Produção de energia

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Produção de energia
Energia no mundo
Em 1850 o carvão, o petróleo e o gás natural forneciam 5% da energia consumida mundialmente. 
Atualmente 87% de todo o combustível consumido no mundo é de origem fóssil. 
Combustível fóssil (combustível mineral) é um grupo de substância formada de composto de carbono, usados para alimentar a combustão. São usados como combustíveis, o carvão mineral, o petróleo e o gás natural. 
Da quantidade total de carvão, petróleo e gás natural até agora queimada em benefício da humanidade menos de 10% foi consumida no século XIX e mais de 90% no século XX. 
Energia no Brasil
O maior setor consumidor de energia elétrica no Brasil é o industrial, seguido pelo residencial, depois pelo comercial e depois por outros.
Energia na indústria
As fontes de energia usadas no setor industrial são:
· Gás natural: onde houve aumento no consumo ao longo dos anos.
· Carvão mineral: onde houve aumento no consumo ao longo dos anos.
· Lenha: onde houve diminuição no consumo ao longo dos anos.
· Bagaço de cana: onde houve diminuição no consumo dos anos 1970 a 2000 e depois aumento no ano 2008.
· Óleo combustível: onde houve diminuição no consumo ao longo dos anos.
· Gás de Coqueira: onde o consumo se manteve baixo ao longo dos anos.
· Coque de carvão mineral: onde houve aumento no consumo ao longo dos anos, tendo uma diminuição apenas no ano 2008.
· Eletricidade: onde houve aumento no consumo ao longo dos anos.
· Carvão vegetal: que aumentou e diminui seu consumo ao longo dos anos.
Geração de vapor
No processo de geração de energia com vapor no século XVII, o vapor d'água fornecia grande parte da energia consumida nas industrias pelas caldeiras, e a alta pressão tinha maior eficiência da produção de energia elétrica. 
Na geração de vapor o trabalho do engenheiro é equilibrar as exigências de energia obtida pela expansão do vapor, com as demandas do vapor de descarga da máquina a vapor, ou da turbina, de modo a não haver excesso de nenhuma delas. 
Os dois tipos principais de caldeiras são tubos de fogo e tubos de água. 
A caldeira a tubos de fogo é usualmente de capacidade pequena ou média e projetada para gerar vapor de água a pressão moderada. O fogo passa através de tubos. Tem baixo custo inicial. Possui reservatório de água quente, relativamente grande. É vantajosa em usinas pequenas. Pode acumular grandes quantidades de vapor. São as caldeiras das locomotivas a vapor. 
As caldeiras a tubos de água são usadas quase exclusivamente em estações estacionárias. A água fica nos tubos e pode ser convertida a vapor mais rápido que nas caldeiras a tubos de fogo. Tem eficiência mais elevada. Demandam grande massa de evaporação em pressões acimas de 10 atm. Água de má qualidade: fratura, corrosão, incrustações, perda de eficiência, etc. 
Outras formas de transferência de calor: 
1. aquecimento a chama direta (abaixo de 150 °C) com baixo custo, mas risco de incêndio.
2. aquecimento a chama indireta (acima de 150 °C) com baixo custo operacional, mas equipamento elaborado e risco de incêndio. 
3. Óleo quente (150 a 320 °C) com bom controle, mas investimento inicial elevado e há carbonização do óleo.
4. Dowtherm (200 a 400 °C) com bom controle, custo operacional moderado, mas investimento inicial elevado. 
5. Vapor de mercúrio (320 a 650 °C) com bom controle, custo operacional moderado, mas o mais elevado investimento inicial.
6. Mistura de sais (120 a 480 °C) com bom controle e boa transferência de calor nas temperaturas elevadas. 
7. Aquecimento elétrico (acima de 150 °C) o de controle mais exato, mas com o custo operacional elevado. 
O aquecimento direto ou indireto, a carvão ou a gás, tem uma eficiência surpreendente, quando o forno está bem projetado. A chama exposta, entretanto, constitui risco de incêndio. 
Em condições em que não há carbonização do óleo, este meio de transferência de calor é tão empregado que existem no mercado fornalhas para o aquecimento do óleo e equipamento para transferência de calor. 
O dowtherm é estável em temperaturas mais elevadas que o óleo. Pode ser empregado como vapor. 
O mercúrio tem muito êxito no controle do calor de reação.
Sais inorgânicos são demandas modernas em larga escala, para remover o calor de processos de craqueamento de petróleo. 
A eletricidade é mais eficiente, mas cômoda, mais exata, mais segura e mais custosa. 
