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Universidade Federal do Oeste da Bahia – UFOB Centro de Ciências Exatas e Tecnologias – CCET Curso de Química Energia Termoelétrica Trabalho solicitado pelo professor José Domingos, como cumprimento das atividades práticas da disciplina Química Ambiental. Por: Yago Cavalcanti Rodrigues Teixeira Barreiras-BA, 2015 2 Sumário 1. Introdução ......................................................................................................................03 2. Energia............................................................................................................................03 3. O Contexto Energético Brasileiro...................................................................................03 4. Energia Termoelétrica ....................................................................................................04 5. Combustíveis Usados em Usinas Termoelétricas...........................................................04 5.1 Gás Natural...............................................................................................................04 5.2 Carvão Mineral.........................................................................................................05 5.3 Biomassa...................................................................................................................05 5.4 Petróleo.....................................................................................................................06 6. Desvantagens dos Combustíveis.....................................................................................06 6.1 Gás Natural...............................................................................................................06 6.2 Carvão Mineral.........................................................................................................07 6.3 Biomassa...................................................................................................................07 6.4 Petróleo.....................................................................................................................08 7. Mecanismo de produção de Energia em uma Usina Termoelétrica................................08 7.1 Funcionamento.........................................................................................................08 7.2 Classificação das Centrais........................................................................................09 7.3 Cogeração.................................................................................................................12 8. Tecnologias emergentes e conceituais para o setor energético.......................................12 8.1 Digestão anaeróbica – Produção de biogás...............................................................12 8.2 Impactos e riscos da produção de biogás através da digestão anaeróbica......13 8.3 Hidrogênio...............................................................................................................14 9. Referências....................................................................................................................15 3 1. Introdução Quase toda energia que aquece a Terra e as residências provém do Sol, sem nenhum custo para nós. Se não houvesse essa energia solar inesgotável, a temperatura média do planeta seria de -240°C e a vida como conhecemos não existiria. Essa injeção direta de energia solar produz diversas formas indiretas de energia solar renovável. Alguns exemplos são o vento, as quedas de água e a biomassa. A energia comercial vendida no mercado compõe 1% de energia que utilizamos para suplementar a entrada direta de energia solar. A maior parte da energia comercial advém da extração e queima de recursos minerais não renováveis obtidos na crosta terrestre, principalmente combustíveis fósseis que contém carbono – petróleo, gás natural, e carvão. Cerca de 82% da energia comercial consumida no mundo origina-se de recursos energéticos não renováveis – 76% de combustíveis fósseis e 6% de energia nuclear. Os 18% restantes vêm de recursos energéticos renováveis – biomassa (11%) hidroeletricidade (4,5%) e uma combinação de energias geotérmica, eólica e solar (1,5%). (MILLER Jr., G. Tyler, 2012) 2. Energia Precisa-se de energia para obter energia. Por exemplo, antes que o petróleo possa ser utilizado, deve ser encontrado, bombeado do subsolo e do fundo dos oceanos, transferido para uma refinaria e