2013 as turbinas modernas possuem uma eficiência que varia entre 85 e 95 conforme a vazão de água e a queda líquida Como se trata de uma máquina não ideal essas podem apresentar perdas hidráulicas uma vez que a água tem que sair da turbina com alguma velocidade sendo que essa energia cinética pode ser aproveitada para gerar eletricidade Além disso pode apresentar perdas mecânicas decorrentes do atrito nas partes móveis da turbina bem como pelo calor perdido devido ao aquecimento dos mancais SANTOS 2013 As turbinas hidráulicas podem ser classificadas de acordo com a direção de entrada da água em axiais ou radiais em função do modo de ação da água em ação direta ou reação conforme a direção do eixo em horizontais e verticais Tabela 26 Classificação das turbinas hidráulicas Classificação Trajetória da água Turbina Radial Quando o fluxo de água passa pelas pás do rotor de forma radial Turbina Francis Axial Quando o fluxo de água passa pelas pás do rotor na direção do eixo da máquina Hélice Kaplan Tangencial O fluxo de água passa pelas pás de forma tangencial Pelton Fonte BARRETO et al 2008 Elaborado pelo autor Principais tipos de turbinas hidráulicas De acordo com Santos 2013 e Tolmasquim 2019 existem alguns tipos de turbinas hidráulicas que são as mais empregadas no Brasil 59 Turbina Pelton turbina de jato livre tratase de uma turbina de ação indicada para casos nos quais é possível obter queda e velocidade de rotação maiores São turbinas que exercem a rotação a partir do impulso gerado pelo choque da água com as conchas da turbina de forma a gerar um torque de movimentação das pás As turbinas são compostas pelo rotor bocal e caixa As turbinas de grande potência como essas geralmente fazem uso do eixo vertical de forma a simplificar o projeto da usina obras civis e instalações de equipamentos Por exemplo Usina GPS Governador Parigot de Souza da COPEL e Henry Borden da EMAE localizada em CubatãoSão Paulo Turbina Francis é uma turbina de reação constituída por um rotor de pás fixas que recebe o fluxo de água na direção radial orientandoo na direção axial para o tubo de sucção Essa turbina gera rotação através da diferença de pressão entre os lados do rotor Nessa configuração o fluxo de água passa pelas pás e é direcionado de forma vertical no eixo axial da turbina Esse tipo de turbina é empregado nas Usinas de Itaipu Binacional e Tucurí Turbina Kaplan turbina tipo axial essas turbinas possuem um rotor em forma de hélice que pode ser configurado por pás fixas denominadas turbinas hélice ou móveis denominadas turbinas Kaplan Nessa configuração o fluxo dágua entra no rotor na direção axial que o orienta também na direção axial para o tubo de sucção São indicadas para baixa queda dágua de 40 a 60 m e alta vazão As usinas que utilizam este tipo de turbina são as usinas hidrelétricas de Volta Grande Barra Bonita Estreito e Jupiá Turbina Bulbo tratase de uma turbina Kaplan adaptada na qual um gerador elétrico é acoplado ao interior de um bulbo instalado dentro do tubo de adução de água Dentro do Bulbo constam multiplicadores de velocidade os reguladores das pás do rotor e o gerador Indicado para o aproveitamento de altura de queda de 20 metros sendo uma turbina bastante compacta Essa turbina é empregada nas Usinas de Jirau e Santo Antônio Baguari e Igarapava 60 O sistema de geração de energia conta ainda com alguns equipamentos para a efetiva produção de eletricidade como o gerador constituído por duas partes o estator que é a parte fixa e o rotor móvel O estator é composto pela carcaça núcleo enrolamentos e trocadores de calor O rotor é composto pelo cubo anel magnético polos dispositivos de fixação e travamento A geração de energia geralmente é realizada em baixa tensão e portanto tornase necessária uma subestação para elevação da tensão para transmissão da energia na rede de forma a minimizar as perdas Uma subestação é constituída por transformadores elevadores reatores disjuntores pararaios chaves seccionadoras transformador de potencial transformação e corrente relés medidores sistema de aterramento e barramentos para garantir a transmissão da energia e a proteção do sistema elétrico Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo o aproveitamento da energia hídrica para geração de eletricidade Foram apresentados os principais tipos de usinas as configurações dos reservatórios e os impactos ambientais Além disso foi apresentado o dimensionamento para o aproveitamento hidrelétrico bem como os componentes de uma usina hidrelétrica REFERÊNCIAS BARRETO E J F FILHO G L T Pequenos aproveitamentos hidroelétricos Brasília Ministério de Minas e Energia 2008 Disponível em httpswwwmmegovbrluzparatodosdownloadsSolucoesEnergeticasparaaA mazoniaHidroeletricopdf Acesso em 01 fev 2021 EPE Empresa de Pesquisa Energética Brasil Balanço Energético Nacional 2020 Ano base 2019 Empresa de Pesquisa Energética Rio de Janeiro EPE 2020 GEDRA R L BARROS B F Geracao transmissao distribuicao e consumo de energia eletrica Sao Paulo Erica 2014 61 HINRICHS R A Energia e meio ambiente Sao Paulo Cengage Learning 2014 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788522116881cfi342100 000 Acesso em 22 jun 2021 MOURA A Engenharia de sistemas de potência geração hidroelétrica e eolioelétrica Fortaleza Edições UFC 2019 SANTOS M A org Fontes de Energia Nova e Renovável Rio de Janeiro LTC 2013 SOUZA Z et al Centrais Hidrelétricas Estudos para Implantação Rio de Janeiro Eletrobrás 1999 TOLMASQUIM M T Energia Renovável Hidráulica Biomassa Eólica Solar Oceânica Rio de Janeiro EPE 2016 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BORGES NETO M R Geração de energia elétrica fundamentos Sao Paulo Erica 2012 Disponível em httpsintegradaminhabibliotecacombrbooks9788536518572cfi442100 000 Acesso em 22 jun 2021 HODGE B K Sistemas e aplicações de energia Rio de Janeiro LTC 2018 MOREIRA J R S Energias renováveis geração distribuída e eficiência energética Rio de Janeiro LTC 2019 NETO M R B Geração de energia elétrica fundamentos São Paulo Editora Saraiva 2012 ROSA A Processos de Energias Renováveis Rio de Janeiro Elsevier 2015 62 3 ENERGIA SOLAR Apresentação Olá alunoa A energia solar funciona a partir de placas solares que coletam a radiação solar empregando energia incidente dos raios solares na geração de eletricidade em sistemas de energia solar fotovoltaica ou para o aquecimento de líquidos energia solar térmica Neste bloco serão apresentados os principais conceitos envolvendo o aproveitamento da energia solar para geração de energia elétrica e aquecimento residencial Bons estudos 31 Energia Solar A energia solar é a energia da radiação do Sol que pode ser utilizada para aquecimento inclusive da água ou para geração de energia elétrica através de células fotovoltaicas A energia solar proveniente do núcleo do Sol através de reações de fusão nuclear libera uma grande quantidade de energia que é correspondente à emissão de um corpo negro com temperatura de 5777 K O Sol possui 139 109 m de diâmetro e dista cerca de 15 1011 m da Terra O sol tem uma composição química composta por 912 de hidrogênio 87 de hélio 0078 de oxigênio e 0043 de carbono A constante solar representa a energia proveniente do Sol expressa por unidade de tempo incidente numa unidade de área em uma superfície perpendicular à direção de propagação da radiação A constante solar tem dimensões de energia expressa por unidade de área e tempo Essa constante pode ser expressa nas unidades Jm2s ou Wm2 e fora da atmosfera terrestre tem um valor correspondente a 1367 Wm2 De acordo com Moreira 2019 ao atravessar a atmosfera terrestre a radiação solar sofre alterações na sua intensidade devido a alguns mecanismos 63 Espalhamento atmosferico pelos elementos constituintes do ar vapor dágua e poeira Absorção atmosférica pelo ozônio vapor de água e gás carbônico A faixa de irradiação incidente sobre a superfície da Terra se dá no comprimento de onda de 029 l 25 µm A irradiação abaixo desse limite é absorvida pelo O3 e N2 e acima também apresenta restrições de passagem devido à absorção por CO2 e H2O De acordo com Tolmasquim 2016 os raios solares atingem a Terra paralelamente e com uma intensidade constante em uma superfície imaginária perpendicular aos raios no limite da atmosfera terrestre Como nem toda superfície terrestre é perpendicular aos raios solares há uma diminuição da insolação num plano horizontal A Figura 36 apresenta o espalhamento dos raios solares na superfície terrestre em que a superfície paralela ao solo B tem uma área maior que a superfície imaginária perpendicular aos raios solares A Embora a incidência solar que atinge ambas as superfícies seja a mesma como a área B é maior que a A observase que a intensidade por unidade de área na superfície B é menor que na A Concluise portanto que a radiação solar varia conforme a posição terrestre e o ângulo de incidência As coordenadas geográficas latitude e longitude influenciam na intensidade de radiação solar incidente na superfície terrestre assim como as distintas estações do ano e região no globo terrestre devido aos movimentos de rotação e translação da Terra SANTOS 2013 Em regiões próximas à linha do equador observase menor variação da irradiação ao longo do ano entretanto em localidades de maior latitude apresenta os maiores valores de irradiação no verão e menores no inverno fazendo com que a energia anual total recebida seja menor nas maiores latitudes 64 Figura 36 Espalhamento dos raios solares em diferentes superfícies De acordo com Santos 2013 a radiação solar que incide sobre os coletores é decomposta em duas componentes no plano horizontal e inclinado No plano horizontal contempla as componentes direta e difusa a componente direta referese à fração que atravessa a atmosfera sem sofrer alteração na sua direção original enquanto a componente difusa consiste na fração da irradiação solar que é espalhada e refletida pelos elementos constituintes da atmosfera No plano inclinado além da radiação direta e difusa destacase o albedo que trata da radiação refletida pelos elementos circunvizinhos do coletor como a vegetação e as construções TOLMASQUIM 2016 A Figura 37 representa a radiação solar distribuída entre as componentes direta e difusa incluindo o albedo incidente em superfície inclinada TOLMASQUIM 2016 Figura 37 Representação da radiação solar incidente num coletor solar Fonte TOLMASQUIM 2016 65 O parâmetro declinação solar d consiste na posição angular do Sol ao meiodia em relação ao plano do equador A declinação solar varia ao longo dos dias do ano no intervalo 2345º d 2345º O hemisferio sul e representado pelas coordenadas negativas e as positivas correspondem ao hemisfério norte Assim quando o parâmetro d 0 significa que o ponto está localizado na linha do equador A declinação solar é expressa pela equação abaixo na qual n representa o dia do ano e varia de 1 a 365 Para n 1 corresponde ao dia 1º de janeiro n 2 corresponde ao dia 2 de janeiro e n 365 referese ao dia 31 de dezembro A eficiência dos sistemas solares está diretamente relacionada a seleção do ângulo de inclinação e do ângulo de orientação ângulo azimutal de superfície dos coletores SANTOS 2013 como apresenta a Figura 38 Figura 38 Angulação do coletor solar O sistema coletor solar compreende Ângulo de inclinação da superfície que consiste no ângulo entre o plano do coletor e o plano horizontal de referência Para instalações solares destinadas ao aquecimento de 66 água recomendase uma inclinação fixa devido à complexidade de mudança desta angulação pela série de tubulações conectadas que impactariam em um aumento na manutenção do sistema Para tanto tornase necessário definir alguns critérios por exemplo O cálculo da inclinação média entre os solstícios de inverno e de verão deve coincidir com a latitude local Geralmente o consumo de água quente no inverno é maior e portanto recomendase utilizar como inclinação a latitude local mais 10o Ângulo azimutal de superfície é o ângulo formado entre o eixo nortesul e a projeção no plano horizontal da reta normal à superfície da placa do coletor Esse ângulo é denominado ângulo de orientação do coletor A superfície receptora da radiação solar pode estar inclinada em comparação à superfície horizontal Em muitas utilizações da energia solar a superfície receptora está inclinada de um ângulo com relação à horizontal e no caso mais geral a projeção de sua reta normal com o plano horizontal forma um ângulo com o eixo NS NorteSul Esse ângulo é denominado ângulo azimutal da superfície Segundo Tolmasquim 2016 o ângulo ideal é o correspondente à latitude do local uma vez que nesse ângulo a superfície receptora estará perpendicular à radiação solar na média anual atenuando a variação da irradiação ao longo do ano e maximizando a quantidade de energia incidente Para instalações localizadas no Hemisfério Sul o sistema de captação solar fixo deve ser direcionado ao Norte Geográfico devendo estar inclinado com relação ao plano horizontal num ângulo próximo ao da latitude local conseguindo captar um máximo de energia solar ao longo do ano No hemisfério norte o posicionamento deve ser espelhado e para instalações próximas ao Equador o melhor posicionamento é o horizontal Conhecer a intensidade de radiação solar incidente na superfície terrestre é o parâmetro mais importante para o projeto de sistemas de aproveitamento de energia solar tanto 67 para aquecimento de água como para a geração de energia elétrica Para tanto torna se necessário Identificar e escolher a locação mais adequada da instalação do sistema fotovoltaico Dimensionar o gerador Calcular a produção de energia anual mensal e diária Dimensionar sistemas de armazenamento em casos de sistemas isolados da rede elétrica De acordo com Neto 2012 os equipamentos utilizados para medir a irradiação solar são o piranômetro para medição de irradiação global ou a componente difusa e o pireliômetro para a irradiação direta O piranômetro utiliza uma termopilha constituída de termopares que medem a diferença de temperatura entre superfícies pintadas de preto e branco e com mesma intensidade de iluminação Essas superfícies geram uma tensão elétrica proporcional à diferença de potencial que ao ser medida apresenta o valor da radiação solar instantânea CRESESB 2014 O pireliômetro apresenta uma pequena abertura que permite visualizar apenas o disco solar e a região circunvizinha denominada circunsolar O pireliômetro segue o movimento do sol sendo portanto ajustado para focalizar melhor a região do sensor CRESESB 2014 O Heliógrafo é um instrumento utilizado para medir a duração do brilho solar consiste em uma esfera de vidro cristalino montada em uma estrutura de metal A esfera de cristal atua como uma lupa com o propósito de focalizar os raios solares para queimar uma tira de papel localizada abaixo dessa esfera O cumprimento dessa fita exposta à radiação solar mede o número de horas de insolação 68 A radiação solar deve ser coletada em equipamentos denominados coletores solares térmicos ou coletores solares fotovoltaicos ambos consistem em transferência de calor Os térmicos transferem a energia da radiação para um fluido de trabalho de forma a aumentar sua energia interna e os fotovoltaicos transferem essa energia para elétrons movendoos da banda de valência para a banda de condução MOREIRA 2019 A seguir serão apresentadas as principais aplicações da energia solar para aquecimento de água e geração e energia elétrica 32 Energia solar térmica 321 Definição A energia solar utilizada no aquecimento da água para uso doméstico deve considerar alguns aspectos para maximizar o aproveitamento da energia solar Entre eles temos Sombreamento verificar a efetiva incidência de radiação no local de interesse da instalação devendo evitar áreas com sombra durante longos períodos do dia Área coletora para atendimento da edificação é necessário adotar valores correspondentes a 70 de participação da energia solar no total de energia utilizada para o aquecimento da água Posicionamento dos coletores os coletores devem estar direcionados para o Norte para instalações localizadas no hemisfério Sul e com inclinação igual à latitude local somado mais dez graus para maximizar a absorção de radiação para a produção da água quente no inverno período que requer maior demanda de água quente Armazenamento é necessária uma área destinada ao reservatório de água quente reservatório térmico para a distribuição da água para a edificação 69 Qualidade dos dispositivos os materiais e dispositivos devem ser compatíveis com o local de uso ou seja devem resistir às intempéries se necessário devem possuir etiqueta padronizada pelo Inmetro 322 Sistema de aquecimento solar de água Segundo Santos 2013 o sistema de aquecimento solar de água é subdivido em três sistemas a captação da energia solar o armazenamento da água aquecida e o consumo propriamente dito da água A captação contempla o coletor solar as tubulações e em alguns casos as bombas hidráulicas para circulação da água O armazenamento consiste num reservatório térmico de acumulação de água quente e componentes auxiliares para atendimento em períodos de baixa insolação ou quando há um aumento da demanda não prevista no projeto como eletricidade e gás O consumo consiste na distribuição da água aquecida entre o reservatório térmico e o ponto de consumo O sistema de aquecimento solar de água é constituído por alguns componentes MOREIRA 2019 Coletor solar dispositivo para captar a radiação solar que incide sobre sua área propiciando uma transferência de calor para a água que circula no seu interior Reservatório térmico armazena a água do sistema Circuito hidráulico primário tubulação que conecta os coletores ao reservatório térmico Circuito hidráulico secundário tratase da tubulação existente entre a alimentação de água fria e os pontos de distribuição para consumo Conexão com a rede de água fria abastecimento de água da rede água em temperatura ambiente para o sistema Conexão de água quente abastecimento de água quente para a rede de distribuição interna 70 Dispositivos de segurança válvulas de alívio de pressão e limitador de temperatura da água Dispositivos auxiliares aquecedor que utiliza outra fonte de energia elétrica ou gás combustível para complementar a produção de água quente caso a energia solar não seja suficiente para atender à demanda O circuito hidráulico primário pode operar de maneira natural ou por circulação forçada Natural ou Termossifão o princípio de funcionamento do sistema de termossifão é a mudança de densidade da água Nessa configuração a água ao ser aquecida diminui sua densidade de forma que propicie a circulação pelo circuito primário e retorne ao reservatório localizado numa cota superior ao coletor A diferença de densidade da água quente e fria promove a circulação A água fria mais densa