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As diversas fontes de energia, desde as tradicionais como combustíveis fósseis até as renováveis como solar, eólica e energia das marés. Explora a importância de fontes alternativas e os desafios da transição energética, além de discutir tecnologias promissoras como células de combustível e energia nuclear.
Tipologia: Trabalhos
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Carlos Alexandre Devitte – RA: 200090308 Eder Martim – RA: 201090326 Max Murilo Rossete – RA: 201090278 Mozaike dos Reis – RA: 200090282 Thiago A. Tiengo – RA: 200090168 Prof: Julio César Martins De Oliveira Piracicaba - SP, 04 de novembro de 2010.
A história da humanidade se confunde com a história da energia, pois a primeira energia utilizada pelo homem foi a de seus próprios corpos na luta pela sobrevivência num mundo onde somente os fortes sobreviviam. Começa na pré- história quando os homens das cavernas descobriram as utilidades do fogo para sua alimentação e proteção. No início quando um raio (descarga atmosférica) incendiava a vegetação eles pegavam as madeiras em chamas e as carregavam em suas andanças, mantendo-as acesas o tempo todo, pois ainda não sabiam como fazer o fogo. Logo, com a descoberta do homem pré-histórico de como fazer fogo, com o atrito de pedras e madeiras, onde as fagulhas incendiavam a palha seca, começou então o domínio do homem sobre a produção de energia em seu benefício, como cozer os alimentos, aquecer as noites frias, iluminar e afastar os animais e outros grupos inimigos. Mais tarde ele usaria o fogo para derreter os minerais e forjar suas armas e ferramentas para o trabalho, como também usar o fogo para dar resistência às peças cerâmicas que produziam. Também foi marcante na história da energia quando o homem passou a utilizar a energia dos animais que domesticavam, para realizar os trabalhos mais pesados, como arar a terra, girar moendas e os transportes de cargas. A energia dos ventos teve papel importantíssimo para o desenvolvimento da humanidade, pois foi o grande responsável pelas descobertas dos grandes navegadores europeus, que se aventuravam em suas caravelas movidas pela força dos ventos para navegarem pelos mares, descobrindo e colonizando novos continentes. A energia dos ventos também teve grande importância na transformação dos produtos primários através dos moinhos de vento que foram um dos primeiros processos industriais desenvolvidos pelo homem. Mais foi no século XVIII com a invenção da Máquina a Vapor que deu início a era da Revolução Industrial na Europa, marcando definitivamente o uso e a importância da energia para os tempos modernos que se iniciavam. As invenções da Locomotiva e dos teares mecânicos foram umas das primeiras aplicações para o uso da energia das máquinas a vapor, em seguida vieram muitas outras como os navios movidos a vapor que contribuíram imensamente para o desenvolvimento do comércio por toda
parte do mundo.Na metade do século XIX inicia-se a utilização das novas fontes de energia conhecidas como petróleo e eletricidade, que seriam as responsáveis pelo grande salto no desenvolvimento da humanidade, fazendo com que chegássemos aos dias de hoje, podendo ultrapassar as fronteiras do espaço e disponibilizando todo o conforto e perspectivas que nossas vidas passaram a ter em função do incremento dessas duas fontes de energia.
2. INTRODUÇÃO São muitos os desafios da humanidade em busca de fontes alternativas de energia, é sabido que o consumo crescente de energia elétrica no planeta esta relacionado com o progresso e conforto de cada um. A nação que não correr de atrás de fontes alternativas de energia corre o risco de sofrer, em curto tempo, sérias conseqüências pela falta da mesma. Países que somente se utilizam fontes de energias não renováveis, o caso dos combustíveis fosseis e seus derivados, estão com seus dias contados, as perspectivas de que estes tipos de fontes de energia venham a se esgotar em curto espaço de tempo são muito grandes, os consumos mundiais são crescentes em todas as classes sociais. Logo, cada nação deve procurar pelo melhor método a ser aplicado, de acordo com sua posição no planeta e seu poder econômico, o seu sistema de geração de energias alternativas. São muitas as alternativas, mais poucas ainda têm o poder de gerar energia elétrica com potências suficientes para abastecer grandes cidades, e gerar combustíveis para os meios de transporte em massa, pesquisas estão avançando neste sentido. Combustíveis alternativos como o Biodiesel e o Hidrogênio para transporte, estão em boa fase de desenvolvimento, sendo que para obter o Hidrogênio o processo ainda esta muito caro, devido ao processo de eletrólise. As fontes de energia limpas e renováveis estão ganhando espaço, muitas pesquisas estão sendo feitas nesta área com o objetivo de baratear o valor do kWh. Em destaque podemos citar a energia solar fotovoltaica que a cada dia que passa esta cada vez mais ganhando seu espaço em países onde há uma boa incidência dos raios solares.
