Trabalho sobre Fontes Alternativas Alternativas de Energia
Discentes: Carolina Schneider Corrêa de Araujo Gabriela Bitto de Oliveira Marisa da Silva Oliveira Tamara Morisugi de Oliveira Docente: Encarnita Sales Martin Disciplina: Conservação dos Recursos Naturais
Engenharia Ambiental – UNESP, Campus de Presidente Prudente 02 de julho de 2010
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Indice: 1. Introdução ................................................................................3 2. Fontes de Energia 2.1. Energia Hídrica ou Hidráulica ..................................................6 2.2. Energia do Petróleo ou Combustíveis Fósseis ............................10 2.3. Energia Solar ............................................................................13 2.4. Energia Nuclear ........................................................................16 2.5. Energia Eólica ............................................................................20 2.6. Energia da Biomassa ................................................................28 2.7. Energia das Marés ...................................................................33 2.8. Energia das Ondas ....................................................................37 2.9. Energia Geotérmica ...................................................................40 2.10. Energia do Hidrogênio .............................................................43
3. Conclusões ...............................................................................54 4. Referências Bibliográficas .....................................................57
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1. Introdução O potencial dos recursos que brotam e são extraídos pelo homem da natureza é chamado de energia primária. O primeiro grupo das fontes de energia primária são as não renováveis, que correm o risco de se esgotar por serem utilizadas em velocidade maior do que o tempo necessário para a sua formação, como os combustíveis fósseis e os radioativos. O segundo grupo é o das fontes renováveis, que podem ser divididas entre as permanentemente disponíveis, como o sol, os rios, mares, ventos ou aquelas que os seres humanos podem manejar de acordo com a necessidade, como a bio bioma massa ssa obt obtid idaa da canacana-de de-aç -açúca úcarr, da casca casca do arroz arroz e de resíd resíduos uos animai animais, s, human humanos os e industriais. O resultado da conversão da energia primária, de fontes renováveis ou não, em calor, força, movimento etc., é chamado de energia secundária ou energia derivada, como em usinas, destilarias e refinarias. Já a energia utilizada pelos consumidores residenciais ou industriais, na cidade ou no campo, é denominada energia final e alguns de seus melhores exemplos são eletricidade, gasolina, óleo e gás. A cadeia energética energética é o conjunto de atividades atividades necessárias para que os tipos de energia energia cheguem onde se quer utilizá-las. utilizá-las. Matriz energética energética é uma representação quantitativa quantitativa da oferta de energia, ou seja, da quantidade de recursos energéticos oferecidos por um país ou por uma região. Segundo dados do Balanço Energético Nacional, mais de 40% da matriz energética do Brasil é renovável, enquanto a média mundial não chega a 14%. No entanto, 90% da energia elétrica do país é gerada em grandes usinas hidrelétricas, o que provoca grande impactos ambientais, como o alagamento de grandes áreas e a conseqüente perda da biodiversidade local, além dos problemas sociais relacionados. O mercado varejista de energia ainda é pequeno, mas constitui uma alternativa atraente principalmente principalmente para os consumidores das regiões Sul e Sudeste do Brasil. No país, se enquadram no mercado varejista os consumidores com carga maior ou igual a 500 quilowatts (kW), seja qual for a tensã tensão, o, e que compra compram m ener energia gia de usina usinass de geração geração a parti partirr de fonte fontess altern alternati ativas vas (eólica (eólica,, biomassa, solar, pequenas centrais hidrelétricas e cogeração qualificada). 3
Classifi Classificado cadoss como “consumi “consumidores dores especiai especiais”, s”, os integran integrantes tes do mercado mercado varejist varejistaa de ener energi giaa corr corres espo pond ndem em a meno menoss de 1% do cham chamad adoo merc mercad adoo li livr vre, e, aque aquele le form formad adoo por por consumidores com carga igual ou superior a três megawatts (MW) e tensão acima de 69 quilovolts (kV). De acordo com a legislação vigente, os consumidores livres podem comprar energia de qualquer qualquer concessi concessionári onário, o, permissio permissionário nário ou autoriza autorizado do do sistema sistema interlig interligado ado para suprir suprir sua demanda. Os consumidores livres, incluindo os auto-geradores (aqueles que produzem energia para consumo próprio), respondem hoje por 14% da energia consumida no país, o equivalente a 46 terawatts/hora (TWh) ao ano, conforme dados da Associação Brasileira de Grandes Consumidores Industriais de Energia (Abrace). De acor acordo do com com dado dadoss da Agên Agênci ciaa Naci Nacion onal al de Ener Energi giaa Elét Elétri rica ca (Ane (Aneel el), ), as font fontes es alternativas contam com uma potência instalada de 5.297 MW. O estudo mostra que o mercado varejista é mais atraente para os consumidores das regiões Sul e Sudeste – onde as tarifas do mercado cativo são mais elevadas e que possuem a mesma demanda nos horários de pico e fora deles. No entanto, uma das dificuldades listadas na pesquisa para mudança do mercado cativo para o varejista é a exigência de que mesmo consumidores de 500 kW devem se tornar membros da Câmara de Comercialização de Energia Elétrica, o que requer uma burocracia adicional. Com a Lei 10762, de 11 de novembro de 2003, foi criado o Programa de Incentivos às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, o Proinfa, cujo objetivo principal do Programa é financiar, com suporte suporte do BNDES, BNDES, projetos projetos de geração geração de energias energias a partir partir dos ventos ventos (eólica), (eólica), pequenas pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) e bagaço da cana, casca de arroz, cavaco de madeira e biogás de lixo (biomassa). Informações disponibilizadas pelo Ministério de Minas e Energia indicam que o desenvolvimento desenvolvimen to dessas fontes inicia uma nova etapa no país. A iniciativa de caráter estrutural estrutura l deve promover ganhos de escala, aprendizagem tecnológica, competitividade industrial e, sobretudo, “a identificação e a apropriação dos benefícios técnicos, ambientais e socioeconômicos na definição da competitividade econômico-energética de projetos de geração de fontes alternativas”. A proposta governamental, governamental, de acordo com a assessoria de imprensa do Ministério de Minas e Energia, assegura também a participação de um maior número de estados no Programa, incentivando a indústria nacio nacional nal..
Uma das exigê exigênci ncias as da legisl legislaçã açãoo é a obrig obrigat atori oried edade ade de um índice índice mín mínim imoo de
nacionalização de 60% do custo total de construção dos projetos. Permite também maior inserção do pequeno produtor de energia elétrica, diversificando o número de agentes do setor. Os critérios de regionalização estabelecem um limite de contratação por estado de 20% da potência total destinada às fontes eólica e biomassa e 15% para as PCHs. Caso não venha venha a ser contratad contratadaa a tot totalid alidade ade dos 1.100 MW destina destinados dos a cada tecnologia tecnologia,, o potencial não contratado será distribuído entre os estados. 4
A contratação inicial é para geração de 3.300 MW de energia, sendo 1.100 MW de cada fonte, com previsão de investimentos na ordem de R$ 8,6 bilhões. A linha de crédito, através do BNDES, prevê financiamento de até 70% do investimento. Os investidores privados terão que garantir 30% do projeto com capital próprio. A Eletrobras, no contrato de compra de energia de longo prazo, assegurará ao empreendedor uma receita mínima de 70% da energia contratada contratada durante o período de financiamento financiamento e proteção integral quanto aos riscos de exposição do mercado de curto prazo. Apesar Apesar da grande aceitaçã aceitaçãoo e benefíci benefícios os que o programa programa prevê, prevê, o Ministério Ministério de Minas e Energia informa que não há projeções futuras para o Proinfa. O próximo programa deverá ser contempl contemplado ado pelo novo modelo modelo energético. energético. O número de empresas empresas que se apresentaram apresentaram para participar do programa foi maior que o esperado pelo governo. Foram apresentados projetos envolvendo geração de 6,6 mil MW, o dobro de energia solicitado pela Eletrobras (3.300 MW), tendo prioridade aqueles que tiverem licença ambiental antiga. Os empreendimentos devem entrar em funcionamento a partir de dezembro de 2006 e a produção de 3,3 mil MW a partir de fontes alternativas renováveis dobrará a participação na matriz de energia elétrica brasileira das fontes eólica, biomassa e PCH, que atualmente respondem por 3,1% do total produzido e podem chegar a 6%. Outro Outro importan importante te instrumen instrumento to de gestão gestão da Polít Política ica Nacional Nacional de Meio Meio Ambiente Ambiente é o licenciamento ambiental, que tem, por princípio, a conciliação do desenvolvimento econômico com o uso dos recursos naturais, de modo a assegurar a sustentabilidade ambiental e econômica. Por meio do licenciamento, a administração pública busca exercer o necessário controle sobre as atividades humanas que interferem nas condições condições ambientais, como um mecanismo para incentivar incentivar o diálogo setorial, rompendo com a tendência de ações corretivas corretivas e individualizadas, passando passando a ter uma postura preventiva, mais pró-ativa, com os diferentes diferentes usuários dos recursos naturais. As energias alternativas renováveis aparecem não somente como solução para complementar as energ energias ias conven convenci ciona onais is,, mas para para também também respon responde derr de forma forma ecolo ecologic gicame amente nte corret corretaa à demandas de populações mais distantes sem acesso à energia.
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Energia Hídrica ou Hidráulic 2.1. Energia Hídrica ou Hidráulica A energia hidrelétrica é a obtenção de energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio. Para que esse processo seja realizado é necessária a construção de usinas em rios que possuam elevado volume de água e que apresentem desníveis em seu curso. A força da água em movimento é conheci conhecida da como energia energia potencia potencial,l, essa água passa por tubulações da usina com muita força e velocidade, real realiz izan ando do a movim ovimen enta taçã çãoo das das turbi turbinas nas.. Nesse Nesse proce processo sso,, ocorre ocorre a transform transformação ação de energia energia potencial potencial (energia da água) em energia Figura 2.1.1. Esquema de uma Usina Hidrelétrica
mecânica (movimento das turbinas). As turbinas em movimento estão
conectadas a um gerador, que é responsável pela transformação da energia mecânica em energia elétrica. Norma Normalm lment entee as usina usinass hidre hidrelét létric ricas as são const construí ruídas das em locai locaiss dista distante ntess dos centro centross consumidores, esse fato eleva os valores do transporte de energia, que é transmitida por fios até as cidades. A eficiência energética das hidrelétricas é muito eficaz, em torno de 95%. O investimento inicial e os custos de manutenção são elevados, porém, o custo do combustível (água) é nulo. Atualmente, as usinas hidrelétricas são responsáveis por aproximadamente 18% da produção de energia elétrica no mundo. Esses dados só não são maiores pelo fato de poucos países apresentarem as condições naturais para a instalação instalação de usinas hidrelétricas. hidrelétricas. As nações que possuem
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grande potencial hidráulico são os Estados Unidos, Canadá, Brasil, Rússia e China. No Brasil, mais de 95% da energia elétrica produzida é proveniente de usinas hidrelétricas. Apesar de ser uma fonte de energia renovável e não emitir poluentes, a energia hidrelétrica não está isen isenta ta de im impa pact ctos os ambi ambien enta tais is e soci sociai ais. s. A inundação de áreas para a construção de barragens gera gera probl problema emass de realoc realocaç ação ão das das popula populaçõe çõess ribeirinh ribeirinhas, as, comunida comunidades des indí indígena genass e pequenos pequenos agriculto agricultores. res. Os principa principais is impactos impactos ambienta ambientais is ocasionados pelo represamento da água para a form formaç ação ão de im imen enso soss lago lagoss arti artifi fici ciai aiss são: são: Figura 2.1.2. Barragem
destruição de extensas áreas de vegetação natural, matas ciliares, o desmoronamento das margens, o
assoreamento do leito dos rios, prejuízos à fauna e à flora locais, alterações no regime hidráulico dos rios, possibilidades da transmissão de doenças, como esquistossomose e malária, extinção de algumas espécies de peixes. -- Impactos ambientais: Impacto ambiental positivo: os principais são a regularização de vazão e o armazenamento de energia potencial, ambos em maior ou menor grau de acordo com a capacidade do reservatório associado. Impacto ambiental negativo: perda de área de terra e de biodiversidade; alteração do microclima; alteração da fauna e da flora, inclusive desenvolvimento de espécies nocivas à saúde humana, como parasitas e transmissores de doenças endêmicas; perturbação da ictiofauna e de ecossistemas aquáticos; alterações no regime e na qualidade da água; risco de rompimento de barragens; em reservatórios que não se tenha removido corretamente a cobertura vegetal do fundo, previamente ao enchimento, enchimento, emissão de gás metano (CH4), um dos gases de efeito estufa (GEE). -- Vantagens: Fonte de energia renovável e confiável; longa vida útil; o “combustível”(a água), apesar de já estar sendo cobrado, possui custo muito baixo; pode contribuir positivamente para os chamados usos múltiplos – abastecimento de água, navegabilidade, irrigação, turismo, lazer, pesca e outros proje projetos tos regio regionai naiss de desenv desenvolv olvime imento nto;; o cust custoo final final da energi energia, a, com custos custos de operaç operação ão e manutenção (O&M), ainda é atrativo, mesmo com os custos ambientais ambientais e sociais internalizados. internalizados.