convertido em combustíveis úteis ( como a gasolina, o diesel, e o óleo de aquecimento), transportado aos usuários e queimado em fornalhas e automóveis. Cada uma dessas etapas utiliza energia de alta qualidade. A quantidade utilizável de energia de alta qualidade resultante de uma determinada quantidade de um recurso energético é a sua energia liquida. É a quantidade total de energia disponível de um recurso energético menos a energia necessária para encontrar, extrair, processar e levar essa energia aos consumidores. Atualmente, o petróleo tem uma alta razão de energia liquida, uma vez que grande parte dele provém de jazidas, acessíveis e de extração econômica. À medida que essas fontes se esgotarem, a razão de energia líquida do petróleo diminuirá e seu preço aumentará. 3. O contexto energético brasileiro A energia é uma das principais preocupações mundiais, é o vetor de desenvolvimento responsável pelo crescimento da produção, sendo indispensável para a manutenção e desenvolvimento dos países. O Brasil está inserido neste contexto, possuindo demanda crescente por energia elétrica. Devido ao pequeno investimento neste setor nos últimos anos, o país encontra-se com seu sistema trabalhando próximo à sua capacidade máxima. Como consequência, está se buscando um rápido aumento da capacidade de geração e distribuição de energia elétrica. No ano de 1997, 92% da energia elétrica gerada foi obtida através de recursos hídricos, sendo uma fonte energética essencial para o país. Porém o gás natural vem ganhando destaque por seu crescimento na matriz energética brasileira, sendo uma nova opção com perspectivas de 4 curto e longo prazo para minimizar o risco de déficit de energia, além de ser estrategicamente interessante para diversificar as fontes de energia do país. 4. Energia termoelétrica Com o desenvolvimento técnico havido na indústria capitalista, desde as primeiras máquinas a vapor (segunda metade do século XVIII) e os primeiros motores a combustão interna (século XIX), tornou-se factível a geração de eletricidade através do acionamento dos dínamos e depois, dos modernos geradores. A força motriz (rotação e torque de um eixo) para esse acionamento obtido por meio da expansão dos gases quentes ou do vapor de água obtido a partir da queima controlada de combustíveis, daí a expressão termoeletricidade. As termoelétricas em geral (a carvão, diesel, óleo combustível, etc.) têm sua utilização restrita a cobrir períodos hidrologicamente desfavoráveis, além de funcionar em conjunto com hidrelétricas para o aproveitamento completo da energia secundária. (Boarati,1998) De acordo com a Aneel, o Brasil tem hoje 1.623 usinas térmicas, movidas a combustíveis como óleo, gás natural e biomassa, com potência somada de 35,5 mil MW – valor que equivale a 27,5% do total da energiagerada no país (121,7 mil MW) – espalhadas por vários estados. Todas estas usinas em funcionamento podem gerar cerca de 15 mil MW de energia (Megawatts), correspondendo a 7,5% de participação no sistema elétrico nacional. 5. Combustíveis usados em usinas termoelétricas 5.1 Gás Natural O gás natural, constituído primordialmente de metano, em geral, é encontrado sob reservatórios de petróleo cru. Em estado gasoso subterrâneo, o gás natural é uma mistura de 50% a 90% de volume de metano (CH4), o hidrocarboneto mais simples. Também apresenta menores quantidades de hidrocarbonetos gasosos mais pesados, como o etano (C3H8), propano (C4H10) e butano (C4H10), além de pequenas quantidades do altamente tóxico Sulfeto de Hidrogênio (H2S). (MILLER Jr., G. Tyler, 2012) O gás natural é, nos dias de hoje, a terceira maior fonte de energia fóssil primária no mundo, logo após o petróleo e o carvão. O que possibilitou este crescimento acelerado foi a construção do gasoduto Brasil-Bolívia, de 3.150 km de comprimento, considerado como um importante empreendimento deste tipo no mundo, e o mais extenso da América do Sul. Transportando até 30 milhões de m 3 de gás natural por dia, apresentará um potencial de produção de energia elétrica superior a 5 GW por usinas ao seu redor. As vantagens que podem ser citadas a respeito desta forma de geração são os pequenos volumes de investimentos (em comparação com as hidrelétricas), pequeno prazo de construção (geração de receita é mais rápida, diminuindo o custo referente aos juros do capital investido), possibilidade de construção das usinas próximas aos centros de carga, geração de empregos no local, estimulo a investimentos para a região, pequenas