Processos de Energias Renová Renováveis veis
Fundamentos
C0095.indd
i
27/08/14
3:31 AM
C0095.indd
ii
27/08/14
3:31 AM
Processos de Energias Renováveis
Fundamentos ALDO VIEIRA DA ROSA
Tradução da 3ª edição Tradução: Paula Santos Diniz Revisão Técnica: Shigeaki Leite de Lima Doutor em Engenharia de Eletricidade pela Universidade Federal do Maranhão (UFMA) Professor Colaborador do Programa de Pós-graduação em Engenharia de Eletricidade da UFMA Professor do Curso de Bacharel em Ciência e Tecnologia (BCT/UFMA) Pesquisador do Instituto de Energia Elétrica (IEE/UFMA)
C0095.indd iii
27/08/14
3:31 AM
Do original: Fundamentals of Renewable Energy Proccesses, 3rd edition. Tradução autorizada do idioma inglês da edição publicada por Academic Press. Copyright 2013, Elsevier Inc. All rights reserved. © 2015, Elsevier Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei n° 9.610, de 19/02/1998. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros.
Copidesque: Edna da S ilva Cavalcanti Revisão: Adriana Kramer, Rober to Facce, Vanessa Raposo Editoração Eletrônica: Thomson Digital Elsevier Editora Ltda. Conhecimento sem Fronteiras Rua Sete de Setembro, 111 – 16° andar 20050-006 – Centro – Rio de Janeiro – RJ – Brasil Rua Quintana, 753 – 8° andar 04569-011 – Brooklin – São Paulo – SP Serviço de Atendimento ao Cliente 0800 026 5340
[email protected] ISBN: 978-85-352-7633-6 ISBN (versão digital): 978-85-352-8136-1 ISBN (edição original): 978-0-12-397219-4
Nota: Muito zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Ser viço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso desta publicação.
CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ R694p 3. ed. Rosa, Aldo Vieira da Processos de energias renováveis / Aldo Vieira da Rosa ; tradução Paula Santos Diniz. - 3. ed. - Rio de Janeiro : Elsevier, 2015. il. Tradução de: Fundamentals of renewable energy processes ISBN 978-85-352-7633-6 1. Energias - fontes alternativas. 2. Energia - conservação. I. Título. 14-12882
C0100.indd iv
CDD: 333.79 CDU: 620.91
27/08/14 3:38 AM
Prefácio à terceira edição Pense no campo dos empreendimentos energéticos como algo com duas dimensões: ele possui uma amplitude (ou extensão) que compreende todos os aspectos científicos das diversas tecnologias usadas ou propostas para gerar, armazenar, fornecer e utilizar a energia. Tal amplitude é limitada; é sempre possível sugerir um novo caminho para lidar com a energia. Um livro com a proposta de esgotar o tema seria uma enciclopédia de tamanho ilimitado. Dessa forma, é necessário selecionar os temas a serem abordados, atitude necessariamente arbitrária que, em geral, satisfaz os caprichos do autor. O campo das atividades relacionadas à energia também apresenta uma profundidade (ou altitude) que mensura o caminho da implementação de qualquer sistema energético, o de traduzir uma solução científica sensata em resultados práticos. Esse passo envolve aspectos econômicos, financeiros, políticos, de impacto ambiental etc. Obviamente, é impossível quantificar essas ideias, mas o autor reconhece que a maior parte da dificuldade reside em pôr a ideia no caminho da implementação quando existe uma solução científica. A menor fatia do espaço da atividade energética requer um tratamento rigoroso e, por isso, atrai menos pessoas do que o restante do caminho da implementação, que é muito mais qualitativo. Esta é uma das razões pelas quais há muito mais livros na área da implementação do que na científica. Na ilustração, representamos o espaço dedicado aos empreendimentos energéticos e indicamos em uma área sombreada a área relativa à atividade científica, que ocupa apenas uma pequena fração da área total, embora seja uma atividade sine qua non. Por questões de design, este livro se limita à área científica; na verdade, a apenas uma pequena parte dessa área, indicada pelas porções que apresentam o sombreado mais escuro. Muitos livros bons abrangem a área maior, que não está sombreada. Os professores que adotaram este livro, seja como livro-texto ou como consulta, sugeriram o acréscimo de vários temas. Ainda que quase todas as sugestões fossem excelentes, aceitá-las tornaria o livro demasiadamente volumoso. v
C0105.indd
v
27/08/14
3:41 AM
PROCESSAMENTO E TRANSMISSÃO DE GÁS NATURAL
Implementação útil e final ) . c t e a c i o t í l ã ç o a p t , n s e a m ç e n l a p i n f m , i a a i a r m a o p n o o c h e n , i o l m p a C m e x e r o p (
Esta área não sombreada não é abordada neste livro
Áreas abordadas neste livro Ciências: invenção, desenvolvimento etc.
