Hidrogênio como Combustível e Energia Hidráulica

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Planejamento Integrado de Recursos Energéticos
Fernanda Machado
Aula 8
Hidrogênio como Combustível
“A economia do hidrogênio”
	Novo paradigma econômico;
	Baseado no hidrogênio como vetor energético;
	Libertação da economia dependente quase exclusivamente de recursos não-renováveis.
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Hidrogenio_energético_completo
A economia do hidrogênio tem sido utilizada para descrever um
novo paradigma econômico baseado no hidrogênio como vetor energético e não mais numa
economia dependente quase exclusivamente de recursos não-renováveis, como o petróleo e
seus derivados.
A chamada “economia do hidrogênio” se refere a um sistema de comercialização de energia, baseado no hidrogênio, que substituiria a economia dos combustíveis fósseis. O mundo ainda se encontra na fase de pesquisa e desenvolvimento dessa economia. 
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Hidrogênio
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	H2;
	Gás incolor;
	Inodoro;
	Inflamável;
	Sol;
	Pouca quantidade na Terra.
© 3dalia | Dreamstime.com
Na terra não existe o hidrogénio livre, estando sempre associado a outros
elementos e para ser obtido “puro” é necessário gastar energia na dissociação de uma
fonte primária. Sendo assim, o hidrogénio não é uma fonte primária de energia mas sim,
uma fonte intermediária, por isso não deve ser referido como uma fonte energética, pois
é apenas um vector energético, isto é, uma moeda de troca.
A escolha do melhor método de produção do hidrogénio depende da
quantidade que queremos produzir e do seu grau de pureza.
As tecnologias de produção do hidrogénio necessitam de energia sobre alguma
forma como calor, luz ou electricidade de forma a que se inicie o processo. São bastante
diversificadas, sendo de salientar as seguintes.
O hidrogênio, como substância, é um gás incolor, inodoro e inflamável, presente em grande quantidade no sol e em traços, no ambiente. É formado por dois átomos do elemento químico hidrogênio (H2) ligados covalentemente e é a substância química de menor massa molecular encontrada na Natureza. 
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Histórico
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Alternativas energéticas
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, génos = 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.
A primeira célula combustível foi produzida no século XVIII por Willian R. Grove1, mas foi só durante a corrida espacial, na década de 1960, que uma célula combustível construída pela GE foi usada comercialmente pela primeira vez.2 Com o abandono do programa espacial, ela foi relegada a segundo plano por seu alto custo, mas voltou a despertar interesse após a crise do petróleo, como várias outras formas de energia. 
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Hidrogênio e Suas Tecnologias
A produção de H2 pode ser feita por:
Reforma de Hidrocarbonetos;
Eletrólise da água;
Gaseificação da biomassa.
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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.
Na terra não existe o hidrogénio livre, estando sempre associado a outros
elementos e para ser obtido “puro” é necessário gastar energia na dissociação de uma
fonte primária. Sendo assim, o hidrogénio não é uma fonte primária de energia mas sim,
uma fonte intermediária, por isso não deve ser referido como uma fonte energética, pois
é apenas um vector energético, isto é, uma moeda de troca.
A escolha do melhor método de produção do hidrogénio depende da
quantidade que queremos produzir e do seu grau de pureza.
As tecnologias de produção do hidrogénio necessitam de energia sobre alguma
forma como calor, luz ou electricidade de forma a que se inicie o processo. São bastante
diversificadas, sendo de salientar as seguintes. 
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Hidrogênio e Suas Tecnologias
A reforma é um processo em que os hidrocarbonetos – substâncias orgânicas constituídas de átomos de carbono e de hidrogênio – sofrem uma transformação química e, como consequência, liberam gás hidrogênio. 
Esta tecnologia é usada pela indústria, sendo a maioria do hidrogénio obtido
pelo “processamento do vapor” de gás natural (metano):
15.pdf
O hidrogénio que é possível aproveitar do gás natural através deste processo
andará na casa dos 70 a 90%.
Com estes combustíveis fósseis como o metano (CH4), propano (C3H8), butano
(C4H10) e octano (C8H18) que contêm hidrogénio na sua constituição, têm-se uma forma
económica de se obter o gás hidrogénio.
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Reforma de Hidrocarbonetos
Desvantagens
	A produção de H2 fica mais cara do que empregar a combustão direta do combustível primário;
	Emprego de combustíveis fósseis;
	Produção de CO2.