que está armazenada no reservatório numa cota superior desce para o coletor Esse tipo de instalação dispensa a utilização de bombas sendo recomendado para sistemas de pequeno porte Circulação forçada contempla uma bomba hidráulica para promover a circulação de água no circuito primário Essa configuração possibilita uma associação em um número maior de coletores não havendo restrição de diferença de cotas entre coletores e reservatório É recomendado para instalações de grande porte podendo estar associados em série ou em paralelo Essa configuração é constituída por uma motobomba controlador diferencial de temperatura e um quadro de comando O controlador diferencial ao registrar uma diferença de temperatura entre os sensores da saída do reservatório e saída dos coletores aciona a motobomba que promove a circulação da água pelas tubulações O sistema contempla um sensor para a medição de temperatura na saída do reservatório e na saída do coletor 71 Coletor Solar O coletor solar é o dispositivo que realiza a conversão da energia solar em energia térmica A incidência de radiação solar aquece o elemento absorvedor e ocorre a transferência de calor para a água que circula no seu interior Existem três tipos de coletores disponíveis no mercado MOREIRA 2019 Coletor solar plano fechado com aplicação para aquecimento de água para banho pias de cozinha e banheiro Nessa configuração o coletor possui uma caixa que abriga o absorvedor com isolamento térmico no fundo e contempla uma superfície transparente na parte frontal que ocasiona um efeito de estufa no seu interior O absorvedor é constituído de alumínio com pintura escura circuito hidráulico de cobre caixa de alumínio e cobertura de vidro A eficiência desse coletor é superior ao aberto obtendo temperaturas de até 90C Coletor solar plano aberto muito empregado no aquecimento de piscinas construído em materiais poliméricos apresenta desempenho inferior ao coletor fechado em razão das perdas térmicas A temperatura de operação varia em torno de 50C O custo dessa configuração é inferior ao fechado o que apresenta viabilidade econômica para grandes áreas de cobertura por exemplo para utilização em piscinas A nomenclatura aberta se dá devido ao fato de não contemplar cobertura transparente ou isolamento térmico Coletor solar com tubos a vácuo o princípio de operação é similar ao coletor fechado sendo recomendado para a mesma aplicação aquecimento de água para banho pias de cozinha e banheiro Nessa configuração o absorvedor tem uma característica tubular instalada em tubo transparente e o isolamento térmico é proveniente do vácuo formado entre o absorvedor e o tubo transparente De acordo com Santos 2013 os coletores fechados são compostos pelos seguintes componentes 72 Caixa externa consiste no suporte do sistema geralmente construída em alumínio ou material plástico resistente Isolamento térmico para minimizar as perdas de calor para o meio podendo ser empregado a lã de vidro ou de rocha e a espuma de poliuretano Tubulação flautacalhas destinada ao escoamento do fluido no interior do coletor São construídos em cobre devido a sua alta condutividade térmica e resistência à corrosão Placa absorvedora absorve e transfere a energia solar para o fluido de trabalho As placas geralmente são construídas em alumínio ou cobre e pintadas de preto fosco para aumentar a absorção da radiação solar Deve priorizar o aumento da temperatura das placas e portanto é necessário utilizar materiais capazes de propiciar a absorção de energia na faixa de comprimento de onda da banda solar e ainda minimizar a emissão de energia Cobertura transparente a cobertura transparente permite a passagem da radiação solar e reduz as perdas por convecção e radiação para o meio Essas devem ser fabricadas em vidro policarbonato ou acrílico Vedação consiste em isolar o coletor da umidade externa Reservatório Térmico Devido as oscilações de incidência de radiação solar em dias ensolarados e nublados períodos de chuva ou mesmo de baixa insolação ocorre uma diferença entre o tempo de produção de água quente pelos coletores e a sua utilização Dessa forma a utilização de reservatórios térmicos vem adequar a equação matemática entre a produção e o uso da água quente O reservatório térmico tem por objetivo armazenar e manter a temperatura da água quente Com um tanque interno de aço inoxidável para armazenar a água é constituído por uma camada de isolamento térmico de poliuretano e o acabamento externo é feito por uma chapa metálica ou material plástico O reservatório possui algumas conexões 73 hidráulicas para a entrada de água fria o fornecimento de água quente e para a saída e retorno dos coletores O reservatório é dotado de um sistema auxiliar constituído por uma resistência elétrica associada a um termostato para ser acionado quando o sistema não atingir o nível de temperatura suficiente para aquecer a água O reservatório pode ser fechado de forma a operar com o nível de água sempre no limite da capacidade e depende da pressão de entrada da água fria para que possa fornecer a água quente à edificação Essa configuração de reservatório deve ser instalada em edificações em um nível inferior à cota do reservatório de abastecimento de água fria O reservatório térmico também pode ser de nível que permite a distribuição de água quente mesmo sem abastecimento de água fria até o esvaziamento do reservatório Por fim o reservatório térmico pode ser configurado sem sistema elétrico auxiliar Dimensionamento de sistema de aquecimento solar residencial A ABNT NBR 155692020 estabeleceu diretrizes para projetos de sistema de aquecimento solar de água em circuito direto que será apresentado a seguir 1Cálculo do volume diário de consumo Vconsumo Sendo Vconsumo volume total de água quente consumido diariamente em L Qpu vazão da peça de utilização em Lmin tu tempo médio de uso diário da peça de utilização em min frequência de uso é o número total de utilizações da peça A NBR 155692020 estabelece alguns valores médios de consumos de água para diferentes utilidades conforme a seguir 74 Peças Consumo mínimo Consumo máximo Temperatura de Consumo ºC Ducha de Banho 30 Lmin 150 Lmin 3940 Lavatório 30 Lmin 48 Lmin 3940 Banheira 80 L 440 L 3940 Pia de cozinha 24 Lmin 72 Lmin 3940 Lavalouça 20L 20L 3950 Máquina de lavar roupa 90L 200L 3940 2Cálculo do volume do sistema de armazenamento Sendo Vconsumo volume de consumo diário em L Varmaz volume do sistema de armazenamento do sistema em L sugerese que Varmaz75 Vconsumo Tconsumo temperatura de consumo de utilização em ºC recomendase que seja utilizada temperatura de 40 ºC para ducha e lavabo Tarmaz temperatura de armazenamento da água em ºC sugerese que TarmazTconsumo Tambiente temperatura ambiente média anual do local de instalação em ºC 3Cálculo da demanda de energia útil Sendo Eútil energia útil em kWhmês Varmaz volume do sistema de armazenamento em L recomendase que Varmaz 75 Vconsumo a massa específica da água ou densidade igual a 1 kgL Cp calor específico da água 418 kJkgºC 75 Tarmaz temperatura de armazenamento da água em ºC Tambiente temperatura ambiente média anual do local de instalação em ºC 4Calcular a área coletora considera as perdas nos circuitos primários e secundários Sendo Acoletora área coletora expressa em metros quadrados m2 IG valor da Irradiação Global média anual para o local de instalação em kWhm2dia PMDEE produção média diária de energia térmica específica do coletor solar em kWhm2 mês Este dado pode ser obtido pelo fabricante Eútil energia útil em kWhmês Eperdas somatório das perdas térmicas dos circuitos primário e secundário em kWhmês 5Fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar Sendo β inclinaçao do coletor em relaçao ao plano horizontal em graus 15 β 90 βótimo inclinação ótima do coletor para o local de instalação em graus ou seja latitude local 10º α ângulo de orientaçao dos coletores solares em relaçao ao norte geográfico em graus º Exercício de Aplicação ABNT 2020 Dimensionar um sistema de aquecimento solar para uma residência localizada na cidade de São Paulo SP com as seguintes características Quatro moradores 76 Orientação Norte Geográfico 30º Leste Inclinação de instalação dos coletores solares 18 Água quente na ducha lavabo e cozinha PMEE do coletor solar da instalação 785 kWh mêsm2 IG de São Paulo52kWhm2 dia Vazão e tempo de uso dos equipamentos a Cálculo do volume diário de consumo da ducha lavabo e cozinha Vconsumo Ducha de banho Tempo médio de banho 10 minutos Vazão da ducha 66 lmin Frequência de uso 1 banho por usuário VConsumoDucha 66lmin x 10 min x 1 banho x 4 usuários 264 litros Pia do Lavabo Tempo médio de uso 3 minutos Vazão 30 lmin Frequência de uso 2 utilizações por usuário VConsumoPia 30lmin x 3 min x 2 usos x 4 usuários 72 litros Pia da cozinha Tempo médio de uso 3 minutos Vazão da cozinha 30 lmin Frequência de uso 2 utilizações por usuário VConsumoCozinha 30lmin x 3 min x 2 usos x 4 usuários 72 litros 77 VconsumoTotal 2647272408 litros b Cálculo do volume do sistema de armazenamento para temperatura de 50ºC Sugerese que a temperatura de consumo de utilização seja maior igual a 40ºC e que a temperatura de armazenamento da água seja maior igual a temperatura de consumo No caso deste exemplo consideramos Tconsumo42ºC e T ambiente 21ºC Varmaz 408 x 42215021 2955Ldia c Cálculo da demanda de energia útil e perdas no sistema Eútil 2955 litrosdias 1000kgm3418kJkgºC5021 3600s 30 dias Eútil 2985 kWhmês A norma estima uma perda em torno de 15 da Energia útil Eperdas 015 2985 kWhmês 488 kWhmês d Cálculo da Área coletora Fator de correção para inclinação e orientação do coletor solar 78 FCinstal 1112 x 104 x 18 332 35 x 105 x 302 FC instal106 Cálculo da área coletora O valor da Irradiação média global anual IG médio da cidade de São Paulo local da instalação do sistema de aquecimento solar é de 52 kWhm2dia Acoletora 2985448 kWhmês x 106 x 489 kWhm2dia 785 kWhm2mês x52 kWhm2dia Acoletora 44 m2 No sistema de aquecimento solar projeto é composto por um volume de armazenamento de cerca de 300 litros sendo necessária uma área coletora de 44m2 33 Sistema Solar Fotovoltaico A energia fotovoltaica é obtida pela conversão da radiação solar incidente no painel fotovoltaico em energia elétrica e em corrente contínua A célula fotovoltaica é o dispositivo fabricado de um material semicondutor capaz de fazer a conversão da luz direta em eletricidade Efeito Fotovoltaico De acordo com Santos 2013 os módulos fotovoltaicos funcionam como coletores absorvedores da radiação solar que convertem diretamente em eletricidade através de um processo conhecido como efeito fotovoltaico Alguns materiais quando expostos a luz possuem a característica de gerar eletricidade Os módulos são compostos por algumas células fotovoltaicas que tem sua origem na palavra fotovoltaica em foto luz e volt eletricidade A irradiação solar no plano inclinado igual à latitude local possibilita determinar a energia elétrica possível de gerar num sistema fotovoltaico A distribuição espacial da irradiação solar média anual Wm2 geralmente é estimada e representada em mapas solarimétricos para as distintas regiões do país A irradiação mínima necessária para conversão solar em sistemas fotovoltaicos é de 3 a 4 kWhm2dia CRESESB 2014 79 A energia produzida nesse processo pode ser consumida instantaneamente conforme a demanda da edificação ou pode ser armazenada em baterias para uso futuro Essa energia ainda pode ser transmitida pela rede de distribuição de energia local para o consumo de outras unidades Para tanto se faz necessária a instalação de um inversor de frequência que converterá a corrente contínua em alternada de forma ajustar a tensão e sincronizar com a rede de distribuição de energia CRESESB 2014 De acordo com Cresesb 2014 alguns materiais possuem características de serem semicondutores entre eles os elementos da tabela periódica dos grupos IV a VI dentre eles o carbono silício Germânio Arsênio Fósforo Selênio e Telúrio 331 Principais componentes do sistema De acordo o Moreira 2019 o sistema fotovoltaico é constituído por alguns componentes Painel ou módulo fotovoltaico é um conjunto de células fotovoltaicas em série instaladas entre duas camadas de acetato de etil vinila EVA e uma base de vidro ou filme de fluoreto de polivinila Tedlar formando um arranjo capaz de fazer a conversão da energia solar em energia elétrica e em corrente contínua conforme mostra a Figura 39 HODGE 2018 Figura 39 Arranjo Célula fotovoltaica Fonte HODGE 2018 80 Segundo Santos 2013 o princípio de funcionamento do efeito fotovoltaico se baseia em uma junção pn Essa junção é criada quando elétrons livres de uma camada lado n se deslocam para outra camada lado p na qual constam espaços vazios que os capturam Na junçao pn ocorre o trânsito de eletrons livres do lado n para o p propiciando um acúmulo de elétrons no lado p O lado p da junção passa a ser negativo e ocorre uma redução de elétrons do lado n que se torna positivo MOREIRA 2019 Quando a junção pn é submetida à radiação solar a incidência de fótons promove a movimentação dos elétrons através do campo elétrico criado de forma a gerar uma corrente elétrica quando os terminais da junção são conectados a um circuito elétrico Figura 36 Efeito fotovoltaico na junção pn De acordo com Santos 2013 e CRESESB 2014 os semicondutores mais indicados a serem utilizados em células fotovoltaicas para à conversão da radiação solar são aqueles que geram o maior produto correntetensão para a luz visível considerando que a maior parcela de energia fornecida pelos raios do sol está dentro da faixa visível do espectro Silício monocristalino tipo de célula mais comercializada e utilizada na produção de módulos fotovoltaicos Essa configuração de célula é formada por um bloco de multicristais O processo de fabricação iniciase pela extração do dióxido de silício que é solidificado em fornos especiais de forma a atingir um grau de pureza em torno de 99 entretanto para que desempenhe o papel de célula fotovoltaica a pureza deve ser da ordem de 999999 Sendo assim o silício é fundido com um material dopante do tipo p e o produto resultado é fundido e extraído num cilindro de silício monocristalino que é submetido à cortes em fatias Após a limpeza das 81 impurezas do material é adicionado um material do tipo n para formar a junção pn Esse processo é realizado através da difusão controlada na qual as fatias de silício monocristalino são expostas ao vapor de fósforo no forno sob temperatura entre 8001000ºC A eficiência dessas células varia em torno de 15 Silício Policristalino são mais baratas em comparação às de silício monocristalino uma vez que o processo de preparação das células é menos rigoroso entretanto possui menor eficiência em comparação às células de silício monocristalino Filmes finos Esse tipo de célula pode ser fabricado a partir de silício amorfo disseleneto de cobreíndio e telureto de cádmio As de silício amorfo possuem um processo de fabricação simples e menos dispendioso se comparada às demais células Podem ser construídas com grandes áreas e requerem pouca energia na sua fabricação Essas células possuem baixa eficiência de conversão e nos primeiros meses de operação o processo de degradação reduz a eficiência da célula ao longo de sua vida útil Armazenadores ou baterias necessários para os sistemas isolados da rede ou com necessidade de autonomia e redundância As baterias têm o propósito de armazenar energia suficiente para atender à demanda da edificação por um período definido em projeto Controlador de carga serve para a distribuição da energia gerada entre a demanda e os armazenadores Em casos de excedente de energia produzida o controlador inicia o carregamento das baterias Para os casos em que a demanda for superior a geração é necessário a utilização da carga das baterias Inversor de frequência responsável pela conversão da energia de corrente contínua para corrente alternada de acordo os requisitos dos equipamentos Para sistemas conectados à rede local de distribuição de energia elétrica o inversor tem o papel de sincronizar o sistema fotovoltaico com a rede 82 Suporte apoio dos painéis na edificação mantendo o espaçamento para ventilação na parte posterior do arranjo Caso o sistema seja instalado fora da edificação o suporte será a estrutura para os painéis A inclinação e direção devem ser ajustados conforme a orientação da radiação solar Condutores e quadro de conexão composto pelo circuito de conexão elétrica dos painéis e demais componentes de secionamento e segurança da rede 332 Sistemas não conectados à rede De acordo com Moreira 2019 e Santos 2013 os sistemas não conectados à rede consistem na geração de energia para atendimento da edificação em que foi instalado o sistema A necessidade de armazenadores se justifica em situações de pouca disponibilidade de radiação solar para que não ocorra interrupções do fornecimento de energia Para sistemas isolados da rede na qual a carga é compatível com a geração de energia elétrica que em painéis fotovoltaicos é em corrente contínua o sistema é composto pelos painéis fotovoltaicos controlador de carga baterias e acessórios para conexão Se a carga exigir corrente alternada tornase necessário instalar um inversor de frequência para a adequação do sistema 333 Sistemas conectados à rede Para sistemas conectados à rede não há a necessidade de instalar os armazenadores uma vez que nos casos de geração inferior à carga poderá haver fornecimento de energia a partir da rede local de distribuição Nesse tipo de sistema é possível transmitir à rede o excedente de energia o que possibilita reduzir o tempo do retorno do investimento e a presença do inversor de frequência sincronizado permite a conexão entre a rede interna e externa MOREIRA 2019 SANTOS 2013 334 Dimensionamento Exercício de aplicação de um dimensionamento de um sistema fotovoltaico para uma demanda de carga L de 485 Whdia MOREIRA 2019 1 Vamos considerar uma eficiência de 85 para o armazenador 83 L 485085 571 Whdia 2 Nesse exercício vamos adotar uma radiação global disponível I de 40 kWhm2 Calculase a potência P necessária considerando um fator de segurança de 25 I 4 kWhm2 P 125 5714 179 Wp Observação a unidade Wp Wattpico corresponde a unidade de medida utilizada para painéis fotovoltaicos e significa a potência em W que um painel fornece em condições específicas portanto corresponde à potência máxima de um painel fotovoltaico 3 Seleção do painel fotovoltaico e a configuração do arranjo Para atender a demanda existente temos uma potência P de 179Wp Adotamos um painel de 60Wp e portanto serão necessárias três unidades instaladas em série para atender a demanda de 179Wp 4 Para o cálculo da carga das baterias CB a partir da definição do limite máximo de descarga do armazenador igual a 50 considerando que o sistema tenha