Diferentes temas científicos (por exemplo, motores térmicos, células a combustível, turbinas eólicas etc.)
Por outro lado, foi sugerido que alguns temas “irrelevantes”, como os capítulos curtos sobre os geradores do ruído de rádio, fossem descartados. É quase certo que essa tecnologia nunca irá se tornar prática e, prova velmente, ninguém irá incluir tais temas em palestras formais. No entanto, optamos por mantê-los como um exercício intelectual para o aluno curioso, que assim poderá expandir os horizontes e aprender a pensar fora da caixa. Claramente, foi isso que levou os editores da Physical Review a publicar este livro, e os Professores Panofsky e Feynman a aprovar a publicação de uma ideia tão estranha. Decidimos, no entanto, eliminar o Apêndice B do Capítulo 14, cujo conteúdo realmente está em um nível aquém para uma obra destinada a alunos de pós-graduação. Este livro discute uma série de tópicos relacionados à energia, cuja sequência não direciona para um curso formal. Nesse tipo de curso, muitos capítulos devem ser omitidos (embora os alunos possam ser incentivados a lê-los). De fato, espera-se que, nesses cursos, o responsável pelo ensino escolha alguns capítulos pertinentes e reorganize a ordenação dos mesmos de forma apropriada.
vi
C0105.indd
vi
27/08/14
3:41 AM
Prefácio à segunda edição O desejo comum do público de se informar sobre a energia foi, em parte, satisfeito pela excelente cobertura da mídia e pelo grande número de bons livros sobre o assunto. A maioria, naturalmente, tem uma inclinação jornalística e trata a tecnologia superficialmente. Admitindo os vários aspectos do problema – tecnológicos, econômicos e políticos –, a tecnologia representa apenas uma pequena porção do total, embora seja a parte a ser resolvida primeiro. Aqueles que precisam compreender as limitações das soluções técnicas necessitam de uma boa noção científica daquilo que está sendo proposto. Este livro tenta explicar como cada processo de energia discutido funciona, na verdade. Um grau razoável de matemática é usado para unificar e esclarecer as explicações. Ao discutir mais os fundamentos do que o estado da arte, espera-se retardar a obsolescência deste livro, especialmente em um momento de evolução muito rápida de ideias. Aqueles que desejam trabalhar nessa área podem achar este livro útil para se preparar para a compreensão de artigos mais especializados em qualquer processo de energia que lhes possa interessar. Apesar da abordagem concentrada nos fundamentos, este livro irá se tornar obsoleto um dia, não porque fundamentos mudam, mas porque diferentes fundamentos serão invocados. Esta segunda edição discute algumas áreas científicas que apenas recentemente foram recrutadas para a solução de problemas relativos à energia. Após mais de dois séculos de intensa evolução, até tecnologias bastante maduras como os motores térmicos (Capítulo 2) ainda podem encontrar formas novas e melhores. Este é o caso do motor Stirling de pistão livre, cuja alta eficiência e vida útil longa e livre de manutenção tornaram-no favorito para gerar eletricidade em locais remotos e sem tripulação, como nas naves espaciais e na exploração do planeta. A segunda edição amplia as sete páginas da primeira, dedicadas aos motores Stirling, já que esses dispositivos ultramodernos de livre pistão são indutivos. A termoelétrica (Capítulo 5) também progrediu nos últimos anos, apresentando uma melhor compreensão de nanomateriais criados artificialmente e em super-redes que, de certa forma, evitam as limitações da lei de Weidemann-Frank-Lorentz, o que permite a síntese de materiais que apresentam grande condutividade elétrica, mas pouca condutividade térmica.