3.2 Armazenamento de energia Note-se que o princípio de conservação é facilmente confundido com a idéia de ‘armazenamento’ de energia no interior de um sistema material. No século dezessete formou-se a idéia de que o trabalho que um sistema podia realizar era ‘armazenado’ de alguma maneira no interior do próprio sistema e que o ‘trabalho armazenado’ era sempre igual ao ‘trabalho realizado’. Não sabemos o que a energia é. Todavia, se falamos que a energia pode ser armazenada, está-se assumir que sabemos o que é – "como queijo armazenado no frigorífico, talvez", na pitoresca imagem de Benyon pergunta, então, ‘como a energia é armazenada no objeto e onde? A ‘energia’ é uma quantidade abstrata, um conceito inventado por conveniência do estudo da Natureza. Como se pode então, armazenar uma abstração? E, comparando energia com os números, outra abstração, como se pode armazenar um número? Pode-se evidentemente armazenar objetos em forma de números ou quantidades de objetos correspondentes a números, mas não os números em si. Benyon sugere, então, que a idéia do armazenamento de energia decorre da energia ser tratada não como um conceito físico abstrato mas como algo real, como um fluido ou um combustível que possa ser armazenado ou transferido de um corpo a outro. Freqüentemente o conceito de armazenamento de energia refere-se a combustível, como se houvesse energia, geralmente referida como energia química, armazenada no combustível. Um exemplo é ilustrativo: Um pedaço de carvão, não possui energia química neste sentido, pois não pode, por si só, ser transformado em gás carbônico e libertar energia. O que ocorre é que a mistura inicial do carvão e oxigênio está num estado energético mais alto que o produto da combustão, gás carbônico, tal como a pedra antes de cair estava numa posição mais alta. Durante sua queima, os átomos de carbono reagem quimicamente com as moléculas de oxigênio do ar num processo exotérmico, o que significa que a diferença positiva no valor da energia química do sistema é transferida para o meio ambiente em forma de calor, neste caso, aquecendo o ar circundante, por exemplo. Note-se , todavia, para que essa reação de combustão aconteça, é necessário que a mistura seja aquecida a 750 ºC, isto é, é necessária a transferência de energia em forma de calor à mistura de carvão e oxigênio antes que a reação aconteça, mais um motivo para não fazer sentido dizer-se que ‘o carvão tem energia’. Outra analogia fornecida por McClelland é interessante: Se algo será armazenado em
sentido metafórico, deverá estar associado a algo material que possa ser armazenado fisicamente. Assim, podemos armazenar combustíveis e podemos armazenar livros; mas há tanto sentido falar em armazenar energia quanto armazenar informação. Um livro não contém informação mas apenas manchas de tinta sobre folhas de papel – cabe a um leitor, que aprendeu a reconhecer aquelas manchas de tinta como letras e palavras e a associar palavras a conceitos, ‘extrair’ informação do livro. 3.3 Energia De um modo geral, a energia pode ser definida como capacidade de realizar trabalho ou como o resultado da realização de um trabalho. Na prática, a energia pode ser melhor entendida do que definida. O trabalho é definido como o produto escalar de uma força aplicada a um corpo pela distância percorrida pelo corpo durante a aplicação dessa força. T = F. d. cos ø. Onde ø é o ângulo entre a força e o deslocamento; 3.4 Energia Mecânica Chamamos de Energia Mecânica a todas as formas de energia relacionadas com o movimento de corpos ou com a capacidade de colocá-los em movimento ou deformá-los. A energia mecânica total de um sistema é a soma da energia potencial com a energia cinética. Se o sistema for conservativo, ou seja, apenas forças conservativas atuam nele, a energia mecânica total conserva-se e é uma constante de movimento. A energia mecânica "E" que um corpo possui é a soma da sua energia cinética "c" mais energia potencial.