uma autonomia de dois dias CB 571 205 2284 Wh Adotandose uma tensão de alimentação de 24 V cc que deve ser compatível com o controlador de carga das baterias temos o consumo expresso por 2284 Wh24V 9516 96 Ah Ah ampèrehora unidade de carga elétrica Observação O consumo pode ser expresso em Wattshora entretanto como a tensão do sistema pode variar durante o processo diferença na tensão das baterias para os períodos de carga e descarga é comum expressar o consumo em Ampèreshora CRESESB 2004 84 5 Escolha do banco de baterias Vamos adotar uma bateria de 100 Ah em 12 Volts Para atender à demanda calculada devese compor o sistema por um arranjo contendo duas unidades em série de forma a contemplar os 24 Volts projetados acima Etapas do Projeto de um Sistema Fotovoltaico As principais etapas de um projeto de um Sistema Fotovoltaico consistem em Levantamento adequado do recurso solar no local da instalação Levantamento da demanda e consumo de energia elétrica Dimensionamento do gerador fotovoltaico Dimensionamento dos equipamentos de controle inversor controlador de carga sistema de armazenamento I Avaliação do Recurso solar Para quantificar a radiação solar global incidente no painel fotovoltaico ás vezes é necessário utilizar métodos de tratamento de dados A variação da radiação solar e da temperatura são fatores que influenciam a potência do painel fotovoltaico Para otimizar o dimensionamento do sistema solar fotovoltaico devese considerar o mês que aponta o menor índice de radiação do ano Para determinar o valor acumulado de energia solar ao longo de um dia utilizase o número de horas de Sol Pleno Esse parâmetro indica o número de horas em que a radiação solar deve permanecer constante e igual a 1 kWm2 1000 Wm2 de forma que a energia resultante seja equivalente à energia acumulada para o dia e para o local da instalação do sistema Veja a seguir um exemplo de cálculo do número de horas de Sol Pleno SP para um caso em que a energia diária acumulada é de 4 kWhm2 SP 4 kWhm21 kWm2 4 horasdia 85 Na Tabela 32 são apresentados os valores da radiação para o plano inclinado de 21 em relação à horizontal da cidade de São Paulo para exemplificar No caso dos dados da cidade de São Paulo o mês com menor incidência da radiação solar foi junhojulho com 32 kWhm2dia Tabela 32 Irradiação solar média da Cidade de São Paulo Município Irradiação solar diária média kWhm2dia Latitude Longitude Distância km Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Média São Paulo 235 S 46649 O 55 52 55 47 41 34 32 32 42 42 48 51 57 445 Fonte CRESESB 2020 II Localização do sistema fotovoltaico De acordo com o Cresesb 2014 embora a incidência de radiação solar seja uniforme em algumas localidades há que se considerar que a escolha do local de instalação do painel fotovoltaico influencia no seu desempenho a considerar os elementos que ocasionem sombreamento ou superfícies reflexivas aspectos estéticos resistência mecânica do telhado e do prédio e efeito da ação dos ventos Em instalações livres a ocorrência de sombreamento é minimizada já em instalações urbanas como em telhados há uma certa restrição para o posicionamento dos painéis III Configuração do sistema fotovoltaico A seleção do tipo de sistema conectado à rede ou isolado influencia os componentes necessários para o arranjo do sistema Essa escolha baseiase nas características da carga bem como na disponibilidade de energia IV Levantamento da carga e consumo de energia elétrica Um dos prérequisitos para o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos é que a geração de energia deve ser maior que a carga dentro de um determinado período Para verificar a carga necessária para uma edificação é necessário somar as energias consumidas por cada equipamento da edificação Para tanto devese considerar a potência elétrica dados do fabricante o tempo diário de funcionamento e os dias de 86 utilização por semana para contabilizar a energia consumida em Whdia que podem ser considerado os valores médios De acordo com o Cresesb 2014 o consumo médio de energia kWh de um equipamento pode ser determinado pela equação abaixo Cm PeNdDm1000 Em que CmkWhmês consumo médio mensal PeW potência nominal do equipamento manual do fabricante Ndhdia número de horas diárias de utilização do equipamento Dm diasmês número médio de dias de utilização do equipamento por mês Vamos considerar como exemplo uma estimativa de carga conforme tabela a seguir Tabela 33 Estimativa de consumo diário de energia Carga Potência W Tempo de utilização por dia horas Dias de utilização por semana Consumo diário Wh Equipamento 1 15 3 4 Dividir por sete dias da semana 257 Equipamento 2 60 2 2 343 Equipamento 3 100 15 7 1500 Potência total 175 Consumo diário total 2100 Fonte CRESESB 2014 Elaborado pelo autor Se o equipamento for em corrente alternada é necessário considerar a eficiência do inversor de frequência e portanto dividir o consumo diário pelo fator decimal da eficiência média do inversor que em muitos casos varia em torno de 90 portanto o resultado da coluna consumo diário deve ser dividido por 09 CRESESB 2014 O sistema fotovoltaico isolado deve considerar um sistema de armazenamento de energia elétrica para atender a demanda em momentos de não geração 87 Um método comum para o dimensionamento de sistema fotovoltaico isolado é pelo método do mês crítico que considera a condição mais desfavorável na relação cargairradiação de forma que haja energia suficiente para os demais meses Dimensionamento do painel fotovoltaico Para determinar a energia ativa necessária diariamente L devese considerar a carga de corrente contínua e corrente alternada para que seja levada em consideração a eficiência do inversor de frequência conforme demonstra a equação abaixo L Lccnbat Lcanbatninv Em que LccWhdia quantidade de energia consumida em corrente contínua num determinado mês LcaWhdia quantidade de energia consumida em corrente alternada num determinado mês hbat eficiência global da bateria hinv eficiência do inversor De acordo com o CRESCESB 2014 a eficiência do inversor deve ser no mínimo de 85 e da bateria em torno de 86 Para determinar a potência do painel fotovoltaico devese utilizar a fórmula a seguir Em que Pm Wp potência do painel fotovoltaico Li Whdia quantidade de energia consumida por dia no mês 88 HSP hdia horas de sol pleno no plano do painel fotovoltaico no mês Red1 fator de redução da potência dos módulos em relação à potência nominal devido às intempéries como acúmulo de sujeira degradação física perdas em razão da temperatura Atribuise a esse parâmetro o valor de 075 Red2 fator de derating da potência devido às perdas no sistema fiação controlador diodos entre outros Atribuise a esse parâmetro um valor de 09 Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo o aproveitamento da energia solar para i aquecimento residencial e a geração de energia elétrica Foram apresentados o recurso solar o sistema fotovoltaico e o dimensionamento de um sistema de aquecimento residencial com placas solares REFERÊNCIAS CRESESB Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos Rio de Janeiro CRESESB 2014 ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS ABNT NBR 15569 Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto Projeto e instalação Rio de Janeiro ABNT 2008 HODGE B K Sistemas e aplicações de energia Rio de Janeiro LTC 2018 MOREIRA J R S Energias renováveis geração distribuída e eficiência energética Rio de Janeiro LTC 2019 NETO M R B Geração de energia elétrica fundamentos São Paulo Editora Saraiva 2012 SANTOS M A org Fontes de Energia Nova e Renovável Rio de Janeiro LTC 2013 TOLMASQUIM M T Energia Renovável Hidráulica Biomassa Eólica Solar Oceânica Rio de Janeiro EPE 2016 89 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES BALFOUR J Introdução ao projeto de sistemas fotovoltaicos Rio de Janeiro LTC 2019 BORGES NETO M R Geração de energia elétrica fundamentos Sao Paulo Erica 2012 HINRICHS R A Energia e meio ambiente Sao Paulo Cengage Learning 2014 ROSA A Processos de Energias Renováveis Rio de Janeiro Elsevier 2015 90 4 ENERGIA DA BIOMASSA E BIOCOMBUSTÍVEIS Apresentação Olá alunoa Neste bloco serão apresentados os principais conceitos envolvendo o aproveitamento energético da biomassa os tipos de biomassa disponíveis as características da biomassa e as tecnologias de conversão da biomassa em energia Não obstante veremos as principais rotas tecnológicas para a produção de biocombustíveis e biogás para geração de energia Bons estudos 41 Energia da Biomassa e Biocombustíveis De acordo com Neto 2012 a biomassa é a energia proveniente de matérias como as plantas os animais os resíduos sólidos urbanos as industriais as agrícolas e as florestais Segundo Hinrichs 2014 é possível descrever a biomassa como energia solar armazenada A biomassa é considerada uma fonte de energia limpa e renovável tornandose uma boa alternativa para a diversificação da matriz energética promovendo a redução da dependência dos combustíveis fósseis A biomassa pode ser utilizada como combustível na forma sólida madeira casca arroz resíduos sólidos urbanos serragem bagaço de cana entre outros materiais de origem orgânica como combustível líquido proveniente da ação de uma reação química ou mesmo biológica entre a biomassa sólida ou a partir da conversão do açúcar dos vegetais em combustíveis líquidos como o etanol e o metanol Além disso a partir da biomassa podemos obter combustíveis gasosos essa fonte de energia é submetida a uma reação química à alta pressão e temperatura dando origem ao vapor ou ao gás combustível NETO 2012 HINRICHS 2014 91 O processo fundamental de formação da biomassa e a fotossíntese que consiste na reação entre o CO2 atmosférico com a água na presença de energia solar produzindo oxigênio e carboidratos como açúcares e amidos CO2 H2O energia luminosa O2 carboidratos A respiração consiste no processo reverso na combustão dos carboidratos produzindo CO2 H2O O processo geral de fotossíntese conversão da energia solar para ser armazenada como energia química tem uma eficiência de 1 De acordo com HINRICHS 2014 os principais processos de conversão de biomassa em outras formas de energia são divididos em Processos Bioquímicos que consistem na decomposição da parcela orgânica numa condição subestequiométrica ausência de oxigênio denominada digestão anaeróbia para produção de metano CH4 ou através da fermentação para a produção de álcool etanol e metanol Combustão Direta que consiste na queima de biomassa para produção de calor destinado ao aquecimento ou para geração de eletricidade através da utilização de turbinas Pirólise que é a decomposição térmica de resíduos sob altas temperaturas 500oC a 900oC em uma atmosfera pobre em oxigênio para a formação de líquido e gás Tipos de Biomassa De acordo com Cortez et al 2008 a biomassa pode ser obtida de resíduos vegetais resíduos sólidos urbanos industriais animais e resíduos florestais Os resíduos vegetais são resultantes das atividades agrícolas palha folhas caules etc e o Brasil é um grande produtor agrícola o que possibilita o aproveitamento dessa 92 matéria prima que possui um poder calorífico médio de 16MJkg de matéria seca para a obtenção de energia Os resíduos sólidos urbanos correspondem aos resíduos domésticos e comerciais e possuem composição gravimétrica variável composta por 50 de matéria orgânica seguido de papel papelão vidro metal entre outros Devido à grande porcentagem de matéria orgânica que é biodegradável o aproveitamento pode ser realizado através de diversas tecnologias entre elas a biodigestão gaseificação ou a geração de biogás em aterros sanitários Os resíduos industriais são gerados em unidades de beneficiamento de produtos agrícolas e florestais como o carvão vegetal da siderurgia A indústria madeireira produz resíduos do beneficiamento de toras para a fabricação de produtos para serrarias e mobiliário e a indústria de alimentos e bebidas também gera resíduos durante o processo produtivo O aproveitamento desses resíduos é feito através da queima em caldeiras e fornos e da biodigestão anaeróbia Os resíduos de origem animal como excrementos variam de acordo com as práticas de criação sendo mais empregados os resíduos gerados pela pecuária bovina suína caprino e ovino devido ao potencial energético obtido Além do uso energético dos resíduos esses podem ser empregados na produção de biofertilizantes O aproveitamento energético florestal é possível mediante a utilização de produtos e subprodutos dos recursos florestais que incluem a biomassa lenhosa produzida de forma sustentável a partir de florestas plantadas para esse fim a biomassa resultante do desflorestamento de floresta nativa para a abertura de áreas para a agropecuária e ainda de atividades que processam ou utilizam a madeira para fins não energéticos no caso a indústria de papel e celulose indústria moveleira serrarias etc O teor energético da biomassa florestal se deve à composição de celulose e lignina contidas na matéria e ao baixo teor de umidade Algumas rotas tecnológicas são utilizadas para a conversão termoquímica desse insumo como a combustão direta e a carbonização e tecnologias mais complexas para a produção de combustíveis líquidos e 93 gasosos como metanol etanol gases de síntese licor negro um subproduto da indústria de celulose entre outros De acordo com Cortez et al 2008 além dos tipos de biomassa citados anteriormente há que se destacar os resíduos da indústria agrícola como os produtos e subprodutos provenientes das plantações não florestais A biomassa de origem agrícola é submetida às tecnologias de conversão biológica e físicoquímicas como a fermentação a hidrólise e a transesterificação para produzir combustíveis líquidos como o etanol e o biodiesel por exemplo Dentre os recursos agrícolas recomendados ao aproveitamento energético destacamse a cana de açúcar o arroz o milho o trigo a beterraba a soja o amendoim o girassol a mamona e o dendê Caracterização da biomassa Dentre as principais características da biomassa podemos destacar Composição química elementar consiste no teor em massa dos principais elementos que constituem a biomassa por exemplo carbono hidrogênio nitrogênio enxofre oxigênio e cinzas É o parâmetro base para determinar as reações estequiométricas da combustão Composição química imediata consiste no teor percentual de carbono fixo materiais voláteis cinzas e umidade presente na biomassa Cada componente influencia no processo de conversão energética por exemplo o teor de voláteis indica a facilidade com que o material pode ser queimado Umidade teor de água presente na amostra Quanto maior a umidade maior o dispêndio de energia para evaporar essa parcela da biomassa para a geração da energia Em muitos casos a biomassa precisa ser submetida a um processo de secagem para o aproveitamento energético Poder calorífico O poder calorífico consiste no potencial de energia extraído de uma determinada biomassa É a quantidade de calor energia térmica possível de ser liberada durante o processo de combustão completa de uma unidade de 94 massa ou volume Geralmente é expressa na unidade kJkg ou kJm3 O poder calorífico pode ser dividido em duas categorias PCI poder calorífico inferior que não considera o calor latente de condensação da parcela de água da biomassa e o PCS poder calorífico superior no qual se considera o calor latente Em resumo o PCI corresponde ao efetivo calor que pode ser obtido de um determinado combustível Cada tipo de combustível tem um poder calorífico distinto por exemplo o PCS do gás natural varia em torno de 103 kcalkg enquanto para o eucalipto esse valor é de aproximadamente 45 kcalkg CORTEZ et al 2008 42 Processos de conversão energética da biomassa A conversão energética da biomassa pode ser realizada através de diferentes rotas tecnológicas conforme apresentado na Figura 410 divididos em processos termoquímicos bioquímicos e físicoquímicos CORTEZ et al 2008 Figura 410 Processos de conversão energética de Biomassa 421 Processos Termoquímicos de conversão energética da biomassa A conversão termoquímica ocorre quando a energia química armazenada na biomassa é convertida em calor através de reações de combustão Existem algumas alternativas tecnológicas que possibilitam esse aproveitamento Nessa rota para as diferentes tecnologias disponíveis há uma diferença na quantidade de oxigênio o coeficiente 95 estequiométrico utilizado no processo de decomposição térmica da porção combustível da biomassa podendo ser combustão direta pirólise e gaseificação A combustão consiste na conversão da energia química em calor através de reações entre os componentes elementares da matéria e oxigênio Nesse processo que é realizado em fornos e caldeiras é fornecida uma quantidade de oxigênio para a obtenção da combustão completa gerando um gás de combustão de alta temperatura composto principalmente por CO2 e H2O além de nitrogênio gasoso A pirólise consiste em um processo físicoquímico no qual ocorre o aquecimento da biomassa em temperaturas altas em torno de 500oC a 800oC em condições de quase ausência de oxigênio atmosfera não oxidante para a formação de um composto sólido rico em carbono carvão e uma fração volátil de gases e compostos orgânicos óleo pirolítico ou licor pirolenhoso A fração desses produtos depende do processo empregado e das características da biomassa utilizada Dentre os parâmetros que influenciam o processo de pirólise destacamse Temperatura Tempo de residência Taxa de aquecimento Pressão Tipo de atmosfera Uso de catalizadores Segundo Cortez et al 2008 a gaseificação consiste em um processo termoquímico da conversão da biomassa sólida em gás também chamado de producer gas ou gás pobre Esse gás combustível é produzido através reações de oxidação parcial em temperaturas intermediárias ou seja em temperaturas acima das empregadas nos processos de pirólise e abaixo das recomendadas em processos de combustão 96 A gaseificação é realizada por meio da injeção controlada de ar oxigênio puro ou uma mistura desses com vapor de água A utilização de uma determinada atmosfera oxidante influencia a qualidade do gás produzido e portanto seu uso final O gás produzido através da gaseificação com ar possui baixo poder calorífico o processo utilizando oxigênio puro ou uma mistura de gases gera um gás de médio ou alto poder calorífico Essa diferença observada no potencial energético do gás para os diferentes tipos de agente oxidante se dá devido ao teor de nitrogênio livre no gás gerado pois a mistura gasosa de saída do reator utilizando o ar possui cerca de 50 em volume de nitrogênio Quando se utiliza o oxigênio puro misturas de oxigênio ou ar com vapor de água esse teor é bem menor se comparado ao processo que utiliza o ar CORTEZ et al 2008 O processo de gaseificação é realizado em duas etapas sendo que na primeira ocorre