C0110.indd
vii
vii
27/08/14
3:44 AM
PROCESSAMENTO E TRANSMISSÃO DE GÁS NATURAL
Células a combustível desenvolveram muito. Aquelas descritas na primeira edição eram adequadamente leves e eficientes, mas tinham uma vida útil curta e eram caras. Problemas relativos à catálise eram os responsáveis por essas falhas. A segunda edição apresenta uma discussão muito mais ampla sobre a cinética química e descreve trabalhos muito recentes (até 2008) que evitam por completo metais preciosos atuando como catalisadores, enquanto superam substancialmente esses metais. A produção de hidrogênio, uma técnica relativamente antiga, agora começa a curvar-se a processos fotolíticos que eram de pouco interesse quando a primeira edição estava sendo preparada. Talvez seja na biomassa que a evolução mais significativa tenha ocorrido. O entusiasmo público com relação ao etanol e ao biodiesel impulsionou a biomassa proveniente de uma fonte de energia menor que pode contribuir muito para o abastecimento dos veículos. A biomassa será firmemente fortificada em tal papel, se a hidrólise econômica da celulose puder ser alcançada. A segunda edição estuda mais os mistérios envolvidos na bioquímica necessária. Usinas fotovoltaicas de grande porte expandiram nos últimos anos em um ritmo contínuo de mais de 40% ao ano. Agora enfrentam um momento decisivo: continuar com dispositivos de silício eficientes, mas caros, ou adotar células plásticas baratas, embora muito menos eficientes. Tudo deve depender de se achar uma maneira de melhorar a vida útil das células menos eficientes. A segunda edição discute a química e tecnologia dessas células poliméricas. Finalmente, a energia eólica estabeleceu-se como a principal atuante na produção de energia. As fazendas eólicas também expandem a uma taxa de 40% ao ano, igual às usinas fotovoltaicas, mas como são provenientes de uma base muito maior, agora começam a dar contribuições ao leque energético. Quando a primeira edição foi preparada, a energia eólica tinha um papel discreto, e não estava inteiramente claro qual tipo de turbina (com eixo horizontal ou vertical) venceria. Agora está claro que o eixo horizontal (do tipo com pás) é a solução predominante. A segunda edição trata dos fundamentos dessas máquinas (limite de Betz, lei de Rankine-Froude, rotação em turbulência etc.), temas esses omitidos na primeira edição. Este livro se baseia em notas de aula compiladas desde 1976, durante o ensino da disciplina Fundamentos dos Processos Energéticos, em Stanford. Como tanto o custo de energia quanto os fornecedores estrangeiros aumentaram, também cresceu o interesse nesse assunto, o que reflete o espírito do povo americano. Aldo Vieira da Rosa
[email protected] Palo Alto, CA Agosto de 2008
viii
C0110.indd
viii
27/08/14
3:44 AM
Prefácio à primeira edição Este livro examina os fundamentos de alguns processos energéticos não tradicionais. Há pouco esforço em descrever o “estado da arte” das tecnologias envolvidas, uma vez que a rapidez com que essas tecnologias mudam faz com que logo se tornem obsoletas. No entanto, os princípios subjacentes são imutáveis e essenciais para se compreender os futuros desdobramentos. Faz-se uma tentativa de apresentar explicações físicas claras sobre os princípios pertinentes. O texto não irá preparar o aluno para o projeto detalhado de qualquer dispositivo ou sistema específico. No entanto, espera-se que o texto forneça informações básicas que permitam a compreensão de textos mais especializados. Os tópicos não foram escolhidos de acordo com a sua praticidade ou pelas futuras promessas. Alguns temas são discutidos apenas porque representam bons exercícios na aplicação de princípios físicos, apesar das dificuldades óbvias de implementação. Sempre que necessário, o rigor é sacrificado em nome da clareza. Embora se pressuponha que o aluno tenha uma boa base em física, química e matemática (conhecimento esperado de um aluno no final do curso de Ciências ou de Engenharia), as derivações tendem a ser iniciadas pelos primeiros princípios, de modo a permitir a identificação dos mecanismos básicos. Os problemas relacionados à energia são apenas parcialmente técnicos – a economia e a política dominam o cenário, mas são apresentadas aqui de forma limitada. A organização do livro é arbitrária e certamente não abrange todos os temas. Os processos que podem ser considerados “tradicionais”, em geral, são ignorados. Por outro lado, a lista de processos “não tradicionais” é considerada necessariamente limitada.
ix
C0115.indd
ix
27/08/14
3:46 AM
C0115.indd
x
27/08/14
3:46 AM
Agradecimentos Eu não poderia ter escrito este livro ou conquistado qualquer coisa sem o apoio e incentivo sólidos e permanentes de Aili, que tem me acompanhado nos últimos 67 anos. Muito obrigada, Aili! Agradeço muito ao Dr. Edward Beardsworth, renomado especialista em tecnologias energéticas, por me manter em alerta com relação às ideias e desdobramentos mais recentes revelados pelas inúmeras pessoas que trabalham no campo energético. A minha gratidão vai aos mais de mil alunos que, desde 1976, vêm corrigindo minhas anotações e os meus erros de digitação e, principalmente, mantendo-me focado nas áreas de interesse deles.