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--Desvantagens: Expulsão Expulsão de populaç populações ões e perda perda do e quil quilíbrio íbrio socioe-conôm socioe-conômico ico local, local, principal principalment mentee devido devido a estra estratég tégias ias e projet projetos os de reass reassent entam ament entoo inade inadequa quados dos e aos fluxos fluxos mig migrat ratóri órios os de trabalhadores para o local; reação social e de ambientalistas – Movimento dos Atingidos pelas Barragens (MAB), ONGs ambientalistas etc.; necessidade de grandes volumes de capital; retorno do inve invest stim imen ento to em long longoo praz prazo; o; exte extens nsoo cron cronog ogra rama ma de im impl plan anta taçã ção; o; a obte obtenç nção ão de financiamentos, devido aos impactos ambientais negativos, está cada vez mais complexa e com taxas taxas mais mais eleva elevadas das;; depend dependend endoo da área área do reserv reservat atóri órioo e das condiç condiçõe õess climát climátic icas, as, pode pode apresentar grande perda por evaporação97; ao longo de vários anos, os reservatórios, em geral, apresentam perda de volume devido a deposição de sedimentos trazidos pelo fluxo do rio. Pequenas Centrais Hidroelétricas: Hidroelétricas: -- Impacto ambiental: Impacto ambiental positivo: quando possui barragem, regularizaç r egularização ão de vazão; atendimento a necessidades energéticas mediante baixo impacto ambiental. Impacto ambiental negativo: baixo, se a barragem e a área de reservatório forem realmente pequenas, se implantada em áreas de baixa sensibilidade ambiental e, ainda, se não vier em grande número ao longo de um rio. Caso contrário, pode apresentar, mesmo que em escala menor, impactos similares aos da UHE99. --Vantagens: Fonte de energia renovável e confiável; longa vida útil; o custo da energia gerada é menor que o de usinas termelétrica (UTE) a combustíveis fósseis e de fontes eólicas e solares; é possível encontrar no mercado nacional quase todos os equipamentos e a mão-de-obra necessária à sua implantação100; e, ainda, conta com uma boa aceitação por parte de movimentos sociais e ambientalistas. Conta com os seguintes benefícios e vantagens legais :
Auto Autori riza zaçã çãoo nãonão-on oner eros osaa par paraa expl explor oraç ação ão do pote potenc ncia iall hidr hidráu áuli lico co10 1011 ou ou simp simple less
comunicação ao poder concedente quando tiver potência até 1.000 kW; Isenção da compensação financeira pela exploração do recurso hídrico102; hídrico102; A intensidade e a velocidade da perda de volume dos reservatórios variam de acordo com a formação geológica ao longo da calha do rio e de sua bacia de contribuição, o regime de vazões e o tipo de barragem. 8
Existem alguns métodos para minimizar essa perda ou recuperar volume – métodos hidráulicos, como a descarga de fundo, e mecânicos, como a dragagem, a escavação do leito e o sifonamento.. Porém, a recuperação deve estar prevista nos custos de manutenção e ser executada periodicamente, periodicamente, para que não se atinja um nível de assoreamento que inviabilize economicamente a recuperação do reservatório, e de modo controlado, para evitar alterações abruptas na qualidade da água. As próprias ONGs ambientalistas, defensoras de fontes renováveis como a PCH, alertam para essa questão do somatório de pequenos impactos ambientais: “As pequenas centrais hidrelétricas, se bem planejadas e distribuídas, podem ser uma solução barata. O problema está em colocá-las em áreas muito sensíveis ou em uma seqüência muito numerosa em um mesmo rio – a soma de vários pequenos impactos se transformaria em um grande dano” (GREENPEACE, 2006). Segundo estudo do WWF-Brasil (2006, p.45), para PCHs com potência maior do que 5 MW, há grandes empresas com tecnologia licenciada, já para as menores, há diversas pequenas empresas totalmen totalmente te nacionai nacionaiss estabele estabeleceu ceu que é isenta isenta do pagament pagamentoo da compensa compensação ção financei financeira, ra, aos estados, Distrito Federal e município, a energia elétrica “produzida pelas instalações geradoras com capacidade nominal igual ou inferior a 10.000 kW [...]”. Quando em sistema elétrico isolado: com potência maior do que 1.000 kW e menor ou igual a 30.000 kW, kW, pode ter até 75% do seu custo de implantação implantação reembolsado por meio do mecanismo da sub-rogação dos benefícios da CCC; ou pode comercializar energia elétrica diretamente com consumidor cuja carga seja maior ou igual a 50kW111. -- Desvantagem: Necessita localização específica, nem sempre próxima ao centro de consumo, o que pode inviabilizar o empreendimento; depende mais intensamente do regime hidrológico, porquanto a maioria opera “a fio d’água”.
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Energia Energi a do d o Petróleo Petróleo ou Combustíveis Combu stíveis Fósseis
2.2. Energia do Petróleo ou Combustíveis Fósseis Atualmente, aproximadamente 90% das fontes comerciais de energia utilizadas no mundo são oriundas de combustíveis fósseis – petróleo, gás natural e carvão mineral. O petróleo origina-se da decomposição de matéria orgânica, geralmente a fauna marinha, que é convertida em petróleo ao longo de milhões de anos, sob altas pressões e temperaturas associadas ao soterramento profundo. Tal composto é uma mistura complexa de hidrocarbonetos (hidrogênio e carbono) e também pode apresentar vanádio, níquel e enxofre. Sua utilização consiste na produção de energia elétrica e obtenção da gasolina, do diesel, em que apresenta grande eficiência atuando como combustível além de constituir-se em matéria-prima básica à obtenção de determinados produtos: plástico, borracha sintética, cera, tinta, gás e asfalto. Apesar de já haver domínio para a exploração e refino do petróleo, este se constitui em uma fonte de energia não-renovável, cujo preço no mercado é instável, envolvendo interesses interesses econômicos e políticos. Dessa forma, o contínuo uso de tal recurso, que, aliás, não está presente em todas as regiões do planeta, levará à sua escassez e, conseqüentemente, ao aumento no preço do barril de petróleo. A combustão de derivados do petróleo (gasolina e diesel, por exemplo) libera gases como o monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e óxidos de enxofre (ambos responsáveis responsáveis pelas chuvas ácidas), nocivos às plantas e à saúde do homem e de outros animais. Há também, o dióxido de carbono que presente em grandes concentrações na atmosfera intensifica o efeito estufa. Diariamente, milhões de toneladas de petróleo ou de seus produtos são transportados através dos oceanos, por intermédio de navios petroleiros ou no continente, por meio de oleodutos com milhares de quilômetros de comprimento. O rompimento acidental desses oleodutos, o tombamento de caminhões-tanques nas estradas e acidentes ou negligência no transporte marítimo vêm ocasionando a degradação de ecossistemas terrestres, marinhos e dulcícolas, bem como a morte de 10
alguns seres vivos.
Figura 2.2.1. Petroleiro Exxon Valdez da empresa estadunidense ExxonMobil e derramamento de petróleo no no Alasca, em em 1989. O gás natural, por sua vez, constitui-se em uma mistura de hidrocarbonetos leves (principalmente (principalmente metano) e, assim como o petróleo, é formado a partir da decomposição decomposição de matéria orgânica, sendo utilizado para calefação, aquecimento de água, como combustível em caldeiras e fornos, no transporte, e como matéria-prima para a indústria química (fertilizantes, (fertilizantes, plásticos, borracha natural, etc.). Uma das vantagens é que esse recurso gera uma grande quantidade de energia, podendo ser utilizado tanto na forma líquida e gasosa; não emite poluentes atmosféricos; seu custo não é tão elevado, barateando a produção e os preços se mostram mais estáveis quando comparados com os preços do petróleo, atraindo mais investimentos. Essa fonte energética não-renovável (gás natural) agride menos o meio ambiente que o petróleo e o carvão mineral. No entanto, por ser de origem fóssil, sua combustão contribui para o efeito estufa. Sendo mais leve que o ar, o gás natural tende a se acumular nas partes mais elevadas quando em ambientes fechados e apresenta riscos de asfixia, incêndio e explosão. Além disso, a construção de gasodutos e metaneiros (navios especiais) para o transporte e a distribuição requerem alto investimento, em especial, para garantir segurança ao longo de todo o processo. As redes de distribuição, distribuição, por exemplo, são enterradas e protegidas com placas de concreto e faixas de sinalização. As tubulações responsáveis pelo envio de gás natural das fontes produtoras até os consumidores recebem o nome de gasoduto. O Brasil possui o gasoduto Bolívia – Brasil. São tubulações de diâmetro elevado, operando em alta pressão que transportam gás natural da Bolívia (produtor) para alguns Estados brasileiros (consumidores).
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Figura 2.2.2: Regiões de abrangência do gasoduto Bolívia – Brasil O carvão, particularmente o brasileiro, possui uma proporção considerável de enxofre que em contato com o oxigênio e a umidade do ar, transformam-se em ácido sulfúrico, o qual, além de tóxico, é altamente corrosivo e contribui com a formação da chuva ácida. Nas regiões carboníferas, como o Sul do Brasil, esse ácido contribui para a degradação do solo e, em contato com a água de rios, causa grande mortandade de peixes e de outros elementos da fauna e flora, além de impedir o uso da água para abastecimento de residências. A queima do carvão libera gases no ar como o dióxido de carbono, que em elevadas concentrações concentrações contribui para o agravamento do efeito estufa. Além Além disso, a mineração da superfície de carvão apresenta uma série de impactos ambientais; a remoção do solo superficial e sua vegetação, vegetação, sem serem repostos, ocasiona ocasiona a erosão. Desse modo, a terra exposta não é capaz de sustentar o desenvolvimento de espécies vegetais e animais. A mineração do carvão contribui para o rápido desenvolvimento econômico regional, em vista do grande influxo de mineradores e trabalhadores da construção civil. Entretanto, tal fato pode levar a uma sobrecarga nas escolas e nos serviços públicos de abastecimento de energia, somandose a isso as condições, na maioria dos casos, desumanas dos mineradores, cujo trabalho é muito perigoso.
Figura 2.2.3. Trabalhadores de uma mina de carvão
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2.3. Energia Solar O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol. -- APROVEITAMENTO TÉRMICO Coletor solar: A radiação radiação solar pode ser absorvida por coletores coletores solares, principalmente principalmente para aquecimento FIGURA 2.3.1
de
água,
a
temperaturas
relativamente relativamente baixas (inferiores a 100ºC). O uso dessa tecnologia ocorre predominantemente no setor residencial, mas há demanda significativa e aplicações em outros setores, como edifícios públicos e comerciais, hospitais, restaurantes, hotéis e similares. O custo de uma instalação solar para o aque aqueci cime ment ntoo de água água para para um umaa famí famíli liaa de quat quatro ro pess pessoa oass é de apro aproxi xima mada dame ment ntee US US$$ 1.000, mas há de se levar em consideração que a conta do gás ou da energia deverá ser paga periodicamente, enquanto que o abastecimento
de energia solar é gratuito. Nesses casos, estima-se que a recuperação do investimento começa no terceiro ano de uso, para posteriormente amortizar completamente o investimento, mantendo uma despesa mínima com manutenção e com energia auxiliar em climas onde os invernos são mais frios. 13
-- Vantagens: A reduçã reduçãoo da demand demanda, a, permit permitin indo do o direc direcion ioname amento nto da energi energiaa elétr elétric icaa para para out outras ras finalidades. A luz solar é um recurso natural renovável e não poluente. -- Desvantagens: Devid Devidoo à baixa baixa densi densidad dadee da energ energia ia solar solar que incid incidee sobre sobre a superf superfíci íciee terre terrestr stre, e, o atendimento de uma única residência pode requerer a instalação de vários metros quadrados de coletores. Para o suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro moradores), são necessários cerca de 4 m² de coletor. Um dos principais entraves à difusão da tecnologia de aquecimento solar de água é o custo de aquisição dos equipamentos, particularmente para residências de baixa renda. Mas a tendência ao longo dos anos é a redução dos custos, em função da escala de produção, dos avanços tecnológicos, tecnológicos, do aumento da concorrência e dos incentivos governamentais. -- SISTEMA FOTOVOL FOTOVO LTAICO A radiação solar é diretamente convertida em energia elétrica, por meio de efeitos da radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os semi-condutores. O efeito figura 2.3.2
Ilustração de um sistema Fotovoltaico
fotovoltaico decorre da excitação dos elétrons de algun algunss mater materiai iaiss na presen presença ça da luz luz solar solar (ou outras formas apropriadas de energia). Entre os materiais mais adequados para a conversão da radiação solar em energia elétrica, os quais são usua usualm lmen ente te cham chamad ados os de célu célula lass sola solare ress ou fotovoltaicas, destaca-se o silício. -- Vantagem: De qualquer forma, a principal vantagem no momento para o Brasil dos painéis fotovoltaicos fotovoltaicos é
o seu uso em locais isolados, o que já vem sendo aplicado, democratizando o acesso à energia em lugares para os quais a extensão de linha convencional seria muito cara.
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-- Desvantagem: Para a geração de eletricidade em escala comercial, o principal obstáculo tem sido o custo das células solares. Atualmente Atualmente os custos de capital variam entre 5 e 15 vezes os custos unitários de uma usina a gás natural que opera com ciclo combinado. -- Impactos Ambientais: O sistema fotovoltaico não emite poluentes durante sua operação e é muito promissor como uma alternativa energética sustentável, entretanto gera impactos ambientais a serem considerados. O impacto ambiental mais significante do sistema fotovoltaico para geração de energia solar é provocado durante a fabricação de seus materiais e construção, e também relacionado à questões de área de implantação. Segundo Segundo Tolma Tolmasqui squim m (2004), de uma forma geral o sistema sistema fotovolta fotovoltaico ico apresenta apresenta os seguintes impactos ambientais negativos: Emissõ Emissões es e out outros ros imp impact actos os associ associad ados os à produç produção ão de energi energiaa neces necessár sária ia para para os processos de fabricação, transporte, instalação, operação, manutenção e descomissionamento dos sistemas; Emissões de produtos tóxicos durante o processo da matéria-prima para a produção dos módulos e componentes periféricos, tais como ácidos e produtos cancerígenos, além de CO2, SO2, NOx, e particulados; particulados; Ocupação de área para implementação do projeto e possível perda de habitat (crítico apenas em áreas especiais) – no entanto, sistemas fotovoltaicos podem utilizar-se de áreas e estruturas já existentes como telhados, fachadas, etc.; Impactos visuais, que podem ser minimizados em função da escolha de áreas nãosensíveis; Riscos associados aos materiais tóxicos utilizados nos módulos fotovoltaicos (arsênico, gálio e cádmio) e outros componentes, ácido sulfúrico das baterias (incêndio, derramamento de ácido, contato com partes sensíveis do corpo); Necessidade de se dispor e reciclar corretamente as baterias (geralmente do tipo chumboácido, e com vida media de quatro a cinco anos) e outros materiais tóxicos contidos nos módulos foto fotovo volt ltai aico coss e dema demais is comp compon onen ente tess elét elétri rico coss e elet eletrô rôni nico cos, s, send sendoo a vida vida útil útil médi médiaa dos dos componentes estimada entre 20 e 30 anos.