 
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Hidrogênio e Suas Tecnologias
A reforma é um processo em que os hidrocarbonetos – substâncias orgânicas constituídas de átomos de carbono e de hidrogênio – sofrem uma transformação química e, como consequência, liberam gás hidrogênio. 
15.pdf
O hidrogénio que é possível aproveitar do gás natural através deste processo
andará na casa dos 70 a 90%.
Com estes combustíveis fósseis como o metano (CH4), propano (C3H8), butano
(C4H10) e octano (C8H18) que contêm hidrogénio na sua constituição, têm-se uma forma
económica de se obter o gás hidrogénio.
A primeira é que a produção de
hidrogénio com este método, para responder a um consumo posterior fica mais cara por
unidade energética, do que se o combustível primário for simplesmente usado por
combustão. A segunda é que este método só se aplica aos combustíveis fósseis que são
uma fonte não renovável de energia e um dia irão deixar de ser usados como fonte de
energia. A terceira é o dióxido de carbono que se liberta para o meio ambiente.
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Hidrogênio e Suas Tecnologias
Define-se por eletrólise ou eletroquímica o processo, no qual se induz artificial e forçadamente uma corrente, seja ela elétrica ou química, no sistema, a fim de se obter uma reação química, convertendo energia elétrica em energia química ou vice-versa.1 De um modo resumido, quando os dois compostos entram em contato químico, seus elementos são separados através da corrente elétrica de energia química, forçada.2 Em tal processo, ocorre primeiramente a decomposição (ionização ou dissociacão) do composto em íons. Posteriormente, com a passagem de uma corrente contínua através destes íons, são obtidos os elementos químicos. O processo da eletrólise é uma reação de oxirredução oposta àquela que ocorre numa célula galvânica (mais conhecida como pilha ou bateria), constituindo um fenômeno físico-químico não espontâneo.
Este método baseia-se na utilização da energia elétrica, para separar os componentes da água (hidrogénio e oxigénio), sendo o rendimento global do processo da ordem dos 95%.
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 
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Eletrólise da água
Vantagens:
	Alto rendimento: 95%;
	Energia elétrica pode ser proveniente de fontes renováveis (eólica, solar, hidráulica, etc);
	Energia limpa.
Desvantagem:
	Reação não é espontânea – consome energia.
 
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Hidrogênio e Suas Tecnologias
Define-se por eletrólise ou eletroquímica o processo, no qual se induz artificial e forçadamente uma corrente, seja ela elétrica ou química, no sistema, a fim de se obter uma reação química, convertendo energia elétrica em energia química ou vice-versa.1 De um modo resumido, quando os dois compostos entram em contato químico, seus elementos são separados através da corrente elétrica de energia química, forçada.2 Em tal processo, ocorre primeiramente a decomposição (ionizaçãoou dissociacão) do composto em íons. Posteriormente, com a passagem de uma corrente contínua através destes íons, são obtidos os elementos químicos. O processo da eletrólise é uma reação de oxirredução oposta àquela que ocorre numa célula galvânica (mais conhecida como pilha ou bateria), constituindo um fenômeno físico-químico não espontâneo.
Este método baseia-se na utilização da energia elétrica, para separar os componentes da água (hidrogénio e oxigénio), sendo o rendimento global do processo da ordem dos 95%.
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Gaseificação da Biomassa
	Conversão de combustíveis sólidos em gasosos;
	Reações termoquímicas que envolvem vapor quente e oxigênio;
	CO, H2, CH4 e CO2.
Vantagem: produção de H2 de resíduos renováveis;
Desvantagem: produção acompanhada por gases do efeito estufa.
 
 
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Hidrogênio e Suas Tecnologias
como o próprio termo indica, gaseificação é um processo
de conversão de combustíveis sólidos em gasosos, por meio de reações
termoquímicas, envolvendo vapor quente e ar, ou oxigênio, em quantidades
inferiores à estequiométrica (mínimo teórico para a combustão). Há
vários tipos de gaseificadores, com grandes diferenças de temperatura
e/ou pressão. Os mais comuns são os reatores de leito fixo e de leito fluidizado.
O gás resultante é uma mistura de monóxido de carbono, hidrogênio,
metano, dióxido de carbono e nitrogênio, cujas proporções variam
de acordo com as condições do processo, particularmente se é ar ou oxigênio
que está sendo usado na oxidação.
A produção de hidrogénio com este método pode ser o resultado da alta
temperatura que o gaseifica, bem como das pirólises de baixa temperatura resultantes da
biomassa (resíduos de aglomerados, madeira, mato da limpeza das florestas, resíduos
agrícolas, etc...)
