Química e Energia. Energia. Prof. Dra. Silvia Carla Haither Goós. Mas pagamos por ela! Não podemos vê-la diretamente...

Transcrição

1 INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA Química e Energia Prof. Dra. Silvia Carla Haither Goós Energia Não tem peso nem cor......tampouco cheiro! Mas pagamos por ela! Não podemos vê-la diretamente Mas podemos percebê-la nas mudanças e transformações por ela produzidas. 1

2 A energia esta envolvida em todas as ações que ocorrem no Universo. Energia é habilidade para realização de certo trabalho. Iluminação Crescimento Aquecimento Movimento Comunicação 2

3 A Energia pode se tornar presente sob diversas formas Energia Mecânica Potencial Gravitacional Cinética Energia Radiante ou Luminosa Energia Interna Energia Elétrica Energia Nuclear Energia Química Energia Eólica Lei da Conservação da Energia 1 o Princípio da Termodinâmica O uso da energia implica em transformá-la de uma forma para outra... Porém, a energia, não é criada nem destruida. Processo natural de conversão de energia FOTOSÍNTESE 6CO 2 + 6H 2O + Radiação solar = 6[CH 2O] + 6O 2 Corpúsculo portador de clorofila existente no interior de células das folhas. Estrutura Organizada 3

4 Em ação, a energia se transforma de uma forma em outra. Exemplo Convertores: mecanismos, naturais ou inventados, que transformam energia de uma forma para outra. Transformações e Transferência de Energia Medidas de energia Finalidade da transformação Mecânica Forma pela qual a energia é transferida Trabalho = F x x Unidade de medida Joule (J) 1 J Energia envolvida para erguer, de 1 m, um corpo de aproximadamente 100 grama. Aquecimento Calor Caloria (cal) 1 cal Quantidade de calor que aquece 1 grama de água de 1 o C. Outras Unidades Unidade de Energia 1 Btu 1 cal 1 caloria alimentar 1 kwh 1 ev Equivalências J 252 cal 4,18 J J 1000 cal = 1 kcal 3,6 MJ 860 kcal 1,6 x J 4

5 Fontes de energia Fontes Primárias Transformação Fontes Secundárias Recursos enérgéticos disponíveis na natureza ou que dela podem ser obtidos de forma direta. Ex. PETRÓLEO Produtos energéticos oriundos de Fontes Primárias mediante processo de transformação. Ex. ÓLEO DIESEL Fontes Primárias de Energia Petróleo Gás Natural Carvão mineral Minério de Urânio Biomassa Sol Vento Hidráulica Fontes Não Renováveis Milhões de ano para a formação Suprimento limitado Fontes Renováveis Recompostas em curto espaço de tempo 5

6 Energia Renovável Obtidas de fontes primárias renovavéis Hidroeletricidade Energia da biomassa Energia solar Energia eólica Energia geotérmica Energia maremotriz Produzida a partir da Energia Potencial Gravitacional da água Proveniente da combustão ou de combustível extraido de detritos animais e vegetais (madeira, óleo vegetal, etc) Capturada da radiação solar.coletores solares. Células solares transforma energia solar diretamente em energia elétrica. Gerada pelo vento Uso do calor do planeta Terra Capturada das marés Central Hidroelétrica ITAIPU Potência: MW Reservatório:1.350 km 2 Comprimento: m Altura: 196 m Vazão diária média: m 3 /s 6

7 Energia Hidráulica Características energéticas: disponibilidade de recursos, facilidade de aproveitamento e, principalmente, seu caráter renovável. A energia hidráulica é proveniente da irradiação solar e da energia potencial gravitacional, através da evaporação, condensação e precipitação da água sobre a superfície terrestre. A participação da energia hidráulica na matriz energética nacional é da ordem de 42%, gerando cerca de 90% de toda a eletricidade produzida no país. Aspectos Sócio-ambientais O aproveitamento de potenciais hidráulicos para a geração de energia elétrica exigiu a formação de grandes reservatórios e, conseqüentemente, a inundação de grandes áreas. Na maioria dos casos, tratava-se de áreas produtivas e (ou) de grande diversidade biológica, exigindo a realocação de grandes contingentes de pessoas e animais silvestres. A formação de reservatórios de acumulação de água e regularização de vazões provoca alterações no regime das águas e a formação de microclimas, favorecendo certas espécies (não necessariamente as mais importantes) e prejudicando, ou até mesmo extinguindo, outras. Energia Solar Aquecimento de edifícios Sistema Ativo Sistema Passivo Usa dispositivos e equipamentos mecânicos para transportar calor Coleta e transporta calor por meios naturais Termo Solar Radiação Convecção Condução Produção de eletricidade Solar Fotovoltáico Efeito Fotovoltáico Radiação solar diretamente em eletricidade 7