xi
C0120.indd
xi
27/08/14
3:49 AM
C0120.indd
xii
27/08/14
3:49 AM
Sumário
Prefácio à terceira edição Prefácio à segunda edição Prefácio à primeira edição Agradecimentos
v vii ix xi
CAPÍTULO 1
Generalidades 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
Unidades e constantes Energia e utilidade Conservação de energia Equilíbrio energético do planeta A taxa de uso de energia A explosão populacional A função de penetração no mercado Recursos de energia do planeta 1.8.1 Recursos minerais 1.9 Uso de energia 1.10 A questão da eficiência 1.11 A questão ecológica 1.11.1 Biológico 1.11.2 Mineral 1.11.3 Subterrâneo 1.11.4 Oceânico 1.12 Financiamento 1.13 O custo da eletricidade Problemas
1 1 4 5 6 7 10 11 18 19 21 24 26 28 28 29 29 30 32 34
PARTE I
MÁQUINAS TÉRMICAS
45
CAPÍTULO 2
O básico de termodinâmica e da teoria cinética dos gases 2.1 O movimento de moléculas 2.1.1 Temperatura
C0125.indd
xiii
47 47 47
xiii
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
2.1.2 A lei do gás perfeito 2.1.3 Energia interna 2.1.4 Calor específico em volume constante 2.1.5 A primeira lei de termodinâmica 2.1.6 O trabalho da pressão-volume 2.1.7 Calor específico em pressão constante 2.1.8 Graus de liberdade 2.2 Manipulação de gases confinados (sistemas fechados) 2.2.1 Processos adiabáticos 2.2.1.1 Compressão abrupta 2.2.1.2 Compressão gradual 2.2.1.3 Diagramas p-V 2.2.1.4 Lei politrópica 2.2.1.5 Trabalho realizado sob expansão adiabática (sistema fechado) 2.2.2 Processos isotérmicos 2.2.2.1 Funções do estado 2.3 Manipulação de gases fluentes (sistemas abertos) 2.3.1 Entalpia 2.3.2 Turbinas 2.3.2.1 Processos isentrópicos 2.4 Entropia e sistemas com perdas 2.4.1 Mudanças na entropia 2.4.2 Reversibilidade 2.4.3 Causas de irreversibilidade 2.4.3.1 Fricção 2.4.3.2 Transferência de calor em diferenças de temperatura (transferência de calor por condução) 2.4.3.3 Compressão irrestrita, expansão de um gás 2.4.4 Negentropia 2.5 Funções de distribuição 2.5.1 Como representar a estatística 2.5.2 Distribuição Maxwelliana 2.5.3 Distribuição de Fermi-Dirac 2.6 Lei de Boltzmann 2.7 Fases de uma substância pura 2.8 Simbologia Problemas
49 50 50 51 51 52 53 54 54 55 58 59 60 61 61 63 64 64 65 67 68 71 72 74 74 74 75 75 76 76 78 81 83 84 88 88
CAPÍTULO 3
Máquinas térmicas mecânicas 3.1 Poder calorífico 3.2 Eficiência de Carnot 3.3 Tipos de máquinas
xiv
C0125.indd
xiv
91 91 94 95
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
3.4 O motor ciclo Otto 3.4.1 A eficiência do motor ciclo Otto 3.4.2 Uso de diagramas Ts 3.4.3 Melhoria da eficiência do motor ciclo Otto 3.5 Gasolina 3.5.1 Poder calorífico 3.5.2 Características antidetonantes 3.6 Knocking 3.7 Ciclo Rankine 3.7.1 A ebulição da água 3.7.2 A máquina a vapor 3.7.3 E agora? 3.8 O ciclo Brayton 3.9 Ciclos combinados 3.10 Motores híbridos para automóveis 3.11 O motor Stirling 3.11.1 O motor Stirling cinemático 3.11.1.1 O motor Stirling tipo alfa 3.11.1.2 O motor Stirling tipo beta 3.11.1.3 A implementação do Stirling cinemático 3.11.2 O motor Stirling de pistão livre Problemas
99 99 102 104 106 106 106 107 110 110 113 115 116 119 120 121 123 123 126 127 129 131
CAPÍTULO 4
Conversores de energia térmica oceânica 4.1 Introdução 4.2 Configurações do OTEC 4.3 Eficiência do OTEC 4.4 Design do OTEC 4.5 Trocadores de calor 4.6 Localização Problemas
141 141 142 143 145 147 147 149
CAPÍTULO 5
Termoeletricidade 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9
C0125.indd
xv