Combustíveis fósseis
Existem três classes de combustíveis fósseis: sólidos (carvão), líquidos (óleo combustível e derivados do petróleo), gasosos (gás natural).
O carvão mineral é um combustível de origem fóssil resultante da transformação química do soterramento de troncos, raízes, galhos e folhas de árvores, sendo que esse processo leva milhões de anos para se desenvolver. O tempo e as condições (pouco oxigênio, pressão da terra, altas temperaturas, etc.) em que esses vegetais ficam depositados, favorecem a formação de uma massa negra homogênea, denominada jazida de carvão mineral. 
No século XVIII o carvão mineral passou a ser utilizado como fonte energética, substituindo, gradativamente, a lenha, que era a principal fonte de energia utilizada pelo homem. A intensificação do seu uso proporcionou subsídios para o desenvolvimento industrial, e o carvão mineral foi essencial durante a Primeira Revolução Industrial.
Os maiores produtores mundiais de carvão são: 1º China, 2º Estados Unidos, 3º Austrália, 4º Índia, 26º Brasil (Região sul)
Por ser um combustível não renovável, o carvão irá exaurir-se na natureza e, de acordo com a AIE, caso se mantenha o ritmo de consumo as últimas décadas, isso ocorrerá em menos de 200 anos. 
No Brasil o carvão tem um potencial pouco elevado, devido a sua baixa qualidade, já que apresenta altos níveis de cinzas e enxofre. Porém, é muito usado na obtenção de energia em termelétricas.
O carvão mineral, constituído principalmente por carbono, oxigênio e hidrogênio, classifica-se geralmente em 4 tipos: turfa, linhito, hulha, antracito.
A hulha ou carvão betuminoso é o principal combustível utilizado em um alto forno, local em que é fundido o minério de ferro para a produção do ferro metálico e aço. 
O carvão pulverizado é usado na combustão em suspensão nas instalações termoelétricas. Possui elevada eficiência térmica com que se pode ser queimado. Baixo custo de operação e manutenção e maior flexibilidade. 
Na queima do carvão pulverizado, as cinzas são arrastadas da fornalha e carregada juntamente com os gases de combustão. Essas cinzas são removidas do gás de chaminé, sendo usada em tijolos, em elementos de construção e no concreto. 
Os impactos ambientais causados pelo carvão mineral é a liberação de dióxido de carbono que polui a atmosfera causando chuvas ácidas e efeito estufa. Além disso há outros agravantes como descartes de resíduos sólidos e riscos durante sua exploração nas jazidas. 
O óleo combustível é o combustível líquido comercial mais usado na geração de energia industrial. É uma fração do óleo cru que não pode ser convertida, economicamente, na refinaria, a produtos mais valiosos, como a gasolina. 
O óleo combustível derivado de petróleo é também chamado óleo combustível pesado ou óleo combustível residual. 
A composição complexa dos óleos combustíveis depende do petróleo que os originou e do tipo de processo e misturas que sofreram nas refinarias, de modo que pode-se atender às várias exigências do mercado consumidor numa ampla faixa de viscosidade. 
É largamente utilizado na indústria para aquecimento de fornos e caldeiras e em motores de combustão interna para geração de calor.
A escolha do óleo combustível como fonte energética em equipamentos industriais prevê o máximo de eficiência possível na queima dos mesmos. 
O equipamento de queima de óleo apresenta, em geral, eficiência mais elevada (75%) do que as caldeiras a carvão.
Os custos de mão de obra são usualmente baixos. 
Entretanto, a perda de calor, produzido pela combustão do hidrogênio do combustível é cerca de 2x mais alta que as perdas no carvão betuminoso.
Outros combustíveis líquidos são alcatrão, óleo de alcatrão (creosoto), querosene,benzina e álcool e eles são consumidos em quantidade muito menor que o óleo combustível. 
O gás natural é composto por uma mistura de hidrocarbonetos leves (metano, etano, propano, butano e outros gases em menores proporções) que submetido à temperatura ambiente e pressão atmosférica permanece no estado gasoso. 
É uma fonte energética encontrada na natureza em duas formas distintas: jazidas e decomposição da matéria orgânica. 
O gás natural encontrado em jazidas normalmente está associado ao petróleo. 
Constitui reservas finitas, e, conforme pesquisas realizadas pela IEA (Agência Internacional de Energia), caso se mantenha o ritmo de consumo médio da última década as jazidas de gás natural irão se esgotar em 100 anos. 
Essa fonte energética agride menos o meio ambiente que o petróleo e o carvão mineral. No entanto, por ser de origem fóssil, sua combustão contribui para o efeito estufa. 