a pirólise do material ou seja são formados os líquidos e gases a partir da fração volátil e o carvão A segunda etapa do processo corresponde à gaseificação dos hidrocarbonetos líquidos e do carvão Essa fase ocorre em altas temperaturas e na presença de um agente oxidante Os produtos da gaseificação são uma mistura de gases rica em CO contendo ainda H2 CO2 CH4 outros hidrocarbonetos e N2 se for utilizado o ar no processo carbono e cinzas As duas etapas ocorrem em zonas diferentes do reator gaseificador IRENA 2012 O processo de gaseificação realizado com ar é relativamente mais barato entretanto o gás combustível produzido possui baixo poder calorífico 56 MJm3 devido à alta concentração do N2 presente no ar O processo realizado com oxigênio puro ou vapor produz um gás combustível com maiores teores de CO e H2 obtendo portanto um gás com maior poder calorífico 919 MJm3 porém o custo do processo é mais elevado O gás gerado nesse processo pode ser utilizado em motores a gás turbinas a gás motor Stirling ou mesmo em célula combustível para geração de eletricidade 97 422 Processos FísicoQuímicos de conversão energética da biomassa Os processos de conversão físicoquímica da biomassa são aqueles que empregam técnicas de compressão e esmagamento de vegetais para extrair os óleos vegetais que serão transformados quimicamente Essas transformações químicas variam em função do produto final pretendido Os óleos vegetais podem ser processados através de esterificação direta sendo então diretamente utilizáveis em motores à combustão interna Podem ser empregados na produção de biodiesel através da transesterificação alcoólica por via catalítica ácida básica ou enzimática e o craqueamento catalítico ou térmico Estudos apontam também a utilização da transesterificação do metanol e etanol para utilização em mistura com o diesel derivado de petróleo MACEDO e NOGUEIRA 2005 A produção do biodiesel iniciase a partir de um álcool que pode ser o metanol ou o etanol O Biodiesel pode ser um substituto do diesel do petróleo utilizado sozinho ou como uma mistura sendo representado pela sigla B5 ou B20 que corresponde à porcentagem presente na mistura De acordo com Neto 2012 a mistura contendo até 20 de biodiesel dispensa modificações nos motores valores acima requerem ajustes nos acionadores primários O biodiesel pode ser produzido a partir de gordura animal ou óleos vegetais sendo que este último apresenta a vantagem de ser renovável e ainda promover o sequestro de carbono uma vez que durante o crescimento os vegetais removem a parcela de CO2 da atmosfera no processo de fotossíntese Dentre as oleaginosas mais empregadas na produção de biodiesel destacamse a mamona a soja o girassol e o dendê NETO 2012 De acordo com Santos 2013 a produção de biocombustíveis é realizada a partir da conversão de fontes primárias por exemplo canadeaçúcar soja palma mamona entre outras em uma fonte secundária que pode ser o etanol o biodiesel entre outros Essa energia secundária é responsável por acionar um conversor de energia por exemplo o automóvel que tem o papel de converter a energia química em força motriz 98 As etapas de produção de biocombustíveis podem ser divididas em 3 partes I Etapa primária agrária II Etapa secundária extração e distribuição para os centros de transformação III Etapa terciária tecnologia de produção A etapa agrária do processo de obtenção de biocombustíveis constituise no planejamento de áreas no Brasil para o plantio de culturas destinadas à agroenergia O Brasil possui a vantagem de possuir uma extensão territorial significativa para o desenvolvimento de florestas energéticas bem como outras fontes de energia voltadas à produção de biomassa para biocombustíveis Segundo Santos 2013 o clima do Brasil favorece a plantação de diversas culturas recomendadas ao uso bioenergético A cultura da soja apresenta característica agronômica satisfatória como alto rendimento resistência às pragas e doenças alta capacidade para fixação de nitrogênio e adaptação ao clima do Brasil A mamona é uma planta que foi trazida para o Brasil da região da África e da Ásia que se adaptou facilmente ao clima brasileiro e possui a característica de produzir um óleo vegetal muito empregado para fins industriais uma vez que não apresenta alteração nas suas propriedades mediante as mudanças bruscas de temperatura O óleo de dendê palma é considerado o óleo vegetal de maior produtividade no mundo O girassol também é uma das opções de biomassa muito empregadas na produção de óleo vegetal pois também apresenta boa adaptabilidade às condições climáticas no Brasil além de possuir características físicoquímicas e nutricionais atrativas Pesquisadores apontam que a expansão da bioenergia poderá influenciar a área disponível para a produção de alimentos no mundo Em países com restrições de áreas agricultáveis a expansão da cultura de bioenergia poderá ocasionar escassez de alimentos A energia proveniente dos biocombustíveis pode contribuir para a inclusão produtiva e a geração de renda nas áreas rurais promovendo a agricultura familiar que pode vir a 99 desempenhar um estratégico e importante papel nas cadeias de energias renováveis do país O Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel PNPB promovido pelo governo brasileiro consiste na implementação sustentável da produção e uso do biodiesel de forma a garantir a inclusão produtiva e o desenvolvimento rural sustentável bem como a geração de emprego e renda A etapa secundária da produção de biodiesel consiste na extração e transporte do óleo para os centros de distribuição A Lei n 110972005 define o biodiesel como um tipo de combustível produzido a partir da biomassa possível de ser utilizado em motores a combustão interna com ignição por compressão podendo substituir de forma parcial ou integral o óleo diesel de origem fóssil Além disso a Lei estabelece que a mistura diesel fóssil e biodiesel obrigatória era de 2 B2 o que ao longo do tempo foi ampliado pelo Conselho Energético de Política Energética CNPE até o atual percentual de 120 O biodiesel propicia ao Brasil uma posição de destaque em comparação aos demais países e junto ao Etanol fortalecem a participação dos biocombustíveis na matriz energética promovendo uma maior diversidade de fontes energéticas renováveis A etapa terciária trata das tecnologias disponíveis para a produção de biodiesel Dentre os processos mais comuns de conversão de óleos vegetais em biocombustíveis temos a transesterificação e o craqueamento Os óleos são produzidos a partir de um composto químico conhecido como triglicerídeo que possui três cadeias de átomos de carbono interligadas Tanto o processo de craqueamento quanto a transesterificação buscam separar essas três cadeias dando origem a um composto de cadeias de carbono mais curtas lineares que possuem características próximas aos do diesel proveniente do petróleo SANTOS 2013 O processo de transesterificação consiste na reação entre o óleo vegetal ou a gordura e um álcool seja o etanol ou metanol produzindo um éster de cadeia longa denominado biodiesel De maneira geral esse processo consiste na separação da glicerina do 100 triglicerídeo do óleo vegetal A glicerina compõe cerca de 10 da molécula de óleo vegetal que ao ser separada reduz a viscosidade do óleo que é substituída pelo álcool A glicerina pode ser empregada como matériaprima na indústria de cosméticos tintas adesivos produtos farmacêuticos têxteis entre outros De acordo com Santos 2013 a molécula de óleo vegetal ou gordura animal é constituída por três ésteres que estão ligados a uma molécula de glicerina dando origem a um triglicerídeo O processo de produção de biodiesel é composto das seguintes etapas preparar a matériaprima óleo ou gordura animal a reação de transesterificação separar as fases recuperar o álcool promover a destilação da glicerina e por último a purificação do biodiesel De maneira geral o processo de transesterificação visa retirar o glicerol dos triglicerídeos e substituílo pelo álcool seja o etanol ou metanol Essa reação requer a presença de um catalisador que acaba sendo incorporado ao produto final aumentando os custos do processo devido a necessidade de purificação Dessa forma haverá no produto final da reação a fração de triglicérides residuais álcool que não reagiu glicerina produtos de reações paralelas e o próprio catalisador CORTEZ et al 2008 Segundo Santos 2013 a molécula de óleo vegetal ou gordura animal é constituída por três ésteres que estão ligados a uma molécula de glicerina dando origem a um triglicerídeo Figura 411 Reações Químicas do processo de Transesterificação Fonte KNOTHE et al 2006 101 A matériaprima é submetida a um processo de neutralização e de secagem O teor de acidez é reduzido através de lavagem com solução alcalina O processo requer uma umidade baixa da matériaprima O catalisador mais empregado no processo é o hidróxido de sódio devido aos aspectos econômicos Além desse pode ser empregado o hidróxido de potássio CORTEZ et al 2008 A recuperação do álcool é dada por evaporação e desidratação sendo que o metanol se desidrata mais facilmente do que o etanol A glicerina é submetida a um processo de destilação para agregar valor a esses subprodutos sendo realizada por destilação à vácuo gerando um produto límpido e transparente O processo de purificação do biodiesel consiste na retirada de contaminantes ainda presentes glicerol triglicerídios e álcool no combustível que possuem efeitos prejudiciais aos motores bem como ao meio ambiente Esse processo de purificação é realizado por meio de uma centrifugação seguida de desumidificação SANTOS 2013 A Figura 412 apresenta o processo de produção de biodiesel Figura 412 Processo de produção de Biodiesel Fonte GENOVESE et al 2006 O craqueamento difere da transesterificação pois quebra as moléculas do óleo vegetal formando produtos químicos com propriedades similares ao diesel fóssil Este processo é realizado em altas temperaturas com a presença de um catalisador 102 De acordo com Knothe et al 2006 os óleos utilizados para a cocção de alimentos fritura podem também ser empregados na produção de biodiesel entretanto são necessárias mudanças no procedimento de reação devido à presença de água e de ácidos graxos livres AGL A produção de biodiesel através do processo de transesterificação pode seguir pela rota metílica ou etílica A rota metílica utilizando o metanol na qual as matérias primas mais empregadas são a Colza originaria da Europa e a soja nos Estados Unidos apresenta algumas vantagens Há uma separação instantânea da fase éster da glicerina e uma recuperação do álcool completa o que possibilita o retorno desse ao processo Nessa rota os subprodutos gerados são recuperados em fases subsequentes do processo podendo ser empregados na indústria química ou mesmo ser utilizados como reagentes no processo A rota metílica é mais barata em relação à etílica devido ao maior domínio tecnológico A rota etílica apresenta a vantagem da disponibilidade de etanol no Brasil bem como a baixa toxicidade da matéria prima além de ser uma fonte renovável de energia Como foi dito a Rota Etílica apresenta vantagens ambientais em razão das matérias primas do processo serem fontes renováveis do óleo e do álcool Há que se destacar que a produção do éster pela rota etílica é mais complexa requerendo maiores etapas e utilização de centrífugas específicas para promover uma boa separação da glicerina De acordo com Knothe et al 2006 o biodiesel apresenta várias vantagens a começar pela compatibilidade com o diesel proveniente do petróleo em relação às suas propriedades O biodiesel é biodegradável proveniente de fontes renováveis promove a redução da dependência dos combustíveis fósseis e emite menor concentração de poluentes atmosféricos decorrentes do processo de combustão A emissão de dióxido de carbono do processo de combustão quando utilizado o biodiesel pela rota etílica é neutralizado pelo processo de fotossíntese durante o desenvolvimento da cana de açúcar que é a matéria prima para produção do etanol 103 Segundo Tolmasquim 2003 além da redução das emissões de CO2 a utilização de biodiesel como combustível reduz a emissão de compostos de enxofre e material particulado em 98 e 50 respectivamente Com relação aos compostos de óxidos de nitrogênio é possível observar um aumento nas emissões de Nox um gás precursor da formação de ozônio troposférico Esse perfil notório de aumento das emissões de NOx se deve aos combustíveis oxigenados álcool Outra vantagem da utilização de biodiesel se refere à geração de empregos e aumento nos teores de nitrogênio do solo devido à presença de bactérias nitrificantes que fixam nitrogênio no solo Esse fornecimento de nitrogênio no solo viabiliza o plantio de outras culturas e recuperação de solos improdutivos Embora o biodiesel apresente muitas vantagens é importante destacar que o processo produtivo desse combustível gera um grande volume de glicerina que geralmente é comercializado como sabão a um custo bastante irrisório e não se tem uma real dimensão dos impactos ambientais decorrentes Como a matériaprima para produção de biodiesel são as oleaginosas soja dendê entre outros observase que a produção agrícola tem avançado por áreas de florestas e preservação ambiental impactando de forma negativa a preservação da biodiversidade Os custos envolvendo o processo de produção de biodiesel é cerca de 15 a 3 vezes superior ao diesel proveniente do petróleo dificultando a competividade com o composto de origem fóssil 43 Processo de Conversão bioquímica A rota de conversão bioquímica da biomassa utiliza processos biológicos e químicos que incluem a digestão anaeróbica a fermentaçãodestilação e a hidrólise 431 Produção do Etanol A fermentaçãodestilação e a hidrólise são rotas empregadas na produção de combustíveis líquidos por exemplo o etanol derivados da biomassa sendo a fermentação a tecnologia mais comum A hidrólise consiste em um processo de conversão de materiais celulósicos em açúcares que é um produto intermediário do processo de fermentaçãodestilação convencional 104 No Brasil a produção de etanol é realizada a partir de canade açúcar e esse processo dividese em duas fases a agrícola que corresponde à produção da matéria prima canadeaçúcar e a fase industrial com o processamento da matéria prima para produção de açúcar e álcool Segundo Tolmasquim 2016 a cogeração é definida como a geração combinada de calor e eletricidade com uso útil de ambas as formas de energia No setor sucroenergético a cogeração é empregada na geração de vapor e bioeletricidade que são utilizados nos próprios processos de produção de açúcar e etanol O vapor é utilizado para o acionamento mecânico das moendas e picadores no processamento dos colmos da cana e nos processos de fabricação de açúcar e etanol Algumas usinas modernas utilizam a eletricidade para o acionamento dessas moendas e picadores o que reduz a demanda por vapor e permite seu direcionamento para a geração elétrica Uma usina de açúcar e álcool é composta pelos seguintes processos recebimento da cana preparo da cana moagem tratamento do caldo fabricação de açúcar fabricação de etanol geração de vapor e energia disposição de efluentes e estocagem dos produtos SANTOS 2013 I Recebimento da matéria prima CanadeAçúcar A canadeaçúcar passa por um processo aleatório de amostragem quando chega à usina para análise da qualidade de teores de sacarose e quantidade de terra presente na matériaprima se a coleta for manual O teor de sacarose indica o preço da cana e a terra sinaliza a possível necessidade de lavagem para reduzir impurezas e evitar a danificação dos equipamentos Esse procedimento só é recomendado se os teores de terra forem significativos pois a lavagem promove uma perda na quantidade de sacarose e influencia na produção de açúcares A colheita mecanizada não requer a etapa de lavagem da cana quando necessário são utilizados procedimentos de limpeza a seco baseados em jatos de ar A cana é descarregada em mesas alimentadoras da moenda por meio de guindastes 105 II Preparo da Cana Após a etapa de limpeza a cana é submetida a um processo de redução da sua granulometria através de um picador seguido do desfibrador e um eletroímã O picador e o desfibrador promovem o aumento da densidade e tem o objetivo de romper ao máximo as células da fibra para facilitar a extração da sacarose O picador é composto por um conjunto de facas rotativas para picar a cana ou nivelar a camada de cana na esteira para facilitar o processo do desfibrador O desfibrador constituise de um rotor com martelos oscilantes e uma placa desfibradora que pulveriza a cana e abre as células que contêm os açúcares facilitando o processo de extração do açúcar O eletroímã é responsável pela remoção de materiais ferrosos e evitar danos aos equipamentos do sistema III Moagem O processo de moagem tem por objetivo a extração do caldo e do bagaço essa etapa é constituída por dois rolos pelos quais a matéria prima deve passar sob uma determinada pressão e rotação para obtenção do caldo e produção do bagaço com um teor de umidade compatível para o aproveitamento em caldeiras para a produção de vapor A moeda é constituída por um conjunto de ternos que são compostos por rolos para onde a cana de açúcar previamente preparada será direcionada para a extração do caldo No primeiro terno temse a extração da maior parcela de caldo que seguem para os demais ternos para a remoção do caldo residual Para aumentar a eficiência no processo de extração do caldo o processo conta com a recirculação do material residual e a injeção de água na camada de cana remanescentes dos últimos ternos para extrair o restante de caldo presente na matéria prima O caldo extraído no primeiro terno do processo é destinado à fabricação de açúcar devido aos altos teores de sacarose e o restante vai para a destilaria A eficiência da extração de açúcares ultrapassa os 90 e a umidade final do bagaço fica em torno de 106 50 Depois de extraído o caldo é encaminhado à unidade de tratamento para produzir açúcar e etanol e o bagaço é utilizado nas caldeiras para gerar vapor e energia SANTOS 2013 IV Tratamento do Caldo A etapa de tratamento do caldo tem por objetivo Eliminação de impurezas grosseiras bagaços pequenos e areia e coloidais que causam desgaste nos equipamentos e possíveis incrustações reduzem a capacidade de produção e dificultam a recuperação do fermento Conservar os nutrientes vitaminas açúcares fosfatos sais minerais e aminoácidos livres que são insumos importantes para o metabolismo das leveduras Reduzir os contaminantes microbianos que desenvolvem uma relação de competição com as leveduras pelo substrato e podem produzir substâncias tóxicas que podem minimizar a eficiência e a viabilidade do fermento O tratamento do caldo para a remoção das impurezas é