aula5_Unidade3-Elisangela

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Universidade Federal da Paraíba
Centro de Tecnologia - CT
Departamento de Engenharia Civil e Ambiental - DECA
2013.2Profa.: Elisângela Rocha
Aula 6: Unidade 3
Disciplina: Energia e Meio Ambiente
 Energia de fontes não-renováveis
AVISO
1ª PROVA : 19.11.2013 – UNIDADES 1 e 2
 NÃO HAVERÁ AULA NA SEMANA DO ENIC
– 26.11.2013
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Síntese Aula Anterior
Rejeitos Perigosos:
 Radioativos
Mineração
Atividade complementar sobre mineração – Entrega hoje!
a) Quanto calor é necessário para ferver 1 kg de água partindo de 20ºC?
R: Q = m.c.∆T = 334880J
b) Qual o comprimento de onda da radiação eletromagnética emitida por uma estação de
rádio que transmite 1500 kHz?
R:λ = 200 m
c) Calcule a transferência total de calor por 12 hs através de uma janela isolada (duas
vidraças com um espaço de ar de ¼´´) cujas medidas são 4 pés x 7 pés, quando a
temperatura externa for 5º F e a interna de 65º F.
R: Qc = 13091 BTU
d) Uma usina geradora de energia a ciclo de vapor convencional, a temperatura do vapor
que entra na turbina é de 540º C ou 813 K. A temperatura do reservatório frio é de
20º C ou 293 K. Qual a eficiência máxima possível dessa máquina térmica.
R: Efmax = 64%
e) Pesquise 3 materiais com elevada resistência térmica : fibra de vidro, celulose, termax,
nylon
Resolução do exercício 1
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Revisão – prova 1
a) Qual a energia potencial de uma pessoa de 60 Kg sentada sobre uma escada
a 2 m do chão?
b) Quanto trabalho (J) é necessário para levantar do solo um saco de açúcar de
20 Kg a uma altura de 2,5 metros ?
c) Um motor realiza 4000 J de trabalho em 10 s, qual a potência de saída deste
motor?
d) Qual a energia cinética de uma moto que pesa 325 Kg e percorre 2 Km em
30 segundos?
e) Se 2 t de carvão betuminoso for queimada para produzir eletricidade,
quantos KWh podem ser produzidos se a eficiência dessa conversão for
30%? (1 tonelada de carvão betuminoso = 25 x 106Btu; 1KWh = 3,413 Btu)
Combustíveis fósseis
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Quais são os combustíveis fósseis?
2- Petróleo (do latim petra oleum – “óleo de pedra”)
É uma substância oleosa, inflamável e menos
densa que a água. Uso inicial foi nas formas de betume,
asfalto, alcatrão.
1- Carvão mineral:
É uma rocha sedimentar, combustível, formada a partir
da decomposição de vegetais que sofreram soterramento e se
compactaram em bacias pouco profundas.
3- gás natural
É uma mistura de hidrocarbonetos contendo
desde o metano (CH4) até o hexano (C6H14), podendo ser
encontrado na forma livre ou associado à fase óleo.
85% da energia consumida no mundo provém de
combustíveis fósseis => DEPENDÊNCIA DE
FONTES NÃO RENOVÁVEIS
33% do petróleo;
25% do carvão;
21% do gás natural.
DISTRIBUIÇÃO MUNDIAL
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DISTRIBUIÇÃO MUNDIAL
DNPM, 2010
DISTRIBUIÇÃO MUNDIAL
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DNPM, 2009
DISTRIBUIÇÃO MUNDIAL
PETRÓLEO
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ORIGEM
Brasil:
Em 1974 a Petrobrás descobre indícios petróleo na Bacia de Campos, confirmados
com a perfuração do primeiro poço em 1976.
Em 2007 a Petrobrás anunciou a descoberta de petróleo na camada denominada
Pré-sal, estendendo-se ao longo de 800 km na costa brasileira (ES – SC).
O primeiro óleo do pré-sal foi extraído em 2008.