áreas ocupadas, possibilidade de operação apenas no horário de ponta 5 (redução dos riscos de falha do sistema elétrico, aumento de confiabilidade), flexibilidade operacional, baixo teor de enxofre, cinzas e fuligem emitida (economia considerável em filtros) e não está sujeita a fenômenos climáticos como secas (garantia de energia firme, salvo em casos de problemas de fornecimento de gás). (Boarati, 1998) 5.2 Carvão mineral O carvão é um combustível sólido formado ao longo de diversas etapas por restos de plantas terrestres há cerca de 300 a 400 milhões de anos e submetidos ao calor e pressão intensos por milhões de anos. O carbono é o principal componente do carvão, mas contêm pequenas quantidades de enxofre, liberadas na atmosfera na forma de dióxido de enxofre quando o carvão é queimado. (MILLER Jr., G. Tyler, 2012) O carvão mineral é a principal fonte primária de geração de energia elétrica, responsável por cerca de 62% de toda a eletricidade gerada no planeta em 2007, sendo considerado, atualmente, como a fonte orientadora da política energética mundial, principalmente devido à abundância (disponível em 75 países), à segurança de abastecimento e ao preço competitivo.(MILLER Jr., G. Tyler, 2012) Nos EUA, o consumo de carvão para a geração elétrica representa 92% da demanda total e há planos de intensificar o seu uso nos próximos anos, com base em experiências tecnológicas para a redução de emissões atmosféricas. No Brasil, de acordo com dados do Balanço Energético Nacional, os recursos de carvão mineral somaram 32 bilhões de toneladas em 2005. Tais recursos estão localizados na região Sul. As usinas em operação e em viabilização situam-se junto às mineradoras, já que o custo de transporte do combustível é significativamente mais baixo que o necessário para o transporte do minério, pois ele é de baixa qualidade, apresentando como características básicas o elevado teor de inertes (cinzas), enxofre e voláteis. Assim, existem 7 usinas em operação e 7 em fase de construção ou viabilidade nos três estados produtores da Região Sul. A participação atual desse combustível na matriz energética brasileira é de 1,0% do total gerado e deverá, até o ano de 2016, chegar a 2,8%. Dados os preços e as disponibilidades internacionais, o País vem considerando a alternativa de importação do produto, opção que compensa eventuais desvantagens de preço e frete, devido a sua qualidade. (FEEMA, 2008) 5.3 Biomassa A biomassa é formada de materiais de plantas e resíduos animais que podem ser queimados diretamente como combustível sólido ou convertidos em biocombustíveis gasosos ou líquidos. A biomassa é uma forma indireta de energia solar, pois consiste de compostos orgânicos combustíveis produzidos pela fotossíntese. A maior parte da biomassa é queimada diretamente para aquecimento, preparação de alimentos e processos industriais, ou indiretamente para mover turbinas e produzir eletricidade. Uma forma de produzir combustível de biomassa é plantar, colher e queimar grandes quantidades de árvores de crescimento rápido (como Choupo-do-Canadá, Álamo e Plátano), arbustos, gramas perenes e aguapés. Nas áreas agrícolas, os resíduos de plantações (como cana-de-açúcar, carca de arroz, pedúnculo de algodão e casca de coco) e esterco animal podem ser coletados e queimados ou convertidos em biocombustíveis. (MILLER Jr., G. Tyler, 2012) 6 5.4 Petróleo O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos (moléculas de carbono e hidrogênio) que tem origem na decomposição de matéria orgânica, principalmente o plâncton (plantas e animais microscópicos em suspensão nas águas), causada pela ação de bactérias em meios com baixo teor de oxigênio. Ao longo de milhões de anos, essa decomposição foi-se acumulando no fundo dos oceanos, mares e lagos e, pressionada pelos movimentos da crosta terrestre, transformou-se na substância oleosa denominada petróleo. Essa substância é encontrada em bacias sedimentares específicas, formadas por camadas ou lençóis porosos de areia, arenitos ou calcários. Além de predominante no setor de transportes, o petróleo ainda é o principal responsável pela geração de energia elétrica em diversos países do mundo. Apesar da expansão recente da hidroeletricidade e da diversificação das fontes de geração de energia elétrica verificadas nas últimas décadas, o petróleo ainda é responsável por aproximadamente 7,9% de toda a eletricidade gerada no mundo. (ANEEL, 2005) 6. Desvantagens dos combustíveis 6.1 Gás Natural Dentre as