Carvão: Um Papel em Expansão

O carvão é o combustível mais abundante da América. Os Estados Unidos já foram chama- dos de "a Arábia Saudita do carvão". A Figura 6.13 mostra as reservas recuperáveis mundiais de carvão; os Estados Unidos têm aproximadamente um quarto destas reservas.

O U.S. Geological Survey estima que as reservas americanas sejam de mais de 3 trilhões de toneladas, sendo que 300 bilhões de toneladas são recuperáveis por meio da tecnologia

existente atualmente. Das reservas americanas recuperáveis de combustíveis fósseis, 80% são de carvão, comparadas aos menos de 3% de petróleo e 4% de gás natural. Ainda assim,

o carvão corresponde hoje a apenas 23% do suprimento de energia americano, compara- dos aos 70% de 1925.

FIGURA 6.12

FIGURA 6.13

Reservas recuperáveis mundiais de carvão. (U N I T E D STATES E N E R G Y I N F O R M A T I O N A D M I N I S T R A T I O N )

E X E M P L O

Se todas as necessidades energéticas dos Estados Unidos fossem supridas pelo carvão, quanto tempo as reservas durariam, à presente taxa de consumo de energia?

S o l u ç ã o

O uso atual de energia nos EUA é de aproximadamente 97 X 1015 _{Btu/ano. Uma}

libra de carvão betuminoso fornece aproximadamente 13.000 Btu, portanto, uma tonelada libera 26 X 106 _Btu.7 _{Em um ano, o número de toneladas consumidas seria}

Portanto, as reservas durariam

O dobro do consumo americano de energia vem do petróleo, em relação ao carvão. Uma substituição generalizada do petróleo por carvão não é uma tarefa simples. Uma grande parte do petróleo é utilizada em transporte. Líquidos obtidos do carvão parecem promissores, mas a pesquisa e o desenvolvimento são lentos, e atualmente não são favo- ráveis comercialmente. Cerca de 90% do carvão utilizado atualmente é queimado por usi- nas e produtores independentes de energia. Em caldeiras industriais, as restrições ambientais têm dificultado a utilização do carvão. Aparentemente, o aumento do consumo de carvão vem sendo restringido pela demanda, e não pela oferta.

7 N.T.: Trata-se da "tonelada curta", ou short ton, unidade de massa comum nos Estados Unidos, e que eqüivale a 2.000 libras, ou aproximadamente 906 kg.

Este valor é enganoso, porque (1) o carvão não é capaz de atender a todas as necessidades (algumas aplicações necessitam de combustíveis líquidos), (2) não foram incluídas perdas resultantes da segunda lei da termodinâmica, tais como uma perda de aproximadamente 65% na geração de energia, e (3) foi considerado um crescimento zero do consumo de energia. Um aumento de consumo de 3% ao ano reduziria este número a 50 anos, enquanto um crescimento de 5% leva a 35 anos até a exaustão.

Cap. 6 Energia de Combustíveis Fósseis

Tabela 6.3 CLASSIFICAÇÃO DO CARVÃO

Classificação Carbono (%) Conteúdo energético (Btu/lb)

Lignito 30 5.000-7.000

Sub-betuminoso 40 8.000-10.000

Betuminoso 50-70 11.000-15.000

Antracito 90 14.000

*(P. Averitt, U.S. Geological S u r v e y Bulletin 1.412. W751

T i p o s d e C a r v ã o

O carvão é formado a partir de material vegetal que se acumulou no fundo de pântanos há

milhões de anos. Esta vegetação se decompôs em turfa; à medida que o terreno se sedi-

mentou, a turfa foi coberta por lama e areias, que se transformaram no xisto e no arenito

encontrados no topo dos veios de carvão atuais. Ao longo de milhares de anos, a turfa foi

compactada por pressões geológicas, transformando-se gradualmente em veios de carvão.