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Principal Utilização
	Célula combustível - um dispositivo que produz energia elétrica a partir de reações eletroquímicas.
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www.tramaweb.com.br
Célula combustível –uma bateria ou um dispositivo que produz energia elétrica a partir de reações eletroquímicas produz energia enlétrica utilizando como combustível o hidrogenio.
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Considerações Finais
	Hidrogênio como combustível: produção, armazenamento e funcionamento das células a combustível.
	Tecnologia interessante: 
Matéria-prima: água e biomassa.
Resíduo de combustão: água.
	Energia limpa.
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A economia do hidrogênio, isto é, a economia que tem o hidrogênio como principal combustível em lugar do petróleo, ainda está em seu estágio inicial. Várias questões ainda precisam ser respondidas a respeito da produção e do armazenamento do hidrogênio e do funcionamento das células a combustível. 
Mesmo com as dificuldades surgidas, o uso do hidrogênio continua a ser uma tecnologia tentadora, por vários motivos: sua matéria-prima pode ser água, ele pode ser transportado em tanques para gerar eletricidade in situ, e o resíduo de sua combustão é água. Em um mundo cada vez mais preocupado com a renovabilidade dos recursos e com os resíduos gerados, essas vantagens de um combustível de veículos não podem ser levianamente deixadas de lado. 
A economia do hidrogênio pode não ter uma data fixa para chegar, mas as células a combustível como fontes altamente confiáveis de energia, eventualmente encontrarão seu nicho no mix energético do futuro 
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Energia Hidráulica
Definição
Obtenção de energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio.
	Recurso Renovável – ciclo da água
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Energia Potencial Energia Cinética
Energia e Meio Ambiente
A energia hidráulica foi a fonte natural utilizada para abastecer estes geradores. A energia
hidráulica converte energia potencial em energia cinética, em virtude de mudanças de elevação.
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Informações Gerais
	Água – recurso natural mais abundante da Terra.
	Volume estimado – 1,36 bilhão de km3.
	Recobre 2/3 do volume do planeta – oceanos, calotas polares, rios, lagos e aquíferos subterrâneos.
	
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A água é o recurso natural mais abundante na Terra: com um
volume estimado de 1,36 bilhão de quilômetros cúbicos (km3)
recobre 2/3 da superfície do planeta sob a forma de oceanos,
calotas polares, rios e lagos. Além disso, pode ser encontrada
em aquíferos subterrâneos, como o Guarani, no Sudeste brasileiro.
A água também é uma das poucas fontes para produção
de energia que não contribui para o aquecimento global – o
principal problema ambiental da atualidade. E, ainda, é renovável:
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Geração de energia elétrica no mundo por tipo de combustível
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 Fonte: IEA, 2008 apud BRASIL, 2008 – Energia Hidráulica, capítulo 3.
Mesmo assim, a participação da água na matriz energética mundial
é pouco expressiva e, na matriz da energia elétrica, decrescente.
Segundo o último relatório Key World Energy Statistics,
da International Energy Agency (IEA), publicado em 2008, entre
1973 e 2006 a participação da força das águas na produção total
de energia passou, conforme o Gráfico 3.1 abaixo, de 2,2%
para apenas 1,8%. No mesmo período, como mostra a seguir o
Gráfico 3.2, a posição na matriz da energia elétrica sofreu recuo
acentuado: de 21% para 16%, inferior à do carvão e à do gás
natural, ambos combustíveis fósseis não-renováveis, cuja combustão
é caracterizada pela liberação de gases na atmosfera e sujeitos a um possível esgotamento das reservas no médio e
longo prazos. Vários elementos explicam esse aparente paradoxo.
Um deles relaciona-se às características de distribuição
da água na superfície terrestre. Do volume total, a quase totalidade
está nos oceanos e, embora pesquisas estejam sendo
realizadas, a força das marés não é utilizada em escala comercial
para a produção de energia elétrica (para detalhamento,
ver capítulo 5). Da água doce restante, apenas aquela que flui
por aproveitamentos com acentuados desníveis e/ou grande
vazão pode ser utilizada nas usinas hidrelétricas – características
necessárias para a produção da energia mecânica que movimenta
as turbinas das usinas.
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Usina Hidrelétrica
	Conjunto de obras e equipamentos cuja principal finalidade é a geração de energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio.
	Potencial hidráulico: vazão hidráulica e desníveis existentes no curso do rio. 