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Energia Nuclear 2.4. Energia Nuclear A energia nuclear ou nucleoelétrica é proveniente da fissão do urânio em reator nuclear. Apesar da complexidade de uma usina nuclear, seu princípio de funcionamento funcionamento é similar ao de uma termelétrica convencional, onde o calor gerado pela queima de um combustível produz vapor, que aciona uma turbina, acoplada a um gerador de corrente elétrica. Na usina nuclear, o calor é produzido pela fissão do urânio no reator, cujo sistema mais empregado é constituído por três circuitos: primário, secundário e de refrigeração. No primeiro, a água água é aque aqueci cida da a um umaa temp temper erat atur uraa de apro aproxi xima mada dame ment ntee 320° 320°C, C, sob sob um umaa pres pressã sãoo de 157 157 atmosferas. Em seguida, essa água passa por tubulações tubulações e vai até o gerador de vapor, onde vaporiza a água do circuito secundário, sem que haja contato físico entre os dois circuitos. O vapor gerado aciona uma turbina, que movimenta o gerador e produz corrente elétrica. O minério de urânio, um metal pouco menos duro que o aço, encontrado em estado natural nas rochas da crosta terrestre é a fonte de extração do átomo de urânio utilizado na geração nuclear. Neste processo, o núcleo do átomo é submetido à fissão para gerar a energia. Se a energia é liberada lentamente, manifesta-se sob a forma de calor. Se é liberada rapidamente, manifesta-se como luz. Nas usinas termonucleares ela é liberada lentamente e aquece a água existente no interior dos reatores a fim de produzir o vapor que movimenta as turbinas. As usinas termonucleares são dotadas de uma estrutura chamada vaso de pressão, que contém a água de refrigeração do núcleo do reator, onde fica o combustível nuclear. Essa água, altamente radioativa, circula quente por um gerador de vapor, em circuito fechado. Esse circuito primário aquece uma outra corrente de água que passa pelo gerador (circuito secundário) e se transforma em vapor, acionando a turbina para a geração de energia elétrica. Os dois circuitos não têm comunicação entre si.
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Figura 2.4.1. Diagrama Esquemático de uma Termonuclear Nos anos 70, os choques internacionais internacionais do petróleo e a crise energética energética subseqüente levaram à busca de fontes alternativas de geração de eletricidade. Nesse contexto, a energia nuclear passou a ser ser vist vistaa como como a alte altern rnat ativ ivaa mais mais prom promis isso sora ra,, rece recebe bend ndoo a aten atençã çãoo de mu muit itos os anal analis ista tass e empree empreende ndedor dores, es, e mui muito toss inv invest estime iment ntos. os. Em pouco pouco mais mais de duas duas década décadas, s, passou passou de uma participação desprezível (0,1%) para aproximandamente 16% da produção mundial de energia elétrica, ocupando assim o terceiro lugar entre as fontes de geração.
Gráfico 3.4.1. Geração de Energia Elétrica por Tipo Tipo de Combustível No final dos anos 1960, o Governo Brasileiro decidiu ingressar na geração termonuclear, 17
visando conhecer melhor essa tecnologia e adquirir experiências para um futuro supostamente promissor da opção nuclear, a exemplo do que ocorria em vários outros países. Na época, cogitavase a necessidade de complementação térmica para o suprimento de eletricidade no Rio de Janeiro. Decidiu-se, então, que essa complementação ocorresse por meio da construção de uma usina nuclear, denominada Angra I, com capacidade nominal da ordem de 600 MW, na cidade de Angra dos Reis, no Rio de Janeiro. Em junho de 1975, foi assinado com a República Federal da Alemanha o Acordo de Cooperação para o Uso Pacífico da Energia Nuclear. Nuclear. Em julho do mesmo ano, foi feita a aquisição das usinas de Angra II e Angra III.
Figura 2.4.2. Central Nuclear de Angra dos Reis No Brasil, apenas 25% do território foi prospectado em busca do minério, mas, ainda assim, o país ocupa o 7o lugar do ranking, com 278,7 mil toneladas em reservas conhecidas e corr corres espo pond nden ente tess a cerc cercaa de 6% do volu volume me tota totall mu mund ndia ial. l. As jazi jazida dass estã estãoo loca locali liza zada dass principalmente na Bahia, Ceará, Paraná e Minas Gerais, conforme informações da Indústrias Nucleares do Brasil (INB). A principal delas, em Caetité, Bahia, possui 100 mil toneladas, volume suficiente para abastecer o complexo nuclear de Angra I, II e III por 100 anos. A distribuição mundial do consumo, porém, não acompanha a localização ou a capacidade das reservas, mas a disposição do país para investir na geração nuclear de energia elétrica. Segundo a International Energy Agency, os três maiores consumidores são Estados Unidos, França e Japão. Em 2007, um total de 439 reatores nucleares, nucleares, distribuídos por 31 países, estava em operação em todo o mundo, segundo dados da AIEA. Os Estados Unidos concentravam o maior maior número de unidades (104), mas foi a França, com 59 reatores, que demonstrou maior dependência da produção nuclear. 18
Embora seja a terceira maior fonte geradora de eletricidade no mundo e evite a emissão de consideráveis quantidades de dióxido de carbono e outros poluentes, a energia nuclear tem sido vista mais como um perigo de autodestruição do que uma fonte ilimitada ilimitada de energia, energia, como esperado no início do seu desenvolvimento tecnológico. O impacto ambiental de usinas termonucleares tem sido muito enfatizado nas últimas décadas, sendo hoje preocupação de movimentos ambientalistas, tanto em termos globais como regionais. Além da possibilidade de contaminação do solo, do ar e da água por radionuclídeos, o aquecimento das águas do corpo receptor pela descarga de efluentes também representa um risco para o ambiente local. As usina usinass termo termonuc nuclea leares res utili utilizam zam grande grandess quanti quantidad dades es de água água em seu siste sistema ma de refrigeração, que funciona em paralelo com o circuito de água e vapor para geração de energia elétrica. A separação desses sistemas impede a contaminação dos efluentes por materiais radioativos em condições rotineiras de funcionamento das usinas. Em regiões costeiras, onde as usinas utilizam água do mar para refrigeração, o lançamento dessa água, combinado com outros fatores, como a pluviosidade, a altura da termoclina, correntes, marés e regime de ventos, tende a ocasionar alteração na temperatura natural do corpo receptor. Nesse caso, uma tarefa imprescindível é a separa separação ção dos efeit efeitos os natur naturai ais, s, como como a influ influênc ência ia de massa massass oceân oceânic icas as de água, água, insol insolaçã ação, o, estratificação estratificação e correntes locais, dos efeitos da descarga de águas de refrigeração. A Usina de Angra I, situada na praia de Itaorna, no município de Angra dos Reis, descarrega cerca de 30 m3 /s de água utilizada para a refrigeração do sistema de geração de energia elétrica no saco de Piraquara. Durante a fase de extração e processamento do minério e de operação da usina, os níveis de radioatividade são permanentemente monitorados e controlados, de forma a não superar os limites previstos pelos órgãos reguladores. No entanto, ainda não se conseguiu encontrar uma solução definitiva para os dejetos radioativos que, lado a lado com o risco de acidentes nas usinas, se constituem nos elementos mais perigosos do processo de produção da energia nuclear. Estes dejetos são classificados de baixa, média e alta atividade. Para os dois primeiros, há o processamento e armazenagem. segundo o Plano Nacional de Energia 2030, no Brasil os dejetos de alta atividade ficam, temporariamente, estocados em piscinas de resfriamento cheias de água. Depois, parte deles é misturada a outros materiais e solidificada, resultando em barras de vidro, também classificadas como de alta radioatividade. A vitrificação facilita o transporte e a estocagem, mas apenas diminui os impactos potenciais sobre o meio ambiente. Alternativas para depósito desses dejetos estão em estudo no exterior. Uma das mais aceitas, atualmente, é o armazenamento em uma estrutura geológica estável. Os Estados Unidos têm um projeto pioneiro nesta opção. Além disso, ganha espaço no mercado mundial a preferência pela adoção do ciclo aberto do urânio em detrimento do fechado que, ao reprocessar o material, produz 19
novos dejetos radioativos. A evolução tecnológica das máquinas também aponta para a redução no volume de dejetos de alta atividade produzido, seja porque embutem ganhos de eficiência, exigindo menor menor vol volume ume de combus combustív tível el para para a produç produção ão da mesma mesma qualid qualidade ade de energ energia ia,, seja seja porque porque conseguem reduzir o tempo de decaimento (redução da radioatividade) radioatividade) dos dejetos.
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Energia Eólica 2.5. Energia Eólica A energia eólica consiste na energia cinética contida nas massas de ar em movimento, ou seja, é a energia obtida através do vento. Seu aproveitamento ocorre por meio da conversão da energia cinética de translação em cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas. As turbinas podem ser do tipo aerogeradores, para a geração de eletricidade, ou cataventos e moinhos, para trabalhos mecânicos como bombeamento d’água. Assim como a energia hidráulica, a energia eólica é utilizada há milhares de anos, servindo para bombeamento de água, moagem de grãos e outras aplicações que envolvem energia mecânica. Os moinhos de vento, inventados na Pérsia, no séc. V, foram usados para bombear água para irrigação. Para a geração de eletricidade, as primeiras tentativas surgiram no final do século XIX, mas somente um século depois, na década de 1970, com a crise internacional do petróleo, é que houve houve interesse interesse e investim investimento entoss suficie suficientes ntes para viabili viabilizar zar o desenvol desenvolvime vimento nto e aplicaçã aplicaçãoo de equipamentos em escala comercial. A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi instalada em 1976, na Dinamarca e, atualmente, existem mais de 35 mil turbinas eólicas em operação no mundo. Os desenvolvimentos tecnológicos dos sistemas avançados de transmissão, aerodinâmica, estratégias de controle e operação das turbinas têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade confiabilidade dos equipamentos. O custo dos equipamentos, que era um dos principais entraves ao aproveit aproveitamen amento to comercial comercial da energia energia eólica, eólica, reduziu-s reduziu-see signific significati ativame vamente nte nas últi últimas mas duas décadas. Os desenvolvimentos tecnológicos dos sistemas avançados de transmissão, aerodinâmica, estratégias de controle e operação das turbinas têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade confiabilidade dos equipamentos. O custo dos equipamentos, que era um dos principais entraves ao aproveit aproveitamen amento to comercial comercial da energia energia eólica, eólica, reduziu-s reduziu-see signific significati ativame vamente nte nas últi últimas mas duas décadas. Projetos eólicos em 2002, utilizando modernas turbinas eólicas em condições favoráveis, apresentaram custos na ordem de 820/kW instalado e produção de energia a 4 cents/kWh. 21
Figura 2.5.1. Desenho Esquemático de uma turbina eólica moderna Os ventos são gerados pela diferença de temperatura da terra e das águas, das planícies e das montan montanhas has,, das regiões regiões equat equatori oriais ais e dos pólos pólos do planet planetaa Terra. erra. A quant quantida idade de de energ energia ia 22
disponível no vento varia de acordo com as estações do ano e as horas do dia, e a topografia e rugosidade do solo têm grande influência na distribuição de ocorrência dos ventos e de sua velocidade em um local. A quan quanti tida dade de de ener energi giaa eóli eólica ca que que pode pode ser ser extr extraí aída da em um umaa regi região ão depe depend ndee das das caracterí característic sticas as de desempen desempenho, ho, altura altura de operação operação e espaçame espaçamento nto horizonta horizontall dos sistemas sistemas de conversão de energia eólica instalados. A avaliação precisa do potencial de vento em uma região é o primeiro passo para o aproveitamento aproveitamento do recurso eólico eólico como fonte de energia. energia. Para a avaliação do potencial eólico de uma região, é necessária uma coleta de dados dos ventos com precisão e qualidade, capaz de fornecer um mapeamento eólico da região. No início da utilização utilização da energia eólica, eólica, surgiram turbinas de vários tipos, como as de eixo horizontal, eixo vertical, com apenas uma pá, com duas e três pás, gerador de indução, gerador síncrono, entre outras. Com o passar do tempo, consolidou-se o projeto de turbinas eólicas com as seguintes características: características: eixo de rotação r otação horizontal, horizontal, três pás, alinhamento ativo, gerador de indução e estrutura não-flexível. As hélices de uma turbina de vento são diferentes das lâminas dos antigos moinhos porque são mais aerodinâmicas e eficientes. As hélices têm o formato de asas de aviões e usam a mesma aerodinâmica. aerodinâmica. Em movimento, ativam um eixo que está ligado à caixa de mudança. Através Através de uma série de engrenagens, a velocidade do eixo de rotação aumenta. O eixo de rotação está conectado ao gerador de eletricidade que com a rotação em alta velocidade gera energia.
Gráfico 2.5.1. Estimativas do Potencial Eólico Mundial Um aero-gerador consiste num gerador elétrico movido por uma hélice, que por sua vez, é movida pela força do vento. A hélice pode ser vista como um motor a vento, cuja quantidade de eletricidade eletricidade que pode ser gerada depende da quantidade quantidade de vento que passa pela hélice, do diâmetro da hélice, da dimensão do gerador e do rendimento de todo o sistema. Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua 23
densidade seja maior ou igual a 500 W/m2, a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s. Segundo a Organização Mundial de Meteorologia, em apenas 13% da superfície terrestre o vento apresenta velocidade velocidade média igual ou superior a 7 m/s, a uma altura de 50 m. Essa proporção varia muito entre regiões e continentes, chegando a 32% na Europa Ocidental. Apesar de existirem poucos locais com ventos propícios, estima-se que o potencial eólico bruto mundial seja da ordem de 500.000 TWh por ano. Porém, devido a restrições socioambientais, como existência de áreas densamente povoadas e/ou industrializadas e outras restrições naturais, como regiões muito montanhosas, por exemplo, apenas 53.000 TWh (cerca de 10% do total disponível) são considerados tecnicamente aproveitáveis. Em 1990, a capacidade instalada no mundo era inferior a 2.000 MW. Em 1994, ela subiu para 3.734 MW, divididos entre Europa (45,1%), América (48,4%), Ásia (6,4%) e outros países (1,1%). Quatro anos mais tarde, chegou a 10.000 MW e no final de 2002 a capacidade total instalada no mundo ultrapassou 32.000 MW. O mercado tem crescido substancialmente nos últimos anos, principalmente na Alemanha, EUA, Dinamarca e Espanha, onde a potência adicionada anualmente supera 3.000 MW. MW. Esse crescimento de mercado fez com que a Associação Européia de Energia Eólica estabelecesse novas metas, indicando que, até 2020, a energia eólica poderá suprir 10% de toda a energia elétrica requerida no mundo. Em alguns países e regiões, a energia eólica já representa uma parcela considerável da eletricidade produzida. Na Dinamarca, por exemplo, a energia eólica representa 18% de toda a eletricidade gerada e a meta é aumentar essa parcela para 50% até 2030. Na região de SchleswigHolstein, na Alemanha, Alemanha, cerca de 25% do parque de energia elétrica instalado é de origem eólica. Na região de Navarra, na Espanha, essa parcela é de 23%. Em termos de capacidade instalada, estimase que, até
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Figura 2.5.2. Distribuição da Capacidade Eólica Instalada no Mundo
2020,
a
Europa já terá 100.000 MW. No Brasil,
embora ainda haja divergências entre especialistas e instituições na estimativa
do potencial eólico, os valores indicados pelos estudos são bem consideráveis. Até poucos anos, as estimativas eram da ordem de 20.000 MW. Hoje, a maioria dos estudos indica valores maiores que 60.000 MW. Os diversos levantamentos e estudos locais, regionais e nacionais realizados e em andamento têm dado suporte e motivado a exploração comercial da energia eólica no País. Os primeiros estudos foram feitos na região Nordeste, principalmente no Ceará e em Pernambuco. Com o apoio da ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia MCT, o Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE, da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, publicou em 1998 a primeira versão do Atlas Eólico da Região Nordeste. A continuidade desse trabalho resultou no Panorama do Potencial Eólico no Brasil. Outro estudo importante em âmbito nacional foi publicado pelo Centro de Referência para Energia Solar e Eólica – CRESESB/CEPEL No result resultado ado final final do estud estudo, o, denomi denominad nadoo Atlas Atlas do Po Poten tenci cial al Eólic Eólicoo Brasil Brasilei eiro, ro, estim estimouou-se se um potencial eólico brasileiro da ordem de 143 GW. Existem também outros estudos específicos por unidades da Federação, desenvolvidos por iniciativas locais.