realizado através do processo de peneiramento calagem aquecimento decantação concentração e resfriamento O peneiramento consiste na remoção de impurezas grosseiras Na caleagem o caldo recebe a adição de cal que promove a floculação e facilita o processo de precipitação das impurezas menores solúveis e insolúveis eleva o pH para um valor próximo do neutro para favorecer o processo de decantação e proteger os equipamentos da corrosão Em seguida o caldo passa por um aquecimento em torno de 103 e 105oC para favorecer a etapa de decantação Na sequência o caldo passa por um processo de ebulição dentro de um balão de flash para a retirada do ar dissolvido no caldo A decantação remove os flocos formados nas etapas anteriores e o caldo livre das impurezas é denominado caldo clarificado que é destinado à fabricação de açúcar e 107 álcool O lodo formado na decantação é encaminhado à filtração que produz um caldo filtrado que retorna ao processo de caleagem Os resíduos da etapa da filtração são direcionados ao uso agrícola como fertilizantes V Fabricação de Etanol Fermentação O caldo de cana é encaminhado às domas tanques e recebe a adição de fermento com leveduras fungos que se alimentam do açúcar presente na mistura As leveduras são responsáveis pela quebra das moléculas de glicose produzindo etanol e gás carbônico Esse processo é realizado durante horas gerando como subproduto o vinho fermentado que possui leveduras açúcar não fermentado e cerca de 10 de etanol Destilação Consiste na separação do etanol do vinho fermentado mediante o aquecimento até a evaporação Após a evaporação o etanol é submetido a um processo de condensação e portanto dando origem ao álcool hidratado com grau alcoólico de 96 Na etapa de destilação a produção de etanol ocorre em colunas superpostas O vinho é adicionado no topo da primeira coluna sendo retirada pelo fundo a flegma A flegma consiste no produto principal da destilação composta por uma mistura impura de água e álcool Além da Flegma o processo gera a vinhaça que consiste num resíduo aquoso no qual se acumulam as substâncias fixas do vinho e parte dos voláteis A vinhaça pode ser empregada na agricultura como substância fertilizante Desidratação etapa que consiste na remoção da parcela de água presente no etanol hidratado dando origem ao etanol anidro O etanol hidratado é o álcool comum vendido nos postos de combustíveis e o etanol anidro é aquele utilizado na mistura à gasolina O que difere o etanol anidro e hidratado é a parcela de água presente por exemplo o etanol hidratado combustível possui em sua composição entre 951 e 96 de álcool e o restante corresponde à água O etanol anidro denominado etanol puro ou etanol absoluto possui cerca de 996 de álcool Para a desidratação do etanol adicionase um solvente ao álcool hidratado que possui a característica de se misturar apenas com a água e obtémse o anidro com a evaporação tanto da água quanto do solvente É 108 possível ainda remover a parcela de água através da peneiração molecular que tem capacidade de peneirar as moléculas de água do etanol hidratado Armazenamento o etanol anidro e hidratado permanece armazenado em tanques para posteriormente serem encaminhados às distribuidoras Produção de Energia através da Geração de Vapor e Energia no processo são gerados cerca de 280 kg de bagaço por tonelada de cana processada que podem ser utilizados em caldeiras a vapor Esse bagaço possui aproximadamente 50 de umidade O vapor produzido nas caldeiras possui uma pressão de 22 bar e temperatura de 300oC sendo expandido em turbinas de contrapressão a uma pressão de 25 bar O vapor produzido é utilizado no acionamento de equipamentos da usina e os geradores elétricos fornecem energia a toda usina O vapor de escape é utilizado como energia térmica na fabricação de açúcar e álcool Principais Impactos Ambientais da Produção do Etanol A produção de etanol utiliza grande quantidade de água além de produtos químicos e biológicos como soda cáustica cal ácidos e leveduras produzindo grande quantidade de resíduos como o bagaço a vinhaça e a torta de filtro Devido ao grande consumo de água do processo gerase muito efluente para tratamento O mesmo ocorre na etapa de moagem que utiliza grande quantidade desse insumo para umidificar o bagaço e resfriar os mancais Durante o tratamento do caldo além do consumo de água ocorre a formação da torta de filtro que é um resíduo sólido produzido na etapa de filtração e que pode ser empregado como fertilizante agrícola Observase também grande consumo de água especialmente na etapa de resfriamento das dornas de fermentação e resfriamento dos condensadores responsáveis pela etapa de destilação Durante o processo de produção do etanol há a geração da vinhaça que é um resíduo líquido rico em carga orgânica que atualmente é utilizando como 109 fertilizante entretanto é uma fonte de contaminação de água e solo caso não seja reaproveitado e aplicado ao solo de maneira adequada Em virtude da grande geração de efluentes líquidos águas da lavagem de pisos e equipamentos purgas dos lavadores de gases entre outros e resíduos sólidos temse buscado incorporar a parte dos efluentes líquidos à vinhaça para que possa ser disposto no solo como uma alternativa de fertirrigação De maneira geral a indústria sucroalcooleira no Brasil tem utilizado a estratégia do reaproveitamento de resíduos gerados no processo o bagaço é utilizado como matéria prima em caldeiras para gerar vapor e energia a torta de filtro é utilizada como fertilizante agrícola e a vinhaça é reaproveitada na fertirrigação SANTOS 2013 A produção de etanol gera outros impactos potenciais como os impactos diretos e indiretos devido a expansão de áreas de cultivo a irrigação devido ao desvio da cultura de cana para áreas com condições climáticas menos favoráveis e a aplicação de defensivos químicos 432 Produção do Biogás em Biodigestores A biodegradabilidade é uma característica de alguns materiais ou substâncias matéria orgânica que possuem a capacidade de decomporse em elementos químicos naturais em um determinado período por meio de microrganismos decompositores que a utilizam para produção de energia e conversão em outros produtos como gases efluentes líquidos ou ainda composto orgânico estabilizado entre outros O processo de biodegradação pode ser realizado de forma aeróbia na presença de oxigênio ou anaeróbia na ausência de oxigênio O processo anaeróbio tem como produto um biogás que pode ser aproveitado para geração de energia Dentre os materiais biodegradáveis destacamse os resíduos orgânicos de origem agrícola da pecuária usinas de açúcar e álcool resíduos sólidos urbanos RSU lodos de estações de tratamento de efluentes entre outros 110 Com relação aos RSU no Brasil a composição gravimétrica é dada por um valor médio de 50 de matéria orgânica seguido de papel papelão plástico metais e vidros que possuem uma taxa de biodegradabilidade menor se comparados à matéria orgânica Por essa razão esse tipo de resíduo é uma excelente alternativa para o aproveitamento energético e diversificar a matriz energética brasileira O processo de digestão anaeróbica consiste na conversão de material orgânico em dióxido de carbono metano e lodo por meio da ação das bactérias em uma atmosfera pobre em oxigênio Esse processo ocorre naturalmente na ausência de oxigênio em plantações de arroz águas paradas estações de tratamento de esgoto e nos aterros sanitários O biogás produzido no processo de digestão anaeróbia contém metano e dióxido de carbono alguns gases inertes e compostos sulfurosos O biogás pode ser utilizado de forma direta e apresenta um poder calorífico entre 4500 e 6000 kcalm3 ou então passar por um processo para a separação e aproveitamento do metano sendo que nesse caso o poder calorífico é similar ao conteúdo energético do gás natural A quantidade e qualidade do biogás produzido depende da tecnologia empregada no processo de digestão bem como da composição da matéria orgânica mas de modo geral apresenta a composição volumétrica conforme indicado na Tabela 47 Tabela 47 Composição volumétrica do biogás A biodigestão pode ser realizada de maneira forçada em biodigestores e de forma natural em aterros sanitários O processo é dividido em algumas fases RIBEIRO 2020 TOLMASQUIM 2016 111 a Hidrólise é a primeira fase do processo no qual a matéria orgânica é quebrada em partes menores e mais simples aminoácidos monossacarídeos e ácidos graxos Essa etapa fornece o substrato orgânico necessário para as demais fases do processo Os carboidratos são hidrolisados em poucas horas os lipídeos em alguns dias e a parte da lignina tem uma velocidade de degradação mais lenta devido a resistência à degradação por parte dos microorganismos anaeróbios A taxa de hidrólise aumenta proporcionalmente com a temperatura e é dependente da granulometria das partículas Para aumentar a taxa de hidrólise especialmente quando se trata de biodigestores recomendase a redução da granulometria para acelerar a etapa diminuir o tempo de retenção e possibilitar o uso de reatores menores b Acidogênese nessa etapa ocorre a fermentação das moléculas orgânicas solúveis de forma a produzir substâncias que podem ser utilizadas diretamente pelas bactérias metanogênicas por exemplo o ácido acético fórmico e hidrogênio e outros compostos orgânicos como o ácido láctico e o etanol que serão oxidados pelas bactérias acetogênicas na etapa seguinte c Acetogênese nessa fase os ácidos e álcoois formados na etapa anterior são convertidos pelas bactérias acetogênicas em hidrogênio dióxido de carbono e ácido acético Essas bactérias vivem em simbiose com as bactérias metanogênicas d Metanogênese fase final do processo no qual os compostos como ácido acético hidrogênio e dióxido de carbono são convertidos em metano e dióxido de carbono sob condições totalmente anaeróbias A produção de biogás está condicionada à qualidade e tipo de resíduos em função do conteúdo de sólidos totais 112 Tabela 48 Produção de biogás a partir de diferentes resíduos Resíduo Biogás potencial Nm3t ST Metano Resíduos sólidos urbanos 400700 6065 Lodos ETAR 380400 6575 Chorume suíno 250350 6570 Lodos Lácteos 9501100 75 Papel Jornal 80100 50 Palha de trigo 200250 55 Fonte Elaborado pelo autor Fatores e Parâmetros operacionais de controle do processo de biodigestão anaeróbia Alguns fatores podem influenciar o processo de biodigestão anaeróbia e devem portanto ser monitorados para maximizar a atividade microbiana e favorecer a produção de biogás e por conseguinte o aproveitamento energético RIBEIRO 2020 BARROS 2012 CORTEZ et al 2008 Inóculo no processo de degradação anaeróbia em biodigestores muitas vezes é necessário contar com um inóculo de bactérias anaeróbias devido à baixa velocidade de crescimento dos microrganismos Os inóculos mais empregados são os procedentes de outros biodigestores ou mesmo lodos de reatores anaeróbios industriais Recomendase a utilização de um inóculo de concentração de 5 para garantir a atividade microbiana no processo pH esse parâmetro é importante pois cada tipo de microrganismo utilizado no processo de digestão anaeróbia exige condições específicas de pH para o seu desenvolvimento Além disso o valor do pH não determina apenas a produção do biogás como também a qualidade do combustível Por exemplo se o pH do processo for menor que seis o biogás formado terá menor concentração de metano Bactérias fermentativas 7274 113 Bactérias acetogênicas 60 62 Bactérias metanogênicas 6575 No reator anaeróbio o controle desse parâmetro é função da alcalinidade e o equilíbrio químico do meio é dado pelo sistema bicarbonatodióxido de carbono Fração orgânica dos resíduos a produção do biogás depende da parcela de matéria orgânica dos resíduos uma vez que é parcela biodegradável e quanto maior for a quantidade de sólidos voláteis bem como a disponibilidade de nutrientes carbono nitrogênio fósforo enxofre A porcentagem de sólidos deve variar em torno de 6 a 9 e portanto os dejetos animais e resíduos da indústria de laticínios por exemplo devem ser diluídos O carbono é fonte de alimentos para os microrganismos e é o elemento constituinte principal do biogás O nitrogênio é o elemento principal para a síntese de proteína Estudos recomendam uma relação CN entre 201 a 301 para sistemas de degradação anaeróbia Um desequilíbrio nessa relação pode resultar na alta liberação de amônia e acúmulo de ácidos graxos AGV por exemplo e inibir o processo de biodigestão Temperatura Estudos indicam uma temperatura ideal para a maximização da produção de biogás devido ao fato de que os microrganismos são sensíveis a variação de temperatura O processo de decomposição anaeróbia ocorre numa faixa de temperatura entre 10oC e 65oC de acordo com as bactérias empregadas no processo Por exemplo as bactérias utilizadas no processo de decomposição anaeróbia podem ser classificadas em Criofílicas 20ºC Mesofílicas 20ºC 45ºC Termofílicas 45ºC 114 A taxa de geração de metano pelas bactérias termofílicas são de 50 a 100 maiores que nas demais faixas de temperatura pois as temperaturas mais elevadas aceleram a velocidade de reações biológicas diminuindo o tempo de retenção O processo termofílico propicia ainda utilizar biodigestores menores reduzindo portanto os custos de instalação A faixa termofílica embora apresente maiores vantagens produtivas de biogás também requerem maior controle de temperatura uma vez que os microorganismos são sensíveis à variação desse parâmetro e o processo também requer alto custo de energia Uma alternativa ao tratamento da vinhaça gerada na produção de etanol é o uso de biodigestores empregando a faixa termofílica devido ao fato que esse insumo é produzido em altas temperaturas Assim tornase necessária a utilização de um isolante térmico para preservar as altas temperaturas e reduzir o consumo de energia para aquecimento à temperatura ideal do processo termofílico Devido ao dispêndio de recursos com fornecimento de energia grande parte dos biodigestores operam na faixa mesofílica dispensando controle de temperatura Em muitos casos os biodigestores são enterrados para condicionar o isolamento térmico Homogeneização esse parâmetro influencia no design no biodigestor a homogeneização aumenta a cinética da velocidade de digestão anaeróbica acelera o processo de conversão biológica e possibilita um aquecimento uniforme da mistura dentro do reator Tempo de residência hidráulico TRH é o período no qual o efluente permanece no interior do reator para ser digerido Definese como o quociente entre o volume do digestor e o volume diário de carga velocidade volumétrica de fluxo ou vazão Matematicamente o TRH pode ser equacionado conforme a seguir TRH VQ 115 Em que TRH tempo de retenção hidráulico d V volume de reator m3 Q vazão afluente m3d Esse parâmetro determina a vazão do efluente a ser tratado sendo fundamental para estimar o tempo ideal No interior do reator a quantidade de matéria orgânica é degradada à medida em que aumenta o TRH entretanto a produção volumétrica de metano diminui se o TRH é superior ao necessário para a digestão anaeróbia Nesse caso é importante determinar o TRH ideal para cada tipo de resíduo e de digestor a fim de otimizar o processo e maximizar a produção de metano Geralmente o TRH varia entre 9 e 95 dias dependendo do tipo de resíduos a ser tratado das condições operacionais e do biodigestor empregado Tipo de reatorprocesso um parâmetro importante no processo de biodigestão anaeróbia é a escolha do biodigestor Os reatores podem ser classificados em função do tipo de reação e das características dos resíduos bem como sua aplicação saneamento produção de energia ou mesmo fertilizante Dentre os modelos de biodigestores mais empregados destacamse o indiano e o chinês Atualmente temos o reator de fluxo ascendente e a manta de lodo também conhecido como UASB ou RAFA O modelo chinês apresenta uma cúpula fixa para armazenamento do biogás e possui um compartimento de alvenaria subterrâneo denominada câmara de fermentação Essa configuração por ser uma peça única minimiza custos com manutenção sendo necessário um controle sobre possíveis vazamentos de gás requer um sistema de impermeabilização O reator chinês produz um gás com variação de pressão tornando sua utilização um pouco complicada dada a instabilidade da pressão Essa configuração dispensa controle sobre os parâmetros temperatura pH e agitação sendo que a diluição dos resíduos para 116 o tratamento é realizada durante seu abastecimento no reator até a obtenção de uma proporção de 6 a 8 de sólidos totais O tempo de residência destes reatores varia entre 30 e 45 dias o que acarreta estruturas volumosas Nesse caso são aplicados para tratamento de resíduos de atividades rurais de pequeno porte Possuem uma vida útil longa cerca de 20 anos O reator indiano possui uma campânula gasômetro móvel na parte superior do biodigestor além de uma divisória na câmara de fermentação À medida que o biogás é produzido a campanula que está instalada sob uma parte móvel aumenta proporcionalmente à pressão do gás A vantagem dessa configuração é a possibilidade de verificar o funcionamento do digestor uma vez que há elevação da campanula em função da variação da pressão do gás O reator possui fácil operação e um bom controle da pressão do biogás A grande desvantagem desse tipo de reator é que o tambor por ser de aço acarreta dispêndio financeiro maior que o modelo chinês sendo necessária a manutenção com maior frequência A vida útil varia entre 5 e 15 anos O reator UASB é indicado para tratamento de resíduos com teor de sólidos em torno de 2 com baixo tempo de residência Nesta configuração o resíduo passa por um leito de lodo composto por bactérias no fluxo ascendente Na sequência as bactérias formam flocos e portanto aumentam a densidade e mantêmse no fundo do reator O reator é indicado para o tratamento de resíduos líquidos com baixo teor de sólidos por exemplo para tratar vinhaça Vantagens da digestão anaeróbia O processo de digestão anaeróbia apresenta como vantagens ambientais A redução do potencial de contaminação do solo e recursos hídricos a partir do descarte inadequado de resíduos orgânicos Reduz as emissões de gases de efeito estufa Reduz os odores proveniente de lodos agrícolas 117 Possibilita a gestão adequada dos resíduos Evita a proliferação de insetos É uma fonte alternativa de energia biogás Dentre as vantagens do processo de biodigestão anaeróbia podemos destacar Não há restrição de umidade dos resíduos para a utilização desse processo Uma grande variedade de resíduos pode ser tratada O gasto energético é inferior ao dos processos aeróbicos Produzse no processo um gás combustível que pode ser facilmente aproveitado na geração de energia São sistemas simples 433 Produção do Biogás de Aterro Sanitário De acordo com Barros 2012 o processo de formação de