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Planejamento Energético Fontes não-renováveis de Energia Material Teórico Responsável pelo Conteúdo: Prof. Me. Pedro Henrique Cacique Braga Revisão Técnica: Prof.ª Dr.ª Vivian Fiori Revisão Textual: Prof.ª Me. Selma Aparecida Cesarin 5 Esta Unidade foi desenvolvida com o intuito de conhecermos as fontes não renováveis de energia elétrica. Vamos estudar os diferentes tipos de geração que faz uso dos recursos passíveis de esgotamento. Estudaremos as formas de geração de energia e sua distribuição pelo nosso Planeta. Ao mesmo tempo, realizaremos um estudo sobre sua utilização, determinando o perfil do consumidor para estas fontes e tentaremos, ainda, estabelecer comparações entre estes métodos, levantando questões sobre seu custo de implantação e benefícios/prejuízos para a sociedade e para o Planeta. Fique atento ao ambiente virtual para possíveis fóruns de discussão e para a realização de suas tarefas nas datas estipuladas. Contate o seu tutor sempre que houver alguma dúvida. • Nesta Unidade, começaremos a estudar os recursos existentes no Planeta Terra para geração de Energia Elétrica – ou transformação por meio de outras formas de energia. • Abordaremos os principais recursos não renováveis, fazendo uma análise sobre os aspectos econômicos, sociais e ambientais que envolvem a utilização deles. • Serão analisados, ainda, os perfis dos consumidores específicos de tais recursos e faremos uma abordagem dos custos para a implantação de centros de geração, bem como para a manutenção de tais centros. Fontes não-renováveis de Energia • Introdução • Recursos Naturais • Processos de Produção • Petróleo • Gás Natural • Energia Nuclear • Carvão • Xisto • Conclusões 6 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia Contextualização No mundo em que vivemos, a utilização de eletrodomésticos, computadores, smartphones e outros dispositivos eletrônicos tornou-se essencial para a maior parte da população. Muitos consideram impossível viver sem estas comodidades. A utilização destes bens só é possível graças à energia elétrica que nos é fornecida. O mundo atual sem energia elétrica precisaria ser completamente reformulado. Imagine escolas, hospitais ou até mesmo a sua casa sem energia. Quando experimentamos uma interrupção do serviço, imediatamente nos vemos sem o que fazer, não é mesmo? Quando pensamos na energia elétrica, devemos saber que ela é obtida pela transformação de outras formas de energia, como a energia mecânica, por exemplo, gerada pela movimentação de turbinas por meio da combustão de minerais. Mas e o que aconteceria se um dia os recursos para conversão de energia se acabassem? Como geraríamos energia elétrica se todo o carvão mineral, o xisto, urânio, petróleo e todos as outras fontes se esgotarem? Esta Unidade aborda as formas de geração de energia elétrica por meio de fontes não- renováveis, ou seja, aquelas que podem se esgotar em algum momento. 7 Introdução O que você faria se toda a energia elétrica do mundo acabasse e não houvesse mais maneiras de gerar energia? Provavelmente entraria em pânico no começo, não é mesmo? Esse cenário apocalíptico bem explorado em filmes e séries televisivas não é uma simples ficção, sem uma boa base teórica. O mundo vive atualmente uma fase de completa dependência da energia elétrica. Claro que existem vilas e comunidades que optam por não utilizar esta “facilidade” do mundo moderno, mas a grande maioria da população depende deste serviço para realizar suas tarefas diárias. Desde um banho com água quente, luz nos períodos noturnos, uso de bens de entretenimento, como a televisão, ou rádio, até mesmo o acesso à educação a distância, os afazeres cotidianos só podem ser executados por meio da energia elétrica. Imagine como seriam as práticas hospitalares sem os equipamentos eletrônicos de hoje. Sem uma máquina de tomografia computadorizada, muitas pessoas não sobreviveriam a enfermidades que sequer seriam diagnosticadas. Ou