Observações experimentais Termômetros termoelétricos O gerador termoelétrico Valor de mérito de um material A lei de Wiedmann-Franz-Lorenz Condutividade térmica em sólidos Coeficiente Seebeck dos semicondutores Desempenho de materiais termoelétricos Algumas aplicações de geradores termoelétricos
153 153 158 161 164 165 169 171 172 175
xv
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
5.10 Design de um gerador termoelétrico 5.11 Refrigeradores termoelétricos e bombas de calor 5.11.1 Design usando um termopar existente 5.11.2 Design baseado em determinados semicondutores 5.12 Dependência da temperatura 5.13 Arquitetura da bateria 5.14 A física da termoeletricidade 5.14.1 O efeito Seebeck 5.14.2 Efeito Peltier 5.14.3 O efeito Thomson 5.14.4 Relações de Kelvin 5.15 Direções e sinais 5.16 Apêndice Problemas
178 181 181 184 188 189 190 191 193 194 195 199 201 202
CAPÍTULO 6
Termiônica 6.1 Introdução 6.2 Emissão termiônica 6.3 Transporte de elétrons 6.3.1 A lei de Child-Langmuir 6.4 Diodos sem perdas com neutralização de carga espacial 6.4.1 Potenciais entre os eletrodos 6.4.2 Características V-J 6.4.3 Tensão de circuito aberto 6.4.4 Saída de potência máxima 6.5 Perdas no diodo a vácuo sem carga espacial 6.5.1 Eficiência 6.5.2 Perdas por radiação 6.5.2.1 Radiação térmica 6.5.2.2 Eficiência com apenas perdas por radiação 6.5.3 Energia excessiva de elétrons 6.5.4 Condução de calor 6.5.5 Resistência do condutor 6.6 Diodos a vácuo reais 6.7 Diodos a vapor 6.7.1 Adsorção de césio 6.7.2 Ionização de contato 6.7.3 Emissão termiônica de íons 6.7.4 Condições de neutralização da carga espacial 6.7.5 Mais características V-J 6.8 Diodos a alta pressão Problemas
217 217 219 222 224 229 229 231 231 232 233 233 234 234 236 238 239 239 239 240 241 243 244 246 247 252 254
xvi
C0125.indd
xvi
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO CAPÍTULO 7
AMTEC 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
Princípios de operação Pressão do vapor Queda de pressão na coluna de vapor de sódio Caminho livre médio de íons de sódio Características V-I de um AMTEC Eficiência Termodinâmica de um AMTEC
261 261 264 265 267 268 270 273
CAPÍTULO 8
Geradores de ruído de rádio 8.1 Seção única
277 277
PARTE II
O MUNDO DO HIDROGÊNIO
283
CAPÍTULO 9
Células a combustível 9.1 Introdução 9.2 Células voltaicas 9.3 Classificação da célula a combustível 9.3.1 Temperatura de operação 9.3.2 Estado do eletrólito 9.3.3 Tipo de combustível 9.3.4 Natureza química do eletrólito 9.4 Reações da célula a combustível 9.4.1 Eletrólitos alcalinos 9.4.2 Eletrólitos ácidos 9.4.3 Eletrólitos de carbonato fundido 9.4.4 Eletrólitos cerâmicos 9.4.5 Células a combustível de metanol 9.4.6 Células a combustível de ácido fórmico 9.5 Configurações típicas da célula a combustível 9.5.1 Células a combustível de demonstração (KOH) 9.5.2 Célula a combustível de ácido fosfórico (PAFC) 9.5.2.1 Uma bateria de célula a combustível (Engelhard) 9.5.2.2 Usina a célula a combustível de primeira geração 9.5.3 Células a combustível de carbonato fundido (MCFC) 9.5.3.1 Usina a célula a combustível de segunda geração 9.5.4 Células a combustível cerâmicas (SOFC) 9.5.4.1 Usina a célula a combustível de terceira geração 9.5.4.2 Células a combustível cerâmicas em alta temperatura 9.5.4.3 Células a combustível cerâmicas em baixa temperatura 9.5.5 Células a combustível com eletrólito de polímero sólido 9.5.5.1 Construção das células
C0125.indd
xvii
285 285 286 291 292 293 294 294 295 295 296 296 296 297 297 299 299 300 300 301 302 302 304 304 308 311 312 315
xvii
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