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A participação da energia eólica na geração de energia elétrica brasileira ainda é pequena. No entanto, os incentivos vigentes para o setor elétrico brasileiro deverão despertar o interesse de empreende empreendedore dores. s. Outro Outro incenti incentivo vo important importantee é a possibi possibilida lidade de de compleme complementari ntaridade dade entre entre a geração hidrelétrica e a geração eólica, visto que o maior potencial eólico, na região Nordeste, ocorre durante o período de menor disponibilidade hídrica. Entre as centrais eólicas instaladas no Brasil, destacam-se Taíba e Prainha, no Estado do Ceará, que representam 68% do parque eólico nacional.
Figura 2.5.3. Mapa das potencialidades eólicas do Brasil – Dados da CBEE A geração de energia elétrica por meio de turbinas eólicas constitui uma alternativa para diversos níveis de demanda. As pequenas centrais podem suprir pequenas localidades distantes da rede, contribuindo para o processo de universalização do atendimento. Quanto às centrais de grande porte, estas têm potencial para atender uma significativa parcela do Sistema Interligado Nacional (SIN) com importantes ganhos: contribuindo para a redução da emissão, pelas usinas térmicas, de poluent poluentes es atmosfé atmosféricos ricos;; dimi diminuin nuindo do a necessid necessidade ade da construçã construçãoo de grandes grandes reservat reservatórios órios;; e reduzi reduzindo ndo o risco risco gerad geradoo pela pela azonal azonalid idade ade hidro hidrológ lógica ica,, à luz da comple compleme menta ntarid ridade ade citad citadaa anteriormente. Apesar de não queimarem combustíveis fósseis e não emitirem poluentes, fazendas eólicas não não são são tota totalm lmen ente te desp despro rovi vida dass de im impa pact ctos os ambi ambien enta tais is.. Entr Entree os prin princi cipa pais is im impa pact ctos os socioambientais negativos das usinas eólicas destacam-se os sonoros e os visuais. Os impactos sonoros são devidos ao ruído dos rotores e variam de acordo com as 26
especificações dos equipamentos. As turbinas de múltiplas pás são menos eficientes e mais barulhentas que os aerogeradores de hélices de alta velocidade. A fim de evitar transtornos à população vizinha, o nível de ruído das turbinas deve antender às normas e padrões estabelecidos pela legislação vigente. Os im impa pact ctos os visu visuai aiss são são deco decorre rrent ntes es do agru agrupa pame ment ntoo de torr torres es e aero aeroge gera rado dore res, s, principalmente no caso de centrais eólicas com um número considerável de turbinas, também conh conhec ecid idas as como como faze fazend ndas as eóli eólica cas. s. Os im impa pact ctos os vari variam am mu muit itoo de acor acordo do com com o loca locall das das instalações, instalações, o arranjo das torres e as especificações especificações das turbinas. Apesar de efeitos negativos, como alterações na paisagem natural, esses impactos tendem a atrair turistas, gerando renda, emprego, arrecadações e promovendo o desenvolvimento regional. Outr Outroo im impa pact ctoo nega negati tivo vo das das cent centra rais is eóli eólica cass é a poss possib ibil ilid idad adee de inte interf rfer erên ênci cias as eletromagnéticas, que podem causar perturbações nos sistemas de comunicação e transmissão de dados (rádio, televisão). Essas interferências variam segundo o local de instalação da usina e suas especificações técnicas, particularmente o material utilizado na fabricação das pás. Também a possível interferência nas rotas de aves deve ser devidamente considerada nos estudos e relatórios de impactos ambientais (EIA/RIMA). O custo dos geradores eólicos é elevado, porém o vento é uma fonte inesgotável de energia. E as plantas eólicas têm um retorno financeiro a um curto prazo. Outro problema que pode se citado é que em regiões onde o vento não é constante, ou a intensidade é muito fraca, obtêm-se pouca energia e, quando ocorrem chuvas muito fortes, há desperdício de energia.
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Energia da Biomass Bioma ssa a 2.6. Energia da Biomassa Biomassa é um material constituído principalmente de substâncias de origem orgânica (veget (vegetal, al, anima animal,l, mi micro croor organ ganism ismos) os).. A uti utili lizaç zação ão da energ energia ia da BIOMAS BIOMASSA SA é consid considera erada da estratégica para o futuro, pois é uma fonte renovável de energia. Há três classes de biomassa: a biomassa sólida, líquida e gasosa. A bioma biomassa ssa sólid sólidaa tem como como fonte fonte os produt produtos os e resíd resíduos uos da agricu agricult ltura ura (incl (incluin uindo do substâncias vegetais e animais), os resíduos das florestas e a fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos. A biomassa líquida existe em uma série de biocombustíveis líquidos com potencial de utilização, todos com origem nas chamadas "culturas energéticas". São exemplos o biodiesel, obtido a partir de óleos de colza ou girassol; o etanol, produzido com a fermentação de hidratos de carbono (açúcar, amido, celulose); e o metanol, gerado pela síntese do gás natural. Já a biomassa gasosa é encontrada nos efluentes agropecuários provenientes da agroindústria e do meio urbano. É achada também nos aterros de RSU (resíduos sólidos urbanos). Estes resíduos são resultado da degradação biológica anaeróbia da matéria orgânica, e são constituídos por uma mistura de metano e gás carbônico. Esses materiais são submetidos à combustão para a geração de energia. No Brasil a lenha ocupa a terceira posição em fonte de energia utilizada, sendo extraída das poucas reservas que restam no país. Dois bilhões de pessoas dependem da lenha como fonte de energia, e o consumo mundial é de 1,1 bilhão de metros cúbicos (a maior parte nos países em desenvolvimento). A lenha é aproveitada de duas maneiras diferentes: a) por combustão, que é o processo mais antigo para produção de calor doméstico e industrial , sendo que 94% do seu valor calórico é perdido no uso doméstico, o uso ineficiente representa um encargo de 30% no balanço energético do país; b) por pirólise, que é o processo de queima da madeira a temperaturas l60 a 430ºC, na ausência de ar. Essa queima produz gases e ácido pirolígneo (que pode sofrer mais uma reação para a extração metanol, acetona e ácido acético). 28
O consumo de carvão no Estado de Minas está na ordem de 25 milhões de m³, sendo 40 % extraídos do cerrado, e de acordo com a legislação Estadual o suprimento dos altos fornos está limitado desde de 1996 a 30%, 1997 a 20%, 1998 a 10% do carvão consumido pelas usinas deverão ser extraídos de áreas replantadas ou remanejadas . Com a determinação da lei, apenas 6 milhões de m³, estão sendo extraídas ou 25%, o restante oriundos de estados vizinhos. De 1987 a 1992, foram devastadas 2,8 milhões de hectares, dos quais 60% de cobertura nativa. Minas produz 80% do carvão e consome 84% da produção Nacional. -- Impactos ambientais: Dentre os vários problemas ambientais acarretados pela biomassa temos a formação de desertos pelo corte não planejado ou incontrolado de arvores; destruição do solo pela erosão; a poluição da própria queima da biomassa, como a emissão de gases tóxicos e desprendimento de consideráveis quantidades de calor. O Brasil ocupa o primeiro lugar em emissão de gases oriundos do desmatamento: Petróleo 58%; Lenha 16% ; Carvão Vegetal Vegetal 10% Carvão Mineral 12% e Gás Natural 4%. O reflorestamento reflorestamento é uma saída para a diminuição de CO2, pois florestas plantadas fixam CO2 durante o período de crescimento. Estima-se haver necessidade de reflorestar 20 milhões de hectares em um período de 30 anos, envolvendo um investimento investimento de 22,5 bilhões de dólares. A implantaçã implantaçãoo desse projeto seria capa capass de abso absorv rver er 5 bilh bilhõe õess de tone tonela lada dass de carb carbon onoo na atmo atmosf sfer eraa .Est .Estee prog progra rama ma de refl reflor ores esta tame ment ntoo Naci Nacion onal al é capa capass de fixa fixarr 4% do exce excede dent ntee de carb carbon onoo acum acumul ulad adoo na atmosfera( 115 bilhões de toneladas ). O reflorestamento através do eucalipto,inibe o crescimento das plantas cultivadas em solos retiradas de eucaliptais e a inibição das bactérias responsáveis pela fixação do nitrogênio; pois são sensíveis á ação de substâncias do eucalipto, como o cineol e o pineno, de alto poder antibiótico. antibiótico. Isso significa que o eucalipto exerce uma pressão seletiva sobre a população bacteriana, espécies não tolerantes desaparecem, o solo fica mais pobre. Portanto existem pesquisas que o reflorestamento reflorestamento deva se fazer plantio consorciado de eucalipto com árvores nativas adaptadas. -- Riscos ocupacionais: Os risc riscos os estã estãoo li liga gado doss aos aos poss possív ívei eiss acid aciden ente tess de cort cortee da made madeir ira, a, tran transp spor orte te e processamento. A rotina do carvoeiro o obriga a enfrentar o calor 70 graus na boca dos fornos no frio noturno, do cerrado e pôr um período de 12 horas . O metanol é bastante tóxico e deve ser manipulado com critério. No Brasil as termoelétricas de Samuel (RO) e Balbina (AM) são dois exemplos de aproveitamento de lenha com a tecnologia adequada para produção de energia elétrica. 29
-- Resíduos: Os resíduos orgânicos, devem ser formados por transformações por intermédio da digestão anaeróbica para resultar em gás combustível com teores de metano em torno de 60 a 70 %, e dióxido de carbono, de 20 a 30%, além de outros gases. A borra do digestor pode ser utilizada como fertilizante. O biogás possibilita diversas aplicações: cocção de alimentos, geração de energia em lampiões, geladeiras, chocadeiras, fornos industriais e também geração de energia elétrica. No Sul do Brasil estima-se que existam 10 mil biodigestores rurais em funcionamento . Em Minas Gerais, uma experiência comercial com a utilização do biogás para resfriamento de leite apresentou 60% de economia em relação a energia elétrica convencional. Na Cidade de São Paulo são produzidas 8000 toneladas de lixo por dia. Esse lixo vem sofrendo incineração, compostagem e, finalmente, desova em aterros sanitários Entretanto a otimização desse processo é essencial para o futuro, produção de energia e reciclagem do lixo humano, que se avoluma nas grandes cidades. -- Biomassa e energia: A energia de biomassa diz respeito ao aproveitamento energético que se pode fazer da floresta e seus resíduos, bem como dos resíduos agro-pecuários e dos restantes da indústria alimentar e do tratamento de efluentes domésticos e industriais, para produção de energia elétrica ou calorífera. Diversas usinas de açúcar e destilarias estão produzindo metano a partir da vinhaça. O gás resultante está sendo utilizado como combustível para o funcionamento de motores estacionários das usinas e de seus caminhões e o bagaço como combustível etc. O equipamento onde se processa a queima ou a digestão da biomassa é chamado de biodigestor . Numa destilaria com produção diária de 100.000 litros de álcool e 1500 m³ de vinhaça, possibilita a obtenção de 24 000 m³ de biogás, equivalente a 247,5 bilhões de calorias. O biogás obtido poderia ser utilizado diretamente nas caldeiras, liberando maior quantidade de bagaço para geração de energia elétrica através de termoelétricas, ou gerar 2 916 KW de energia, energia, suficiente para suprir o consumo doméstico de 25 000 famílias. A partir da biomassa pode-se produzir bioálcool , biodiesel e biogás! A produção de eletricidade a partir de biomassa sólida nos países da OECD, entre 1990 e 2001, teve um crescimento anual médio de 2,7%, atingindo, em 2001, uma participação de 5,6% dentre as fontes renováveis de eletricidade – em 1990 era de 4,6%. De toda a eletricidade eletricidade obtida com biomassa, 52,3% foi gerada nos EUA, onde ela participou 30
com 14,3% da produção de eletricidade renovável . O segundo maior produtor de eletricidade com biomassa é a Finlândia, onde essa fonte representou 37,8% do fornecimento de eletricidade renovável. O Japão e o Canadá são, também, grandes produtores, e muitos outros países da OECD usam esse tipo de fonte. No Brasil, em outubro de 2006, a geração de eletricidade a partir de biomassa – sólida, líquida e gaseificada –, contava com um parque instalado de 3.665 MW, relativos a 3,8% da capacidade total do país e 4,7% do total de fontes renováveis. Havia oito usinas em construção, totalizando 102,9 MW, e 31 autorizadas, com um total de 244,1 MW. Entre aquelas em construção
há: quatro a resíduos resíduos de madeira (40,7 MW); três a bagaço bagaço de cana-de-a cana-de-açúca çúcarr (55 MW); e uma a carvão vegetal (7,2 MW). -- Usinas Termelétricas a biomassa: Impacto Ambiental Positivo: disposição, tratamento, destinação e reciclagem dos resíduos antropogênicos de natureza biológica; equilíbrio de Gaia.