ainda um respirador eletrônico não poderia manter vivos pacientes terminais. Como seriam as negociações financeiras entre países sem o uso de telefones, ou da rede mundial de computadores? O transporte entre regiões distantes ainda seria feito por meio de navios ou trens vapor. Sem dúvidas, o avanço tecnológico só é possível hoje graças a esta forma de energia. Sem ela, provavelmente, estaríamos estagnados no tempo, vivendo as mesmas práticas antigas e nem sempre eficazes. “Sabemos que as principais fontes de energia em uso atualmente: movimento das águas e do ar, o calor produzido por reações químicas ou nucleares e a luz solar são toda conversíveis por meio de dispositivos adequados em energia elétrica. Esta por sua vez, depois de servir como ‘intermediária’ até os locais de consumo, é convertida em outras ‘formas’ desejadas.” (BUCUSSI, 2007) Os processos de geração, assim, são baseados na conversão de energia mecânica em elétrica. Para produção da primeira etapa, geralmente é usada a combustão de minerais energéticos, fissão nuclear e queima de outros insumos. Observe que, para todos os meios, é necessário o consumo de uma substância única, conhecida como insumo primário. Tal substância pode ser algo renovável ou não, isto é, pode ser reposta naturalmente pelo Planeta após o seu uso ou não. Esta unidade abordará os meios de geração de energia através dos recursos não-renováveis. 8 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia Recursos Naturais Com o avanço tecnológico o homem tornou-se capaz de gerar energia elétrica por meio de diferentes métodos. Independente de como o processo é realizado, ele começa por meio da transformação de um recurso natural. Pode-se classificar os recursos naturais em duas grandes categorias: Renováveis, que estão constantemente sendo repostos pelo planeta; e Não-renováveis, que aos poucos vão se esgotando. Dentre os recursos não renováveis a Figura 1 destaca alguns que caracterizam as principais fontes geradoras mundiais, como petróleo, gás natural, carvão, xisto e urânio. Figura 1 - Principais fontes não-renováveis Renováveis Petróleo Gás Natural Carvão Xisto Urânio Não-Renováveis Recursos Pensando pelo lado ambiental, seria sempre mais adequado utilizar recursos naturais renováveis, como água e vento, por exemplo, de modo que toda a geração seria um pouco mais sustentável e não acabaríamos com nenhum recurso do Planeta. Ainda assim, mesmo os recursos considerados renováveis não devem ser usados de maneira desmedida, pois mesmo a água, por exemplo, considerada um recurso renovável pode diminuir em certos momentos ou lugares a ponto de não se poder produzir energia hidráulica. Na prática, veremos que essa prática nem sempre é possível. Seja por motivos econômicos, ou por baixo potencial renovável de uma nação ou outra, ou ainda pela eficiência de determinado método, as fontes não renováveis ainda assumem um grande papel na geração mundial. Estudaremos os principais métodos e criaremos alguns comparativos sobre eles para caracterizarmos os perfis consumidores. Processos de Produção Para entendermos o funcionamento das usinas de geração de energia elétrica, precisamos conhecer alguns processos da termodinâmica que formam a base de tais indústrias. Ciclo de Rankine 9 Um dos modelos da termodinâmica que explicam a geração de energia por meio de calor é o Ciclo de Rankine. Este modelo é a base para as usinas térmicas de vapor. “Os ciclos térmicos de potência são uma sequência de processos termodinâmicos (mudanças de estados). Em particular, os ciclos de potência são utilizados para converter energia térmica em trabalho, empregando usualmente como fluídos gases e água, sendo que no último caso os ciclos são denominados ciclos a vapor, ou ciclo Rankine. Este tipo de sistema de potência permite converter a energia de combustíveis de baixo custo em eletricidade.” (ELETROBRÁS/PROCEL) O ciclo de Rankine foi proposto por William J. Macquorne Rankine e é tido como o primeiro ciclo termodinâmicoque