Instituto de Ciência e Tecnologia de Sorocaba Recursos Energéticos e Meio Ambiente Professor Sandro Donnini Mancini 12 Carvão, Areia Oleígena e Xisto Betuminoso (folhelo oleígeno) Sorocaba, Abril de 2016. O carbono livre é encontrado em três formas: Diamante (cristal) Grafite (cristal) Carvão (pseudo-amorfo) Carvão Material não cristalino com 30-100% de carbono livre, utilizado principalmente como combustível. O carvão mineral é considerado a maior reserva mundial de combustível, para obtenção de calor e/ou termeletricidade. Carvão vegetal biomassa a partir da carbonização da madeira (combustão incompleta), visando teor de carbono semelhante ao do mineral 1
Carvão mineral o mais abundante dos combustíveis fósseis (reservas provadas de cerca de 1 trilhão de toneladas, o suficiente para 150 anos) ESTABILIDADE DE PREÇO Combustível com 30-100% de carbono; Relativamente bem distribuído geograficamente, embora Rússia tenha 56,5% do total, EUA 19,5% e China 9,5%; Brasil carvão concentrado no sul do país; Queima produz CO 2, água e cinzas, principalmente a partir da queima do que não é carbono: Si, Al, Fe, S, O, Mn, Mg, N, Hg, Ca, Na, P, Ti, P, Cl... Completa: C(s) + O 2 CO 2 (g) + 94 kcal Incompleta: C(s) + ½ O 2 CO (g) + 26 kcal Geologicamente, o carvão foi formado a partir do soterramento de plantas e posterior decomposição da parte celulósica em matéria carbonácea por pressão, temperatura e por bactérias, preferencialmente anaeróbias, produzindo voláteis como H 2, CH 4 e CO 2 que escaparam deixando o terreno com carbono sólido. Calcula-se que a cada 20m 3 de vegetais soterrados deram origem a 1m 3 de carvão num processo que levou cerca de 200 milhões de anos. 2
P e T, + quebras de cadeias cadeias carbônicas, % C livre quantidade de cinzas, + combustão completa potencial calorífico valor %C, + novo é o carvão Movimentos de crosta provocam dobramentos nas camadas de rocha. Por esse motivo, o carvão pode ser encontrado tanto a flor da terra como em camadas profundas Disponível em http://www.brascook.com.br/telas/carvao.htm. Acesso em 24 mai. 2004. http://www.cprm.gov.br/publique/cgi/cgilua.ex e/sys/start.htm?infoid=2558&sid=129 Classificação % Carbono Aproximada Poder Calorífico (kcal/kg) Turfa 55-60 < 4.000 Linhito 67-78 < 4.000 Hulha 80-90 7.000-8650 Antracito 96 7.000-8650 Turfa associada a muita água drenagem é importante utilizada como carvão-vapor (carvão energético), para termelétricas Linhito usados para obtenção de gasogênio, alcatrão, ceras, fenóis cinza usada em cimentos pozolânicos. Hulha carvão-vapor ou carvão-metalúrgico (para coqueificação, que também gera alcatrão). Antracito queima com pouca fuligem; utilizado em tratamento de água (filtros). Cimento pozolânico diminui a permeabilidade do concreto e melhora resistência a compostos ácidos. Gasogênio (gás de síntese) - é uma mistura combustível de gases, produzida a partir de processos de gaseificação, ou seja de combustão incompleta de combustíveis sólidos Alcatrão de hulha líquido viscoso e escuro, produzido como fase gasosa (posteriormente condensada) na coqueificação. É a mais importante fonte de compostos aromáticos, existindo mais de 200 compostos comercializáveis a partir dele (benzenos, fenóis, naftaleno, cresóis, antraceno, piche etc). 3
Tipos de Mineração de Carvão Superfície muito deslocamento de terra (até 75 mil t/dia) destrói morros e tampa vales ~ 2 vezes mais produtiva (e mais barata) que a subterrânea Subterrânea: Galeria, Declive, De Poço Problemas com mineração, principalmente subterrânea: estabilidade das minas; saúde dos operários (EPIs, falta de O 2 ); transporte do carvão (esteiras); ventilação (fogo ou ventiladores); explosões (CH 4 associado aos veios de carvão); Inundações (escavações podem chegar ao aquífero; Produtividade (mineradores contínuos modernos: 6000 t/dia). Acidentes em minas de carvão China: 1049 pessoas em 2013 (http://www.noticiasaominuto.com/mundo/154286/acidentesem-minas-de-carvao-chinesas-mataram-1049-pessoas); China: Janeiro de 2014 Acidente prende 20 mineiros http://portuguese.cri.cn/1721/2014/01/14/1s178438.htm Ucrânia: Março de 2015 Explosão mata 33 http://g1.globo.com/jornal-nacional/noticia/2015/03/explosao-de-mina-de-carvao-mata-33-trabalhadores-na-ucrania.html China: Março de 2016 Explosão mata 19 http://g1.globo.com/mundo/noticia/2016/03/acidente-em-mina-de-carvao-deixa-19-mortos-na-china-110-sobrevivem.html (*) 4