9.5.6 Células a combustível que operam diretamente com metanol 9.5.7 Célula a combustível que operam diretamente com ácido fórmico direto (DFAFC) 9.5.8 Células a combustível do ácido sólido (SAFC) 9.5.9 Células a combustível de metal – células a combustível de zinco-ar 9.6 Aplicações das células a combustível 9.6.1 Usinas estacionárias 9.6.2 Usinas automotivas 9.6.3 Outras aplicações 9.7 A termodinâmica das células a combustível 9.7.1 Calor de combustão 9.7.2 Energia livre 9.7.3 Eficiência das células a combustível reversíveis 9.7.4 Efeitos da pressão e temperatura na entalpia e mudanças na energia livre de uma reação 9.7.4.1 Dependência da entalpia na temperatura 9.7.4.2 Dependência da entalpia na pressão 9.7.4.3 Dependência da energia livre na temperatura 9.7.4.4 Dependência da energia livre na pressão 9.7.4.5 A Equação de Nernst 9.7.4.6 Dependência da tensão na temperatura 9.8 Desempenho de células a combustível reais 9.8.1 Corrente fornecida por uma célula a combustível 9.8.2 Eficiência de células a combustível práticas 9.8.3 Características V-I de células a combustível 9.8.3.1 Características derivadas empiricamente 9.8.3.2 Escalonamento de células a combustível 9.8.3.3 Mais características empíricas completas das células a combustível 9.8.4 Tensão de circuito aberto 9.8.5 Cinética de reação 9.8.5.1 Taxas de reação 9.8.5.2 Energia de ativação 9.8.5.3 Catálise 9.8.6 A equação de Butler-Volmer 9.8.6.1 Correntes de troca 9.8.7 Perdas durante o transporte 9.8.8 Dissipação de calor pelas células a combustível 9.8.8.1 Remoção de calor das células a combustível
320 322 323 324 325 325 326 327 328 329 331 335 336 336 338 338 343 344 345 347 347 347 349 350 352 354 359 359 359 361 363 365 365 369 371 374
CAPÍTULO 10
Produção de hidrogênio 10.1 Generalidades 10.2 Produção química de hidrogênio 10.2.1 Histórico
xviii
C0125.indd
xviii
377 377 379 379
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
10.2.2 Produção de hidrogênio a partir de água e metal 10.2.3 Produção de hidrogênio em larga escala 10.2.3.1 Oxidação parcial 10.2.3.2 Reforma a vapor 10.2.3.3 Decomposição térmica 10.2.3.4 Gás de síntese 10.2.3.5 Reação de deslocamento 10.2.3.6 Metanação 10.2.3.7 Metanol 10.2.3.8 Syncrude 10.2.4 Purificação do hidrogênio 10.2.4.1 Dessulfurização 10.2.4.2 Remoção de CO2 10.2.4.3 Remoção de CO e extração de hidrogênio 10.2.4.4 Usinas de produção de hidrogênio 10.2.5 Processadores compactos de combustível 10.2.5.1 Ácido fórmico 10.3 Hidrogênio eletrolítico 10.3.1 Introdução 10.3.2 Configurações do eletrolisador 10.3.2.1 Eletrolisadores com eletrólito líquido 10.3.2.2 Eletrolisadores com eletrólito de polímero sólido 10.3.2.3 Eletrolisadores com eletrólito cerâmico 10.3.2.4 Eletrolisadores de vapor de alta eficiência 10.3.3 Eficiência dos eletrolisadores 10.3.4 Eletrolisadores com concentração diferencial 10.3.5 Compressão do hidrogênio eletrolítico 10.4 Hidrogênio termolítico 10.4.1 Dissociação direta da água 10.4.2 Dissociação química da água 10.4.2.1 Ciclo do ácido hidrobrômico-mercúrio 10.4.2.2 Ciclo do cromato de bário 10.4.2.3 Ciclo do enxofre-iodo 10.5 Hidrogênio fotolítico 10.5.1 Generalidades 10.5.2 Fotólise solar 10.6 Produção fotobiológica de hidrogênio Problemas
381 382 383 383 384 384 385 385 386 386 387 387 387 388 390 391 394 395 395 396 396 397 398 398 400 404 405 407 407 414 414 415 416 416 416 418 421 423
CAPÍTULO 11
Armazenamento de hidrogênio 11.1 Introdução 11.1.1 Metas do DOE para armazenamento de hidrogênio veicular 11.2 Gás comprimido
C0125.indd
xix
435 435 437 438
xix
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