desvantagens podemos dizer que o Gás Natural por ser um combustível fóssil, formado a milhões de anos, trata-se de uma energia não renovável, portanto finita, assim como o petróleo. O Gás Natural apresenta riscos de asfixia, incêndio e explosão. O maior ou menor impacto ambiental da utilização desse combustível está relacionado à composição do gás natural, ao processo utilizado na geração de energia elétrica e remoção pós-combustão e às condições de dispersão dos poluentes, como altura da chaminé, relevo e meteorologia. No entanto, uma restrição feita a essas usinas é a necessidade de captação de água para o resfriamento do vapor, característica que tem sido um dos entraves ao licenciamento ambiental. Apenas como exemplo, o estudo sobre gás natural do Plano Nacional de Energia 2030 registra que o volume de CO2 lançado na atmosfera pode ser entre 20% e 23% inferior àquele produzido pela geração a partir do óleo combustível e entre 40% e 50% inferior aos casos de geração a partir de combustíveis sólidos, como o carvão. Os principais poluentes atmosféricos emitidos pelas usinas termoelétricas a gás natural são dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrogênio (NOX) e, em menor escala, monóxido de carbono e alguns hidrocarbonetos de baixo peso molecular, inclusive metano. (ANEEL, 2005) 7 6.2Carvão Natural Os maiores impactos socioambientais do carvão decorrem de sua mineração, que afeta principalmente os recursos hídricos, o solo e o relevo das áreas circunvizinhas. A abertura dos poços de acesso aos trabalhos de lavra, feita no próprio corpo do minério, e o uso de máquinas e equipamentos manuais, como retroescavadeiras, escarificadores e rafas, provocam a emissão de óxido de enxofre, óxido de nitrogênio, monóxido de carbono e outros poluentes da atmosfera. Durante a drenagem das minas, feita por meio de bombas, as águas sulfurosas são lançadas no ambiente externo, provocando a elevação das concentrações de sulfatos e de ferro e a redução de pH no local de drenagem. O beneficiamento do carvão gera rejeitos sólidos, que também são depositados no local das atividades, criando extensas áreas cobertas de material líquido, as quais são lançadas em barragens de rejeito ou diretamente em cursos de água. Grande parte das águas de bacias hidrográficas circunvizinhas é afetada pelo acúmulo de materiais poluentes (pirita, siltito e folhelhos). As pilhas de rejeito são percoladas pelas águas pluviais, ocasionando a lixiviação de substâncias tóxicas, que contaminam os lençóis freáticos. A posterior separação de carvão coqueificável de outras frações de menor qualidade forma novos depósitos, que cobrem muitos hectares de solos cultiváveis. No Brasil, a região Sul é a que apresenta maiores transtornos relacionados ao impacto da extração de carvão. Os trabalhadores das minas e seus familiares também são afetados diretamente pelas emanações de poeiras provenientes desses locais. Doenças respiratórias, como asma, bronquite, enfisema pulmonar e até mesmo a pneumoconiose, estão presentes no cotidiano dessa população. Além dos referidos impactos da mineração, a queima de carvão em indústrias e termoelétricas causa graves impactos socioambientais, em face da emissão de material particulado e de gases poluentes, dentre os quais se destacam o dióxido de enxofre (SO2) e os óxidos de nitrogênio (NOx). Além de prejudiciais à saúde humana, esses gases são os principais responsável pela formação da chamada chuva ácida, que provoca a acidificação do solo e da água e, consequentemente, alterações na biodiversidade, entre outros impactos negativos, como a corrosão de estruturas metálicas. (ANEEL, 2005) 6.3 Biomassa Os biocombustíveis são as alternativas mais difundidas para a substituição de combustíveis fósseis em curto prazo. Por um lado, eles são renováveis e, de fato, liberam uma quantidade menor de poluentes atmosféricos quando queimados. Por outro, os impactos de sua produção são sérios, e seu papel no efeito estufa ainda é controverso. Os combustíveis produzidos a partir da biomassa não contêm enxofre, o que já é uma grande vantagem em relação aos de origem fóssil. Quando o assunto é produção de gás carbônico, a incerteza é maior. Argumenta-se que a fotossíntese das plantas que produzirão a biomassa tornam nulas as emissões de CO2 dos biocombustíveis. A produção dos biocombustíveis incorpora emissões não relacionadas à matéria- prima, e não existe um consenso sobre o efeito que pode ter a liberação de uma só vez de uma quantidade de carbono que levou meses ou anos para ser capturada. Se, por um lado, os biocombustíveis poluem menos a atmosfera que os fósseis, por outro, estão longe de serem ideais. 