Impa Impact ctoo Ambi Ambien enta tall Neg Negat ativ ivo: o: emis emissõ sões es aére aéreas as de CO2 CO2 e NOX NOX,, embo embora ra no no cas casoo do do álcool e do biogás sejam mais de 70% menores que os hidrocarbonetos líquidos; de CH4, que é trinta vezes mais danoso à camada de ozônio que o CO2 (ibid., p.173); e partículas, no caso da queima de sólidos, como o carvão vegetal e a lenha, que também são grandes emissores de CO2 e CH4. Além disso, há que se considerar os efeitos causados pelas grandes áreas de cultivo intensivo de monoculturas, como a cana-de-açúcar ou a soja – erosão, perda de biodiversidade, poluição por agrotóxicos. -- Vantagens: Fonte de energia renovável; baixo custo da energia gerada; tem grande aceitação social por 31
gerar mais empregos permanentes e que não requerem tanta qualificação quanto outras fontes; no caso dos óleos vegetais, menores emissões de enxofre e GEE do que os combustíveis derivados de petróleo; receita adicional para as atividades que produzem os resíduos; permite operação contínua na base do sistema elétrico. Conta ainda com os seguintes benefícios e vantagens legais:
Auto Autori riza zaçã çãoo nãonão-on oner eros osa, a, par paraa potê potênc ncia ia aci acima ma de de 5.00 5.0000 kW, kW, ou sim simples ples com comun unic icaç ação ão ao ao
poder concedente, quando tiver potência até 5.000 kW;
Isen Isençã çãoo da da apl aplic icaç ação ão anua anuall de de no no mín mínim imoo 1% 1% de sua sua rece receit itaa ope opera raci cion onal al lí líqu quid idaa em em pes pesqu quis isaa
e desenvolvimento do setor; e como fonte alternativa, pode comercializar no ACR, nos leilões específicos de compra de energia proveniente de fontes alternativas, com contratação de dez até trinta anos e possibilidade de repasse integral de preços às tarifas. Quando em sistema elétrico isolado: - Pode ter até 75% do seu cus to de implantação reembolsado por meio do mecanismo da sub-rogação dos benefícios da CCC122; e o pode comercializar energia elétrica diretamente co m consumidor cuja carga seja maior ou igual a 50kW123. -- Desvantagens: Para viabilizar o projeto é necessário garantir um volume mínimo e a proximidade da fonte de biomassa; há o risco de competição pelo uso da terra, como, por exemplo, o plantio de florestas energéticas versus o cultivo de alimentos
Figura 2.6.1. Ciclo da Biomassa
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Energia das Mares 2.7. Energia das Mares A idéia idéia de extrair a energia dos oceanos, utilizando utilizando a diferença entre entre a maré-alta e a maré baixa, na realidade, não é recente. No século XII havia na Europa moinhos submarinos, instalados na entrada de estreitas baías (o fluxo e o refluxo das águas moviam as pedras de moer). Contudo, os pioneiros da exploração das marés na era moderna foram os habitantes de Husum, uma pequena ilha alemã no mar do Norte, onde, em 1915, os tanques para o cultivo de ostras estavam ligados ao mar, através de um canal, onde turbinas moviam um pequeno gerador eléctrico, durante a passagem da água das marés. A eletricidade produzida neste processo era suficiente para iluminar a povoação referida. A energia das marés, também chamada de energia maremotriz, é uma energia renovável e limpa. O fenômeno fenômeno de maré maré tal como já foi foi referido, referido, deve-se às interações interações gravitacionais gravitacionais entre a Terra e outros astros astros (principalmente (principalmente a Lua e o Sol). Traduz-se Traduz-se pelas variações variações periódicas periódicas do nível do mar associadas às correntes, através de energia potencial. Este tipo de aproveitamento da energia das marés é obtido através da construção de diques e reservatórios. Duma maneira muito simples, quando a maré sobe, a água enche o reservatório passando através duma turbina (tipo bulbo) produzindo energia eléctrica. Quando a maré desce, o reservatório é esvaziado, a água sai do reservatório passando novamente pela turbina (em sentido contrário), produzindo novamente energia eléctrica. -- Vantagens: Este tipo de energia, é uma energia limpa e renovável contribuindo para a redução das emissões dos gazes de efeito de estufa, estufa, reduzindo reduzindo a poluição no ar, ar, da água, do do solo e da biosfera limitando os riscos de acidentes. acidentes. -- Desvantagens: Desvantagens: Os custos associados ao investimento são muito elevados, contribuindo assim para um desencorajar face a esta alternativa. Constituiria assim um desafio, encontrar meios de tornar estes investimentos iniciais mais acessíveis, tornando assim esta forma de energia mais apelativa. Existe outro tipo de barreiras, nomeadamente, devido a conflitos de interesses com outras 33
áreas de atividade, uma vez que as zonas de implementação destas tecnologias podem ter outros usos (zonas de pesca, de extração de materiais, de recreio e lazer, que intersectem rotas marítimas importantes, na proximidade de portos marítimos, entre outras). Há barrei barreiras ras técnic técnicas as relac relacion ionamam-se se com caract caracterí erísti sticas cas ineren inerentes tes ao própri próprioo recurs recursoo energético: energético: irregularidade/intermitência irregularidade/intermitência da produção, sendo um importante desígnio a tentativa de a maximizar recorrendo a métodos tais como centrais de energia das marés com bacia única e bombagem ou com duas bacias, tal como abordado anteriormente. Tudo isto traduz-se numa meta que consiste em produzir energia continuamente a partir de algo discreto como as marés -- Impactos Ambientais: Ambientais: Porém, numa perspectiva a curto prazo, o impacto ambiental associado a este tipo de central seria na transformação do ecossistema, ou seja, na transformação da Fauna e Flora existente. Quando é aproveitada a energia potencial, são construídos diques, barragens ou reservatórios de form formaa a rete reterr a água água,, trav travan ando do assi assim m o seu seu mo movi vime ment ntoo e cons conseq eque uent ntem emen ente te,, de form formaa infinitesimal, a Terra. Pelas leis da física, as consequências desta desaceleração da Terra acarreta uma aceleração e afastamento da Lua também de forma infinitesimal (relativamente (relativamente a sua distância à Terra). Terra). De qualquer modo, este efeito já existia, o aproveitamento aproveitamento da energia potencial potencial das marés só veio aumentar a “travagem” da Terra. Os efeitos climatéricos associados a este efeito não foram até a data muito aprofundados, no entanto, qualitativamente, sabe-se que: Diminuiri Diminuiriaa a velocida velocidade de do ciclo ciclo térmico térmico terrestre, terrestre, isto é, períodos diurnos diurnos quentes quentes e nocturnos frios; Aument Aumentari ariaa o espaç espaçame ament ntoo de tempera temperatu tura ra entre entre os dias e as noites, noites, tendo tendo como como consequências consequências o aumento dos movimentos movimentos atmosféricos atmosféricos (tempestade ( tempestades…). s…). Quanto ao aproveitamento da energia cinética (correntes marítimas), cujo este é feito através de turbinas subaquáticas não tem impacto ambiental significativo, por exemplo, são projectadas de forma a expulsar qualquer animal marinho que se aproxime do rotor. Os projetos ligados a este tipo de energia requerem, normalmente, pela sua complexidade, elevado capital de investimento, bem como a sua construção é bastante demorada. O período de retorno do investimento feito é também bastante longo. Consequentemente, a eletricidade produzida a partir das marés tem um preço elevado, sendo que aqui assume um papel muito importante o sistema de financiamento público utilizado. É notório que a utilização desta forma de energia renová renovável vel é altame altamente nte im impro prová vável vel,, pela pela sua invia inviabil bilid idade ade econôm econômic ica, a, a menos menos que exista exista intervenção intervenção do sector público. Nomeadamente, em mercados de eletricidade eletricidade desregulados, baseados no investimento privado, a energia das marés não é, no momento e na maioria dos casos, competitiva dado que o seu custo efetivo é, ainda, bastante superior a outras energias renováveis. 34
Por outro lado, há ainda que abordar a questão da localização da central. Para ser lucrativa, uma central de energia das marés não poderá ser instalada em qualquer local. Este constitui-se como um dos aspectos mais delicados na utilização deste tipo de energia renovável, uma vez que só locais com uma variação muito significativa entre a maré-baixa e a maré-alta se afiguram como bons locais de instalação. Esta variação está intimamente relacionada com a topografia de cada local. Nos melhores locais, chegará aos 10 m, ou mesmo, 15 m. Comparativamente com a energia eólica, a energia das marés produz energia de forma análoga. No entanto, quando comparamos a densidade da água com a densidade do ar, verificamos que a densidade da água é 832 vezes superior à do ar, daí que um único gerador, no caso da energia das marés, marés, pode pode propor proporcio ciona narr valore valoress de pot potênc ência ia signif signific icati ativos vos em situaç situações ões com baixa baixass velocidades velocidades de fluxos das marés, quando comparado com a velocidade do vento.
Figura 2.7.1 -A central de energia das marés de La Rance, França A central de energia das marés de La Rance, é a única do seu tipo em todo o mundo. Está localizada no Norte de França, no estuário do rio La Rance. Esta é uma zona em que a amplitude das marés é muito considerável (rever Figura 4) e a isto se deveu a escolha do local. A obra foi terminada em 1967, com 24 turbinas bolbo, cada uma capaz de produzir 10 MW. MW. A barragem em si tem 750 m de comprimento e 13 m de altura. Foram necessários 25 anos de estudos intensivos e 6 anos de construção até esta central estar pronta. O funcionamento é da seguinte forma: as comportas permanecem abertas para permitir a entrada da água na bacia durante a maré-alta e são fechadas depois para impedir a saída da água quando a maré está a baixar, forçando a água a sair pelas turbinas para, assim, se gerar eletricidade (Figura 2.7.2 ).
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Figura 2.7.2 – Princípios de funcionamento funcionamento de uma central de energia das marés (barragem) Tal como se pode observar na figura acima, quando a maré sobe, a escotilha da principal da barragem está aberta permitindo a passagem a água do mar de forma a encher o reservatório. Logo que a maré desce a barragem é fechada. A água assim retida permitirá alimentar alimentar as turbinas na maré vasa.
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2.8. Energia das Ondas Os sistemas existentes de aproveitamento de energia das ondas podem distinguir-se de acordo com a sua flutuabilidade flutuabilidade ou posição na coluna de água – submersos ou flutuantes – e quanto à capacidade de resposta à agitação marítima, em função da altura significativa significativa (Hs), do período (T) e da direção das ondas. Os sistemas conversores podem também classificar-se de acordo com a distância relativamente à linha de costa: instalados na costa, onshore, próximos da costa, nearshore, e em águas águas profundas, profundas, offshore offshore.. Quanto Quanto ao método método de conversã conversãoo de energia, energia, podem utilizar utilizar bombas hidráulicas, turbinas ou geradores. -- COLUNA DE ÁGUA OSCILANTE (CAO) A energia energia da oscilação provocada pelas ondas pode ser aproveitada em centrais de coluna de Figura Fi gura 2 .8.1
Esquema de um sistema de coluna de água oscilante (CAO)
água água oscil oscilant ante. e. Este Este ti tipo po de centra centrais is é const nstituí ituíddo
por câma âmaras ras de bet betão,
colocadas em zonas de grande ondulação, na linha de costa, cuja parede frontal não chega ao fundo, permitindo que a água entre dentro da câmara, oscilando com o movime movimento nto das ondas. ondas. Esta Esta oscila oscilação ção pro provo voca ca dife difere renç nças as de pres pressã sãoo no ar situado na zona superior da câmara que, ao passar através de uma turbina (Wells – roda
sempre
no
mesmo
sentido
independ independente entement mentee do sentido sentido do fluxo fluxo de ar ou água) no topo da câmara, produz eletricidade. A potência instalada neste tipo de centrais é da ordem dos 500 kW, dependendo do tamanho da câmara e da energia associada à frente de onda no local de instalação. Uma potência desta ordem poderá alimentar pequenas populações locais. 37
-- Vantagem: Os problemas de transporte de energia para terra e de acesso para manutenção são de relativamente fácil resolução. -- Desvantagem: Desvantagem: A local localiza ização ção depend dependee de um conjun conjunto to de facto factores res geomor geomorfol fológi ógicos cos favorá favorávei veiss na vizinhança vizinhança imediata da costa, e os bons locais para construção não abundam, assim como o impacte visual é significativo. -- Impacto ambiental: O Impacto ambiental associado a este tipo de infra-estrutura é baixo. A câmara de betão não apresenta grande impacte para as comunidades bióticas existentes na zona, uma vez que são zonas de costa muito batidas pela rebentação. As comunidades bentônicas não são afectadas por este tipo de infr infraa-es estr trut utur ura, a, pois pois a câma câmara ra não não cheg chegaa ao fund fundoo e nest nestee loca locall a água água mo movi vime ment ntaa-se se normalmente. A parede exterior da câmara pode ainda ser colonizada por organismos bentônicos (existem (existem alguns alguns tipo tiposs de betão betão que facilit facilitam am o estabele estabelecime cimento nto de comunida comunidades des bentônic bentônicas) as) próprios dessas zonas, contribuindo assim para a naturalização da estrutura. O impacte ambiental varia com a quantidade de centrais que existem ao longo da linha de costa, pelo que se torna muito importante o estudo detalhado da área de implantação da estrutura (em termos de oceanografia, biologia, potencial energético) e a produção deslocalizada de energia, para não sobrecarregar a mesma área e provocar um grande impacte e porventura alterações do biótopo. -- ESTRUTURAS PENDULARES OFFSHORE Outro tipo de aproveitamento da energia das ondas é através de estruturas pendulares offshore. Este tipo de estruturas é composto por torres metálicas, ancoradas ao fundo do mar, que possuem uma câmara de ar na parte superior. Est Esta câma âmara oscila ila vert erticalm alment ente com o movimento das ondas e cria situações de altas e baixas pre press ssõe õess de ar no seu seu inte interi rior or.. Esta Estass pres pressõ sões es são são aprov aproveit eitad adas as para para mover mover um mot motor or li line near ar li ligad gadoo a um gera gerado dorr para para prod produç ução ão de elet eletri rici cida dade de.. Este Este ti tipo po de instalação pode ter potências instaladas da ordem dos 2 MW, como é o caso do projecto experimental Archimedes Wave Swing (AWS), que será instalado ao largo de Viana do Castelo. -- Vantagens: 38
A produção deslocalizada de energia, com potências instaladas superiores às dos sistemas instalados nas linhas e costa; A possib possibili ilidad dadee de incor incorpor porar ar doi doiss ti tipos pos de produç produção ão energ energéti ética ca na mesma mesma estrut estrutura ura,, diminuindo assim o impacte, face à quantidade de energia produzida; A possibilidade de associar várias estruturas deste tipo, reduzindo assim a área afectada pelas pelas mesmas mesmas,, quando quando isola isoladas das,, e produz produzir ir mais mais ener energia gia,, como como ocorre ocorre nos parqu parques es eólic eólicos os instalados em terra; Além do aproveitamento da energia das ondas, estas torres podem ainda ser aproveitadas para implantação implantação de aerogeradores offshore, para para aproveitamento aproveitamento da energia eólica, eólica, produzindo assim energia de duas formas. -- Desvantagens: Desvantagens: A ligação ligação à rede eléctrica por cabos submarinos é uma desvantagem deste tipo de estruturas, a nível de custos e de impacte ambiental; A inte interd rdiç ição ão da nave navega gaçã çãoo nest nestas as zona zonass bem bem como como o im impa pact ctee visu visual al cons consti titu tuem em desvantagens destas estruturas. -- Impacto ambiental: Estas Estas estru estrutu turas ras,, em si, si, não apres apresent entam am grand grandee im impac pacte te ambien ambiental tal,, uma vez vez que que se encontram em zonas de mar aberto, podendo mesmo funcionar como zonas de refúgio r efúgio para algumas comunidades faunísticas, como peixes, moluscos e crustáceos que aí se fixam. Estas estruturas também poderão ter impactes negativos na ligação à rede eléctrica por cabos submarinos, que podem ter de percorrer zonas de lodos e lamas contaminadas, que se poderão dispersar durante a fase de dragagem para instalação dos cabos. Outro impacte negativo prende-se com as zonas de navegação, tendo estas estruturas de ser instaladas em zonas que sejam interditas à navegação e devidamente assinaladas nas cartas náuticas e no local. Além do aproveitamento da energia das ondas, estas torres podem ainda ser aproveitadas para implantação de aerogeradores offshore, para aproveitamento da energia eólica, produzindo assim energia de duas formas.