permite efetivamente obter trabalho do vapor. Este ciclo é composto pelos elementos: • caldeira de vapor; • turbina a vapor; • condensador; • aquecedores de água de alimentação; • bombas necessárias para a circulação da água. O processo consiste na movimentação de um líquido (normalmente água), que sai do condensador e é pressurizado por uma bomba para que entre na caldeira. O calor da caldeira (obtido pela queima de algum combustível) faz com que a água evapore, movimentando a turbina, produzindo assim energia mecânica. A turbina é conectada a um conversor que transforma a energia mecânica em elétrica. O líquido segue seu fluxo pelo condensador, recomeçando o processo. Figura 2 - Esquema de uma usina a vapor simples que opera segundo o ciclo de Rankine Caldeira Turbina Condensador Bomba G qout qint 3 2 1 4 Fonte: (ROCHA et. al., 2012) Segundo ROCHA et. al., os processos que compõem o ciclo de Rankine são: • 1-2: Processo de bombeamento adiabático reversível na bomba. • 2-3: Transferência de Calor a pressão constante na caldeira. 10 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia • 3-4: Expansão adiabática reversível na turbina. • 4-1: Transferência de calor a pressão constante no condensador. O rendimento do ciclo (parcela de calor convertida em energia elétrica) depende, assim, diretamente da condição do vapor que chega à turbina. Quanto mais elevadas a temperatura e a pressão, maior a eficiência do processo. Petróleo “O petróleo é um óleo inflamável, formado a partir da decomposição, durante milhões de anos, de matéria orgânica como plantas, animais marinhos e vegetação típica das regiões alagadiças, e encontrado apenas em terreno sedimentar. A base de sua composição é o hidrocarboneto, substância composta por carbono e hidrogênio, à qual podem se juntar átomos de oxigênio, nitrogênio e enxofre, além de íons metálicos, principalmente de níquel e vanádio.” (ANEEL, 2008) Os óleos derivados do petróleo são, atualmente, os principais insumos primários de geração de energia elétrica em todo o planeta. Observe na Figura 3 a distribuição de suas reservas pelo mundo. É fácil perceber a grande influência dessas localizações na politica e economia de muitos países. A briga pela sua exploração é um dos grandes fatores das guerras existentes no Oriente Médio, mas também representa o grande poder das maiores nações. O Brasil mantém uma boa posição no ranking dos maiores produtores, tendo a Petrobrás como empresa nacional de exploração. Figura 3 - Reservas provadas de petróleo em 2007 (milhões de toneladas). Fonte: (ANEEL, 2008) O processo de produção de energia por meio de derivados do petróleo é semelhante ao ciclo de Rankine, exposto anteriormente. Observe na Figura 4 um esquema de como é montada uma planta de geração por meio da combustão de derivados do petróleo. A identificação dos elementos do Ciclo de Rankine é simples e direta. Tem-se a caldeira 11 no começo da imagem, que é ligada à bomba de água. A turbina se localiza à direita da chaminé e está conectada ao gerador de energia. A água que passa pela turbina é submetida ao condensador para que volte ao ciclo. Observe ainda que o gerador de energia elétrica por meio da energia mecânica está conectado aos transformadores, que garantem a tensão de saída desejada, passando pelos disjuntores, que mantém a segurança da instalação e, em seguida, seguem as linhas de distribuição. Figura 4 - Perfil esquemático do processo de produção de energia elétrica a partir do petróleo. Fonte: (ANEEL, 2008) Como todo processo de queima, estas usinas liberam gases poluentes na atmosfera. Quanto mais denso o combustível utilizado, maior o potencial de emissões. Por este motivo, ambientalistas tendem a rejeitar a produção através da queima de óleos combustíveis, diesel e ultraviscoso. Nos últimos anos, os investimentos em pesquisa para que a emissão de poluentes seja reduzida tem aumentado, a fim de estabelecer um processo menos nocivo ao meio ambiente. Segundo dados estatísticos