8 O etanol ainda contribui para a formação de ozônio troposférico (fenômeno conhecido como smog), e o biodiesel produz mais óxido de nitrogênio que o diesel, devido à presença de largas quantidades de substâncias nitrogenadas no corpo das plantas. Outro impacto negativo do uso de biocombustíveis é o desmatamento da vegetação nativa para a plantação de matéria-prima, além da agressão e empobrecimento do solo quando há monocultura extensiva. (Cemig, 2012) 6.4 Petróleo Os principais impactos da geração de energia elétrica a partir de derivados de petróleo decorrem da emissão de poluentes na atmosfera, principalmente os chamados gases de efeito estufa. Os mais problemáticos são o dióxido de carbono (CO2), o metano (CH4) e o óxido nitroso N2O. Pelo menos parte das mudanças climáticas verificadas nas últimas décadas, entre elas o aumento da temperatura média do planeta, tem sido atribuída ao aumento da concentração desses gases na atmosfera. Entre outros poluentes atmosféricos decorrentes da queima de derivados de petróleo, principalmente em plantas termoelétricas, destacam-se o dióxido de enxofre (SO2) e o chamado material particulado, constituído de pós e cinzas em suspensão nos gases emitidos durante a queima de combustíveis fósseis. Além de alterações na biodiversidade local, esses poluentes provocam diversos males à saúde humana, como distúrbios respiratórios, alergias, lesões degenerativas no sistema nervoso e em órgãos vitais, câncer etc. Esses distúrbios tendem a se agravar no inverno, quando inversões térmicas provocam o aprisionamento do ar quente e dificultam a dispersão dos poluentes. (ANEEL, 2005) 7. Mecanismo de produção de energia em uma usina termoelétrica 7.1 Funcionamento O funcionamento das centrais termoelétricas é semelhante, independentemente do combustível utilizado. O combustível é armazenado em parques ou depósitos adjacentes, de onde é enviado para a usina, onde será queimado na caldeira. Esta gera vapor a partir da água que circula por uma extensa rede de tubos que revestem suas paredes. A função do vapor é movimentar as pás de uma turbina, cujo rotor gira juntamente com o eixo de um gerador que produz a energia elétrica. O vapor é resfriado em um condensador e convertido outra vez em água, que volta aos tubos da caldeira, dando inicio a um novo ciclo. A água em circulação que esfria o condensador expulsa o calor absorvido pela atmosfera das torres de refrigeração, grandes estruturas que identificam esses centrais. Parte do calor extraído passa para um rio próximo ou o mar. Para minimizar os efeitos contaminantes da combustão sobre as redondezas, a central dispõe de uma chaminé de grande altura (algumas chegam a 300m) e de alguns precipitadores que retêm as cinzas e outros resíduos voláteis da combustão. As cinzas são recuperadas para aproveitamento em processos de metalurgia e no campo da construção, onde são misturados com o cimento. 9 Como o calor produzido é intenso, devido às altas correntes geradas, é importante o resfriamento dos geradores. O hidrogênio é melhor veículo de resfriamento que o ar, como tem apenas um quatorze avos da densidade deste, requer menos energia para circular. Recentemente, foi adotado o método de resfriamento líquido, por meio de óleo ou água. Os líquidos nesse processamento são muito superiores aos gases, e a água é 50 vezes melhor que o ar. A potência mecânica obtida pela passagem do vapor através da turbina, fazendo com que esta gire e no gerador que também gira acoplado mecanicamente a turbina, é que transforma potência mecânica em potência elétrica. A energia assim gerada é levada através de cabos ou barras condutoras, dos terminais do gerador até o transformador elevador, onde tem sua tensão elevada para adequada condução, através de linhas de transmissão, até os centros de consumo. Daí, nas subestações, através de transformadores abaixadores, a energia tem sua tensão levada a níveis adequados para sua utilização pelos consumidores. 