As fontes de energia podem ser convencionais ou alternativas, renováveis e não renováveis. 3.8 Fontes de Energias Convencionais ou Não Renováveis São energias que se encontra na natureza em quantidades limitadas, que com sua utilização se extinguem, caracterizada pelo baixo custo, grande impacto ambiental e sua tecnologia é difundida. Ao contrário dos combustíveis não-renováveis (como os de origem fóssil, por exemplo), as fontes de energias renováveis, no geral, causam um pequeno impacto (poluição, desmatamento) ao meio ambiente Ex: petróleo, carvão mineral, etc. 3.9 Fontes de Energias Alternativas ou Renováveis São energias, extraídas de fontes naturais capazes de se regenerar, conseqüentemente inesgotáveis. Aquelas originadas como solução para diminuir o impacto ambiental. Energia renovável é aquela originária de fontes naturais que possuem a capacidade de regeneração (renovação), ou seja , não se esgotam. Como exemplos de energia renovável, podemos citar: energia solar, energia eólica (dos ventos), energia hidráulica (dos rios), biomassa (matéria orgânica), geotérmica (calor interno da Terra) e maremotriz (das ondas de mares e oceanos), energia nuclear (radioativa), etc.
Figura2: Diagrama das principais fontes de energia 3.11 Energia Primária Entende-se por energia primária as fontes energéticas providas pela natureza, na sua forma direta, como petróleo, gás natural, xisto, carvão mineral, resíduos vegetais e animais, energia solar, eólica e os produtos da cana-de-açúcar, como o caldo de cana, o melaço e o bagaço. 3.12 Energia Secundária A energia secundária é o resultado dos diferentes centros de transformação cujo destino são os diversos setores de consumo e, eventualmente, outro centro de transformação. Fontes de Energia Secundária são: Óleo diesel, óleo combustível, gasolina (automotiva e de aviação), gás liquefeito de petróleo - GLP, nafta, querosene (iluminante e de aviação), gás de xisto, eletricidade, carvão vegetal, álcool etílico (anidro e hidratado). Outras Fontes Secundárias são: Agrupamento de outros combustíveis derivados de petróleo, tais como: coque de petróleo, gás de refinaria e alcatrão. Produtos Não-Energéticos Derivados de petróleo, que mesmo
O hidrogênio é o elemento químico que na tabela periódica ocupa a primeira casa e é representado pela letra H. Figura 4: Molécula de Hidrogênio Apresenta um número atômico de 1 e uma massa atômica muito próxima de 1, dado que o seu núcleo é constituído por um próton. A temperatura e pressão normais, isto é, 0 ºC, átomo apresenta-se como um gás e é extremamente inflamável, não tem cor nem odor. O átomo de hidrogênio é o mais simples de entre todos os elementos. O átomo, é constituído por um núcleo unicamente com um próton, em torno do qual orbita um elétron. As suas moléculas são constituídas por dois átomos (molécula diatômica) que partilham entre si os seus dois únicos elétrons. É o elemento mais abundante no Universo e um dos mais abundantes na Terra. Está presente na água e em todos os compostos orgânicos e organismos vivos, podendo reagir quimicamente com muitos outros compostos. Figura 5: Molecula diatômica.