CARVÃO VAPOR carvão utilizado em termelétricas CARVÃO METALÚRGICO carvão utilizado principalmente para a coqueificação, reação em que o carvão é aquecido em câmaras herméticas (há apenas saída de gases), obtendo-se líquidos, gases e o coque, um produto sólido resistente e com alto teor de carbono. COQUE material com composição final de ~ 90% de C, 1% de H, 3% de O, 1% de N e 5% de cinzas, com alto poder calorífico. (7000-8000 kcal/kg). Possui grande aplicação na siderurgia e cimenteiras. É considerado o melhor para a entrada em alto fornos siderúrgicos, sendo fonte de carbono para redução do minério e para solução sólida intersticial com o ferro, bem como fonte de calor. Mais resistente à compressão pela carga de minério. Reservas de Carvão no Mundo Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL 2008 5
Consumo de Carvão no Mundo Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL 2008 Produção e Consumo de Carvão no Mundo Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL 2008 6
Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br 7
ANO: 2013 ANO: 2014 Fonte: Balanço Energético Nacional 2014 e 2015 Disponível em www.mme.gov.br Não-Renovável Renovável Fonte Mundo, 2013 Brasil, 2014 Petróleo 31,1 39,4 Gás 21,4 13,5 Carvão Mineral 28,9 5,7 Nuclear 4,8 1,3 Total 86,2 60,6* Hidráulica 2,4 11,5 Outras Renováveis (eólica, solar, biodiesel, outras biomassas etc.) 1,2 4,1 Biocombustíveis & resíduos 10,2 23,8** Total 13,8 40,4 Total 100 100 Quantidade de Energia Ofertada (10 6 tep) 13.541 305,6 * + 0,7% de outras não renováveis... * Derivados da cana: 15,7% / Lenha e carvão vegetal: 8,1% http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/keyworld_stat istics_2015.pdf http://www.mme.gov.br/documents/10584/1143895/2.1+-+ben+2015+-+documento+completo+em+portugu%c3%aas+- +Ingl%C3%AAs+%28PDF%29/22602d8c-a366-4d16-a15f-f29933e816ff?version=1.0 8
Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br CARVÃO MINERAL NO BRASIL Reservas de 7 bilhões de toneladas. RS ~ 89% SC, PR ~ 11% 9
CARVÃO MINERAL NO BRASIL Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br 2012 Carvão Vapor Carvão Metalúrgico Coque de Carvão Produção 6,6 0 9,7 Importação 5,6 10,6 1,6 Exportação 0 0 0 2013 Carvão Vapor Carvão Metalúrgico Coque de Carvão Produção 8,6 0 9,4 Importação 7,5 10,6 1,9 Exportação 0 0 0 (10 6 t) 2014 Carvão Vapor Carvão Metalúrgico Coque de Carvão Produção 7,9 0 9,7 Importação 9,4 11,0 1,8 Exportação 0 0 0 Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br 10
Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br Fonte: Balanço Energético Nacional 2015 Disponível em www.mme.gov.br 11
Coque de Carvão Mineral Coqueificação: aquecimento a até ~1300 o C do carvão mineral, na ausência de ar, o que retira voláteis e % C. Coque de petróleo Balanço Energético Nacional 2014. www.mme.gov.br Beneficiamento de subproduto sólido da destilação do petróleo, com % C semelhantes do coque de carvão mineral. Mais usado em cimenteiras. Balanço Energético Nacional 2014. www.mme.gov.br 94% do consumo 12
2014 0,5% do consumo de energia do Brasil foi devido à gás de coqueira 3,0% do consumo de energia do Brasil foi devido à coque de carvão mineral 1,4% do consumo de energia do Brasil foi devido à carvão mineral Por quê carvão nacional é pouco explorado no país? Carvão existente é do tipo vapor, pouco propício a siderurgia, atividade importante no país; Concentrado no RS, região bem suprida de eletricidade, o que dificulta sua utilização em termelétricas; Custo alto; Qualidade relativamente baixa, com baixo conteúdo calorífico, muito enxofre (chuva ácida) e tende a gerar muita cinza. Composição Típica do Carvão Nacional Carvão 59,87% Hidrogênio 3,78 % Oxigênio 7,01 % Enxofre 2,51 % Cinzas 26,83 % 13