7.2 Classificação das centrais A classificação das centrais térmicas depende essencialmente do combustível utilizado para a produção de vapor de água nas caldeiras, pelo que se podem dividir em dois grandes grupos, as centrais térmicas clássicas (agás, vapor e ciclo combinado) e centrais nucleares. Centrais a Gás Como recurso energético, é utilizado em motores de combustão interna para automóveis, em motores movidos apenas a gás ou em motores adaptados para funcionar com multicombustíveis. Como o gás natural não deixa resíduos nas partes internas do motor é um combustível preferível aos líquidos tradicionais. Nas usinas termoelétricas o gás é utilizado na combustão para fazer girar uma turbina e então gerar energia elétrica em um gerador. Muitas usinas recolhem o calor gerado para utilização com o uso da vaporização de um fluido (processo conhecido como cogeração). Nessas usinas, o gás natural substitui, de maneira vantajosa, o carvão e o diesel. As turbinas movidas a gás podem operar em ciclo aberto, com a liberação dos gases quentes e uma eficiência de cerca de 35%, ou em ciclo combinado, com a utilização desses gases quentes em turbinas a vapor, para gerar mais eletricidade. A eficiência, nesse caso, alcança 55%. Com a utilização da cogeração, os rendimentos podem chegar a 85%. Ar e gás entram na câmara de combustão, que gera o vapor que alimenta a turbina, e os gases aquecidos são liberados para o ambiente. 10 Centrais a Vapor Tem como base de funcionamento o calor libertado na fornalha por combustão de combustíveis gasosos, derivados do petróleo ou carvão (caso das centrais clássicas) ou libertado no reator por cisão nuclear (caso das centrais nucleares) e transmitido à água circulando a alta pressão no gerador de vapor. O carvão é usado para gerar vapor, que faz girar as turbinas das termoelétricas. Em busca de maior eficiência para esse processo, as turbinas tradicionais foram melhoradas ao longo do tempo, podendo funcionar em ciclo combinado (com recolhimento de vapores quentes) ou em usinas de cogeração, que produzem calor e eletricidade. No caso específico do carvão, há quatro tecnologias de utilização do combustível: carvão pulverizado (ou PCC, do inglês pulverized coal combustion); usinas supercríticas e ultrassupercríticas; combustão em leito fluidizado (FBC, de fluidized bed combustion) e gaseificação integrada com ciclo combinado (ou IGCC, de integrated gasification combined cycle). (Cemig, 2012) a) Carvão Pulverizado (PCC): antes de ser queimado, o carvão é processado em moinhos até ser pulverizado. Esse pó será misturado ao ar e queimado na câmara de combustão, que pode alcançar temperaturas na faixa de 1300 a 1700°C. b) Ciclo supercrítico e ultrassupercrítico: são usinas PCC que operam em temperaturas e pressões maiores que as tradicionais, em busca de mais eficiência. Uma comparação entre elas e as usinas tradicionais (ou subcríticas). Os maiores problemas dessa tecnologia estão nos altos níveis de poluentes (NOx) e no fato de que não funcionam bem com carvão de baixa qualidade, como o do Brasil. c) Combustão em leito fluidizado (FBC): é uma tecnologia bastante versátil, sendo usada também para queima de biomassa e resíduos sólidos. Pode operar à pressão atmosférica (atmospheric fluidise bed combustion - AFBC) ou com pressurização (Pressurised Fluidised Bed Combustion - PFBC), assim como usando baixas velocidades de fluidização (leitos borbulhantes) ou altas velocidades (leitos circulantes). Nessa tecnologia, o leito sólido é constituído de partículas inertes, geralmente calcário, cujo objetivo é acelerar a transferência da troca térmica no processo. d) Gaseificação integrada com ciclo combinado (IGCC): a gaseificação do carvão é uma alternativa considerada atraente para um uso mais limpo. Consiste em aquecer o carvão em um gaseificador, conduzi-lo a um reator que gerará gás carbônico, hidrogênio, monóxido de carbono e metano. Após gerar esse gás, ele deve ser purificado, podendo-se utilizá-lo na produção de energia. 11 O petróleo se inclui na produção de energia elétrica por seu uso nas usinas termoelétricas, embora haja uma tendência substituição do petróleo por gás natural. A energia da queima do combustível, na forma de energia térmica, realiza o trabalho de expansão em uma turbina Esta, por sua vez, converte a energia térmica em energia mecânica no eixo que, por sua vez, tem convertida esta energia em eletricidade em um gerador. A máquina motriz, neste caso, pode ser uma turbina a vapor ou uma turbina a gás. Com o uso de uma turbina a vapor, o combustível é queimado para aquecer água e produzir vapor, que gira o rotor da turbina, que fica acoplado ao gerador. Esse rotor pode funcionar por impulso ou por reação, sendo que turbinas a vapor podem usar uma combinação de ambos. Outra forma de produzir energia é por meio das turbinas a gás. Elas utilizam diretamente