Já o biogás, obtido através da biomassa, é um combustível renovável. Sua utilização é menos impactante e os custos econômicos são menores. 
As tubulações responsáveis pelo envio de gás natural das fontes produtoras são os gasodutos. 
O Brasil possui uma extensa malha de gasodutos. 
Depois de tratado e processado, o gás natural pode ser utilizado nas indústrias, residências, automóveis e comércio. 
Nas indústrias, sua utilização ocorre, principalmente, para a geração de eletricidade. 
Com o gás natural também é possível fazer a geração de energia elétrica em uma central térmica ou termoelétrica. A geração é feita através da queima do gás natural nas turbinas que acionam os geradores de energia. 
Vantagens das termoelétricas movidas a gás natural:
· Baixo impacto ambiental (produzem "energia limpa")
· Podem ser construídas próximos aos centros de consumo
· São mais seguras do que as termelétricas convencionais
· São economicamente mais vantajosas
· Pode ser construída em menos tempo e com menor investimento, se comparadas às convencionais
· Necessitam de menos empregados para o seu funcionamento
Energia nuclear
Energia nuclear é o uso controlado das reações nucleares para a obtenção de energia para realizar movimento, geração de calor e eletricidade. Ocorre espontaneamente em alguns elementos; em outros se deve provocar a reação mediante técnicas de bombardeamento de nêutrons ou outras. 
Os elementos mais usados como fonte de energia nuclear são tório (fissão assistida), urânio (atualmente o mais usado) e actínio (altamente radioativo, com radioatividade 150 vezes maior do que o urânio).
As vantagens da energia nuclear é que ela é menos poluente, ocupa pouco espaço de construção e usa menor quantidade de material. 
As desvantagens são que os rejeitos nucleares produzidos pelas usinas são substancias altamente radioativa, os elementos levam 300 anos para ficar inofensivos, estimula o desenvolvimento de armas de destruição em massa e há riscos de vazamento nuclear.
Energia hidrelétrica
A energia hidrelétrica é a obtenção de energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio. 
Para que esse processo seja realizado é necessária a construção de usinas em rios que possuam elevado volume de água e que apresentem desníveis em seu curso. 
Embora evitem a queima de combustíveis fósseis, as hidrelétricas não são tão sustentáveis. Elas provocam alterações climáticas, afetam a biodiversidade a vida nas comunidades do entorno e aumentam a emissão de gás metano, que tem um potencial de aquecimento 60x maior que o do CO2, entre outros impactos.
Energia das ondas
A energia das ondas provém do aproveitamento das ondas oceânicas. É uma energia "limpa", isto é, sem quaisquer custos para o ambiente. 
Energia geotérmica
O interior da Terra é muito mais quente que a superfície e esta diferença de temperaturas pode ser aproveitada para a transformação em outros tipos de energia. 
Células a combustível
Células a combustível são dispositivos de conversão de energia que geram eletricidade e calor pela combinação eletroquímica de um combustível gasoso e um gás oxidante por meio de eletrodos, através de um íon eletrólito condutor. Produz energia mais limpa, eficiente e sustentável devido a elevada densidade de energia, emissões relativamente baixas, baixa temperatura de operação, baixo peso, terem respostas rápidas e serem compactas. Não necessita de recarga. Possui conversões muito mais eficientes que os sistemas termomecânicos. São dispositivos silenciosos. 
Energia eólica
Um aerogerador é um gerador elétrico no eixo de um cata-vento (é um dispositivo que aproveita a energia dos ventos para acionar um gerador de corrente elétrica).
As primeiras utilizações de energia eólica datam do ano 4.000 a.C. em embarcações. Por volta de 1.000 a.C. os fenícios, pioneiros na navegação comercial, se utilizavam de barcos movidos exclusivamente a força dos ventos. As embarcações a vela dominaram os mares durante séculos, até que o surgimento do navio a vapor, em 1807 veio dividir este domínio. 
Energia das marés
As marés que animam os oceanos é fonte de energia mecânica, limpa e inesgotável qu pode ser captada por turbinas para gerar eletricidade. 
Energia solar
Quase todas as fontes de energia - hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos - são formas indiretas de energia solar. 
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. 
Vantagens da energia solar:
· A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente. 
· As centrais necessitam de manutenção mínima. 
· Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que o custo dos mesmo vem decaindo. Isto torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável. 
· A energia solar é uma excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão. 
Desvantagens da energia solar:
· Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação climatérica (chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia. 
· Locais em latitudes médias e altas sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens, tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade.