Universidade Federal de Juiz de Fora Instituto de Ciências Exatas Departamento de Química Química Analítica Ambiental FONTES DE ENERGIA E MEIO AMBIENTE Fevereiro, 2014 Grupo: Isabela Vieira da Silva Thaeny Costa Amaral Vitor Iotte Prof.: Rafael Arromba
Adaptação do estilo de vida do homem ao ciclo solar; HISTÓRIA Fogo Descoberta mais importante; Até o século XVIII: vento e água; Revolução Industrial: Surgimento da máquina a vapor. Utilização de energias não renováveis: Petróleo. www.fiec.org.br/artigos/energia/historia_da_energia.htm acessado 02/02/2014 2
Século XIX, novo tipo de energia: a energia elétrica; HISTÓRIA Descoberta a energia nuclear; Buscas de novas fontes de energias. www.fiec.org.br/artigos/energia/historia_da_energia.htm acessado 02/02/2014 3
ENERGIA O conceito de energia está relacionado com a capacidade de por em movimento ou transformar algo. Na economia e tecnologia, a energia refere-se a um recurso natural e aos elementos associados que permitem fazer um uso industrial do mesmo. Conceito.de / energia, acessado 02/02/2014 4
Energia: associação com energia elétrica e combustível; Energia Térmica Energia Mecânica Formas de energia Energia Radiante Energia Elétrica florianonet.com.br/eficienciaenergetica/energia.html acessado dia 02/02/2014 5
ENERGIA NÃO RENOVÁVEL As fontes de energia não renováveis são aquelas que se encontram na natureza em quantidades limitadas e se extinguem com a sua utilização. Carvão: é uma rocha orgânica, constituída por carbono, utilizado em vários processos industriais e domésticos. Petróleo: Substância inflamável, estado físico oleoso, formados por hidrocarbonetos e dele são extraídos diversos derivados. Rocha, L. S. Da; AS VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS E NÃO-RENOVÁVEIS. Acessad0 02/02/2014 6
Gás Natural - o mais limpo dos combustíveis fósseis, baixa emissão de SO 2 e é derivado do petróleo. O desenvolvimento econômico e os altos padrões de vida: Exploração de fontes não renováveis. Impactos ambientais Procura por alternativas renováveis Rocha, L. S. Da; AS VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS E NÃO-RENOVÁVEIS. Acessad0 02/02/2014 7
Vantagens Desvantagens Baixo preço Fonte não renovável O Petróleo: Geração e combustíveis e também geração de derivados Queima dos combustíveis gera problemas ambientais Rocha, L. S. Da; AS VANTAGENS E DESVANTAGENS DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS E NÃO-RENOVÁVEIS. Acessad0 02/02/2014 8
ENERGIA RENOVÁVEL As fontes renováveis de energia são aquelas que podem ser reconstituídas pelo curso dos fenômenos naturais. Exemplos: Biomassa, Biocombustível, Energia Solar, Energia Eólica, Energia Elétrica, entre outras. Viana, A.G; A Experiência Brasileira de Incentivo a Expansão das Fontes Renováveis por Meio de Leilões de Energia Elétrica; 2010 9
Biomassa: Quantidade de matéria orgânica produzida numa determinada área, geração de gases que são transformados em energia. Esta energia é resultado da decomposição de materiais orgânicos. Vantagem: uso de partes dos vegetais que são descartados. Desvantagem: Geração de energia apenas na época da safra. Figura 1: Representação da Biomassa. biomassa-arfec.blogspot.com.br acessado 02/02/14 Santos, M.G.R.S; Revista Analytica Dezembro 2007/Janeiro 2008 Nº32 suapesquisa.com/energia/fontes_renovaveis.htm acessado 02/02/2014 10
Energia hidrelétrica: Obtenção de energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio, com a construção de usinas em rios que possuem elevado volume de água e que apresentam desníveis em seu curso. Vantagens: não ocorre poluição da água, baixíssima emissão de gases do efeito estufa. Desvantagens: a construção de uma usina hidrelétrica gera alto impacto ambiental, alagando regiões e fazendo com que haja deslocamento da população local. Figura 2: Itaipu, a maior hidrelétrica do mundo. brasilescola.com/geografia/energia-hidreletrica Santos, M.G.R.S; Revista Analytica Dezembro 2007/Janeiro 2008 Nº32 suapesquisa.com/energia/fontes_renovaveis.htm acessado 02/02/2014 11