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Energia Geotérmic 2.9. Energia Geotérmica A energia geotérmica tem sua origem no interior da Terra pela decomposição de materiais radioativos, o que leva alguns estudiosos a referirem-na como uma forma de “energia fóssil nuclear”, estando disposta em fontes de água e lama quentes, vulcões e gêiseres. Assim, há diferentes formas de recursos geotérmicos, entre eles, recursos hidrotermais contendo reservatórios de vapor ou água quente que podem ser canalizados por perfuração; recursos de rochas secas quentes (calor armazenado em rochas impermeáveis), os quais podem ser utilizados utilizados pela injeção de água fria no poço e recursos geopressurizados geopressurizados (águas salobras profundas que contêm energia termal, mecânica e química).
Figura 2.9.1. Old Faithful Geyser , no Parque Nacional de Yellowstone, em Wyoming (EUA) Constitui-se em um tipo de energia renovável, com maior facilidade de manutenção além de ser mais limpa e sua obtenção, mais barata que a dos combustíveis fósseis e usinas nucleares. Além disso, as centrais geotérmicas podem ter desenhos modulares, com unidades adicionais instaladas em incrementos quando necessário para se ajustar à crescente procura de eletricidade. A energia é 40
produzida independentemente de variações como chuvas e níveis de rios; a área requerida para a inst instal alaç ação ão de usin usinas as é pequ pequen ena, a, comp compara arand ndoo-se se com com as hidr hidrel elét étri rica cas, s, pode podend ndoo abas abaste tece cer r comunidades isoladas, gerando empregos (mão-de-obra barata e especializada) e estimulando os negócios regionais. A emissão de gases nocivos como o sulfito de hidrogênio (H2S), o qual tem cheiro de ovo podre, e dióxido de carbono constitui-se constitui-se em um dos problemas de uma usina geotérmica. E também, o vapor dos campos de vapor seco contém minerais que, após o vapor condensar, condensar, podem contaminar o nível freático e envenenar peixes e outras formas de vida aquática. Nos campos de vapor úmido, o conteúdo de minerais e sal da água quente pode ser da ordem de 20% a 30% de sólidos dissolvidos. dissolvidos. As lâminas das turbinas podem sofrer danos por corrosão e as tubulações podem ficar entupidas. Existem Existem problemas problemas adiciona adicionais is relacion relacionados ados com a disposiç disposição ão dos resíduos resíduos líqu líquidos idos,, podendo podendo contaminar o solo e os recursos hídricos. Outro problema em algumas regiões geotérmicas é que a remoção do vapor dos reservatórios pode causar subsidência (assentamento ou deslizamento) dos terrenos acima deles. Sabe-se que o uso da energia geotérmica está restrita a determinadas áreas geográficas, exigindo que seu ponto de utilização utilização seja próximo - fato que aliado ao baixo rendimento de energia; à carência de informação confiável sobre os recursos geotérmicos; à falta de tecnologia testada e aprovada para a extração e utilização dos recursos e à falta de conhecimento completo sobre os impactos ambientais dificultam a implantação de projetos. Há ainda o inconveniente da poluição sonora que afligiria toda a população vizinha ao local de instalação da usina, pois, para a perfuração do poço, utiliza-se maquinário semelhante ao usado na perfuração de poços de petróleo. É necessário, pois, que os financiamentos para pesquisas relacionadas com estas questões aumentem como também, um maior esclarecimento das regulamentações.
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Figura 2.9.3. Sistema de vapor seco: a usina The Geysers, na Califórnia (EUA) – maior usina geotérmica do mundo. No Brasil, a energia geotérmica é empregada apenas como fonte de água quente em cidades como Caldas Novas, onde se pode obter água a temperatura de 51°C. Para a produção de energia como ocorre nos Estados Unidos, Islândia, Quênia, Nova Zelândia e Japão é necessária uma temperatura bem superior a essa (150°C a 250°C). Um importante acervo de dados e informações técnicas sobre o potencial e a possibilidade do uso da energia geotérmica no Brasil encontram-se disponíveis disponíveis nos Anais do Simpósio Brasileiro sobre Técnicas Técnicas Explorat Exploratórias órias Aplicadas Aplicadas à Geologia Geologia,, promovid promovidoo pela Sociedad Sociedadee Brasilei Brasileira ra de Geologia em Salvador - Bahia, no ano de 1984. Nesse Simpósio, foram discutidos vários aspectos relacionados aos sistemas de baixa, média e alta entalpia, e a necessidade de se desenvolver um programa de pesquisa de âmbito nacional, visando obter uma idéia mais precisa sobre os recursos e sobre a potencialidade do território brasileiro em energia geotérmica.
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Energia de Hidrogênio
2.10. Energia de Hidrogênio O hidrogênio é o mais simples e mais comum elemento do universo. Possui a maior quantidade de energia por unidade de massa que qualquer outro combustível conhecido. (120,7kJ por grama). Além disso, quando resfriado ao estado líquido, este combustível de baixo peso molecular ocupa um espaço equivalente a 1/700 daquele que ocuparia no estado gasoso. Esta é uma das razões pelas quais o hidrogênio é utilizado como combustível para propulsão de foguetes e cápsulas espaciais, que requerem combustíveis de baixo peso, compactos e com grande capacidade de armazenamento de energia. Quando utilizado em células a combustível, a água que resulta do processo é consumida pelos astronautas! astronautas! No estado natural e sob condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. O hidrogênio molecular (H 2) existe como dois átomos ligados pelo compartilhamento de elétrons ligação covalente. covalente. Cada átomo é composto por um próton e um elétron. Alguns Alguns cientistas acreditam que este elemento dá origem a todos os demais por processos de fusão nuclear. O hidrogênio normalmente existe combinado com outros elementos, como o oxigênio na água, o carbono no metano, e na maioria dos compostos orgânicos. Como é quimicamente muito ativo, raramente permanece sozinho como um único elemento. Quando queimado com oxigênio puro, os únicos produtos são calor e água. Quando queimado com ar, constituído por cerca de 68% de nitrogênio, alguns óxidos de nitrogênio (NO X) são formados. Ainda assim, a queima de hidrogênio produz menos poluentes atmosféricos que os combustíveis fósseis. Ele deve ser armazenado numa temperatura de –253 °C, em sistemas de armazenamento conhecidos como “sistemas criogênicos”. Acima desta temperatura, o hidrogênio não pode ser liquefeito, liquefeito, mas pode ser armazenado em forma de gás comprimido em cilindros de alta pressão. Atualmente, a maior parte do hidrogênio produzido no mundo é utilizado como matéria-prima na fabricação de produtos como os fertilizantes, na conversão de óleo líquido em margarina, no processo de fabricação de plásticos e no resfriamento de geradores e motores. Agora, as pesquisas sobre hidrogênio estão concentradas na geração de energia elétrica, térmica e de água pura através das células a combustível! 43
-- O hidrogênio e energia: Desde o início do século XIX, os cientistas identificaram o hidrogênio como uma fonte potencial de combustível. Com pesquisa e desenvolvimento mais avançados, este combustível também pode ser utilizado como uma fonte alternativa de energia para o aquecimento aquecimento e iluminação iluminação de residências, geração de eletricidade e como combustível de automóveis. Quando produzido de fonte fontess e tecnol tecnologi ogias as renová renovávei veis, s, como como hidrá hidráuli ulica, ca, solar solar ou eóli eólica, ca, o hidro hidrogê gênio nio torna torna-se -se um combustível renovável. Parece estranho dizer que um elemento tão simples possa ser uma forma de energia tão valiosa, mas suas características como pouca massa, grande quantidade de energia e a sua utilização junto a célula a combustível permitem uma maior vantagem sobre as fontes de combustíveis atuais. O hidrogênio é um composto com grande capacidade de armazenar energia, e por este motivo seu uso como fonte renovável de energia elétrica e combustível vem sendo amplamente pesquisado. Um exemplo do potencial energético do Hidrogênio está na fonte de energia do Sol compõe 30% da massa solar. solar. É com a energia do hidrogênio que o Sol aquece a Terra, Terra, favorecendo a vida em nosso planeta. Atualmente, as linhas de pesquisas do hidrogênio para aplicações em células a combustível estão focadas na produção de hidrogênio por eletrólise, na reforma do etanol e do gás natural e no armazenamento armazenamento de hidrogênio em metais, denominado de hidretos. -- A produção de hidrogênio : O hidr hidrog ogên ênio io li liga gado do em comp compos osto toss orgânicos e na água constitui 70% da superfície terrestre. A quebra destas ligações na água permite produzir hidrogênio e então utilizá-lo como combustível. Existem muitos pro proce cess ssos os que que pode podem m ser ser util utiliz izad ados os para para quebra quebrarr estas estas li ligaç gaçõe õess para para a produç produção ão de hidrogênio e que estão atualmente em uso ou sob pesquisa e desenvolvimento. A maior parte do hidrogênio produzido no mundo em escala industrial é pelo processo de reforma de vapor, ou como um subproduto 44 Figura 2.10.1. 2.10.1. Ciclo do do Hidrogênio Hidrogênio
do refino de petróleo e produção de compostos químicos. A reforma de vapor utiliza energia térmica par paraa sepa separa rarr o hidr hidrog ogên ênio io do carb carbon onoo no meta metano no ou meta metano nol, l, e envo envolv lvee a reaç reação ão dest destes es combustíveis com vapor em superfícies catalíticas. O primeiro passo da reação decompõe o combustível em água e monóxido de carbono (CO). Então, uma reação posterior transforma o monóxido de carbono e a água em dióxido de carbono (CO 2) e hidrogênio (H 2). Estas reações ocorrem sob temperaturas de 200ºC ou maiores. Outr Outroo mo modo do de prod produz uzir ir hidr hidrog ogên ênio io é por por elet eletró róli lise se,, onde onde os elem elemen ento toss da água água,, o hidrogênio e o oxigênio, são separados pela passagem de uma corrente elétrica. A adição de um eletrólito como um sal aumenta a condutividade da água e melhora a eficiência do processo. A carga elétrica quebra a ligação química entre os átomos de hidrogênio e o de oxigênio e separa os componentes atômicos, criando partículas carregadas (íons). Os íons se formam em dois pólos: o anodo, polarizado positivamente, e o catodo, polarizado negativamente. O hidrogênio se concentra no cátodo e o anodo atrai o oxigênio. Uma voltagem de 1,24V é necessária para separar os átomos de oxigênio e de hidrogênio em água pura a uma temperatura de 25ºC e uma pressão de 1,03kg/cm 2. Esta tensão varia conforme a pressão ou a temperatura são alteradas. A produção de um metro cúbico de hidrogênio requer 0,14 kWh de energia elétrica. A eletrólise de vapor é uma variação do processo convencional de eletrólise. Uma parte da energia necessária para decompor a água é adicionada na forma de calor ao invés de eletricidade, tornando o processo mais eficiente que a eletrólise convencional. A 2500ºC a água se decompõe em hidrogênio e oxigênio. Este calor pode ser fornecido por um dispositivo de concentração de energia solar. O problema neste processo é impedir a recombinação do hidrogênio e do oxigênio sob as altas temperaturas utilizadas no processo. Processos fotoeletroquímicos utilizam dois tipos de sistemas eletroquímicos para produzir hidrogênio. Um utiliza complexos metálicos hidrossolúveis como catalisadores, enquanto que o outro utiliza superfícies semicondutoras. Este processo imita a fotossíntese. Processos biológicos e fotobiológicos utilizam algas e bactérias para produzir hidrogênio. Sob condições específicas, os pigmentos em certos tipos de algas absorvem energia solar. Algumas Algumas bactérias também são capazes de produzir hidrogênio, mas diferentemente das algas necessitam de substratos para seu crescimento. Os organismos não apenas produzem hidrogênio, mas também podem limpar poluição ambiental. O processo pode ser repetido várias vezes. A produção de hidrogênio por algas pode eventualmente promover um meio prático e de baixo custo para a conversão de luz solar em hidrogênio. -- Usos potenciais do hidrogênio e conversão de energia: 45
Os setore setoress de transp transport orte, e, ind indust ustria riall e reside residenci ncial al nos Estado Estadoss Unidos Unidos têm util utiliza izado do hidrogênio há muitos anos. No início do século XIX muitas pessoas utilizaram um combustível denominado "gás da cidade", que era uma mistura de hidrogênio e monóxido de carbono. Muitos países, incluindo o Brasil e a Alemanha, continuam distribuindo este combustível. Aeronaves (dirigíveis e balões) usam hidrogênio para transporte. Atualmente, algumas indústrias utilizam hidrogênio para refinar petróleo, e para produzir amônia e metanol. As naves espaciais utilizam hidrogêni hidrogênioo como combustí combustível vel para seus seus foguetes foguetes.. Com pesquisa pesquisass futuras, futuras, o hidrogên hidrogênio io pode fornecer eletricidade e combustível para os setores residencial, residencial, comercial, industrial e de transporte, criando uma nova economia energética. Quando armazenado adequadamente, o hidrogênio combustível pode ser queimado tanto no estado gasoso quanto no líquido. Os motores de veículos e os fornos industriais podem facilmente ser convertidos para utilizar hidrogênio como combustível. A queima de hidrogênio é 50% mais eficiente que a da gasolina e gera menos poluição ambiental. O hidrogênio apresenta uma maior velocidade de combustão, limites mais altos de inflamabilidade, temperaturas de detonação mais altas, queima mais quente e necessita de menor energia de ignição que a gasolina. Isto quer dizer que o hidrogênio queima mais rapidamente, mas traz consigo os perigos de pré-ignição e flashback. Apesar de o hidrogênio apresentar suas vantagens como combustível para veículos, ainda tem um longo caminho de desenvolvimento a percorrer antes de poder ser utilizado como um substituto para a gasolina. As células de energia utilizam um tipo de tecnologia que usam o hidrogênio para produzir energia útil. Nestas células, o processo de eletrólise é revertido para combinar o hidrogênio e o oxigênio através de um processo eletroquímico, que produz eletricidade, calor e água. O Programa Espacial dos Estados Unidos tem utilizado as células de energia para fornecer eletricidade às cápsulas espaciais há décadas. Células de energia capazes de fornecer eletricidade para mover os motores de automóveis e ônibus têm sido desenvolvidas. Muitas companhias estão desenvolvendo células de energia para usinas estacionárias. Uma célula de energia funciona como uma bateria que nunca pára de funcionar e não precisa de recarga. Ela irá produzir eletricidade e calor sempre que um combustível (no caso, o hidrogênio) for fornecido. Uma célula de energia consiste de dois eletrodos - um negativo (ânodo) e um positivo (cátodo) - imersos em um eletrólito. O hidrogênio é inserido na célula pelo anodo, e o oxigênio pelo catodo. Ativados por um catalisador, os átomos de hidrogênio separam-se em prótons e elétrons, que tomam caminhos caminhos diferentes diferentes no cátodo. cátodo. Os elétrons elétrons saem por um circuito circuito externo, externo, gerando eletricidade. Os prótons migram através do eletrólito ao cátodo, onde reúnem-se com o oxigênio e 46