ANTICLINO
Gás
Petróleo
ANTICLINO H2OQual o problema na obtenção do
petróleo?
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Cadeia produtiva do setor do petróleo
UPSTREAM
• Pesquisa ou prospecção => fotogeologia, geofísica, geoquímica,
petrologia
• Perfuração/ Recuperação => torres de perfuração (terra),
plataformas auto eleváveis (mar), plataformas semi-
submersíveis, navios sondas
• Desenvolvimento/ Produção
MIDDLESTREAM
• Importação/Exportação
• Transporte petróleo bruto (upstream)
• Refino
• Transporte derivados (refino até dowstream)
DOWNSTREAM
• Terminais/Bases
• Transporte/Distribuição /Comercialização
• Industria petroquímica/Atacadistas e Industrias de Energia
Elétrica/ Postos/Lubrificantes/Consumidores
PROSPECÇÃO E EXTRAÇÃO
Dificuldades, limitações?
Vídeo sobre a
extração
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REFINO
45% da produção
de uma refinaria
http://www.alunosonline.com.br/quimica/refino-petroleo.html
Petróleo
Óleo
Gás
Qual o problema ambiental?
APLICAÇÕES DO PETRÓLEO
•Butano e o Propano: produtos gasosos, incolores utilizados como combustível industrial e
doméstico.
• Gasolina: uma mistura altamente volátil e extremamente inflamável.
• Gasóleo, é um combustível oleoso, mais pesado do que a nafta e mais leve que o Óleo
combustível. É utilizado em motores de ignição por compressão ou para aquecimento.
• Fuelóleo: combustível oleoso pesado utilizado para a indústria e transportes.
• Asfalto: produto petrolífero extremamente pesado, obtido do resíduo do petróleo. É
utilizado principalmente na pavimentação de estradas.
• Termoplásticos: amolecem quando são aquecidos e endurecem novamente quando
arrefecem.
• Plásticos Termoestáveis: permanecem rígidos depois de serem preparados, e não
amolecem depois de aquecidos.
• Resinas: utilizadas em tintas, vernizes, na laminação da madeira e cola.
• Poliéster: utilizado em fibras têxteis sintéticas.
• Silicones: utilizados em borrachas de silicone, tintas, materiais de isolamento elétrico,
impermeabilização de paredes e cosméticos.
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Exploração e
produção de
hidrocarbonetos
no Brasil
O tipo de derivado obtido depende da qualidade do petróleo: leve, médio ou
pesado, de acordo com o tipo de solo do qual foi extraído e a composição
química.
1-Petróleo leve (ex: Oriente Médio) dá origem a maior volume de gasolina, GLP
e naftas => mais valorizado.
2-Petróleo de densidade média => produz principalmente óleo diesel e
querosene.
3- Petróleo de densidade pesada => características da Venezuela e Brasil,
produzem mais óleos combustíveis e asfaltos.
PETROLEO E SEUS DERIVADOS
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PETROLEO E SEUS DERIVADOS
O principal produto derivado de
petróleo consumido no país é o óleo
diesel => transporte de cargas =>
dependente do transporte rodoviário
Vichi e Mansor, 2009
Vamos discutir:
Os impactos? Sinergia?
Álcool ou gasolina?
Camada de pré-sal – 7000 m (2007).
(estende-se 800 Km – ES e SC)
1ª extração => 1º de maio de 2009
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Pré-sal
Cada plataforma com requer cerca de U$ 7 bilhões (Vecchia,2010)
US$ 400 bilhões => É a estimativa para o
desenvolvimento da produção de petróleo e gás
natural nos campos do pré-sal
Pré-sal
• LIMITAÇÕES :
• litologia local,
• avanço das sondas para extração,
• tecnologias de exploração resistentes à corrosão, altas
temperaturas (60-130ºC) e elevada pressão (≈300 vezes > pressão
atmosférica);
• infraestrutura de transporte do petróleo e gás natural à distância
• PROBLEMAS AMBIENTAIS:
• danos à vida marinha,
• poluição do ar ( perfurações > 150m liberam CH4)
• poluição da água (rocha triturada, lama de perfuração)
• vazamentos => poluição, danos econômicos e sociais (pescadores,
turismo)
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GÁS NATURAL
Gás natural (GN)
1. Mistura de hidrocarbonetos leves, inodoro, incolor, inflamável e asfixiante =>
CUIDADO.