biogás em um aterro sanitário ocorre em algumas etapas 1 Fase aeróbica É a fase que inicia o processo de degradação Nessa etapa os microrganismos aeróbicos consomem o oxigênio presente no maciço produzindo o CO2 Essa fase tem uma duração entre algumas horas e 15 dias 2 Fase anaeróbica não metanogênica fase de transição de bactérias aeróbicas para anaeróbicas Essa etapa se caracteriza pela ausência de oxigênio e a formação de ácidos de fermentação Nesta etapa observase maior concentração de CO2 H2 e diminui a parcela de nitrogênio gasoso Essa fase tem duração entre um e seis meses 3 Fase anaeróbia metanogênica instável etapa anaeróbica na qual é produzido o metano e os demais gases diminuem Estimase que essa fase dura entre 3 meses e 3 anos 118 4 Terceira fase anaeróbica ou de estabilização Os ácidos produzidos nas etapas precedentes se convertem em metano e dióxido de carbono nessa fase ocorre a maior produção de biogás De maneira geral a produção de biogás iniciase aproximadamente um ano após a disposição de resíduos e dura por cerca de 10 a 20 anos dependendo das condições do aterro Essa etapa é caracterizada por manter as concentrações de CH4 e CO2 por volta de 60 e 40 respectivamente 5 Fase anaeróbicaaeróbica de finalização A última etapa é caracterizada por uma redução na geração de biogás A disponibilidade de matéria orgânica e nutrientes chega a ser limitada e obtémse a estabilização da composição do lixiviado Nessa etapa ainda persiste a degradação lenta da matéria orgânica mais recalcitrante O processo de extração e aproveitamento energético do biogás em aterros sanitários é composto por algumas estruturas Campo de coleta do biogás drenos e valas Tubulação de coleta laterais e cabeça de poço Sistema de drenagem de condensado Sistema de ventilação Queima do biogás I Poços de captação e Linhas de condução Dentro da área do aterro sanitário são instalados poços de captação de biogás distribuídos por toda a superfície do aterro para realizar a extração do gás produzido no interior do maciço de resíduo Nesses poços são introduzidos tubos perfurados por cerca de 20 de sua área superficial para possibilitar a captação do biogás e na parte superior dos poços a tubulação é isenta de furos para evitar fugas Os poços de captação são de polietileno de alta densidade e o espaço entre o poço e a tubulação que tem um diâmetro inferior é preenchido de cascalho para facilitar o processo de drenagem do biogás 119 Os drenos verticais são constituídos por uma cabeça de vedação especial para evitar entradas de oxigênio na vazão de gás Os poços têm uma profundidade dada em função do número de células de resíduo ou seja o número de camadas de resíduos aterrados Os poços são estrategicamente distribuídos para maximizar a captação do biogás uma vez que cada poço tem uma área de influência de um raio de 25 m a 50 m dependendo da capacidade do aterro O biogás é encaminhado até uma central reguladora para a remoção do percolado através de linhas ou tubos de polietileno de alta densidade que vão da cabeça dos poços até a planta de extração ou coletores conforme o sistema utilizado II Estação reguladora A estação de regulação e medição é responsável pelo controle da quantidade e da qualidade do biogás extraído em cada linha ou seja os teores de metano A estação é instalada em uma área que não interfira o operacional do aterro e que seja próxima aos poços de captação III Sistema de remoção de condensado O processo de decomposição anaeróbia produz condensados e portanto tornase necessário um sistema para eliminar a maior parte do vapor de água contido no biogás O sistema contempla ainda um conjunto de eliminação de compostos corrosivos como H2S para que possa ser utilizado nos equipamentos IV Flare Um sistema de extração de biogás é composto por um flare ou tocha de queima de biogás que tem como principal objetivo garantir a segurança para eliminar o biogás que não é aproveitado A queima reduz as emissões de metano que tem um potencial de aquecimento global 21 vezes superior ao dióxido de carbono e para atenuar os riscos de incêndio e explosão 120 V Geração de energia elétrica a partir do biogás No mercado estão disponíveis algumas tecnologias para o aproveitamento energético do biogás para geração de energia elétrica O motor de combustão interna é a tecnologia mais empregada para a geração de eletricidade através do biogás devido a compatibilidade da potência e viabilidade econômica apresentando uma eficiência de conversão de 33 A turbina a gás apresenta perdas energéticas e baixa eficiência 27 se comparada aos motores de combustão Como o biogás de aterro sanitário possui impurezas muitas vezes há uma limitação do aproveitamento energético do biogás para geração e energia elétrica e neste caso os motores Stirling são uma alternativa De acordo com Barros 2021 e Moreira 2018 a produção de biogás é influenciada por alguns parâmetros Maiores temperaturas favorecem a decomposição e a produção do biogás A produção ideal de biogás requer um nível de umidade de 5060 ou superior e depende das características dos resíduos bem como do nível de precipitação da região A composição gravimétrica dos resíduos pois o conteúdo de carbono degradável determina a produção de biogás A aplicação de uma cobertura final impede a penetração de ar e a infiltração da água da chuva de forma a minimizar a formação de percolado O design os procedimentos operacionais do aterro bem como as práticas de compactação e cobertura influenciam na produção de biogás Estudos indicam uma produção de 370 m3 de biogás por tonelada de resíduos com 50 de matéria orgânica e teor de umidade de 35 Do quantitativo de resíduos depositados em aterros apenas uma parcela pode gerar metano e nem todo biogás pode ser extraído do aterro cerca de 5070 pode ser extraído além das emissões fugitivas 121 Conclusão Nesse bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo o aproveitamento da energia da biomassa para geração de calor combustível e de energia elétrica Nesse bloco foram apresentados os principais tipos de biomassa suas características como é realizado o aproveitamento desse recurso para produção de gases combustíveis e a geração de eletricidade Por fim foram apresentadas as principais vantagens e desvantagens da conversão energética da biomassa REFERÊNCIAS BARROS R M Tratado sobre resíduos sólidos gestão uso e sustentabilidade Rio de Janeiro Interciência 2012 CORTEZ L A B LORA E E S GÓMEZ E O Biomassa para Energia Campinas Editora da Unicamp 2008 GENOVESE A L UDAETA M E M GALVAO L C R Aspectos energéticos da biomassa como recurso no Brasil e no mundo In ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL vol 6 2006 Campinas HINRICHS R A Energia e meio ambiente Sao Paulo Cengage Learning 2014 IRENA The International Renewable Energy Agency Renewable Energy Technologies Cost Analysis Series In Biomass for Power Generation Volume 1 Power Sector Issue 15 2012 KNOTHE G GERPEN J V KRAHL J RAMOS L P Manual de biodiesel São Paulo Blucher 2006 MACEDO I NOGUEIRA L A Avaliação do Biodiesel no Brasil In Núcleo de assuntos Estratégicos da Presidência da República Brasília 2004 MOREIRA J R S Energias renováveis geração distribuída e eficiência energética Rio de Janeiro LTC 2019 NETO B RANGEL M Geração de energia elétrica fundamentos Sao Paulo Erica 2012 122 RIBEIRO M F S Sistemas de bioenergia Curitiba Contentus 2020 SANTOS M A org Fontes de Energia Nova e Renovável Rio de Janeiro LTC 2013 TOLMASQUIM M T Energia Renovável Hidráulica Biomassa Eólica Solar Oceânica EPE Rio de Janeiro 2016 Energia Termelétrica Gás Natural Biomassa Carvão Nuclear EPE Rio de Janeiro 2016 Fontes Renováveis de Energia Rio de Janeiro Ed Interciência CENERGIA 2003 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES HODGE B K Sistemas e aplicações de energia alternativa Rio de Janeiro LTC 2018 123 5 ENERGIA EÓLICA Apresentação Olá alunoa A energia eólica consiste na conversão da energia do vento em energia elétrica sendo uma fonte de energia renovável e limpa uma vez que não produz poluentes Neste bloco serão apresentados os principais conceitos sobre a disponibilidade e geração de energia eólica a potência do vento e os aspectos ambientais associados a essa geração de energia Bons estudos 51 Energia Eólica De acordo com Moreira 2019 a energia eólica energia dos ventos é proveniente da energia cinética devido ao deslocamento das massas de ar de velocidades variáveis tanto no tempo como no espaço Esses deslocamentos ocorrem devido aos efeitos climáticos resultados do aquecimento da superfície terrestre pela incidência de radiação solar e pelos movimentos de rotação e translação da Terra Outros fatores que colaboram para esse movimento de massas de ar são os efeitos de superfície como a rugosidade do terreno obstáculos gradiente térmico entre outros O vento decorrente da movimentação das massas de ar na atmosfera e deve a cinco forças atuando sobre as parcelas de ar Força do gradiente de pressão devido a mudança de pressao do ar em diferentes locais O ar tende a movimentar de áreas de pressao mais altas para as mais baixas O aquecimento desigual da superficie terrestre promove uma diferença de pressao A radiação solar e a força motriz para a produção do vento De forma geral podese dizer que o ar mais denso tende a descer e o ar mais quente tende a subir surgindo esse gradiente 124 horizontal de pressão próximo à superfície originando a força de gradiente de pressão Forca de Coriolis força que desvia os ventos para a direita de sua direção de movimento no Hemisfério Norte e para a esquerda no Hemisfério Sul Forca de atrito essa parcela da força incidente ocasiona a desaceleração dos ventos próximos à superfície Forca da gravidade provoca o movimento do ar para baixo entretanto não modifica a componente vertical do vento De acordo com Pinto 2019 o vento geostrófico corresponde a um vento horizontal que sopra ao longo de trajetórias retilíneas resultante do equilíbrio entre a força de gradiente de pressão horizontal e a força de Coriolis O vento geostrófico possui velocidade uniforme em uma linha reta paralela às isóbaras O vento gradiente corresponde ao vento que segue uma trajetória curva devido a ação de tres forças a força de gradiente de pressao FGP a força de Coriolis FCO e a força centrifuga FC Figura 513 Perfil vertical do vento geostrófico Fonte MARTINS et al 2008 A medição de vento é realizada pelas torres anemométricas que é constituída por uma torre metálica de estrutura tubular ou treliçada com perfil triangular ou quadrado 125 podendo ser estaiada ou autoportante composta por sensores de medição sistemas de alimentação de energia instrumentos de aquisição de dados um sistema de proteção contra descargas atmosféricas e um de transmissão de dados PINTO 2013 De acordo com Fadigas 2011 a torre meteorológica para coletar dados relacionados à disponibilidade de vento para aplicações de energia eólica deve conter Anemômetros para medição da velocidade do vento Lemes para medir a direção do vento Termômetro para medição da temperatura do ar Barômetro para aferir a pressão do ar Sistema de aquisição e armazenamento de dados A temperatura e pressão influenciam na massa específica do ar e consequentemente na potência contida nos ventos Segundo Santos 2013 a produção de energia elétrica a partir dos ventos depende de parâmetros para avaliar a viabilidade técnicoeconômica com destaque para Velocidade do vento há uma variação na velocidade intensidade e direção do vento em períodos curtos médios e longos sendo necessário o conhecimento do comportamento dos ventos em uma determinada região na qual se pretende instalar o sistema eólico Rugosidade do terreno quanto mais acentuada a rugosidade do terreno menor será a velocidade do vento O local ideal para implantação de um sistema de aproveitamento eólico deve apresentar baixa rugosidade no terreno de forma a diminuir a velocidade do vento na altura do rotor Altura Observase maiores velocidade do vento em alturas mais elevadas em relação ao nível do solo 126 Direção do vento observase uma variação na direção dos ventos e esse é um parâmetro importante para a avaliação de uma possível conformidade de uma determinada turbina ao comportamento variável das direções predominantes do vento Também é importante para definição do layout dos equipamentos A verificação da direção e distribuição da velocidade do vento é realizada pela rosa dos ventos 511 Tipos de turbinas De acordo com Santos 2013 as turbinas eólicas podem ser classificadas em função da força como força de arrasto ou de sustentação A força de arrasto é a força aplicada em um objeto alinhado com a direção do fluxo de ar A força de sustentação é a aplicada por um objeto imerso em um fluxo de ar que está perpendicular à direção do fluxo de ar Figura 514 Representação das forças atuantes em turbinas eólicas As turbinas do tipo sustentação são constituídas por aerofólios que interagem com o vento sendo classificadas em termos do eixo ao redor do qual as pás das turbinas giram turbinas de eixo vertical ou de eixo horizontal As turbinas de eixo vertical TEEV fazem uso de aerofólios simétricos e com caracteristica curva em forma de C Esse tipo de turbina é movida por forças de sustentação e com as duas pontas atadas ao eixo vertical Essa configuração possibilita o aproveitamento eólico independentemente da direção do vento sistema de direção de pás de fluxo principal dispensando um mecanismo que direcione o rotor com a 127 mudança de direção do vento Essas turbinas possuem a parte eletromecânica rotor caixa de transmissão e gerador instaladas no nível do solo facilitando a instalação e manutenção Santos 2013 destaca que as desvantagens dessa configuração se devem aos elevados níveis de flutuação no torque da falta de auto partida que torna necessário um sistema auxiliar de acionamento para baixas velocidades menor produção de energia em função das baixas velocidades do vento próximo ao solo e o escoamento do fluido nas pás é mais complexo em comparação a configuração de eixo horizontal apresentando dificuldades na obtenção de um modelo das forças aerodinâmicas As Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal TEEH constituem a grande maioria das unidades instaladas no Brasil e no mundo As turbinas de eixo horizontal podem ser de dois tipos SANTOS 2013 Rotor multipás empregado em sistemas de bombeamento de água Rotor de duas ou três pás utilizado em sistemas de geração de energia elétrica De acordo com Pinto 2013 a velocidade do rotor e a potencia da turbina são controladas pelo ângulo das pás sendo esse o fator responsável pela regularização da velocidade de rotação das pás O formato das pás do rotor é otimizado aerodinamicamente de forma a maximizar a eficiência do sistema Dentre as principais vantagens das turbinas de eixo horizontal podemos destacar a maior velocidade do vento devido à altura da torre e alta eficiencia devido a incidência do vento no sentido perpendicular Essa configuração de turbina apresenta dificuldade na instalação de torres devido à altura dificuldade no transporte dos equipamentos e há necessidade de um sistema de controle de giro das pás em direçao ao vento que requer uma estrutura complexa para apoiar o peso das pás e do cubo De acordo com Fadigas 2011 as turbinas podem ser classificadas em função da potência Turbinas de pequeno porte potências até 100 kW 128 Turbinas de médio porte 100 kW potência 1000 kW Turbinas de grande porte potência acima de 1000 k 512 Componentes de um aerogerador De acordo com Santos 2013 e Fadigas 2011 os principais componentes de um aerogerador de eixo horizontal são Suporte Estrutural Torre possui uma estrutura tubular que tem por objetivo sustentar a nacele e o rotor para coleta da energia nos ventos onde a rugosidade é menor Nacele estrutura que comporta os principais componentes da turbina caixa de engrenagens controlador de freio e o gerador elétrico Tem a função de proteger os componentes das intempéries Pás do rotor são responsáveis pela captura do vento Rotor eólico é o principal componente do aerogerador tratase do sistema de captação de energia cinética dos ventos e conversão em energia mecânica no seu eixo Transmissão responsável pela transmissão da energia mecânica do eixo do rotor para o gerador Caixa multiplicadora tem o papel de adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade mais elevada dos geradores convencionais quando necessário Gerador converte a energia mecânica em energia elétrica através de uma bobina girando em um campo magnético Mecanismos de controle sistema composto por sensores destinados ao bom funcionamento e a segurança do sistema por exemplo controle de velocidade das pás 129 Controle de potência tem o objetivo de evitar o sobrecarregamento elétrico e do sistema de transmissão em casos de aumento do fluxo de ar e o consequente aumento das forças de sustentação aerodinâmicas Anemômetro dispositivo responsável pela medição da intensidade e a velocidade dos ventos 52 Potência extraída dos ventos A geração de energia através de uma turbina eólica ou aerogeradores está diretamente relacionada com a interação do rotor com os ventos De acordo com Hinrichs 2014 a força extraida do vento e proporcional ao cubo da velocidade v do vento e a área de atuação das pás Vale lembrar que a energia cinetica e expressa como 12mv2 A massa m referese à massa do ar que atinge as lâminas do gerador eólico numa determinada unidade de tempo que depende da velocidade do vento Quanto maior o valor da velocidade maior a quantidade de vento incidente sob as lâminas do rotor por segundo Segundo Fadigas 2011 a expressão matemática que define a potência extraída dos ventos é a função da massa específica do ar área de captação e velocidade do vento ao cubo A velocidade nessa expressão referese ao vento não perturbado vento que se aproxima das pás do rotor antes de atingilo O vento não perturbado ao encontrar um obstáculo em seu fluxo no caso as pás do rotor será submetido a uma mudança no perfil Ao passar pelo aerogerador parte da potência do vento será convertida em potência mecânica no eixo da turbina por ação de torque e rotação do eixo Em que P potência disponível no Vento Watts r densidade do vento kgm3 A área do rotor m2 v velocidade do vento ms 130 De acordo com Moreira 2019 diferentes locais podem apresentar a mesma velocidade média dos ventos entretanto também podem apresentar diferentes potências eólicas em função da variação na massa específica do ar Dessa forma tornase mais efetivo comparar o potencial eólico desses locais por intermédio da potência por unidade de área ou densidade de potência PA em Wm2 A potência PA referese à potência contida no vento que atinge a parte frontal da turbina eólica e varia de acordo com a massa específica do ar e com o cubo da velocidade do vento