lançados pela BP em seu Relatório Estatístico de 2014 (referente ao ano de 2013), no Brasil houve queda na produção de petróleo (-1.7%). O Brasil foi responsável por 2,7% do total de petróleo produzido no mundo em 2013. Figura 5 - Geração Térmica a Derivados de Petróleo no Mundo em 2011 - 10 maiores(%). Fonte: EPE, 2014 12 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia A Figura 5 apresenta os principais países geradores de energia por derivados do petróleo em 2011. Gás Natural Pode-se dividir os processos de geração de energia por gás natural em duas categorias: geração exclusiva e co-geração (quando utiliza-se também o calor e o vapor utilizado em processos industriais. O primeiro passo do processo consiste em misturar ar comprimido com o gás natural, a fim de se obter combustão, o que resulta na emissão de gases em alta temperatura. Tal processo movimenta um turbina. A partir de então, o processo é semelhante às demais formas de geração: a energia mecânica é convertida em elétrica. A Figura 6 apresenta o perfil de uma usina elétrica com base em gás natural. Observe que a entrada do gás natural é combinada com a entrada de ar comprimido nas câmaras de combustão. A turbina é movimentada pelo resultado do processo térmico. Por estar conectada a um gerador, transforma energia mecânica em elétrica que é transformada para a tensão de distribuição. Figura 6 - Perfil esquemático do processo de produção de energia elétrica a partir do gás-natural. Fonte: (ANEEL, 2008) O que é feito com o gás após a movimentação da turbina determina se é um processo simples (aberto) ou combinado (fechado). No ciclo aberto, mais comum, os gases são resfriados e liberados na atmosfera. Já no ciclo fechado, os gases ainda em alta temperatura são transformados em vapor, movimentando novamente as turbinas. Assim, as termelétricas de ciclo fechado operam tanto com o processo movimentação pelo gás quanto pela movimentação por vapor. O processo combinado aumenta a eficiência energética da usina, mas requer um investimento maior. No ciclo simples, o grau de eficiência é de aproximadamente 39%, enquanto o combinado chega a aproximadamente 50%. Trata-se de um processo relativamente novo no Brasil (década de 80). 13 A co-geração é feita com o uso de qualquer outro combustível viável para termelétricas (óleo, biomassa, carvão, etc). A queima do combustível gera os gases que passam por todo o processo descrito acima, permitindo simultaneamente a geração térmica e por vapor. São pontos favoráveis para a co-geração: • utilização de energia normalmente descartada em processos térmicos; • independência em relação ao combustível utilizado, fornecido por terceiros; • redução do volume de gases liberados na atmosfera. No período de 2009 a 2013 a geração por gás natural teve um crescimento de 47,6%, o que garantiu no ano de 2013 uma participação de 12,1% na geração total de energia no país. Observe os dados das demais fontes na Tabela 1 Tabela 1 - Geração elétrica por fonte no Brasil (GWh). Fonte: Balanço Energético Nacional - BEN 2014; Elaboração: EPE. 2009 2010 2011 2012 2013 ∆% (2013/2012) Part. % Total 466,158 515,799 531,758 552,498 570,025 3.2 (2013) Gás Natural 13,332 36,476 25,095 46,760 69,003 47.6 100.0 Hidráulica (i) 390,988 403,290 428,333 415,342 390,992 -5.9 12.1 Derivados de Petróleo (ii) 12,724 14,216 12,239 16,214 22,090 36.2 68.6 Carvão 5,429 6,992 6,485 8,422 14,801 75.7 3.9 Nuclear 12,957 14,523 15,659 16,038 14,640 -8.7 2.6 Biomassa (iii) 21,851 31,209 31,633 34,662 39,679 14.5 2.6 Eólica 1,238 2,177 2,705 5,050 6,576 30.2 7.0 Outras (iv) 7,640 6,916 9,609 10,010 12,244 22.3 1.2 Notas: i) Inclui autoprodução ii) Derivados de petróleo: óleo diesel e óleo combustível iii) Biomassa: lenha, bagaço de cana e lixívia iV) Outras: recuperações, gás de coqueria e outros secundários 14 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia Quanto as reservas mundiais de gás natural,observe a Figura 7. Percebe-se que os grandes reservas