11.3 Hidrogênio criogênico 11.4 Armazenamento de hidrogênio por adsorção 11.5 Armazenamento de hidrogênio em compostos químicos 11.5.1 Generalidades 11.5.2 Portadores de hidrogênio 11.5.3 A água e uma substância de redução 11.5.4 Ácido fórmico 11.5.5 Hidretos metálicos 11.5.5.1 Características de materiais de hidretos 11.5.5.2 Termodinâmica dos sistemas de hidreto 11.6 Compressores de hidrogênio em hidretos 11.7 Bombas de calor com hidreto Problemas
440 443 443 443 445 446 446 447 453 459 461 465 469
PARTE III
ENERGIA SOLAR
489
CAPÍTULO 12
Radiação solar 12.1 A natureza da radiação solar 12.2 Insolação 12.2.1 Generalidades 12.2.2 Insolação em uma superfície de rastreamento solar 12.2.3 Insolação em uma superfície estacionária 12.2.4 Superfícies horizontais 12.3 Coletores solares 12.3.1 Arquitetura solar 12.3.1.1 Controle da exposição 12.3.1.2 Armazenamento de calor 12.3.1.3 Circulação 12.3.1.4 Insolação 12.3.2 Coletores planos 12.3.3 Tubos evacuados 12.3.4 Concentradores 12.3.4.1 Placas holográficas 12.3.4.2 Concentradores sem formação de imagem 12.4 Algumas configurações das usinas solares 12.4.1 Máquina térmica solar de alta temperatura 12.4.2 Torre solar 12.4.3 Tanques solares 12.5 A medição do tempo 12.5.1 Quanto tempo é uma hora? 12.5.2 Zonas horárias 12.5.3 Fuso horário
xx
C0125.indd
xx
491 491 494 494 497 497 500 501 501 501 502 503 503 504 505 505 507 507 509 509 511 512 513 513 514 514
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
12.5.4 O calendário 12.5.5 O número do dia juliano 12.6 Mecânica orbital 12.6.1 Sideral versus índice solar sideral 12.6.2 Equação orbital 12.6.3 Relação entre coordenadas eclípticas e equatoriais 12.6.4 A equação do tempo 12.6.5 Excentricidade orbital 12.6.6 Obliquidade orbital 12.6.7 Leitura complementar Problemas
515 516 517 517 518 523 524 527 529 531 531
CAPÍTULO 13
Biomassa 13.1 Introdução 13.2 A composição da biomassa 13.2.1 Um pouco sobre química orgânica 13.2.1.1 Hidrocarbonetos 13.2.1.2 Estágios de oxidação dos hidrocarbonetos 13.2.1.3 Ésteres 13.2.1.4 Saponificação 13.2.1.5 Ceras 13.2.1.6 Carboidratos 13.2.1.7 Heterociclos 13.3 Biomassa como combustível 13.3.1 Gaseificadores de madeira 13.3.2 Etanol 13.3.2.1 Produção de etanol 13.3.2.2 Fermentação 13.3.2.3 Redução do etanol 13.3.3 Alcoóis dissociados 13.3.4 Digestão anaeróbia 13.4 Fotossíntese Problemas
543 543 543 545 545 545 549 556 556 557 559 565 568 569 569 572 574 575 576 584 592
CAPÍTULO 14
Conversores fotovoltaicos 14.1 14.2 14.3 14.4
C0125.indd
xxi
Introdução Eficiência teórica Multiplicação do portador Separação de feixes espectralmente seletiva 14.4.1 Células em cascata 14.4.1.1 Semicondutores em multibandas 14.4.2 Células filtradas 14.4.3 Concentradores holográficos
603 603 610 618 619 620 621 623 624
xxi
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 14.10 14.11
Células termofotovoltaicas O ideal e o prático Fotodiodo de junção no estado sólido A corrente de saturação reversa Eficiência prática Células solares sensibilizadas por corante (DSSC) Células fotovoltaicas orgânicas (OPC) 14.11.1 Polímeros condutores 14.11.1.1 Estrutura da banda em semicondutores inorgânicos 14.11.2 Células solares poliméricas (PSC) 14.12 Satélite solar 14.12.1 Feixe do espaço 14.13 Energia solar para Conversão CC 14.14 Geração de micro-ondas 14.15 Sistema de radiação 14.16 Arranjo receptor 14.17 Altitude e controle orbital 14.18 Transporte e construção espacial 14.19 Futuro dos projetos de energia solar espacial Apêndice A: Valores de duas integrais definidas usadas no cálculo do desempenho do fotodiodo Problemas
625 629 630 650 652 654 660 660 662 666 669 670 671 672 673 674 675 675 676 676 679