8 Energia Solar Quase todas as fontes de energia hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos são formas indiretas de energia solar. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, através de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico. Impactos Sócio-ambientais Uma das restrições técnicas à difusão de projetos de aproveitamento de energia solar é a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia, o que torna necessário o uso de grandes áreas para a captação de energia em quantidade suficiente para que o empreendimento se torne economicamente viável. Energia eólica Pot max = ½ dav³ d = massa específica do ar A = secção tubo vento = πr 2 v = velocidade vento Captada por sistema de hélices, a energia eólica é transformada em eletricidade nos aerogeradores. 8

9 Energia Eólica Recentes desenvolvimentos tecnológicos têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos. Impactos Sócio-ambientais Entre os principais impactos sócio-ambientais de usinas eólicas destacam-se os sonoros e os visuais. Outro impacto negativo de centrais eólicas é a possibilidade de interferências eletromagnéticas, que podem causar perturbações nos sistemas de comunicação e transmissão de dados. Energia Maremotriz Primeira Usina Maremotriz Estuário do rio Rance França Diferença de altura média: 8,2 m Potencia: 240 MW As marés que animam os oceanos é fonte de energia mecânica, limpa e inesgotável que pode ser captada por turbinas para gerar eletricidade. 9

10 Células Combustível Baterias (pilhas) que convertem energia química diretamente em energia elétrica e térmica, elas possuem uma operação contínua graças a alimentação constante de um combustível, o Hidrogênio. Pilhas combustíveis Dispositivo eletroquímico de conversão de energia química em energia elétrica usando-se a reação entre um combustível e um oxidante; entretanto neste dispositivo, os reagentes são fornecidos por uma fonte externa 2 H 2 (g) + O 2 (g) 2 H 2 O (l); E = 0,9 V Curiosidade: em uma missão espacial de 7 dias, as pilhas de hidrogênio do ônibus espacial consomem 680 Kg de H 2 e produzem 720 Kg de H 2 O. 10

11 Biomassa Do ponto de vista energético, biomassa é toda matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na produção de energia. Assim como a energia hidráulica e outras fontes renováveis, a biomassa é uma forma indireta de energia solar. A energia solar é convertida em energia química, através da fotossíntese, base dos processos biológicos de todos os seres vivos. Uma das principais vantagens da biomassa é que, embora de eficiência reduzida, seu aproveitamento pode ser feito diretamente, através da combustão em fornos, caldeiras, etc. Para aumentar a eficiência do processo e reduzir impactos sócio-ambientais, tem-se desenvolvido e aperfeiçoado tecnologias de conversão eficiente, como a gaseificação e a pirólise. Biodiesel Fonte Primária Soja, girassol, mamona, algodão, amendoin, etc Uso Motores de veículos Geração de eletricidade (bioeletricidade) Fonte Secundária Óleos vegetais respectivos Reação com álcool catalisador Biodísel, o diesel natural matéria-prima em diversos ramos da indústria cosméticos, remédios e explosivos. Poder calorífico kcal/kg 11