se encontram na Ásia, seguida pela Oceania e América do Norte, principalmente. Um dos motivos de a geração por gás natural não ter uma significância maior no Brasil é o fato de não termos maiores reservas. Figura 7 - Reservas de Gás Natural no mundo em trilhões de m3. Fonte: (ANEEL, 2008) Energia Nuclear De forma simplificada, a geração de energia por meio de fontes nucleares se dá pela fissão de um átomo. Neste processo de divisão atômica, o átomo libera energia, que quando liberada lentamente produz calor e quando liberada rapidamente, produz luz. É muito importante ressaltar que trata-se de um procedimento de alto risco e que a toda cautela durante sua execução é pouca. Quando o Urânio (U235) é bombardeado por um feixe de nêutron, é gerado um isótopo seu, o Urânio (U236). Este, quando bombardeado novamente, desintegra-se em Bário (Ba141) e Criptônio (Kr92), liberando energia e mais nêutrons. Se este processo é descontrolado, uma sequência de reações é desencadeadas, podendo gerar uma carga enorme de energia, que não é suportada pela usina. Uma bomba atômica então é produzida. O processo de geração então é semelhante aos anteriores que levam o ciclo de Rankine. O calor gerado pela fissão nuclear aquece a água, que por sua vez se torna vapor, movimentando as turbinas. A Figura 8 apresenta o perfil esquemático de uma usina nuclear. Figura 8 - Perfil esquemático de uma usina nuclear. Fonte: (ANEEL, 2008) 15 Ainda observando os dados da Tabela 1, percebe-se que de 2009 a 2013, a geração nuclear teve uma queda de 8,7%, representando uma participação de 2,6% apenas na geração total de energia no Brasil. O maior consumo de energia nuclear ainda se encontra na Ásia e América do Norte. Carvão O processo de geração por carvão é semelhante aos demais que se baseiam no ciclo de Rankine. A queima do carvão é a base para a geração do vapor que movimenta a turbina. A Figura 9 apresenta o perfil esquemático de uma usina de geração por carvão natural. Figura 9 - Perfil esquemático do processo de geração de energia elétrico por meio do carvão mineral. Fonte: (ANEEL, 2008) O interessante da geração por carvão natural é a co-geração, que pode aproveitar o calor gerado e a emissão dos gases para movimentação das turbinas. Atualmente existem muitas pesquisas afim de aumentar o poder calorífico do carvão, para aumentar a eficiência energética do processo. A queima do carvão foi uma das primeiras formas de geração dominadas pelo homem. Ao longo do tempo perdeu espaço para outras fontes, como petróleo ou gás natural, mas ainda ocupa uma boa parcela na geração. No Brasil, por exemplo, teve um crescimento de 75,7% de 2009 a 2013, mas apesar disso é responsável por apenas 2,6% da geração total. (Vide Tabela 1) Figura 10 - Tipos de carvão, reservas e uso. Fonte: (ANEEL, 2008) 16 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia Conforme apresentado na Figura 10, 53% do das reservas mundiais são de carvão com alto teor de carbono. O carbono utilizado para geração energética se encontra nos 47% restantes. Destes, o linhito (17%) é usado na geração local e o sub-betuminoso (30%) tem maior valor térmico e, por isso, mais comercializado. Figura 11 - Reservas mundiais de carvão mineral - 2007 (em milhões de toneladas). Fonte: (ANEEL, 2008) Observe a figura 11, na qual encontram-se as maiores reservas de carvão no mundo e qual a participação do Brasil. Xisto Xisto é o nome dado a vários tipos de rochas metamórficas (apresentadas em muitas formas). São facilmente identificadas por serem laminadas. O Xisto betuminoso é uma excelente forma de combustível. Quando submetido a altas temperaturas produz um óleo semelhante ao petróleo. Deste óleo se extraem nafta, óleo combustível, gás liquefeito, óleo diesel e gasolina. A queima de tais produtos movimenta as usinas geradoras de energia. O gás de xisto, presente no interior destas rochas sedimentares porosas é uma outra fonte de energia a ser explorada. O processo de obtenção do gás é polêmico, pois envolve o chamado fraturamento hidráulico, que consiste em introduzir água, areia e outros produtos químicos (tóxicos) nas reservas, o que permite que o gás flua e seja capturado para a geração. Os Estados Unidos vêm utilizando este processo, o que tem causado uma verdadeira revolução energética no país, que visa sua autossuficiência até 2030. O gás de xisto por lá tem se mostrado bem barato, perdendo apenas para o carvão. 