PARTE IV
VENTO E ÁGUA
695
CAPÍTULO 15
Energia eólica 15.1 História 15.2 Configurações da máquina eólica 15.2.1 Turbinas eólicas de arrasto 15.2.2 Turbinas eólicas de sustentação 15.2.3 Máquinas eólicas baseadas no efeito Magnus 15.2.4 Máquinas eólicas com vórtices 15.3 Medição do vento 15.3.1 A distribuição de Rayleigh 15.3.2 A distribuição de Weibull 15.4 Disponibilidade da energia eólica 15.5 Características da turbina eólica 15.6 Princípios de aerodinâmica 15.6.1 Fluxo 15.6.2 Potência no vento 15.6.3 Pressão dinâmica 15.6.4 Pressão do vento
xxii
C0125.indd
xxii
697 697 701 701 703 704 705 705 707 709 710 712 713 713 714 715 715
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
15.6.5 Potência disponível (Limite de Betz) 15.6.5.1 O teorema de Rankine-Froude 15.6.6 Eficiência de uma turbina eólica 15.6.6.1 Solidez 15.6.6.2 Rotação de esteira 15.6.6.3 Outras perdas 15.7 Aerofólios 15.8 Número de Reynolds 15.9 Razão de aspecto 15.10 Análise da turbina eólica 15.10.1 Turbinas com eixo horizontal (do tipo com hélice) 15.10.2 Turbinas com eixo vertical 15.10.2.1 Razão de aspecto (de uma turbina eólica) 15.10.2.2 Força centrífuga 15.10.2.3 Cálculo de desempenho 15.11 Efeito Magnus Problemas
716 718 720 721 722 724 724 727 730 732 732 739 747 748 750 752 754
CAPÍTULO 16
Máquinas oceânicas 16.1 Introdução 16.2 Energia das ondas 16.2.1 Sobre as ondas oceânicas 16.2.1.1 A velocidade das ondas oceânicas 16.2.1.2 Altura da onda 16.2.1.3 Energia e potência 16.2.2 Conversores de energia das ondas 16.2.2.1 Conversores offshore de energia das ondas 16.2.2.2 Conversores de boia flutuante 16.2.2.3 Conversores de contorno articulado 16.2.2.4 Conversores de galgamento 16.2.2.5 Conversores de energia de ondas localizados na costa 16.2.2.6 O sistema do canal afunilado (Tapchan) 16.2.2.7 Coluna de água oscilante (CAO) – o sistema Wavegen 16.3 Energia das marés 16.4 Energia das correntes 16.4.1 Sistema de turbinas de corrente marítima 16.4.1.1 Forças horizontais 16.4.1.2 Sistemas de ancoragem 16.4.1.3 Corrosão e incrustação biológica 16.4.1.4 Cavitação 16.4.1.5 Torque elevado 16.4.1.6 Manutenção 16.4.1.7 Transmissão de potência
C0125.indd
xxiii
779 779 779 779 780 781 782 782 783 783 784 786 787 787 788 789 792 793 793 794 795 795 795 796 796
xxiii
28/08/14
10:08 AM
SUMÁRIO
16.4.1.8 Fazendas com turbinas 16.4.1.9 Ecologia 16.4.1.10 Modularidade 16.5 Energia de salinização 16.6 Osmose Problemas
796 796 796 797 801 805
CAPÍTULO 17
Energia nuclear 17.1 Introdução 17.2 Reatores de fissão 17.2.1 As gerações dos reatores de fissão nuclear 17.2.2 Como os reatores atuais funcionam 17.2.3 Fissão 17.2.3.1 Reator regenerador de metais pesados 17.2.3.2 Reatores de alta temperatura refrigerados a gás, HTGR 17.3 Reatores de fusão 17.3.1 Confinamento magnético 17.3.1.1 Instabilidade pinch 17.3.2 Confinamento inercial 17.4 Fusão a frio Problemas
809 809 811 811 812 813 816 818 818 822 822 825 826 833
CAPÍTULO 18
Armazenamento de energia 18.1 Generalidades 18.1.1 Diagrama de Ragone 18.2 Armazenamento eletroquímico (baterias) 18.2.1 Introdução 18.2.2 Capacidade 18.2.3 A química de algumas baterias 18.2.3.1 O que todas as baterias têm em comum 18.2.3.2 Baterias primárias 18.2.3.3 Baterias secundárias 18.3 Armazenamento capacitivo 18.3.1 Capacitores 18.3.2 Supercapacitores 18.3.3 Capacitores híbridos 18.3.4 Uso de capacitores para armazenamento de energia 18.3.4.1 Capacitores de descarga 18.3.4.2 Capacitores de interconexão Problemas Índice
837 837 838 842 842 842 844 844 845 850 865 865 871 874 876 876 876 878 879
xxiv
C0125.indd
xxiv
28/08/14
10:08 AM