As suas aplicações são diversas, incluindo a produção de amônia, como combustível alternativo e como fonte de energia em células combustíveis. O hidrogênio foi produzido por Theophratus Bombastus Von Hohenheim (1493- 1541), alquimista suíço, também conhecido como Paracelsus, misturando metais com ácidos. Paracelsus, no entanto, ignorava que o "ar explosivo" produzido através dessa reação química fosse o hidrogênio. A primeira utilização do hidrogênio foi em balões. Embora este elemento seja o mais abundante no Universo, a sua produção na Terra é relativamente difícil, podendo ser obtido de muitas formas, as principais por: 4.1 Eletrólise A produção de hidrogênio através da eletrólise é bem interessante e relativamente simples. É realizado utilizando-se a energia elétrica para quebrar a molécula de água (H2O) em seus constituintes, o hidrogênio e o oxigênio. O processo mais conhecido comercialmente é chamado de “eletrólise alcalina”. Este tipo de eletrólise é indicado para grandes produções de hidrogênio. Para ocorrer à quebra da molécula de água - ligação entre hidrogênio e oxigênio - a tensão aplicada deve ser maior que 1,23 volts (uma pilha comum tem 1,5 volts). 4.2 Biocombustível O biocombustível é uma forma bem interessante de se produzir hidrogênio e utilizá- lo nas células a combustível. É nesse aspecto que o Brasil pode obter bastante proveito com diversas oportunidades! Podemos obter os biocombustíveis a partir dos aterros sanitários, da gaseificação da biomassa, do uso do álcool obtido da cana-de-açúcar (Brasil) ou milho (EUA), e até mesmo a partir do excremento dos animais nas fazendas e do lixo orgânico em casa! 4.3 Fontes Fósseis A maior parte da produção de hidrogênio atualmente vem a partir de fontes fósseis como o petróleo, gás natural e carvão. Cerca de 40% da produção total de
Compostos de deutério possuem aplicações na química e na biologia em estudos de reações utilizando o efeito isotópico. 4.6 Célula combustível (Fuel Cells) Célula a combustível (Fuel Cells) é uma tecnologia que utiliza o hidrogênio e o oxigênio para gerar eletricidade com alta eficiência, e também vapor d’água quente resultante do processo químico na célula a combustível. A importância da célula está na sua alta eficiência e na ausência de emissão de poluentes quando se utiliza o hidrogênio puro, além de ser silenciosa. A primeira célula a combustível foi desenvolvida em 1839 por um físico inglês chamado William Grove. Ele sabia que passando eletricidade através da água podiam-se obter os gases hidrogênio e oxigênio, constituintes da água. Como todo bom e curioso cientista, ele tentou fazer o processo reverso, combinando hidrogênio e oxigênio para produzir eletricidade e água. Mas a sua invenção, chamada por ele de “bateria a gás”, não tinha muita aplicação prática naquela época. Anos depois, em 1889, o nome “célula a combustível” foi criado por dois cientistas, Ludwig Mond e Charles Langer. Eles queriam tornar a célula a combustível uma invenção prática, mas não tiveram muito êxito. A célula a combustível só começou a ganhar vida no final dos anos 30, quando o inglês Francis Thomas Bacon desenvolveu células a combustível de eletrólito alcalino. Em 1959, ele demonstrou um sistema de célula a combustível de 5kw para fazer funcionar uma máquina de solda. No entanto, somente com a Agência Espacial dos EUA, a NASA, a célula a combustível começou a decolar. E ela foi para o espaço nos projetos Gemini e Apollo! Tudo que a NASA precisava era de um equipamento que gerasse energia com eficiência, e que utilizasse um combustível leve e com grande densidade de energia – o hidrogênio. Figura 6: Célula de William Grove Pesquisas de desenvolvimento de Fuel Cells estão sendo realizadas em todo o mundo por empresas de energia, montadoras de automóveis, fabricantes de
equipamentos eletrônicos, universidades e centros de pesquisa especializados em energia alternativa, com o objetivo de diminuir os custos, as dimensões, aumentar a eficiência dos equipamentos e, para muitos países, diminuir a dependência de combustíveis fósseis, como o petróleo, assim como a dependência dos países do Oriente Médio, região com grande concentração e produção de petróleo e de instabilidades políticas, religiosas, econômicas e sociais. No contexto internacional, verifica-se a adoção de ações visando ampliar o aproveitamento de energias renováveis com uma progressiva redução no uso dos combustíveis fósseis, reestruturando a produção, a distribuição, o uso da energia e incorporando novas tecnologias. Neste cenário, o papel do hidrogênio será fundamental. As diferentes tecnologias de célula a combustível têm basicamente o mesmo princípio. São compostas por dois eletrodos porosos: o ânodo (terminal negativo) e o cátodo (terminal positivo), cada revestido num dos lados por uma camada de catalisador de platina ou níquel, e separados por um eletrólito (material impermeável que permite movimento aos íons positivos – prótons - entre os eletrodos). 4.7 Dentro da Célula a Combustível Figura 7: Dentro da célula a combustível. 4.8 Ânodo O terminal negativo - tem canais de fluxo que distribuem o gás hidrogênio sobre a superfície do catalisador.