os gases provenientes da combustão para mover o rotor. Geralmente são utilizados: propano, querosene, gás natural ou combustível de avião, enquanto as turbinas a vapor funcionam com qualquer combustível derivado do petróleo. É possível também operar instalações que possuem os dois tipos de turbina em uma configuração complementar, chamada de ciclo combinado, cujo maior efeito é elevar significativamente a eficiência do processo. Centrais de ciclo combinado As Centrais de ciclo combinado são constituídas por dois tipos de turbinas a vapor (como as restantes centrais deste grupo) e a gás. O rendimento destas centrais é superior às restantes porque os gases de escape da turbina a gás são utilizados no processo de produção de vapor, ou seja, há uma combinação de dois ciclos - um a gás e outro a vapor (daí o nome destas centrais). Figura 1: Esquema de funcionamento de uma usina de ciclo combinado. 12 7.3 Cogeração Cogeração é a geração sequencial em temperatura de trabalho (energia elétrica ou mecânica) e de energia térmica (calor ou ‘frio’) através de uma única queima de combustível. Na cogeração aproveita-se o potencial existente nos produtos resultantes da queima de um combustível que estão à alta temperatura para geração de trabalho e energia térmica. Os produtos de combustão a alta temperatura possuem uma grande disponibilidade para conversão de sua energia interna em trabalho. Quando se utiliza esta energia em baixas temperaturas (como calor para processo) esta disponibilidade é dissipada. A cogeração visa o aproveitamento deste potencial, obtendo uma forma de energia de maior qualidade termodinâmica (trabalho), abaixando a temperatura dos produtos de combustão que depois fornecem calor para processo. Um motor térmico, por exemplo, uma turbina a gás, aproveita a energia dos produtos de combustão produzindo trabalho. Os gases de exaustão são rejeitados a uma temperatura suficientemente alta para fornecerem calor para processo ao passarem por uma caldeira de recuperação. 8. Tecnologias emergentes e conceituais para o setor energético 8.1 Digestão anaeróbica – Produção de biogás Na natureza, a reciclagem da matéria orgânica, gerada pela morte ou excreção dos seres vivos, é realizada por micro-organismos. Eles podem fazer a quebra dos nutrientes com a utilização ou não de oxigênio como oxidante. Quando não utilizam, a digestão é chamada anaeróbica. A digestão anaeróbica (DA) chama a atenção em termos de produção de energia, devido à produção de metano, chamado de biogás. A digestão acontece em quatro etapas: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. Todas as etapas são complexas, e as duas primeiras dependem do material de partida. O metano será formado na última etapa da digestão. Figura 2 – Transformações sofridas pormatéria orgânica 13 Anualmente, o Brasil libera muitas toneladas de metano para a atmosfera, causando poluição, sobretudo no setor agrícola, e a decomposição de resíduos urbanos. No caso dos resíduos urbanos, a recuperação desse metano para a produção de energia por queima de biogás não só mitiga o problema, como transforma o que seria um problema ambiental em algo de valor econômico. A digestão anaeróbica, como todo processo biológico, tem sua produtividade refém de vários fatores, como temperatura, pH, razão entre água e sólidos e entre carbono e nitrogênio, tamanho da partícula sendo digerida, composição do material digerido, tempo de retenção, entre outros. A temperatura é um dos fatores mais importantes. Embora haja bactérias anaeróbicas que sobrevivem em temperaturas extremas, o processo de geração de metano tem seus picos de produtividade em 36,7°C (processo mesofílico) e em 54,4°C (processo termofílico). Essa produtividade decai abaixo de 35°C e entre 39,4°C e 51,7°C.2 O processo termofílico é mais rápido que o mesofílico, mas necessita de mais energia para ser mantido, além de um cuidado ainda maior com as condições ambientes. Há várias maneiras de se conduzir uma digestão anaeróbica. A forma mais simples, utilizada em estações de tratamento de esgotos, é a lagoa anaeróbica. São lagoas profundas, da ordem de 3 a 5 metros, alimentadas com o material orgânico e deixadas em repouso. A profundidade e a ausência de aeração fazem com que o ambiente se torne pobre em oxigênio e as bactérias anaeróbicas sejam favorecidas. Elas podem ser cobertas ou descobertas. No caso dos aterros sanitários, o digestor é o próprio lixo enterrado. O biogás é recolhido por tubulações e tratado. É economicamente