Energia Solar: Energia térmica e luminosa captada por painéis solares, formado por células fotovoltáicas, e transformada em energia elétrica ou mecânica. Vantagens: Baixo custo de manutenção dos equipamentos e baixíssimo impacto ao meio ambiente. Desvantagens: alto custo dos equipamentos e geração de energia somente quando há luz solar. Figura 3:Painéis de captação de luz solar. brasilescola.com/geografia/energia-solar Santos, M.G.R.S; Revista Analytica Dezembro 2007/Janeiro 2008 Nº32 suapesquisa.com/energia/fontes_renovaveis.htm acessado 02/02/2014 12
MATRIZ ENERGÉTICA Figura 4: Composição percentual da matriz energética Santos, M.G.R.S; Revista Analytica Dezembro 2007/Janeiro 2008 Nº32 13
ENERGIA NUCLEAR Figura 5: Usina Nuclear. fem.unicamp.br/~em313/paginas/nuclear/nuclear.htm 14
BREVE HISTÓRICO 1896 - Descoberta a radioatividade; 1898 -Isolados o polônio e o rádio. Descoberta a radiação gama; 1926 - Uso de radiação para o tratamento de câncer; 1934 - Primeiro radionuclídeo artificial. Primeira fissão do urânio com nêutrons; 1939 - Carta de Einstein sobre a possibilidade de os alemães construírem a bomba atômica; 1941 - Início do programa nuclear norte-americano; 1942 - Início da construção de um reator nos Estados Unidos; 1945 - Lançamento das bombas atômicas sobre Hiroshima e Nagasaki; Figura6: Marie e Pierre Curie: http://algarve-saibamais.blogspot.com.br/2010/06/marie-curie-uma-das-maisbrilhantes.html Biodieselbr Online Ltda.História da energia nuclear. Disponível em biodieselbr.com/energia/nuclear/historia-energianuclear.htm acessado em 28/01/2014 15
BREVE HISTÓRICO 1957- Primeiro acidente nuclear - na usina russa de Tcheliabínski - contamina cerca de 270 mil pessoas. 1972 - Assinado com os Estados Unidos acordo para a construção de Angra 1; 1984 Angra 1 entra em operação comercial; 1986 - Acidente Chernobyl Ucrânia o mais grave; 1987 Acidente Césio-137 Goiânia; 1987 - Brasil inicia produção de urânio enriquecido. 2000 - Início de operação de Angra 2; 2004 - Entra em operação a usina de enriquecimento nuclear em Resende (RJ). 2011 Acidente Fukushima Japão; Biodieselbr Online Ltda.História da energia nuclear. Disponível em biodieselbr.com/energia/nuclear/historia-energia-nuclear.htm acessado em 28/01/2014 16
INTRODUÇÃO Tipo de energia produzida através da ocorrência certos processos envolvendo núcleos atômicos; Dois processos de obtenção de energia de um núcleo atômico: Fissão: colisão de certos tipos de núcleos pesados (urânio-235) com um nêutron cisão do núcleo em dois fragmentos de tamanho similar; Fusão: combinação de dois núcleos muito leves formação de um núcleo combinado. Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas 17
FUSÃO NUCLEAR Constituem as fontes de energia das estrelas, incluindo o sol; Possuem uma enorme energia de ativação gigantesca repulsão eletrostática existente entre os núcleos carregados positivamente no momento em que são colocados muito próximos; Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas. 18
FUSÃO NUCLEAR Devido a isto, é difícil iniciar e sustentar uma reação de fusão controlada, de modo que ela forneça mais energia do que venha a consumir; As reações de fusão que apresentam maior potencial como produtoras de energia comercial útil núcleos de isótopos pesados de hidrogênio: 2 H 1 + 2 H 1 3 He 2 + 1 n 0 ou 3 H 1 + 1 H 1 Em outros termos, D + D He + n ou T + H Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas. 19
FISSÃO NUCLEAR Reação de fissão nuclear: Torna-se possível que esses nêutrons atinjam outros núcleos de urânio-235, sucessivamente, liberando muito calor reação em cadeia; Cardoso, E. M. et al. Apostila educativa Energia Nuclear. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf acessado 01/02/2014. Figura 7: Cardoso, E. M. et al. Apostila educativa Energia Nuclear. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf acessado 01/02/2014. Figura8: Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas 20
FISSÃO NUCLEAR Normalmente esta reação não pararia até consumir quase todo o material físsil; Controle da reação em cadeia - eliminação do agente causador da fissão: o nêutron; Cardoso, E. M. et al. Apostila educativa Energia Nuclear. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf acessado 01/02/2014. Marques, Paulo. Os deletérios impactos da crise nuclear no Japão. Estudos vançados, vol.26, nº74, São Paulo, 2012. Disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s0103-40142012000100022&script=sci_arttext acessado em 27/01/2014. 21