2. Encontrado normalmente acompanhado por petróleo (associado) ou um
reservatório (não associado).
3. O CH4 é o principal componente + outros gases (etano, propano, butano)
4. Principais contaminantes: CO2 e H2SO4 (baixas concentrações)
5. Tipos de reserva quanto à segurança de sua existência:
1. a) Reserva provada: é a reserva de GN cuja existência foi verificada
com ALTO GRAU DE SEGURANÇA (Ex: Rússia)
2. b) Reserva provável: é a reserva de GN cuja existência foi verificada
com RAZOÁVEL GRAU DE SEGURANÇA
3. c) Reserva possível: é a reserva de GN cuja existência foi verificada
com INSUFICIENTEGRAU SEGURANÇA
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Maiores reservas mundiais de GN
http://www.rankbrasil.com.br/Recordes/Noticias/06pN/Brasil_E_O_31_Maior_Pais_Do_Mundo_Em_Reservas_De_Gas_Natural
Reservas GN no Brasil
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Aplicações do
GN
GN após tratado e
processado
Industrias químicas, metalúrgica, petroquímica,
farmacêutica, têxtil, fertilizantes
(combustível – calor)
Comércio e serviços de hotelaria, restaurantes
(substituição da óleo diesel e lenha)
Residências
(substituições de botijões e aquecimento)
Veículos (GNV)
As principais vantagens do gás canalizado:
1. Não é necessário o reabastecimento de combustível (gás de botijão – GLP);
2. É reduzido o nível de perda ou de escape do combustível, o que melhora a
segurança das instalações;
3. O pagamento da fatura é realizado a posteriori ao consumo.
Etapas da cadeia GN
1. Exploração=> pesquisa e perfuração do poço
2. Produção => vasos separadores para retirada de H2O,
hidrocarbonetos e partículas sólidas + dessulfurização + reinjeção
(aumentar recuperação do petróleo) + processamento
3. Processamento => UPGN
4. Transporte => gasodutos, cilindro de alta pressão e navio
metaneiro (GNL)
5. Distribuição
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Principais gasodutos brasileiros
Principal gasoduto = Bolívia-Brasil = GASBOL =>consumiu US$ 2 bilhões em investimentos,
dos quais US$ 1,6 bilhão dado pelo Brasil => abriga 2.600 km de seu traçado (3.150 km)
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CARVÃO MINERAL
CARVÃO MINERAL
1. material orgânico soterrado, submetido a elevadas pressões e
temperaturas => produto sólido, cor escura
2. Composição: C, N, S, H e O
3. Classificação quanto ao estágio de Carbonização:
a) Lignito => baixo teor de C (< 86%) ; alto teor de água =>
conhecidos como carvões mais jovens.
b) Sub-betuminoso => pressões e temperaturas maiores, com
elevado teor de água
c) Betuminoso => calor e pressões adicionais forma-se este
carvão => tipo mais abundante => valor calorífico elevado; alto teor de
enxofre (depene da região)
d) Antracito => carvão muito duro, elevado teor de C (>86% C)
e alto valor calorífico.
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CARVÃO MINERAL
CARVÃO MINERAL
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CARVÃO MINERAL
Material extraído da dissertação Oliveira, E. A. de (2009). PERSPECTIVAS DA GERAÇÃO TERMELÉTRICA A CARVÃO NO BRASIL NO
HORIZONTE 2010-2030
Tipos e usos do carvão
Brasil => 5 grandes regiões de reserva: Alto Amazonas, Rio Fresco,
Tocantins-Araguaia, Piauí, Brasil meridional = > RS (88%) e SC
(maiores recursos carboníferos)
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Cadeia produtiva do carvão
Impactos
1. Emissões de gases poluentes (SO2) => poluição do ar =>
alternativa: tecnologia scrubbers ou dessulfurização dos gases
2. Material particulado
3. Chuva ácida (reações químicas entre óxidos de nitrogênio,
enxofre e vapor de água)
4. Emissão CO2 => efeito estufa.
5. Mineração do carvão => degradação a área (recursos naturais
e animais).