viável produzir biogás em aterros se, quando o aterro recebe 200 t de resíduo/dia, tem capacidade mínima de recepção da ordem de 500000 toneladas e altura mínima de carregamento de 10 m. Uma vez recolhido, o biogás precisa ser limpo de impurezas, como o gás sulfídrico. O gás resultante, composto principalmente de metano, pode ser utilizado na produção de energia em turbinas a gás, da mesma forma que o gás natural. (Cemig, 2012) 8.2 Impactos e riscos da produção de biogás através da digestão anaeróbica A digestão anaeróbica possui vários impactos ambientais positivos, em comparação com as atuais fontes de energia. O primeiro é a eliminação quase completa de compostos malcheirosos dos resíduos, assim como dos patógenos presentes. As emissões de gases-estufa também são diminuídas, já que o metano que seria liberado para a atmosfera é usado na produção de energia. Após esse uso, ele gera gás carbônico que é mais de 20 vezes menos poluente. O líquido e o sólido restantes da digestão podem ser utilizados como fertilizantes, evitando o uso de derivados do petróleo, e a água tratada pode ser reciclada. Também não há liberação do chorume que poderia poluir os solos e águas em torno da fonte de resíduos que serão digeridos. Como impactos negativos, tem-se o fato de que as emissões de gás carbônico podem ser diminuídas, mas não desaparecem. (Cemig, 2012) 14 8.3 Hidrogênio As pesquisas com o hidrogênio começaram relativamente cedo, no século XVII. Seu nome foi dado por Lavoisier, pelo fato de o gás produzir água, quando queimado (do grego, hydro = água, genos = gerar). Também foram conduzidos estudos sobre a energia elétrica produzida por uma pilha movida a hidrogênio e oxigênio. Pilhas em que o hidrogênio e o ar atmosférico são continuamente introduzidos, para que produzam energia constantemente são chamadas células combustíveis, e essa é a aplicação do hidrogênio para produção de energia mais promissora. Uma vez que o hidrogênio é uma molécula muito pequena, leve e pouco densa, é difícil retê-lo. Ele existe em pouca quantidade na Terra, o que quer dizer que, para ser usado como fonte energética, o hidrogênio precisa ser produzido a partir de uma fonte primária. Essa produção pode ser feita por reforma de hidrocarbonetos, por eletrólise ou termólise. A reforma é um processo em que os hidrocarbonetos sofrem uma transformação química e, como consequência, liberam o gás hidrogênio. A eletrólise consiste em aplicar uma corrente elétrica à água (H2O), o que possibilita a ocorrência da separação desta nos gases oxigênio e hidrogênio. Essa reação não é espontânea, o que quer dizer que consome grandes quantidades de energia, bem mais do que o hidrogênio produzido poderá oferecer, gerando um balanço energético negativo para o processo. A termólise também realiza essa decomposição da água, mas com o uso de calor – a água se decompõe a partir de 2500ºC. Algumas outras formas de produção de hidrogênio incluem a gaseificação de biomassa e o processo fotoquímico, dentre outras. Embora a produção de hidrogênio tenha um balanço negativo, a alta eficiência das células combustíveis faz com que ele ainda leve vantagem em relação a fontes fósseis. Além disso, o resíduo da utilização do hidrogênio é a água, o que torna as células combustíveis ambientalmente muito atraentes. 15 9. Referências Alternativas Energéticas: uma visão Cemig. Belo Horizonte: Cemig, 2012. Disponível em: < http://www.cemig.com.br/Inovacao/AlternativasEnergeticas> MILLER Jr., G. Tyler. Ciência Ambiental. São Paulo: Cengage Learning, 2012. Atlas de energia elétrica. ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica. 2ª Edição – Brasília,2005. Disponível em : < http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/download.htm> BOARATI, Julio H., SHAYANE, Rafael A., GALVÃO, Luiz C.R., UDAETA, Miguel E.M. Hidrelétricas e Termoelétricas a Gás Natural. Estudo Comparativo Utilizando Custos Completos. Disponível em: < http://seeds.usp.br/pir/arquivos/PF1998_Boarati_Shayani.pdf> Relatório de Impacto Ambiental - RIMA da Usina Termoelétrica (UTE) Porto do Açu Energia S/A. Fundação Estadual de Engenharia do Meio Ambiente - FEEMA, Fevereiro de 2008. Disponível em: < www.firjan.org.br/site/anexos/Decisaorio/2011.../RIMA-UTE_Acu.pdf> Plano Nacional de Energia 2030. Ministério de Minas e Energia. colaboração Empresa de Pesquisa Energética . _ Brasília : MME : EPE, 2007. Disponível em :< www.epe.gov.br/PNE/20080512_6.pdf>
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