FISSÃO NUCLEAR Alguns elementos químicos boro (ác. bórico ou metal) e cádmio (barras metálicas) possuem a propriedade de absorver nêutrons, porque seus núcleos podem conter ainda um número de nêutrons superior ao existente em seu estado natural - formação de isótopos de boro e de cádmio; A grande aplicação do controle da reação de fissão nuclear em cadeia reatores nucleares geração de energia elétrica; Cardoso, E. M. et al. Apostila educativa Energia Nuclear. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf acessado 01/02/2014 22
REATOR NUCLEAR É todo sistema no qual, sob condições efetivamente controláveis, se pode produzir reação em cadeia de fissão nuclear; Figura 9: Reator nuclear. brasilescola.com/quimica/reator-nuclear.htm Vaso de contenção - serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso, protege contra impactos externos. Massili, G. S., Esteves, R.J.G.A. Usina Nuclear. Disponível em http://www.fem.unicamp.br/~em313/paginas/nuclear/nuclear.htm acessado em 03/02/2014. 23
URÂNIO ENRIQUECIDO A principal fonte de combustível nuclear é o urânio- 235; A quantidade de urânio-235 na natureza é muito pequena 0,7% Urânio-235 e 99,3% Urânio-238; Para a reação de fissão nuclear em cadeia ocorrer, é necessário haver quantidade suficiente de urânio-235; O urânio encontrado na natureza precisa ser tratado industrialmente, com o objetivo de elevar a proporção (ou concentração) de urânio-235 de 0,7% para 3%. Cardoso, E. M. et al. Apostila educativa Energia Nuclear. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf acessado 01/02/2014. Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas. 24
URÂNIO ENRIQUECIDO O processo físico de retirada de urânio-238 do urânio natural, aumentando, em consequência, a concentração de urânio-235, é conhecido como Enriquecimento de Urânio; Processo muito caro requer meios de separação física em vez de química, visto que todos os isótopos de um dado elemento comportam-se quimicamente de modo idêntico. Bomba atômica: Grau de enriquecimento muito alto (acima de 90%) - pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio. Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas. 25
CONTAMINAÇÃO Durante a mineração do urânio é comum ocorrer a contaminação do ambiente por substâncias radioativas; O minério de urânio contém vários elementos radioativos, consequentemente, a grande quantidade de material residual que permanece após a extração química do urânio é por si radioativa; O lixo liberado pela rocha original, que o imobiliza, ocorre na forma de um líquido ou pó chamados refugo. Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas. 26
CONTAMINAÇÃO Refugo líquido estocado em tanques especiais até a separação dos sólidos pode ocorrer contaminação dos aquíferos locais se estes tanques vazarem ou transbordarem; Refugo sólido exposto à intempérie pode ser parcialmente dissolvido pelas chuvas e contaminar os mananciais de abastecimento de água; Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas. 27
LIXO RADIOATIVO O principal problema da fissão nuclear é a produção de rejeitos radioativos (também chamado lixo atômico), que podem emitir radiações ionizantes por milhares de anos; Como exemplo crucial mencionamos o plutônio 238 - meia-vida é de 88 anos. Caso mais dramático ainda é o do plutônio 239 - meia-vida de 240 séculos. Marques, Paulo. Os deletérios impactos da crise nuclear no Japão. Estudos vançados, vol.26, nº74, São Paulo, 2012. Disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s0103-40142012000100022&script=sci_arttext acessado em 27/01/2014. 28
LIXO RADIOATIVO Tradicionalmente os rejeitos nucleares são classificados em três tipos: HLW (High Level Waste) é o combustível irradiado pelo núcleo; ILW (Intermediate Level Waste) representado pelo material metálico que entrou em contato com o combustível nuclear ou com o reator; LLW (Low Level Waste) engloba as roupas de proteção, equipamentos de laboratório ou algum outro material que tenha tido contato com o material radioativo. Marques, Paulo. Os deletérios impactos da crise nuclear no Japão. Estudos vançados, vol.26, nº74, São Paulo, 2012. Disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s0103-40142012000100022&script=sci_arttext acessado em 27/01/2014. 29