17 Entre os riscos de exploração do gás de xisto estão: • contaminação da água; • tremores de terra; • mortandade animal; • emissão fugitiva de metano. Desde junho de 2013 as reservas de xisto no Brasil estão em constante atenção no mercado mundial. Até então não existe uma legislação para seu uso no país e não se sabe ao certo como devem acontecer as explorações. Conclusões Muitas conclusões podem ser tomadas a respeito das fontes não renováveis de energia. Pelo ponto de vista ambiental, são fontes que devem ser evitadas, já que apresentam reservas finitas de insumos primários. Também são alarmantes os níveis de poluição causados pelos processos de extração e geração atuais. Como a combustão é o principal método, muitos gases são liberados diariamente na atmosfera. Do ponto de vista econômico, algumas delas são as melhores fontes, pois possuem insumos mais baratos. Entretanto, os métodos de geração podem ser encarecidos quando usada a co- geração. Qualquer alteração nos investimentos reflete em acréscimo na tarifa repassada ao consumidor. Quando analisado por olhos políticos, vários problemas são encontrados, como a disputa pelo controle de reservas, por exemplo. O Oriente Médio, por exemplo, apresenta grandes reservas de fontes não-renováveis, o que atrai a cobiça das grandes nações pelo controle da região que, por este e outros motivos está em constante guerra. O planejamento energético de uma nação, torna-se tão complicado quanto os processos de geração. Contrabalancear todos os pontos levantados não é tarefa fácil, mas é a base para a sobrevivência energética de um país. 18 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia Material Complementar Indico os seguintes materiais complementares: Explore Sugerimos o vídeo Opera Mundi, da TV Unesp, que apresenta uma aula pública com o professor Leonam Guimarães, especialista em energia. Na aula, o professor responde à pergunta: - O petróleo continuará sendo a principal fonte de energia do mundo? Acesse o vídeo no perfil do Opera Mundi do youtube: . HISTORY CHANNEL. A história da eletricidade - luz energia elétrica. 7min18. Disponível em: https://youtu.be/tMCPXLszkxE TAIOLI, Fábio. Recursos energéticos. In: TEIXEIRA, Wilson; TOLEDO, Maria Cristina Motta de; FAIRCHILD, Thomas Rich; TAIOLI, Fábio (orgs). Decifrando a Terra. São Paulo: Oficina de Textos, 2004. MATHIAS, Melissa Cristina Pinto Pires. A formação da indústria global de gás natural: definição, condicionantes e desafios. Rio de Janeiro, Tese (Doutorado), Engenharia, UFRJ, 2008. Disponível em: https://bityl.co/C2fp 19 Referências ANEEL – AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (BRASIL). Atlas de energia Elétrica do Brasil/Agência Nacional de Energia Elétrica. Brasília: Aneel, 2008. BP. Relatório Estatístico da BP 2014. Brasil em 2013. Disponível em: . Acesso em: 9 mar. 2015. BUCUSSI, A. A. Introdução ao Conceito de Energia. Porto Alegre: UFRGS, Instituto de Física, Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, 2007. ELETROBRÁS/PROCEL – Centrais Elétricas Brasileiras, Fupai/Efficientia; Eficiência Energética no Uso de Vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005. EPE - Empresa de Pesquisa Energética. Anuário Estatístico de Energia Elétrica. Rio de Janeiro: EPE, 2014 ROCHA, G. ; SILVA, A. L. ; SILVA, F. N. Simulação de uma Usina com Ciclo Simples a Vapor (Ciclo Rankine).Revista Conexão (AEMS), v. 9, p. 598, 2012. VIANA, A. N. C. et al. Eficiência Energética: Fundamentos e Aplicações. Campinas: UNIFEI, 2012. 20 Unidade: Fontes não-renováveis de Energia Anotações