os elétrons para gerar água e calor. As células de energia podem ser utilizadas para mover os motores de veículos ou para fornecer eletricidade e calor às edificações. O hidrogênio pode ser considerado como uma forma de armazenar energia produzida de fontes renováveis como a solar, eólica, hídrica, geotérmica o biológica. Por exemplo, quando o sol estiver se pondo, sistemas fotovoltaicos podem fornecer a eletricidade necessária para produzir o hidrogênio por eletrólise. O hidrogênio pode então ser estocado e queimado como um combustível, combustível, ou para operar uma célula de energia para gerar eletricidade à noite ou sob tempo nebuloso. Para utilização do hidrogênio como fonte de energia é necessário o seu uso junto a uma célula de combustível. O hidrogênio é fornecido à célula e então é dividido numa carga positiva e outra negativa. A carga carga negativa atravessa um circuito “gerando energia” e quando chega ao fim do percurso encontra novamente a carga positiva, combinando-se ao fim com o oxigênio, formando água. Os tipos mais importantes de células a combustível são: PEMFC – Membrana de Troca de Prótons, “Proton Exchange Membrane Fuel Cell”- Essa tecnologia tem se mostrado muito interessante para o uso em automóveis, aparelhos portáteis e residências. Seu funcionamento se encontra na faixa 60 ºC a 140 ºC de temperatura sendo assim considerada como de funcionamento em baixa temperatura. Isto permite que a célula ligue mais rápido que as outras concorrentes. A eficiência em gerar eletricidade através desta tecnologia varia entre
35%
a
55%.
DMFC DMFC – Célula Célula a Combu Combustí stível vel de Metano Metanoll Direto Direto,, “Dire “Direct ct Methan Methanol ol Fuel Fuel Cell” Cell” - Esta tecnologia é bastante similar a PEMFC tendo como principal diferença o uso direto de metanol (álcool extraído a partir da madeira ou do milho). O metanol é diluído em água e armazenado em cartuchos.
A
eficiência
em
gerar
energia
elétrica
fica
entre
40%
e
50%.
PAFC – Célula Célula a Combu Combustí stível vel e Ácido Ácido Fosfór Fosfórico ico,, “Phos “Phospho phoric ric Acid Fuel Fuel Cell"Cell"- Esta é a tecnologia mais avançada comercialmente. comercialmente. Está presente no Brasil, nas cidades de Curitiba e Rio de Janeiro. Esta tecnologia funciona a baixa temperatura, por isso pode tolerar combustíveis com impurezas como metanol e biogás. Entretanto para isso ela precisa de um filtro para limpar o combustível combustível e um aparelho interno para extrair o hidrogênio desses combustíveis. A eficiência eficiência desta tecnologia,
esta
entre
35%
e
47%.
SOFC SOFC – Célula Célula a Combu Combustí stível vel de Óxido Óxido Sól Sólido ido,, “Solid “Solid Oxide Fuel Cell” - Essa tecnologia permite a geração de grande quantidade de energia. Por isso tem se mostrado atraente para o uso em 47
residências, indústrias e outros locais com grande necessidade de energia. A tecnologia SOFC é uma tecnologia de alta temperatura, pois opera entre 600°C e 1000°C. Isso traz como vantagem o uso peças mais baratas no interior da célula permite o uso de outros combustíveis combustíveis diretamente na célula. A eficiência para produção de energia elétrica varia entre 50% e 60%. Se o calor for aproveitado, a eficiência total de energia (energia elétrica mais energia térmica) pode ser de até 75% a 85%. MCFC – Células a Combustível de Carbonato Fundido, “Molten Carbonate Fuel Cell” - Essa tecnologia é promissora no que diz respeito a geração de energia em grandes quantidades. Funciona em altas altas tempe temperat ratura urass permi permiti tindo ndo assim assim o uso de compon component entes es mais mais barat baratos, os, aceit aceitaa out outros ros combustíveis diretamente na célula como biogás e etanol. A eficiência desta tecnologia para produzir energia elétrica fica entre 50 e 60%. Quando o calor é aproveitado, seja para aquecimento ou para a produção de mais energia elétrica através de uma turbina a vapor, pode-se aumentar a eficiência
total
para
85%.
AFC – Célula a Combustível Alcalina, Alcalina, “Alkaline Fuel Cell” - Esta é a tecnologia que vem sendo utilizada por muitos anos para aplicações espaciais da NASA. Ela foi desenvolvida pelo britânico Francis Bacon em 1930 (experiência de William Grove, precursor das células a combustível). Esta célula trabalha em alta temperatura de operação que fica entre 50°C e 250°C o que traz como vantagem o uso de componentes mais baratos. Elas apresentam uma excelente eficiência elétrica, entre
45%
e
60%.
DEFC – Célula a Combustível de Etanol Direto, “Direct Ethanol Fuel Cell” - Esse tipo de célula funciona a base de etanol (álcool da cana de açucar). Esta ainda em fase de desenvolvimento, não sendo até agora viável. Entretanto, o Brasil apresenta um grande potencial para manter essa tecnologia já que por aqui a grande maioria dos postos de combustível vendem etanol -- O futuro do hidrogênio: O H2 é promissor, mas não resolve o problema de uma fonte "real" de energia. E essa é só metade da história, porque ainda há a questão de como armazenar e transportar essa substância de forma segura. O H 2 é um gás que só pode ser liquefeito a temperaturas baixas e pressões relativamente altas, além de ser facilmente inflamável. ASPECTOS POSITIVOS
ASPECTOS NEGATIVOS
É o elemento elemento mais abundant abundantee do universo. universo. Tecnologi ecnologiaa mais cara. cara. 48
Em um modelo de extração de hidrogênio há O Hidrogênio não é tóxico.
dependên dependência cia de hidrocarb hidrocarbonet onetos, os, petróleo petróleo e seus derivados, produtos tóxicos.
Redução da emissão de gases causadores Ainda não uma célula a hidrogênio que alie do efeito estufa, como o CO 2 e o CH4.
preço e eficiência.
Redu Reduçã çãoo da polu poluiç ição ão sono sonora ra,, pois pois as A necessidade da utilização de metais nobres células
a
hidrogênio
operam como, por exemplo, a platina que é um metal
silenciosamente.
caro e raro.
Redu Reduçã çãoo da emis emissã sãoo de part partíc ícul ulas as na Os prob proble lema mass e os cust custos os asso associ ciad ados os ao atmosfera, como fumaça e fuligem.
transporte e distribuição.
Crescimento econômico, desenvolvimento e criação de empregos em diversas áreas.
1.4. 1.4.
A estoc estocage agem m de hidr hidrogê ogênio nio:: um pro proble blema ma ainda ainda não resol resolvid vidoo
Para se utilizar o hidrogênio em larga escala de maneira segura, sistemas práticos de estocagem devem ser desenvolvidos, especialmente para os automóveis. Apesar de o hidrogênio poder ser estocado no estado líquido, este é um processo difícil porque deve ser resfriado a -253ºC. A refrigeração do hidrogênio a esta temperatura utiliza o equivalente a 25 ou 30% de sua energia total tot al,, e requer requer materi materiais ais e manipu manipula lação ção especi especiai ais. s. Para Para resfri resfriar ar aproxi aproximad madame amente nte 0,5kg 0,5kg de hidrogênio são necessários 5kWh de energia elétrica. O hidrogênio também pode ser armazenado como gás, que utiliza muito menos energia que aquela necessária para fazer hidrogênio líquido. Sendo estocado no estado gasoso, deve ser pressurizado para se estocar uma quantidade razoável. Para utilização em larga escala, o gás pressurizado pode ser estocado em cavernas ou minas. O gás hidrogênio pode então ser encanado e levado às residências da mesma maneira que o gás natural. Apesar desta técnica de estocagem ser útil para a utilização do hidrogênio como combustível de aquecimento, não o é para utilização em veículos porque os tanques de metal pressurizados necessários para estocar o hidrogênio são muito caros. Um método de estocagem de hidrogênio potencialmente mais eficiente é na forma de hidretos. Os hidretos são compostos químicos formados por hidrogênio e um metal. As pesquisas atuais estão focando o hidreto de magnésio. Certas ligas metálicas como as de magnésio-níquel, magnésio-cobre e ferro-titânio, absorvem hidrogênio e o liberam quando aquecidos. Os hidretos, 49
entretanto, estocam pouca energia por unidade de massa. As pesquisas atualmente procuram um composto que seja capaz de armazenar uma grande quantidade de hidrogênio com uma elevada densidade energética, energética, liberar o hidrogênio como combustível, combustível, reagir rapidament r apidamentee e possuir um custo acessível. 1.7. O custo do hidrogênio Atualmente, a maneira economicamente mais viável para se produzir hidrogênio é pela reforma de vapor. De acordo com o Departamento Departamento de Energia dos Estados Unidos, em 1995 o custo estava em US$7,39 por milhão de BTU (US$7,00 por gigajoule) em plantas de grande escala. Este cálculo assume o custo do gás natural de US$2,43 por milhão de BTU (US$2,30 por gigajoule). Isto equivalente a US$0,93 por galão ($0,24 por litro) de gasolina. A produção de hidrogênio por eletrólise utilizando hidroeletricidade, considerando taxas de horários de baixo consumo, custa entre US$10,55 e US$21,10 por milhão de BTU (US$10,00 ( US$10,00 a US$20,00 por gigajoule). -- Situação nacional: brasil e energia do hidrogênio O Brasil, apesar de estar começando a desenvolver a tecnologia de célula a combustível num número maior de atividades atividades públicas e privadas, já tem uma experiência considerável na tecnologia tecnologia do hidrogênio; embora ainda seja insignificante insignificante em termos quantitativos. A maior parte dos estudos direcionados para o setor petrolífero e atividades de indústrias químicas envolvem a produção de peróxido de hidrogênio, por exemplo. A partir de 1999, o Ministério da Ciência e Tec Tecnologia nologia (MCT) passou a avaliar a reforma de etanol para produção de hidrogênio e atender a um mercado potencial no Brasil e América Latina. Este interesse estratégico do MCT estimulou programas de pesquisa conjunta e de cooperação internacional como a estabelecida entre o Centro Brasileiro de Referência em BioCombustíveis (CERBIO) e a DDB Fuel Cell Engines GmbH. Entre alguns dos objetivos do programa brasileiro de CaC está a ampliação da produção e uso de hidrogênio como vetor energético. O programa contempla a implementação de redes de pesquisa e desenvolvimento como a Rede de Células a Combustível e Eletroquímica onde são previstos investimentos investimentos em sistemas de célula a combustível combustível de Óxido Sólido (SOFC) e Eletrólito Polimérico (PEMFC) com uso de hidrogênio ou etanol direto. Em 2002, foi criado no país o ProCac (Programa Células a Combustível), vinculado ao Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT), com recursos de fundos setoriais. Após reformulações, 50
em 2005, a rede mudou para Programa de Ciência, Tecnologia e Inovação para a Economia do Hidrogênio. Uma equipe de pesquisadores coordenado pelo Dr. Anthanasios Konstandopoulos desenvolveu um reator capaz de produzir hidrogênio a partir da água utilizando apenas a energia solar. Esse reator possui 70% de eficiência. O Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN), da USP, atua na área desde 2000. Em 2007, o instituto inaugurou o Programa de Células a Combustível e Hidrogênio (Procel), com o objetivo de gerar conhecimento e tecnologia na área. O programa prevê que ele venha de fontes renováveis, garantindo sustentabilidade. Segundo dados do “Roteiro para a estruturação da economia do hidrogênio no Brasil”, coordenado pelo Ministério de Minas e Energia (MME), com integração técnica do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT), em 2010 o Brasil deve iniciar a geração comercial de hidrogênio a partir da reforma de gás natural e em 2020, do etanol. É provável que em 2030 o hidrogênio tenha boa participação na matriz energética do país. A intenção agora é gerar fontes de conhecimento, fazer patentes e não apenas importar modelos prontos. 1.8. A pesquisa em hidrogênio Reconhecendo o potencial do hidrogênio combustível, o Departamento de Energia dos Estados Unidos e organizações privadas fundaram programas de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) por muitos anos. O Governo Federal americano aloca em média 18 milhões de dólares por ano na pesquisa de hidrogênio combustível. Os trabalhos atuais nos Estados Unidos incluem pesquisas no Laboratório Nacional de Energia Renovável, na Universidade A & M, Texas , no Laboratório Nacional de Brookhaven, e no Instituto de Energia Neutra Hawaii. O Centro de Energia Solar na Flórida conduz pesquisas em hidrogênio pelo Programa de Energia Renovável, Renovável, com objetivos de longo prazo sob a orientação do Departamento de Energia dos Estados Unidos para o desenvolvimento de um reator para fotoeletricamente decompor a água em hidrogênio e oxigênio e para sintetizar sintetizar quimicamente uma membrana eletrolítica para eletrólise sob altas temperaturas. Outra pesquisa do Departamento de Energia é o desenvolvimento de um processo para reformar o gás natural ao hidrogênio para produção on-site de blendas de hidrogêniometano que sejam aplicáveis a automóveis. Para que se possa utilizar hidrogênio em larga larga escala, os pesquisadores devem desenvolver desenvolver meios mais mais prát prátic icos os e econ econôm ômic icos os para para estoc stocar ar e prod produz uzir ir o hidr hidrog ogên ênio io.R .Rum umoo à econ econom omia ia e sustentabilidade do hidrogênio 51