LIXO RADIOATIVO Os rejeitos do tipo ILW e LLW devem ser armazenados em locais fechados e blindados até que a atividade radioativa decaia em nível de baixo impacto ambiental; Já os rejeitos HLW devem ser isolados por milhares de anos; Os Estados Unidos optaram por enterrar os rejeitos em regiões desérticas - há décadas eles depositam o lixo atômico em túneis construídos no deserto do Arizona. Marques, Paulo. Os deletérios impactos da crise nuclear no Japão. Estudos vançados, vol.26, nº74, São Paulo, 2012. Disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s0103-40142012000100022&script=sci_arttext acessado em 27/01/2014. 30
LIXO RADIOATIVO Em Angra dos Reis (RJ) onde há duas centrais nucleares em operação e a terceira planta em fase de construção - os resíduos de baixa radioatividade (na maior parte luvas e equipamentos contaminados) são guardados em contêineres alojados em galpões de concreto construídos em prédio anexo às usinas. Marques, Paulo. Os deletérios impactos da crise nuclear no Japão. Estudos vançados, vol.26, nº74, São Paulo, 2012. Disponível em http://www.scielo.br/scielo.php?pid=s0103-40142012000100022&script=sci_arttext acessado em 27/01/2014. 31
Vantagens Poluição mínima do ar e da água Desvantagens Produção de resíduos radioativos Custo da operação relativamente baixo Grande quantidade de energia pode ser gerada para pouco material usado (o urânio) Possibilidade de acidentes com sérios riscos para a saúde humana Requer um sistema de segurança internacional para evitar o desvio de materiais nucleares para uso bélico Baird, Colin. Química Ambiental. Tradução Maria Angeles Lobo Recio e Liz Carlos M. Carrera. 2ª edição. Porto Alegre: Bookman, 2002. 622 páginas 32
Algumas aplicações Gamagrafia Impressão de radiação gama em filme fotográfico. Agricultura Monitoramento de plantas e insetos através da absorção de um traçador radioativo. Medicina Nuclear É a área da medicina onde são utilizados os radioisótopos, tanto em diagnósticos como em terapias. Cardoso, E. M. et al. Apostila educativa Energia Nuclear. Comissão Nacional de Energia Nuclear. Disponível em: http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf acessado 01/02/2014. 33
Células a combustível O que são Células a Combustível? São dispositivos eletroquímicos que convertem a energia química contida em combustíveis ( especialmente hidrogênio ) diretamente em energia elétrica. Aplicações prática teve início na década de 60 com a corrida espacial, sendo basicamente desenvolvida pela NASA. 34
Funcionamento de uma Célula a Combustível Fonte: BrasilH2 35
Fonte: BrasilH2 36
Fonte: BrasilH2 37
Fonte: BrasilH2 38
Custo x Impacto ambiental Impactos ambientais Eletrólise c/ energia solar voltaica Eletrólise c/ energia eólica Eletrólise c/ energia Hidroelétrica Reforma-vapor de etanol Gaseificação de biomassa Reforma de GN Custo do Hidrogênio 39
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Vantagens Pode ser obtido de diversas fontes ( fósseis ou renováveis) Sua conversão produz apenas água (menor poluição local) Alta densidade de energia por massa (vantagem no uso aeroespacial) 41
Desvantagens Não é uma fonte primária de energia; Precisa ser extraído, podendo gerar poluição; Difícil de ser armazenado em grandes quantidades; Baixa densidade energética por volume; 42
Perspectivas Futuras Nos próximos 20/30 anos: Haverá um crescimento no consumo de energia com taxa média de crescimento de 2% ao ano. Continuo uso de fontes de energias não renováveis para suprimento energético. O uso de energias renováveis tende a reduzir para uma faixa de 10% a 15% no consumo mundial. Filho, A.V: O Brasil no contexto Energético Mundial, NAIPPE, USP, Volume 6,2009 43
O Brasil nesse contexto Possui fontes energéticas primárias com disponibilidades muito superiores às demandas previstas O total de cerca de 350.000 milhões de bep (barril equivalente de petróleo) seriam suficientes para manter, por duzentos anos, a atual oferta de energia do país. Filho, A.V: O Brasil no contexto Energético Mundial, NAIPPE, USP, Volume 6,2009 44
OBRIGADO!!! 45