uso direto de metanol (álcool extraído a partir da madeira ou do milho). O metanol é diluído em água e armazenado em cartuchos. A eficiência em gerar energia elétrica fica entre 40% e 50%. 4.14 PAFC – Célula a Combustível e Ácido Fosfórico, “Phosphoric Acid Fuel Cell" - Esta é a tecnologia mais avançada comercialmente. Está presente no Brasil, nas cidades de Curitiba e Rio de Janeiro. Esta tecnologia funciona a baixa temperatura, por isso pode tolerar combustíveis com impurezas como metanol e biogás. Entretanto para isso ela precisa de um filtro para limpar o combustível e um aparelho interno para extrair o hidrogênio desses combustíveis. A eficiência desta tecnologia, esta entre 35% e 47%. 4.15 SOFC – Célula a Combustível de Óxido Sólido, “Solid Oxide Fuel Cell” - Essa tecnologia permite a geração de grande quantidade de energia. Por isso tem se mostrado atraente para o uso em residências, indústrias e outros locais com grande necessidade de energia. A tecnologia SOFC é uma tecnologia de alta temperatura, pois opera entre 600°C e 1000°C. Isso traz como vantagem o uso peças mais baratas no interior da célula permite o uso de outros combustíveis diretamente na célula. A eficiência para produção de energia elétrica varia entre 50% e 60%. Se o calor for aproveitado, a eficiência total de energia (energia elétrica mais energia térmica) pode ser de até 75% a 85%. 4.16 MCFC – Células a Combustível de Carbonato Fundido, “Molten Carbonate Fuel Cell” - Essa tecnologia é promissora no que diz respeito à geração de energia em grandes quantidades. Funciona em altas temperaturas permitindo assim o uso de componentes mais baratos, aceita outros combustíveis diretamente na célula como biogás e etanol. A eficiência desta tecnologia para produzir energia elétrica fica entre 50 e 60%. Quando o calor é aproveitado, seja para aquecimento ou para a produção de mais energia elétrica através de uma turbina a vapor, pode- se aumentar a eficiência total para 85%.
4.17 AFC – Célula a Combustível Alcalina, “Alkaline Fuel Cell” - Esta é a tecnologia que vem sendo utilizada por muitos anos para aplicações espaciais da NASA. Ela foi desenvolvida pelo britânico Francis Bacon em 1930 (experiência de William Grove, precursor das células a combustível). Esta célula trabalha em alta temperatura de operação que fica entre 50°C e 250°C o que traz como vantagem o uso de componentes mais baratos. Elas apresentam uma excelente eficiência elétrica, entre 45% e 60%. 4.18 DEFC – Célula a Combustível de Etanol Direto, “Direct Ethanol Fuel Cell”
- Esse tipo de célula funciona a base de etanol (álcool da cana-de-açúcar). Esta ainda em fase de desenvolvimento, não sendo até agora viável. Entretanto, o Brasil apresenta um grande potencial para manter essa tecnologia já que por aqui a grande maioria dos postos de combustíveis vendem etanol.