12 Tecnologias de Aproveitamento Impactos Sócio-ambientais Gases causadores do efeito estufa no setor sucroalcooleiro Atividades na Produção de Cana, Açúcar e Álcool kg CO 2 / ton Cana Atividade 1: Produção, Colheita e Transporte da Cana Fixação (fotossíntese) de carbono da atmosfera + 694,7 Liberação de CO 2 pelo uso de combustíveis (diesel) na lavoura 4,7 Liberação de CO 2 na queima do canavial (80% das pontas e folhas) 198,0 Liberação de outros gases de efeito estufa na queima do canavial (principalmente metano) 5,0 Liberação de N 2 O do solo pelo uso de adubação nitrogenada 3,2 Liberação de CO 2 na produção dos insumos da lavoura (mudas, herbicidas, pesticidas, etc.) 6,7 Liberação de CO 2 na fabricação dos equipamentos agrícolas que serão usados na lavoura 2,4 Oxidação dos resíduos não totalmente queimados no campo 49,5 Atividade 2: Produção de Açúcar e Álcool Liberação de CO 2 na fermentação alcoólica 38,1 Liberação de CO 2 na fabricação dos insumos da indústria(cal,, etc.) 0,5 Liberação de CO 2 na produção dos equipamentos e prédios, instalações industriais 2,8 Liberação de CO 2 na queima de todo o bagaço, substituindo óleo combustível, na produção de açúcar e álcool 231,6 Emissão evitada de CO 2, pelo uso de bagaço na produção de açúcar (somente), em vez de óleo combustível ou carvão + 104,0 Atividade 3: Uso do Açúcar e do Álcool Em princípio, em médio prazo praticamente todo o carbono no açúcar é oxidado (metabolizado, etc.) e volta à atmosfera 97,0 Liberação de CO 2 na queima do etanol, em motores automotivos 79,1 Liberação de CO 2, pelo uso de etanol em motores automotivos, em vez de gasolina + 126,7 Total das Emissões Evitadas + 206,8 12

13 Energia Não-renovável Combustíveis fósseis Combustíveis nucleares Oleo Combustível Oleo Diesel Gasolina Propano Gás Natural Carvão Mineral Urânio Plutônio Petróleo e Derivados A geração de energia elétrica a partir de derivados de petróleo ocorre por meio da queima desses combustíveis em caldeiras, turbinas e motores de combustão interna. O caso das caldeiras e turbinas é similar ao dos demais processos térmicos de geração e mais usado no atendimento de cargas de ponta e/ou aproveitamento de resíduos do refino de petróleo. Os grupos geradores Diesel são mais adequados ao suprimento de comunidades e de sistemas isolados da rede elétrica convencional. 13

14 Petróleo e Derivados Com exceção de alguns poucos países da OCDE (Organização para Cooperação e Desenvolvimento Econômico), o uso de petróleo para geração de eletricidade tem sido decrescente desde os anos O obsoletismo das plantas de geração, os requerimentos de proteção ambiental e o aumento da competitividade de fontes alternativas são os principais responsáveis por isso. Contudo, o petróleo continua sendo muito importante na geração de energia elétrica nesses países, principalmente no suprimento de cargas de pico e no atendimento a sistemas isolados. Produção Gás natural Dados gerais Falta de obra de infra estrutura (canalização dutos) 3% do total do consumo energético 14

15 Produção e consumo de carvão no mundo Período de implantação das indústrias 90% da energia era obtido através do carvão As indústrias concentravam próximas as reservas de carvão Distribuição espacial 90% das reservas no hemisfério Norte Produção e consumo de carvão mineral no Brasil Características Reservas poucos expressivas Baixa qualidade Produção insuficiente Tipos de carvão Carvão energético Carvão metalúrgico Baixa qualidade usado em termoelétrica melhor qualidade usado na siderúrgicas Produzido em Criciúma 15

16 Justificativa Aquisições Implantação Furnas Programa Nuclear Escassez de combustíveis fósseis Esgotamento dos recurssos hídricos Usina Americana (Westinghouse) 1969 potência 626 mil kw OBS I Não implicou na tranferência de tecnologia do ciclo nuclear Acordo de cooperação nuclear 1975 Obs I O acordo foi desfeito Angra II e III origem alemã Aquisição de 8 usinas no total Repasse da tecnologia de materiais e processamento de combustível (urânio) Usina Nuclear Impacto Sócio-ambiental : descarte do resíduo radioativo. 16

17 Oferta interna de Energia no Brasil Dados de 2002 Impactos Sócio-ambientais dos Combustíveis Fósseis Atmosfera Raios solares EFEITO ESTUFA Terra Uso do combustível fóssil Causas dióxido de carbono Consequências possíveis Derretimento de geleiras Alterações climáticas (aquecimento global) 17

18 Contaminação das precipitações por gases poluentes Consequências Devastação da vegetação Aumento de acidez no solo Contaminação de domínios aquáticos Corrosão em edificações urbanas 18