-- Evolução histórica dos veículos com célula a combustível Um dos primeiros veículos a célula a combustível apareceu em 1967, quando a GM modificou uma van Corvair 1966 para o uso destas células. Desde então, essa tecnologia tecnologia vem sendo aprimo aprimorad radaa de forma forma a obt obter er melhor melhores es desem desempen penhos hos dos veícul veículos os e também também uma reduçã reduçãoo significativa dos seus custos, que nos dias atuais ainda não são competitivos quando comparados aos custos dos veículos tradicionais. O gráf gráfic icoo abai abaixo xo mo most stra ra o cres cresci cime ment ntoo anua anuall do núme número ro de veíc veícul ulos os com com célu célula la a combustível durante o período de 1967 a 2001. Através deste gráfico é fácil notar que a partir de 1996, 4 anos após a Conferência Rio 92, o interesse por esta tecnologia, considerada limpa, aumenta significativamente. Se as questões ambientais relacionadas às emissões veiculares nos grandes centros urbanos podem ser apontadas como as principais motivações para o surgimento destes veículos, recentes
avanço avançoss tecnol tecnológi ógicos cos nas áreas áreas de célula célulass a combus combustí tível vel,, armaz armazena enamen mento to de hidro hidrogên gênio io em cilindros ultrapressurizados e reformadores “on board” também contribuíram sobre maneira para o interesse nesta tecnologia. Honda é a primeira fabricante de automóveis a ter um veículo com célula a combustível certifica certificado do pelo governo dos Estados Estados Unidos. O modelo modelo Honda FCX recebeu recebeu da Environme Environment nt Protection Agecy (EPA) e da California Air Resources Board (CARB) a classificação de Veículo de Emissão Zero (ZEV) e de Veículo Nacional de Baixa Emissão (NLEV) respectivamente. O veículo também atende a todos os padrões e normas de segurança e proteção em vigor nos Estado Estadoss Unidos Unidos,, e por isso isso é consi consider derado ado um marco marco para para a ind indúst ústria ria automo automobil bilíst ístic icaa e para para o desenvolvimento da tecnologia de células a combustível. O Honda FCX possui uma célula de eletrólito polimérico com potência de 78kW e é alimentada pelo hidrogênio armazenado em um tanque com capacidade para 156,6 52 Figura 2.10.2 Carro movido a Hidrogênio
litros a uma pressão de 5.000 PSI. Segundo a Honda a autonomia do veículo chega a 355 km e sua velocidade velocidade máxima pode atingir 150 km/h. -- Perspectivas futuras Em uma década, em vez de uma bateria de níquel-cádmio, celulares e laptops usarão hidrogênio (H2) como fonte de energia. A abundância do elemento na Terra e a água como produto da reação química em células de combustível o colocam como a melhor opção para o futuro. A contaminação do solo e da água por metais pesados é o grande problema com as baterias atuais. Marco Fraga, chefe do Laboratório de Catálise do Instituto Nacional de Tecnologia (INT), explica que sua substituição em aparelhos portáteis reduz os riscos ambientais. - O grande motivador do uso de H2 é a preocupação com o meio ambiente - aponta Fraga. Em esforço integrado, o INT, o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) e o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel) estudam formas de produzir H2. Em 2008, as instituições concluirão a construção de um protótipo capaz de fazê-lo a partir de etanol. O H2 purificado no sistema alimentará uma célula a combustível capaz de gerar 5 kilowatts (kW) de energia, suficiente para abastecer uma casa de classe média. - A tecn tecnol olog ogia ia será será útil útil onde onde a rede rede elét elétri rica ca não não cheg chegaa - obse observ rvaa Marc Marcel eloo Lina Linard rdi, i, coorde coordenad nador or do Progra Programa ma de Célula Célula a Combu Combustí stível vel e Hidrog Hidrogên ênio io do Ipen. Ipen. - Compra Comprarem remos os combustível em vez de eletricidade para produzir energia no local. Uma célula a combustível funciona similar à pilha, mas não polui. Um dos cinco tipos existentes é aconselhado aconselhado para gerar energia em residências. residências. - As vantagens são o baixo custo e a durabilidade - diz Gerhard Ett, diretor da Electrocell. Linardi justifica a opção pela criação de um sistema para casas e não para automóveis. Para o pesquisador, os recursos do governo têm de ser usados com responsabilidade em áreas ainda pouco exploradas para o uso de energia de hidrogênio. hidrogênio. - A indústria automobilística já investe pesado em pesquisas de hidrogênio em veículos. O estudo gerou 10 patentes entre processos e materiais
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3. Conclusões Com a flutuação dos preços internacionais do petróleo devido ao lobby promovido pelas grandes nações produtoras e, não menos importante, pela consciência de que os combustíveis fóssei fósseiss são são lim limita itados dos e não-re não-renov nováv ávei eis, s, as pesqu pesquisa isass em combus combustí tívei veiss e fonte fontess de energi energiaa alternativos vêm crescendo em ritmo acelerado mundo afora. A dependência dos combustíveis fósseis para geração de energia conduziu o mundo a uma encruzilhada de poluição e conflito. A adoção de novas fontes de energia é uma alternativa para solucionar os problemas sócio-ambientais sócio-ambientais causados pelo petróleo. Em 2009, 2009, o tot total al de energi energiaa consum consumida ida no Brasil Brasil ating atingiu iu 243,9 243,9 mi milhõ lhões es de tonel tonelada adass equivalentes de petróleo, significando uma redução de 3,4% em relação a 2008. Nisso, houve um aumento na proporção de energia renovável utilizada atingindo 47,3%. Por enquanto, qualquer processo de conversão de energia, hoje utilizado, possui perdas e, assim, produz algum impacto no meio ambiente. As energias renováveis são provenientes de ciclos naturais de conversão da radiação solar, que é a fonte primária de quase toda energia disponível disponível na terra. Por isso, são praticamente inesgotáveis inesgotáveis e não alteram o balanço térmico do planeta. As formas ou manifestações mais conhecidas são: a energia solar, a energia eólica, a biomassa e a hidroenergia, dentre outras. Nos últimos anos, o grande crescimento na capacidade instalada e, conseqüentemente, na produ produção ção de ener energia gia hid hidrel relét étric rica, a, resul resultou tou da tradiç tradição ão brasil brasileir eiraa de inves investi tirr nesse nesse tip tipoo de empreendimento, que por sua vez é fruto da opção que o país fez, no início do século XX, de usar essa fonte primária para gerar eletricidade, devido à escassez de reservas carboníferas de boa qualidade. Essa opção foi reforçada nos governos de Getúlio Vargas, pela política expansionista para o setor elétrico, tendo continuidade com Juscelino Kubitschek e forte impulso durante o regime militar, com a construção de grandes usinas hidrelétricas, como Itaipu e Tucuruí. A respeito da idéia de que a hidroeletricidade continuará a ser importante na expansão do setor 54
elétrico brasileiro, a adição de grandes centrais geradoras, tal como nas últimas três décadas, pode ter chegado ao seu limite, uma vez que os maiores aproveitamentos já teriam sido realizados. Ademais, os maiores potenciais remanescentes estão em regiões com fortes restrições ambientais e distantes dos grandes centros consumidores e, assim, apresentam altos custos de implantação e de ações mitigatórias dos impactos ambientais negativos. Além disso, enfrentam forte resistência por parte de atores do meio ambiente, o que tem reduzido não só o ritmo de adição, mas também a participação dessa fonte na matriz elétrica nacional. Muitos ainda não despertaram para a mudança em curso no setor elétrico brasileiro, e que deve ser questionada se é compatível com o modelo de desenvolvimento sustentável. A produção de energia elétrica, especificamente, em 2005 situou-se ao redor de 90% de origem hidráulica, porém não se pode precisar até quando essa participação se manterá. A marcante presença das fontes renováveis na matriz brasileira deve-se aos produtos da canade-açúcar – usados pelas indústrias de alimentos e bebidas e de papel e celulose para obter energia –, à lenha – ainda usada no consumo residencial, nas indústrias de alimentos e bebidas, de cerâmica e de papel e celulose e no setor agropecuário –, e à energia hidráulica na geração de eletricidade. Apesar de os derivados de petróleo, no Brasil, terem uma participação tão grande quanto na esfera mundial, eles vêm perdendo espaço, principalmente, para o gás natural e os combustíveis renováveis e resíduos. É na produção de eletricidade que o Brasil mais se destaca ante o quadro mundial. Enquanto o mundo gerou, em 2004, dois terços da eletricidade com combustíveis fósseis, o Brasil, no mesmo ano, gerou 87,2% de sua energia elétrica com hidrelétricas. Diferentemente do contexto mundial, em que a participação da energia termonuclear na produção de eletricidade cresceu de 3,3%, em 1973, para 15,7%, em 2004; no Brasil, esse tipo de fonte manteve sua participação na média de 3,3% de 2000 a 2004. Contrariando a vocação do país para a energia elétrica renovável, o crescimento da termeletricidade acentuou-se com a edição do PPT, em 2000, em especial a gás natural. Assim, observa-se que o Brasil tem um grande potencial para desenvolver e explorar novas fontes alternativas de energia; porém o país não usa de toda essa sua variedade de forma eficaz. O aumento da participação de combustíveis fósseis é ainda maior quando se leva em conta que nos sistemas elétricos isolados, em 2004 e 2005, mais de 70% da eletricidade foi gerada por termelétricas a derivados de petróleo, que vêm sendo instaladas a uma razão maior do que são substituída por fontes renováveis. O quadro energético se mantêm desta maneira principalmente por fatores contrários aos aproveitamentos das energias renováveis, como: 55
- esgotamento dos grandes aproveitamentos hidráulicos, econômica e ambientalmente viáveis; - aumento da resistência à implantação de usinas hidrelétricas, por parte de grupos da sociedade, que tem resultado na suspensão de projetos e embargo de obras; e aumento do nível de detalhamento detalhamento e do número de revisões exigidos exigidos para os Estudos de Impacto Ambiental (EIA), bem como medidas adicionais de mitigação ou compensação de impactos ambientais, que levam ao alongamento dos cronogramas cronogramas de obra e ao aumento de custos. - o lobby dos investidores dessas fontes renováveis alternativas não é forte como aquele das fontes tradicionais e, menos ainda, o da indústria do petróleo, que por vezes age, de forma indireta, em prejuízo da sua introdução. De qualquer modo, é esperado que a matriz energética brasileira continue a se diversificar, utilizando combustíveis “tradicionais” – como o gás natural, o carvão e a energia nuclear – e, ao mesmo tempo, incorpore outras fontes como a solar, a eólica,a das marés e ondas, investindo também na obtenção de energia da biomassa, em especial o etanol e biodiesel Ao contrário dos combustíveis não-renováveis (como os de origem fóssil, por exemplo), as fontes de energias renováveis, no geral, causam um pequeno impacto (poluição, desmatamento) ao meio meio ambi ambien ente te.. Po Port rtan anto to,, são são exce excele lent ntes es alte altern rnat ativ ivas as ao sist sistem emaa ener energé géti tico co trad tradic icio iona nal, l, principalmente numa situação de luta contra a poluição atmosférica e o aquecimento global. A utilização das energias renováveis em substituição aos combustíveis fósseis é uma direção viável e vantajosa. Pois, além de serem praticamente inesgotáveis, as energias renováveis podem aprese apresenta ntarr imp impac acto to ambie ambienta ntall mui muito to baixo baixo ou quase quase nul nulo, o, sem afeta afetarr o balan balanço ço térmi térmico co ou composição
atmosférica
do
planeta.
Muitos ainda vêem a geração de energia por fontes renováveis como uma iniciativa isolada, incapaz de atender à grande demanda de um país continental. A utilização de energias alternativas não pressupõe o abandono imediato dos recursos tradicionais, mas sua capacidade não deve ser subestimada. A diver diversid sidade ade geogr geográfi áfica ca dos dos recurs recursos os é também também signif significa icati tiva. va. Alguns Alguns paíse paísess e regiõe regiõess são signif significa icativ tivame amente nte melhor melhores es do que out outros ros recurs recursos, os, nomead nomeadame ament ntee no setor setor das energ energia iass renováveis. Alguns países têm recursos significativos perto dos principais centros de habitação em que a procura de eletricidade é importante. A utilização utilização desses recursos em grande escala requer, no entanto, investimentos consideráveis no tratamento e redes de distribuição, bem como na casa de produção. Além disso, diferentes países têm diferentes potencialidades energéticas, este fator deve ser tido em conta no desenvolvimento das tecnologias a por em prática.
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