O carvão extraído, quando com fins energéticos, pode passar por: Purificação Lavagem Triturado (geração de pó é problema) Secagem (centrífuga ou filtro a vácuo - água obtida deve ser tratada) Transporte até termelétrica Nessas etapas são retirados, com água ou com processos físicos (ciclones, separação magnética e/ou eletrostática, etc) parte do enxofre e metais pesados. Água vai demandar tratamento. Termelétrica a Carvão obtenção de vapor para girar turbina, geralmente através de combustão pulverizada (carvão bem moído 0,5 a 1,5mm), obtém-se até 43% de eficiência total (T vapor ~ 710 o C). Termelétrica a Carvão Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL 2008 14
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétria, 06/04/2015 http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/operacaocapacidadebrasil.cfm O Brasil possuía 3.705 empreendimentos em operação, sendo 23 a carvão mineral. Total de potência instalada à base de carvão mineral: 3,6 GW (2,5%) ANEEL Agência Nacional de Energia Elétria, 13/04/2016 http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/combustivel.cfm (*) O Brasil possui 4.494 empreendimentos em operação, sendo 22 à base de carvão mineral. Total de potência instalada à base de carvão mineral: 3,6 GW (2,4%) 15
Brasil: 7 Termelétricas existentes no final de 2008 Atlas de Energia Elétrica do Brasil ANEEL - 2008 Capacidade Instalada de Unidades de Geração de Eletricidade no Brasil em 2008: 102 GW, sendo 1,9 GW em 7 termelétricas a carvão mineral (1,9%). GASEIFICAÇÃO DO CARVÃO Reação do carvão pulverizado com oxigênio (em quantidades menores que a estequiométrica) e vapor d água visando produzir CO, H 2 e/ou CH 4 (gás de sínteses = syngas). Produtos finais que podem ser utilizados para a obtenção de energia elétrica ou térmica, bem como de combustíveis líquidos e outros produtos químicos. Reações são mais eficientes que a combustão do carvão e os efluentes gaasosos em menor quantidade e mais simples de serem tratados. http://carvaomineral.com.br/intern a_conteudo.php?i_subarea=16&i_ar ea=2 16
http://carvaomineral.com.br/inter na_conteudo.php?i_subarea=16&i_ area=2 OUTROS IMPACTOS AMBIENTAIS DO CARVÃO Mineração: superficial erosão (necessidade de reflorestamento) subterrânea: terreno pode ceder Utiliza máquinas pesadas Afeta recursos hídricos Lançamento de águas sulfurosas na drenagem das minas Resíduos Sólidos cinzas agregadados para cimento, p.ex. Queima: chuva ácida SOx e NOx (junto com o O 2 ) particulados doenças respiratórias necessidade de Filtros Ciclones Separadores eletrostáticos Separadores magnéticos Leitos adsorvedores 17
OUTRAS FONTES DE COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS AREIA OLEÍGENA areia com mistura, geralmente sólida betume. É extraído com água quente (50-80 o C) e posterior separação por densidade. Reservas mundiais ~ 1,7 trilhão de toneladas quase tudo no Canadá (~ a todo o petróleo mundial) http://www.geologo.com.br/imprimir.asp?id=1 3989 XISTO BETUMINOSO OU FOLHELO OLEÍGENO Rocha que contém betume (solúvel em solventes orgânicos) e querogênio (insolúvel), produtos que podem ser classificados como os do início da formação do petróleo (rocha geradora contendo os produtos ainda deveria passar por soterramento e aumento da temperatura para a formação do petróleo). 1 a maior reserva mundial - EUA Fonte: Souza, G.C. - Reciclagem de Pneus 1 o Seminário de Reciclagem de Polímeros da Petrobrás Maio de 2008. bbl = barril 18
Fonte: Souza, G.C. - Reciclagem de Pneus 1 o Seminário de Reciclagem de Polímeros da Petrobrás Maio de 2008. Junto com 7.800 t de xisto por dia, Petrobrás pirolisa no PR 400 t/dia de pneus inservíveis. Após trituração e aquecimento da rocha a até 500 o C obtém-se óleo (até 100 L/t de rocha) e gás. 7.800 t de xisto + 400 t de pneus Fonte: Souza, G.C. - Reciclagem de Pneus 1 o Seminário de Reciclagem de Polímeros da Petrobrás Maio de 2008. O óleo obtido é tratado com hidrogênio e daí se obtém gasolina, querosene, diesel e óleo combustível. 19
http://www.geologo.com.br/imprimir.asp?id=13989 PRODUÇÃO DE ÓLEO DE XISTO NOS EUA https://www.pwc.com/en_gx/gx/oil-gasenergy/publications/pdfs/pwc-shale-oil.pdf 2004 111.000 barris/dia 2011 553.000 barris/dia Estimativas: 2035 1.200.000 barris/dia http://ostseis.anl.gov/guide/oilshale/ 20