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Componentes da Usina Hidrelétrica
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	Reservatório: formado pelo represamento das águas de um rio, por meio da construção de uma barragem.
	Sistema de captação: canal ou túnel que conduz água em alta pressão para casa de força.
	Casa de força: composta por turbinas hidráulicas e geradores elétricos onde a será gerada energia elétrica.
Detalhar o que são turbinas e geradores
http://pt.slideshare.net/CacauMelchiades/hidreltricas
http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/5034/index.html?sequence=5
A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do
rio e permitir a formação do reservatório. Além de “estocar” a
água, esses reservatórios têm outras funções: permitem a formação
do desnível necessário para a configuração da energia
hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regularização
da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do
rio e permitir a formação do reservatório. Além de “estocar” a
água, esses reservatórios têm outras funções: permitem a formação
do desnível necessário para a configuração da energia
hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regularização
da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do
rio e permitir a formação do reservatório. Além de “estocar” a
água, esses reservatórios têm outras funções: permitem a formação
do desnível necessário para a configuração da energia
hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regularização
da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. A barragem tem por objetivo interromper o curso normal do
rio e permitir a formação do reservatório. Além de “estocar” a
água, esses reservatórios têm outras funções: permitem a formaçãodo desnível necessário para a configuração da energia
hidráulica, a captação da água em volume adequado e a regularização
da vazão dos rios em períodos de chuva ou estiagem. Algumas usinas hidroelétricas são chamadas “a fio d’água”, ou
seja, próximas à superfície e utilizam turbinas que aproveitam
a velocidade do rio para gerar energia. Essas usinas fio d’água
reduzem as áreas de alagamento e não formam reservatórios
para estocar a água ou seja, a ausência de reservatório diminui
a capacidade de armazenamento de água, única maneira
de poupar energia elétrica para os períodos de seca.
Os sistemas
de captação e adução são formados por túneis, canais ou
condutos metálicos que têm a função de levar a água até a casa
de força. É nesta instalação que estão as turbinas, formadas
por uma série de pás ligadas a um eixo conectado ao gerador.
Durante o seu movimento giratório, as turbinas convertem a
energia cinética (do movimento da água) em energia elétrica
por meio dos geradores que produzirão a eletricidade. Depois
de passar pela turbina, a água é restituída ao leito natural do
rio pelo canal de fuga. Por último, há o vertedouro. Sua função é permitir a saída da
água sempre que os níveis do reservatório ultrapassam os
limites recomendados. Uma das razões para a sua abertura
é o excesso de vazão ou de chuva. Outra é a existência de
água em quantidade maior que a necessária para o armazenamento
ou a geração de energia. Em períodos de chuva, o
processo de abertura de vertedouro
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	Canal de fuga: local onde a água é devolvida ao leito natural.
	Vertedouro: sua função é permitir a saída de água sempre que os níveis do reservatório ultrapassem dos limites recomendados. Evita alagamentos na região da usina. 
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Componentes da Usina Hidrelétrica
Usina Hidrelétrica
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wikipedia.org
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Fonte: Aneel, Energia Hidráulica - cap. 3.
Usina Hidrelétrica
Vantagens
	Utilização de fonte renovável.
	Não gera resíduos poluentes.
	Custo baixo de produção. 
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Desvantagens
	Ocupam áreas extensas.
	Construção gera impacto ambiental.
	Alteração do fluxo de água afeta ecossistema dos rios e florestas.
	Elevado custo e tempo de instalação. 
	Dependentes de fatores climáticos.
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Planejamento Integrado de Recursos Energéticos
Fernanda Machado
Atividade 8
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	Quais são as principais usinas hidrelétricas do Brasil?
	Quais são os rios que abastecem essas usinas e suas capacidades instaladas?
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*Empreendimento em construção/ **Capacidade instalada da usina de Itaipu refere-se à parcela pertencente ao Brasil. Fonte: Reis, Fadigas e Carvalho (2012).
	Usinas	Rio	Capacidade instalada (MW)
	Belo Monte*	Xingu	11.233
	Itaipu**	Paraná	6.300
	Tucuruí	Tocantins	4.200
	Jirau*	Rio Madeira	3.450
	Xingó	São Francisco	3.000
	Ilha Solteira	Paraná	3.444
	Santo Antônio*	Rio Madeira	3.150
	Paulo Afonso 4	São Francisco	2.460
	Itumbiara	Paranaíba	2.280
	São Simão	Paranaíba	1.710