6. Alterações climáticas
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USINA TERMOELÉTRICA
Conjunto de obras e equipamentos cuja finalidade
é a geração de energia elétrica (ex: termoelétrica
de ciclo combinado)
1ª etapa
(carvão, óleo ou gás)
2ª etapa (alta pressão)
3ª etapa
Termelétricas
Com a construção de 122 novas usinas, as termelétricas à base de
combustíveis fósseis devem aumentar sua participação na matriz de
energia elétrica brasileira de 17,7% para 23,1% nos próximos três
anos. Enquanto isso, a participação das hidrelétricas deve cair de
72,5% para 64,4%, mesmo com a construção de 311 novas usinas.
Como resultado, a matriz brasileira, frequentemente elogiada por
explorar fontes renováveis, deve aumentar sua dependência de
recursos não-renováveis e mais poluentes, como petróleo e gás. Os
dados constam de estudo divulgado nesta terça-feira pelo Instituto de
Pesquisa Econômica Aplicada (Ipea).
Material extraído da Revista Veja – Ciência - 15.02.2011
http://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/termeletricas-mais-poluentes-aumentam-participacao-na-energia-produzida-no-brasil
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USINA TERMOELÉTRICA – Gás natural
http://www.gasnet.com.br/upmr/upusers/as_saidas_brasileiras_tabela.gif
USINA TERMOELÉTRICA - Carvão
1. Usina Jorge Lacerda III e IV (625 MW) - Capivari de
Baixo (SC)
2. Presidente Medicí A e B (446 MW) – Candiota (RS)
3. Jorge Lacerda I e II (232 MW) - Capivari de Baixo (SC)
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USINA TERMOELÉTRICA
derivados do petróleo
1. Óleo combustível
2. Óleo diesel = > localidades mais distantes (Ex:Amazônia) e como
energia de backup (hospitais, shopping subestações, indústrias,
prédios) => Limitações: dificuldades de manutenção dos
equipamentos e logística de suprimento do combustível
3. Gasolina => usada em motores de pequeno portes, áreas rurais e
sistemas isolados
FONTES FUTURAS
1. Combustíveis sintéticos ==> conversão do carvão
a) em petróleo sintético ou óleo => processo de liquefação
(mesmo processo mas consiste na fase líquida)
b) gás natural => processo de gaseificação => aquecimento
do carvão com adição de hidrogênio
2. Petróleo de Xisto (rocha) => processo: extração + trituração +
aquecimento 330-480ºC.
3. Petróleo de areias betuminosas => extraídas misturas com água
quente ou vapor para se extrair o betume (substância altamente
viscosa) => Alberta, Canadá – maior fonte do mundo
Ler a matéria da revista em sala e discussão
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URÂNIO
URÂNIO
1. Elemento químico, metal branco-níquel, menos duro que o aço e em estado
natural encontra-se na crosta terrestre
2. Principais aplicações: geração de energia elétrica e produção de material
radioativo para medicina e agricultura
3. Reservas mundiais:
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ENERGIA NUCLEAR
Ciclo de combustível nuclear
Urânio triturado e moído = dispersão fina
que é lixiviada com H2SO4 = yellow cake
Gás hexafluoreto de urânio
(UF6)
Conversão UF6 em pó de UO2
e prensado em pastilhas
Fissão U235 – produção de calor = reação em cadeia
(depende de H2O e grafite)
Parte do U238 é convertida em Pu – 50% é fissionável
Disposição: Urânio usado ou combustível queimado
Usina nuclear
Submarino
nuclear
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Urânio usado ou
combustível queimado:
etapas adicionais
1. Estocagem: armazenamento em piscinas especiais para diminuição do calor
e radioatividade;
2. Reprocessamento: separação do urânio e o plutônio dos produtos residuais,
seccionando as varetas combustíveis e dissolvendo os pedaços em ácidos =
urânio retorna para etapa de conversão (reconversão) e o plutônio é misturado
ao urânio enriquecido;
3. Vitrificação: após reprocessamento, o resíduo líquido de alta atividade pode
ser calcinado para produzir um pó seco que é incorporado em vidro de
borosilicatado para imobilizar o resíduo. O vidro é vazado em contêineres de
aço inoxidável;