conforme mostrado nas equações anteriores A massa específica do ar varia com a pressão e temperatura determinada pela equação abaixo com um valor típico de densidade do ar da ordem de ρ1225kgm3 Em que p pressão do ar em kPa T temperatura em escala absoluta em K R constante do gás em kgkmol 12256 kgm3 A velocidade do vento varia em função da altura o que influencia no potencial eólico como também no projeto da turbina eólica uma vez que a potência contida no vento é função da densidade do ar A densidade do ar varia em função da temperatura e pressão que são parâmetros influenciados pela altura em relação ao solo FADIGAS 2011 Para estimar a velocidade do vento é possível utilizar a Lei da Potência que leva em consideração a altura em que é medida a velocidade bem como a rugosidade do terreno expressa pela equação matemática 3 2 1 V A P 131 Em que V velocidade do vento na altura desejada ms V0 velocidade na altura conhecida ms H altura desejada m H0 altura conhecida m n rugosidade do terreno adimensional A determinação da velocidade do vento através da Lei da Potência é um modelo mais simples e menos preciso sendo o parâmetro n dado em função das condições do terreno que pode variar em função da hora do dia da temperatura dos parâmetros térmicos e mecânicos além da estação do ano Tabela 59 Fator n para diferentes tipos de superfícies Descrição do Terreno n Superfície lisa lago ou oceano 01 Grama baixa 014 Vegetação rasteira até 03 m árvores ocasionais 016 Arbustos árvores ocasionais 02 Árvores construções ocasionais 022024 Áreas residenciais 028040 Fonte Elaborado pelo autor O valor da velocidade do vento é um fator importante para determinar a potência da turbina eólica Por exemplo se a velocidade do vento é de 8 ms a densidade de potência potência por área é de 314Wm2 se dobrar o valor da velocidade do vento o potencial tornase oito vezes maior 2509Wm2 V V H H o o n 132 Uma forma bastante utilizada para representar o comportamento do vento é através da distribuição de frequência histograma na qual são apresentadas as horas de vento por ano em função da velocidade do vento Figura 515 Histograma O cálculo da energia gerada em um sistema eólico é dado pela multiplicação dos valores de potência gerada pelo tempo de duração de ocorrência associado aos intervalos de velocidades do vento A duração de ocorrência de uma velocidade do vento v é determinada através de equações estatísticas Rayleigh ou Weibull A função densidade de probabilidade de Weibull é expressa pela equação abaixo na qual os parâmetros c e k representam a distribuição O parâmetro k fator de forma adimensional sinaliza a uniformidade da distribuição da velocidade e o parâmetro c fator de escala representa a dimensão da velocidade A área do rotor é expressa em m2 através da expressão matemática a seguir em que D referese ao diâmetro do rotor 133 Segundo Fadigas 2011 o potencial de geração de energia eólica na prática consiste na determinação da potência elétrica Pe indicada pela sua curva de potência Figura 516 que é determinada através de testes de operação do aerogerador em campo A máxima energia ou potência gerada por uma turbina eólica depende da velocidade do vento das características de construção e o tamanho do aerogerador A curva de potência possibilita prever a produção de energia de uma turbina que é a representação entre a potência e a velocidade do vento Essa curva sinaliza a produção máxima de energia elétrica a velocidade de conexão a velocidade nominal e a velocidade de parada A velocidade de partida é aquela na qual o aerogerador inicia a geração de potência a velocidade de potência nominal referese à potência nominal do aerogerador e por fim a velocidade de parada tratase da velocidade na qual o aerogerador deixa de gerar energia devido os possíveis danos estruturais ocasionados em razão da alta velocidade do vento Figura 516 Curva de potência A máxima eficiência de uma turbina eólica é de 593 denominada limite de Betz Para casos reais a máxima eficiência varia entre 30 e 40 FADIGAS 2011 2 4 D A 134 A potência mecânica da turbina considera a densidade do ar a área do rotor a velocidade de vento e o coeficiente de potência conforme a expressão matemática abaixo 𝑷𝒎 𝟏 𝟐 𝝆𝑨𝒗𝟑𝑪𝒑 O coeficiente de potência de uma turbina eólica é o valor que relaciona a potência disponível do vento e a potência extraída da turbina ou seja é o rendimento de uma turbina Cp Pm 12rAv3 Em que CP coeficiente de potência A área do rotor m2 r densidade do ar kgm3 v velocidade do vento ms Cp coeficiente de potência adimensional A potência elétrica do sistema é dada pelo produto entre a potência mecânica e a eficiência dos diversos componentes do sistema conforme a expressão matemática a seguir O fator de capacidade FC de um determinado local é definido como a razão entre a energia produzida em um ano e a energia que seria produzida caso o aerogerador operasse em sua potência nominal Pn durante 100 do tempo Os valores típicos do m P Pel 135 FC para locais que possuem um bom desempenho no aproveitamento eólico variam entre 35 e 45 FADIGAS 2011 Esse parâmetro é representado pela equação matemática a seguir Em que 𝐸 é a energia gerada no período de tempo t MWh 𝑃 é a potência instalada assegurada MW 𝑇 é o intervalo de tempo considerado T equivale a 8760 horas Exercício de Aplicação 1 Calcule a potência disponível no vento a uma velocidade de 5ms e 6 ms e compare os resultados dessa diferença de velocidade na potência do sistema Para os mesmos valores de velocidade determine a potência utilizável do vento Considere o diâmetro do rotor de 82m e a densidade do ar de 125kgm3 Solução P12rAv3 Em que P potência disponível no Vento Watts R densidade do vento kgm3 A área do rotor m2 V velocidade do vento ms A área do rotor é dada pela expressão 136 ou A p x r2 Portanto para as velocidades dadas no exercício temos V 5ms P ½ x 125 x 412 p x 53 P 4126 kW V 6ms P ½ x 125 x 412 p x 63 P 7129 kW A potência disponível no vento aumenta com o cúbico conforme o aumento de velocidade do vento a potência utilizável é determinada aplicando o limite de Betz Putilizável 059xP V 5ms Putilizável 059 x 4126 2434 kW V 6ms Putilizável 059 x 7129 4206 kW Verificase que o incremento da velocidade do vento aumenta a potência disponível no sistema 2 4 D A 137 Exercício de Aplicação 2 Determine o comprimento das pás de um aerogerador a velocidade fixa de forma a obter uma potência mecânica de 750 kW para uma velocidade de vento de 138 ms Considerase um coeficiente de potência Cp de 02 e a densidade do vento de 125kgm3 Qual deverá ser o comprimento da pá ou seja o raio do círculo varrido pela turbina Solução Devese utilizar a fórmula do coeficiente de potência dado pela equação abaixo Cp Pm 12rAv3 Rearranjando a fórmula temos A 2Pm Cprv3 Dado que a potência é de 750kW a densidade do ar de 125kgm3 a velocidade do vento de 138ms e o Cp de 02 temos A2750103021251383 22395 m2 A área do rotor é dada por A p x r2 R Ap12 R 2239531416 ½ 27m 53 Aspectos ambientais da energia eólica Segundo Moreira 2019 e Fadigas 2011 o aproveitamento energético dos ventos é bastante promissor devido aos aspectos ambientais envolvidos Embora seja considerada uma alternativa de energia limpa uma vez que não emite gases poluentes apresenta impactos negativos indiretos na fase de implantação e operação dos parques eólicos 138 Dentre os principais impactos ambientais da implantação e operação de um parque eólico podemos destacar Paisagem Na fase de construção há alteração da forma da paisagem desordem visual por conta das obras civis fundações das torres subestações de transmissão de energia movimentação de máquinas pesadas para implantação do parque e emissão de poeiras devido a implantação Na fase de operação pode haver impactos sobre o paisagismo da região devido a presença dos aerogeradores e subsistemas de geração e transmissão de energia Fauna e Flora Durante a implantação do parque eólico há supressão de vegetação devido ao movimento de terras e ocupação da área a ser instalado o parque eólico ocorre perturbação dos locais de repouso de reprodução de animais e de alimentação das espécies locais além da morte de alguns animais como répteis anfíbios e pequenos mamíferos Durante a operação pode haver colisão de aves com os aerogeradores e redes elétricas Ruído A implantação e operação de um parque eólico pode aumentar os níveis de ruídos devido as máquinas tráfego de veículos transportando pessoas e equipamentos eventual utilização de explosivos para abertura de cavidades para instalação das torres subestações edifícios e estradas além dos ruídos provocados pelos próprios aerogeradores na fase de operação Solo A implantação do parque requer obras como fundações das torres casas de comando estradas e passagem de cabos elétricos para transmissão de energia que alteram as características do solo podendo ocasionar processos erosivos por exemplo O solo pode ser submetido a vazamento de óleos e combustíveis provenientes das máquinas e equipamentos ocasionando a contaminação desse recurso A implantação do parque pode acarretar restrições de uso do solo 139 Recursos hídricos Pode haver contaminação dos recursos hídricos devido ao vazamento de óleos e combustíveis além de outros produtos químicos Pode haver arraste de sedimentos pelas chuvas contaminando os rios Qualidade do ar devido ao movimento de máquinas pesadas e tráfego de veículos na região pode haver um aumento significativo de poluente atmosféricos como CO2 NO material particulado entre outros gases durante a fase de implantação Na fase de operação não há emissão de efluentes gasosos Aspectos Sociais e Econômicos Com a implantação do parque eólico ocorre a geração de emprego de mão de obra local promoção do desenvolvimento do comércio regional e atividades hoteleiras entretanto para algumas atividades específicas que requerem mão de obra especializada se faz necessário contratar pessoas de fora da região Patrimônio arqueológico arquitetônico e etnológico a instalação de um parque eólico pode ocasionar danos ao patrimônio e sítios arqueológicos da região Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo o aproveitamento da energia eólica para a geração de energia elétrica Foram apresentados o recurso eólico o dimensionamento de um sistema de geração de energia a partir dos ventos e os aspectos ambientais sobre o aproveitamento energético a partir do vento REFERÊNCIAS FADIGAS E A F A Energia eólica Barueri SP Manole 2011 MARTINS F R GUARNIERI R A PEREIRA E B O aproveitamento da energia eólica In Rev Bras Ensino Fís São Paulo v 30 n 1 p 13041130413 2008 MOREIRA J R S Energias renováveis geração distribuída e eficiência energética 1 ed Rio de Janeiro LTC 2019 PINTO M O Fundamentos de energia eolica Rio de Janeiro LTC 2013 140 PINTO M Energia eólica princípios e operação São Paulo Érica 2019 SANTOS M A org Fontes de Energia Nova e Renovável Rio de Janeiro 2013 HINRICHS R A Energia e meio ambiente Sao Paulo Cengage Learning 2014 REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES TOLMASQUIM M T Energia Renovável Hidráulica Biomassa Eólica Solar Oceânica Rio de Janeiro EPE 2016 141 6 OUTRAS FONTES ENERGÉTICAS Apresentação Olá alunoa Neste bloco serão apresentados os principais conceitos sobre o aproveitamento energético do hidrogênio da usina geotérmica e da energia oceânica Serão apresentadas as principais tecnologias de conversão suas vantagens e desvantagens e os aspectos ambientais relacionados a essas fontes energéticas Bons estudos 61 Energia Oceânica A área correspondente aos oceanos é em torno de 71 da superfície do globo terrestre o equivalente a uma área de 361 milhões de km2 na qual incide energia solar sobre a superfície dos oceanos da ordem de 176 Wm2 A energia oceânica é possível na forma de marés ondas gradiente térmico salinidade correntes e biomassa marítima sendo que apenas uma pequena fração desse potencial é aproveitável porque a energia oceânica é de baixa densidade requerendo uma planta de grande porte para sua captação além de estar distante dos grandes centros consumidores 611 Energia das Ondas De acordo com Moreira 2019 as ondas do mar são formadas através da transferência de energia dos ventos sob uma superfície oceânica Os ventos têm origem a partir dos gradientes de pressão existentes na superfície terrestre causados pelo aquecimento solar das massas de ar A intensidade das ondas depende da quantidade de energia transferida que é dada em função da velocidade do vento da duração e tamanho da área de influência As ondas normalmente têm duração inferior a 10 segundos 142 entretanto as ondas do tipo swell são caracterizadas pela propagação a uma longa distância portanto tem um tempo de duração maior As ondas que apresentam melhor aproveitamento energético são geradas entre as latitudes 30o e 60o e são formadas por tempestades extratropicais Entre as latitudes a 30oC do Equador há a incidência de ventos alísios devido ao movimento rotacional da Terra favorecendo o aproveitamento energético A energia das ondas nessa faixa é menor no que diz respeito à potência porém por observarse menor ao longo do ano possibilita maior fator de capacidade O aproveitamento da energia das ondas pode ser realizado através da captação da energia mecânica energia cinética e potencial da água mediante o uso de boias e outros equipamentos oscilantes Algumas instalações captam a água e a armazenam em represas para gerar energia de forma similar às usinas maremotrizes não obstante dentre as tecnologias alternativas contamos também com sistemas que aproveitam as oscilações da superfície para a compressão de ar De acordo com Phillip Jr 2016 e Santos 2013 o aproveitamento energético das ondas é baseado no princípio de funcionamento coluna de água oscilante corpo oscilante e reservatório terminal Coluna de água oscilante OWC essa tecnologia utiliza o movimento das ondas para induzir diferentes níveis de pressão do ar no interior de uma câmara Do lado da saída da câmara de ar é instalada uma turbina acoplada a um gerador que mantém a rotação do eixo No momento que a crista da onda se aproxima da câmara o ar é comprimido e o fluxo segue o sentido de dentro para fora Quando temos a condição de um cavado da onda atuando sobre a câmara o ar externo à câmara é encaminhado para o seu interior Essa tecnologia pode ser instalada na costa no quebramar ou em águas mais profundas próximas da costa Corpo oscilante OB consiste na utilização do movimento das ondas para induzir um diferencial de movimento oscilatório entre dois corpos de diferentes 143 massas Um corpo flutuante utiliza a força do empuxo para induzir movimentos verticais em relação a um outro corpo com movimento restrito A geração de eletricidade é realizada por sistemas hidráulicos conectados ao conjunto turbina gerador É possível utilizar corpos submersos nos quais os movimentos são induzidos pela pressão hidrodinâmica oscilatória das ondas Reservatório terminal corresponde à conversão da energia das ondas em energia potencial mediante o armazenamento temporário da água das ondas acima do nível da superfície livre Nesse caso a eletricidade é gerada pela vazão de água que incide sobre turbinas hidráulicas Os reservatórios terminais podem ser implantados próximos à costa ou em águas mais profundas No Brasil na cidade de São Gonçalo do Amarante a 60 km de Fortaleza a Usina de Pecém contém um dispositivo com flutuadores acoplados a braços mecânicos que acionam um sistema hidráulico de pressurização de ar O movimento oscilatório vertical dos flutuadores capta o ar da atmosfera e o armazena em um reservatório pressurizado parcialmente preenchido com água A água pressurizada aciona uma turbina acoplada a um gerador elétrico As usinas de aproveitamento das ondas como a Usina de Pecém no Ceará apresentam a vantagem de ter um acesso facilitado aos equipamentos que se encontram emersos facilitando os serviços de operação e manutenção A proximidade com a costa diminui a profundidade e portanto a disponibilidade de energia mecânica das ondas sendo necessário instalações de grande porte para garantir a viabilidade econômica A energia potencial da onda de largura L no oceano corresponde à energia da água situada acima do nível médio do mar A potência disponível em um ciclo da onda é dada pela variação total da energia potencial A expressão que representa a energia potência da onda é dada pela equação a seguir 144 Em que σ densidade da água do mar g gravidade h amplitude total da onda do ponto mais alto ao ponto mais baixo T período da onda em segundos igual ao inverso da frequência número de ondas por segundo 612 Energia das marés As marés são formadas pelos movimentos oscilatórios do nível do mar devido à atração gravitacional da Lua e do Sol e o efeito da rotação da Terra A energia das marés corresponde ao enchimento e esvaziamento alternados providenciando uma elevação no nível das águas caracterizando a maré cheia Esse desnível de água pode ser aproveitado para gerar energia elétrica tecnologia similar à hidrelétrica De maneira geral o princípio de funcionamento de uma usina maremotriz consiste no represamento de água quando a maré está alta por meio de uma barragem composta por comporta para controle da vazão de água visando o aproveitamento potencial A água é mantida no reservatório até a maré recuar ao ponto de criar um nível satisfatório para que seja aproveitada a energia potencial A água armazenada é encaminhada às turbinas acopladas ao gerador elétrico convertendo a energia potencial obtida do desnível em energia elétrica O processo de liberação das águas para as turbinas é mantido até que seja atingida a altura de queda da água mínima para a geração de energia elétrica Na sequência a maré ao voltar a subir ocorre o processo de admissão de água enchendo o reservatório novamente repetindo o ciclo Há também a possibilidade de realizar o aproveitamento da energia cinética das correntes marítimas SANTOS 2013 MOREIRA 2019 PHILIP JR 2016 Segundo Moreira 2019 o que viabiliza o aproveitamento energético das usinas maremotriz é a sua amplitude mínimo 5 m e a sua periodicidade A utilização de equipamentos reversíveis são uma alternativa para aumentar a frequência dos períodos 145 de geração de energia Esses equipamentos funcionam em ambos os sentidos do escoamento podendo ocorrer na vazante ou na enchente As usinas maremotriz reversíveis efeito duplo garantem a produção de energia uniforme uma vez que a turbina funciona como uma bomba durante o bombeamento as turbinas giram no sentido contrário e atuam como motobombas entretanto quando comparadas às usinas convencionais efeito simples essas requerem turbinas e instalações específicas e avançadas tornando mais dispendioso o processo As usinas maremotrizes são comumente construídas próximas à zona costeira que possui uma amplitude de