4. Disposição final: contêineres de aço inoxidável enterrados no subsolo.
REATORES NUCLEARES
Qual é a diferença de fissão nuclear num reator e numa
bomba atômica?
Reação em cadeia => conjunto de reações de fissão nuclear que se inicia,
geralmente, pelo bombardeamento com nêutrons e que continua
espontaneamente pela captação de nêutrons originados de fissões anteriores.
Ao final da reação, além dos produtos de fissão e de radiação, tem-se a
liberação de calor. Para que ocorra a reação em cadeia é necessária uma
quantidade mínima de urânio-235, pois senão a reação não se sustenta e
finaliza-se.
Num reator se tem a fissão nuclear de forma controlada. Nele, existem barras
de controle feitas de elementos que absorvem nêutrons que possibilitam,
portanto, o controle da reação em cadeia.
Numa bomba atômica o processo é extremamente rápido e não controlável, o
oposto do que ocorre no reator nuclear.
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O reator de água ferventeou BWR (Boiling Water Reactor) =>
Os feixes (130-180 barras de controle) são colocados no interior do núcleo e são
cobertos de água;
O núcleo e a água são confinados em um vaso de pressão do reator feito em
chapa especial de aço com 6’.
Objetivos da água => retirar a energia térmica produzida no processo de fissão e
desacelerar (moderar) os nêutrons produzidos na reação de fissão;
Barreira secundária => é um prédio hermeticamente fechado de concreto
reforçado com aço. Parte visível de uma usina nuclear.
Barreira primária => Estrutura de aço rodeada de concreto (1,2-1,8 m) que
protege o vaso de pressão do reator;
REATORES NUCLEARES
Reator de água pressurizada PWR (Pressurized Water Reactor) => É
constituído por três circuitos: primário, secundário e de água de refrigeração.
A água do circuito primário é aquecida pelo calor decorrente da fissão do urânio no
reator, chegando a uma temperatura de cerca de 320°C.
Em seguida, a água passa por tubulações até o gerador de vapor, onde vaporiza a
água do circuito secundário sem, no entanto, entrar em contato com ela.
O vapor resultante vai acionar a turbina, que movimentará o gerador e produzirá
eletricidade.
Neste tipo de reator, a água é mantida sob alta pressão para alcançar altas
temperaturas sem ebulição do sistema primário.
REATORES NUCLEARES
Os tipos de usina, em sua maioria, são do tipo PWR, que é igual a esse modelo
de Angra. Na França, 75% da energia elétrica gerada é energia nuclear, e no
Brasil é de 1,2%, correspondentes a Angra I e Angra II.
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Vaso do reator
Barreira primária
Câmara de supressão
REATORES NUCLEARES: BWR
Tanque de
armazenamento
Barreira
secundária
REATORES NUCLEARES: PWR
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ENERGIA NUCLEAR NO BRASIL
• 6ª maior reserva
• Abrange 6 Estados
brasileiros
• Corresponde 1% da
matriz energética
brasileira.
Trabalho 1 (segunda prova)
apresentação:
Os impactos positivos e negativos do uso do
XXXXX – Exemplificar com um artigo cientifico
(max. 10 slides).
1-Pétroleo: LARISSA, JAQUELINE, FELIPE
2-Gás: FAYNARA, LUCILA, VITOR E MANOEL
3- Carvão mineral: ANA PAULA, ISABELA,
ANTONIO
4- Urânio: DANILO, KIUSLANIA, PENHA
5- Xisto: LEONARDO, ELIANA,