maré elevada e em regiões geomorfologicamente indicadas para implantação de uma barragem As usinas maremotriz são dependentes do ciclo das marés não sendo utilizáveis para seguir a curva de carga Nesse caso o uso dessa fonte de energia é recomendado com uma alternativa complementar às demais fontes convencionais de energia 613 Energia das correntes oceânicas e correntes de marés De acordo com Moreira 2019 o movimento de massas de águas no oceano que dão origem às marés e que são formados pelos efeitos gravitacionais da rotação da Terra Lua ao redor de uma massa comum bem como os efeitos sobre a temperatura e salinidade correspondem a uma forma de energia cinética que pode ser aproveitada para gerar energia elétrica O aproveitamento da energia cinética é realizado em grandes rotores submersos que possuem o mesmo princípio das turbinas eólicas que são conectadas ao fundo do mar por sistemas de ancoragem ou estruturas civis A estrutura contempla torres ou postes sobre o fundo do mar não havendo necessidade de construção de diques e barragens Considerações sobre a Energia Oceânica Com relação ao aproveitamento de energia oceânica o Brasil possui uma extensa área costeira que favorece a geração de energia elétrica Há que se destacar a região 146 nordeste do país que possui favorável movimentação das marés possibilitando as condições adequadas ao aproveitamento energético Ainda é bastante embrionário o aproveitamento dessa fonte energética especialmente no Brasil e algumas ações são recomendadas para fortalecer essa fonte na matriz energética MOREIRA 2019 Incentivo à pesquisa desenvolvimento e inovação assim como a formação de recursos humanos qualificados Monitoramento das condições oceânicas como medições de ondas marés e correntes por instrumentação oceanográfica Criação de protótipos para a conversão de ondas marés e correntes em eletricidade Promover incentivos fiscais e aprimoramento da indústria nacional para o desenvolvimento de produtos e serviços na área Promover tarifas diferenciadas para garantir a sustentabilidade econômica na fase de implantação de novas tecnologias 62 Hidrogênio Segundo o CGEE 2010 a utilização do hidrogênio é considerada uma alternativa à utilização dos combustíveis fósseis convencionais tanto para o setor de geração de energia elétrica quanto para o setor de transportes pois é uma fonte com baixos impactos ambientais O hidrogênio não está disponibilizado no meio ambiente de forma livre portanto são necessários alguns processos para obtêlo O hidrogênio é um elemento que geralmente é encontrado ligado ao carbono formando os hidrocarbonetos ou com o oxigênio formando a água em boa parte da superfície terrestre Algumas reações químicas quebram essas ligações possibilitando a formação do hidrogênio gasoso que é considerado um combustível Alguns processos possibilitam 147 essa quebra para facilitar o aproveitamento do hidrogênio gasoso entretanto é necessária uma grande quantidade de energia na forma de calor ou radiação solar A obtenção do hidrogênio envolve custos elevados de produção do gás bem como da geração de eletricidade a partir das células de combustível e por essa razão não é uma tecnologia estabelecida no mundo O aumento da participação do hidrogênio na matriz energética está diretamente relacionado à valorização e preocupação com as questões ambientais bem como a disponibilidade de combustíveis fósseis para abastecer a crescente demanda energética O gás hidrogênio pode ser obtido a partir de combustíveis fósseis energia nuclear e energias renováveis através de processos como a eletrólise da água a reforma de gás natural a gaseificação de carvão ou de biomassa a decomposição térmica da água sob altas temperaturas termólise e a fotoeletrólise além de processos biológicos MOREIRA 2019 De acordo com o CGEE 2010 o aproveitamento energético do hidrogênio produzido a partir de biomassa e biocombustíveis como o etanol tem sido considerada uma alternativa eficiente e ambientalmente adequada principalmente quando associada à utilização de células à combustível Uma célula combustível consiste numa célula eletroquímica ou seja uma bateria que libera energia Os elementos mais empregados são o hidrogênio e o oxigênio o hidrogênio é fornecido do lado do anodo e o oxigênio pelo catodo Dentre os principais processos de obtenção destacamse a eletrólise de água e a reforma de gás natural como as mais promissoras A eletrólise é um processo dispendioso e indicado à produção de hidrogênio de alta pureza O processo de reforma de gás natural é menos dispendioso e apresenta maior eficácia portanto é aplicado na produção em grande escala É possível obter hidrogênio a partir da biomassa por meio da gaseificação fotoeletrólise e a hidrólise a partir da energia solar ou de processos biológicos Essas tecnologias ainda são embrionárias porém têm um futuro promissor 148 Decomposição da molécula de água A partir da decomposição da molécula de água produzse o gás hidrogênio altamente energético e o gás oxigênio sendo essa uma reação endotérmica A equação que representa a reação é dada por As principais fontes de energia para a obtenção de hidrogênio a partir dessa reação são eletricidade eletrólise fotoeletrólise e termólise Eletrólise processo que converte a água nos gases hidrogênio e oxigênio através da eletricidade Na eletrólise a molécula de água por meio de reações químicas promovidas por uma fonte de tensão elétrica externa a corrente elétrica é fornecida por meio de eletrodos entre os quais há uma solução eletrolítica ou membranas poliméricas é quebrada produzindo o gás hidrogênio e o oxigênio O maior custo do processo de eletrólise referese à eletricidade sendo essencial a redução do consumo e a busca por fontes de energia menos dispendiosas A redução de custos pode ser obtida por meio do desenvolvimento de novos materiais eletrocatalíticos para os eletrodos A energia solar através de um painel fotovoltaivo é uma fonte de eletricidade possível como requisito energético da reação química constituindo uma alternativa sustentável e economicamente adequada para o processo Atualmente as principais usinas de produção de hidrogênio estão em fase experimental ainda em fase de pesquisa sobre a viabilidade técnica e econômica A eletrólise é um processo que consome mais energia do que produz com o gás hidrogênio porém estimase que é uma fonte adequada para melhorar a produtividade nas usinas hidrelétricas pois o hidrogênio produzido nos grandes reservatórios durante o período de baixa carga poderá suprir a demanda nos picos de consumo Termólise consiste na quebra da molécula de água através da exposição à elevadas temperaturas acima de 2000C Nesse caso a energia que fornece o calor para o 149 processo pode ser a energia nuclear a energia solar ou ainda pode ser fornecida por meio da combustão A combustão não é a forma mais recomendada de fonte de energia do processo pois requer alto consumo de combustível inviabilizando o balanço energético e econômico do processo Nesse caso as alternativas mais promissoras são a energia nuclear que possui alta densidade energética e a energia solar concentrada uma fonte renovável e inesgotável A grande desvantagem da termólise da água é que os gases hidrogênio e oxigênio são altamente reativos e explosivos sendo essencial sua separação para evitar uma possível recombinação explosiva Como o processo requer temperaturas extremamente altas há que se considerar materiais resistentes ao aquecimento que são dispendiosos Reforma de metano O gás natural é basicamente constituído por metano e a reação de reforma do metano é a técnica mais empregada na obtenção de hidrogênio Esse processo não produz hidrogênio puro mas uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono conhecida como gás de síntese syngas A reação química da reforma de metano ocorre em temperaturas elevadas da ordem de 700 e 850 C sob pressão de 3 e 25 bar A equação que representa a reação química de reforma de metano é O syngas é utilizado na indústria química dispensando a etapa de separação do hidrogênio dos demais compostos Quando se deseja a obtenção de um produto com maior pureza é necessário submeter a uma reação na qual o syngas reage com vapor produzindo hidrogênio e gás carbônico facilmente separados da mistura 150 Gaseificação A gaseificação consiste na conversão de um combustível sólido ou líquido rico em carbono numa mistura de gases com maior poder calorífico O produto obtido por meio desse processo é o gás de síntese syngas o mesmo da reforma de metano que possui poder calorífico capaz de ser utilizado em processos industriais como na geração e energia É um processo endotérmico realizado em altas temperaturas e o combustível é aquecido na ausência de oxigênio e na presença de um agente oxidante O agente oxidante pode ser o ar o vapor e o oxigênio puro bem como uma mistura deles A composição do syngas e o poder calorífico variam em função do agente oxidante empregado no processo Por exemplo quando são utilizados vapor e oxigênio puro os teores de oxigênio são muito maiores do que quando é empregado ar no processo Energia nuclear A energia nuclear é empregada não apenas para gerar eletricidade mas como uma fonte de calor na produção de hidrogênio gasoso Dentre as rotas tecnológicas para a geração de hidrogênio destacase a eletrólise já comentada e a rota termoquímica A rota termoquímica é realizada por meio de reatores nucleares de alta temperatura sendo possível estimar uma eficiência da ordem de 3050 Principais vantagens e desvantagens do hidrogénio O hidrogênio é uma fonte alternativa de energia dispendiosa acarreta altos custos de transporte e distribuição e como não se encontra isolado na natureza requer processos tecnológicos de conversão avançados Não obstante é um combustível muito reativo sendo necessário um sistema de segurança para evitar acidentes Ainda assim o hidrogênio é uma fonte renovável limpa que não acarreta emissões de gases que intensificam o efeito estufa Por se tratar de um elemento abundante na natureza que tem um grande potencial no setor de transportes pode ser facilmente armazenado e aplicado na geração de eletricidade 151 63 Energia Geotérmica A energia geotérmica e obtida a partir do calor originado no interior da Terra por meio de perfurações no solo com profundidade suficiente para atingir a água aquecida ou os gêiseres A água estando aquecida possibilita a liberação de vapor sendo utilizada para acionar uma turbina acoplada a um gerador elétrico BEZERRA 2018 Os principais reservatórios de energia geotérmica são vulcoes geiseres fontes de água e lama quentes O potencial energético da energia geotérmica é bastante expressivo entretanto está limitada a determinados lugares São recursos finitos que podem ser esgotados mediante a exploração intensiva HINRICHS 2014 Além da geração de energia elétrica é possível o aproveitamento do calor das fontes subterrâneas para o aquecimento residencial e agrícola De acordo com Hinrichs 2014 a energia geotermica tem sua origem no núcleo derretido da Terra onde as temperaturas variam em torno de 4000oC A composição do interior da Terra é constituída por rochas e metais a crosta gigantescos blocos rochosos de espessura entre 5 e 70 quilômetros o manto onde se encontra o magma e o núcleo que se divide em externo líquido e interno sólido e denso constituído por ferro e níquel BRANCO 2016 A temperatura no interior da Terra se eleva com o aumento da profundidade em função do gradiente térmico a uma taxa de 30oCkm O aproveitamento energético das fontes geotérmicas requer o atendimento a algumas condições BICUDO 2010 Necessidade de uma fonte de calor podendo ser um corpo magmático ou rochas quentes Um fluido que transporte o calor por exemplo a água Um conjunto de rochas permeáveis formando o reservatório Uma formação geológica não permeável e isolante de cobertura que concentra e retém toda a energia contida no reservatório 152 A exploração geotérmica e economicamente viável em pontos estratégicos como locais de movimentação de placas tectônicas falhas e rachaduras próximas a superfície que propiciam a formação de pontos quentes Dentre os mais comuns podese destacar os sistemas hidrotermais nos quais a energia térmica do magma e armazenada na água ou no vapor preenchendo os poros e fraturas da rocha Os reservatórios termais podem ser classificados em duas categorias HINRICHS 2014 Sistemas de vapor úmido ou água quente nessa categoria a água e aprisionada em um reservatório subterrâneo aquecido pelas rochas Devido às altas pressoes pode atingir temperaturas elevadas 370oC sem entrar em ebulição Quando a água atinge a temperatura de ebulição a pressao e liberada fazendo com que a água seja impulsionada pelo vapor através da abertura existente nas fraturas sendo pulverizada no ar sob a forma de vapor Nos reservatórios geotermicos a água quente direcionada à superficie dá origem às fontes quentes ou aos geiseres É possível instalar poços geotermicos para coletar o vapor úmido O movimento ascendente da água quente faz com que essa se pulverize em uma parte de vapor e quatro partes de água quente Ocorre a separação da fração de vapor que é utilizado para acionar uma turbina acoplada a um gerador elétrico A fração de água quente é utilizada no aquecimento direto ou em usinas de dessalinizaçao Sistemas de vapor seco Nesse caso os reservatórios de vapor geotermico seco se formam sob uma pressao um pouco maior que a atmosferica e em temperaturas elevadas A água entra em ebuliçao na parte subterrânea produzindo vapor a temperaturas de cerca de 165oC O vapor gerado é utilizado em turbinas acopladas a um gerador elétrico para obtenção de energia elétrica Estudos apontam que estão disponíveis cerca de 2 1022 Btu de energia termal no interior da crosta terrestre Essa quantidade de energia é equivalente a 900 trilhoes de toneladas de carvao o que atenderia às demandas energeticas por 350 mil anos Entretanto a energia geotermica possui baixa eficiência devido as temperaturas do 153 vapor serem da ordem de 150oC e 250oC enquanto nas usinas térmicas convencionais por exemplo de carvão o vapor é fornecido a 550oC aproximadamente Para exemplificar a eficiência de uma usina térmica vamos relembrar que a máxima eficiência de um motor de calor operando entre uma temperatura quente TQ e uma temperatura fria TF leva em consideração a eficiência de Carnot onde T2 corresponde à temperatura fria e T1 à temperatura quente Suponhamos que uma usina geotérmica apresente a temperatura quente da ordem de 150oC 423K e temperatura fria de 25oC 298K portanto a eficiência de Carnot será 30 Como a eficiência real corresponde à 50 da eficiência máxima de Carnot teremos nessa usina geotérmica uma eficiência da ordem de 15 Se compararmos com as usinas que utilizam combustíveis fósseis a eficiência é 3540 ou às de ciclo combinado de turbina a gás que apresentam eficiência de 5055 vemos que é uma fonte pouco eficiente Outra forma de aproveitamento energético de fontes geotérmicas ocorre através dos reservatórios de baixa temperatura 20150oC empregados principalmente no aquecimento direto de residências e indústrias O aproveitamento é realizado por meio dos reservatórios de água quente subterrânea sob pressão A água quente é encaminhada à superfície terrestre e através de um sistema de troca de calor transfere a energia térmica para outro fluido que é resfriado e bombeado retornando ao solo HINRICHS 2014 O Sistema Aquífero Guarani localizado na América do sul contemplando áreas de alguns estados brasileiros parte da Argentina Paraguai e Uruguai distribuído por uma área de cerca de 1196500 km² contém reservatórios geotérmicos de baixa temperatura e baixos gradientes térmicos Dessa forma é economicamente viável o seu aproveitamento para a produção de energia elétrica entretanto há um potencial significativo para o uso direto da água aquecida 154 Vantagens e Desvantagens da Energia Geotérmica A energia geotérmica é uma fonte de energia limpa por não haver emissão de grande quantidade de poluentes não está sujeita as condições meteorológicas e é possível reutilizar o fluido extraído ao injetálo novamente na crosta terrestre caracterizandoo como um recurso renovável de energia Promove a diversificação da matriz energética reduzindo custos com a exploração e utilização de outras fontes como o carvão mineral e o petróleo contribuindo para as boas práticas de sustentabilidade PHILIP Jr 2016 A desvantagem da usina geotermica e a emissao de gases o sulfeto de hidrogenio H2S que apresenta um odor característico de ovo podre e o dióxido de carbono através de processos geotermicos porém em concentração muito inferior aos processos que empregam combustíveis O vapor produzido em campos de vapor seco contém minerais que ao serem condensados podem contaminar o lençol freático A exploração de vapor através da rota úmida apresenta um teor de minerais e sal da água quente muitas vezes chamada de salobra da ordem de 20 a 30 de sólidos dissolvidos Os dispositivos das turbinas podem ser submetidos a processos de corrosao bem como as tubulaçoes podem ser entupidas Por fim a retirada do vapor do interior da crosta terrestre pode causar a movimentação de terras assentamento ou deslizamento dos terrenos Conclusão Neste bloco você aprendeu os principais conceitos envolvendo o aproveitamento energético do hidrogênio bem como as vantagens e desvantagens de cada rota tecnológica disponível Também foram apresentados os principais conceitos sobre o aproveitamento energético da energia geotérmica e da energia oceânica Vimos as principais tecnologias de conversão suas vantagens e desvantagens e os aspectos ambientais relacionados a essas fontes de energia REFERÊNCIAS BEZERRA E C Conversão de energia Porto Alegre SAGAH 2018 155 BICUDO C Energia Geotérmica In Sentir e Interpretar os Açores SIARAM 2010 Disponível em httpsiaramazoresgovptenergiarecursos hidricosgeotermiaenergiageotermicapdf Acesso em mar de 2021 BRANCO P M Estrutura Interna da Terra In CPRM Disponível em httpwwwcprmgovbrpubliqueCPRMDivulgaEstruturaInternadaTerra 1266html Acesso em mar de 2021 CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos Hidrogênio energético no Brasil subsídios para políticas de competitividade 20102025 In Tecnologias críticas e sensíveis em setores prioritários Brasília Centro de Gestão e Estudos Estratégicos 2010 HINRICHS R A Energia e meio ambiente Sao Paulo Cengage Learning 2014 IEA Internacional Energy Agency World Energy Balances Overview 2018 Disponível em httpswwwieaorgreportsworldenergybalancesoverviewworld Acesso em 10 mar 2021 MOREIRA J R S Energias renováveis geração distribuída e eficiência energética Rio de Janeiro LTC 2019 PHILIPPI Jr A Energia e sustentabilidade Barueri SP Manole 2016 SANTOS M A org Fontes de Energia Nova e Renovável Rio de Janeiro LTC 2013