Calcula-se que são necessários 20 pés de matéria vegetal para formar 1 pé de carvão. O

carvão recebe quatro classificações, de acordo com a quantidade de carbono nele contida

(Tabela 6.3). Os carvões mais jovens são chamados de lignitos. As pressões geológicas

exercidas pelo solo acima, e as temperaturas, são mais baixas neste caso; portanto, os ligni-

tos possuem alto teor de água e baixo valor calorífico. Com pressões e temperaturas maiores, forma-se o carvão sub-betuminoso. Embora ainda tenha um elevado teor de

água, este carvão vem despertando interesse, por possuir pouco enxofre e custos de mine-

ração mais baixos. Com calor e pressão adicionais, forma-se o carvão betuminoso, que é o

tipo mais abundante de carvão. Neste tipo, o valor calorífico é elevado. Existem grandes depósitos no leste e meio-oeste dos Estados Unidos. Porém, o teor de enxofre tende a ser elevado — mais de 2% em massa. Finalmente, temos o antracito, um carvão muito duro

com alto valor calorífico. Durante muitos anos, este carvão teve grande popularidade para uso em aquecimento, já que não apresenta poeira e fuligem, e queima durante mais tempo do que outros tipos de carvão. Entretanto, as fontes de antracito são muito limitadas, e são atualmente encontradas principalmente na Pensilvânia. Em cada estágio do seu desen- volvimento, a porcentagem de carbono do carvão aumenta.

FIGURA 6.14

Consumo de carvão por setor nos EUA: 1950-1998. (U N I T E D STATES E N E R G Y I N F O R M A T I O N ADMINTSTRATION)

P a d r õ e s d e P r o d u ç ã o e C o n s u m o d e C a r v ã o

O consumo de carvão nos Estados Unidos permaneceu relativamente constante em apro- ximadamente 600 milhões de toneladas por ano durante os 30 anos que se seguiram à Segunda Guerra Mundial. Entretanto, durante este período, a porcentagem da sua con- tribuição no consumo total de energia declinou dramaticamente, de aproximadamente 40% para 18% (Figura 6.14). Este declínio foi o resultado principal da disponibilidade de óleo e gás natural baratos e de queima limpa. Os mercados também mudaram drasticamente. Nos anos 40, as estradas de ferro eram os maiores usuários de carvão, consumindo 125 milhões de toneladas anualmente, mas hoje em dia seu uso de carvão é desprezível, já que locomotivas elétricas e a diesel substituíram a locomotiva a vapor movida a carvão. Os usos industrial e residencial também diminuíram apreciavelmente durante os últimos 30 anos. O único setor em que a utilização de carvão aumentou foi o das usinas elétricas, aumentando de 50 milhões de toneladas em 1940 para 1.037 milhões de toneladas em 1998. Hoje, usinas elétricas conso- mem aproximadamente 90% do carvão total produzido. A contribuição do carvão no con- sumo doméstico de energia elétrica vem aumentando desde meados dos anos 70, crescendo a aproximadamente 4% ao ano. A produção de carvão nos Estados Unidos atingiu 1.000 milhão de toneladas em 1996 e espera-se que continue neste nível ou mais alta.

A produção de carvão tem sofrido deslocamentos geográficos significativos desde os anos 40. Em geral, a produção tem se deslocado para o oeste dos Estados Unidos, e do sub- solo para minas na superfície. A Figura 6.15 mostra as regiões de suprimento de carvão dos EUA por tipo de carvão. Embora mais da metade da produção atual venha da região dos Apalaches, o carvão de baixo teor de enxofre do meio-oeste e oeste terá mais impacto no futuro devido às limitações na emissão de enxofre impostas pela Lei do Ar Limpo (ver Capítulo 8).

FIGURA 6.15

Cap. 6 Energia de Combustíveis Fósseis 165

M i n e r a ç ã o d e S u p e r f í c i e

O carvão ocorre na forma de veios ou leitos, que variam em espessura de algumas pole- gadas até mais de 100 pés. Ele é extraído do subsolo e em minas de superfície. Aproximadamente 60% do carvão produzido atualmente vem de minas de superfície, de veios muito próximos à superfície da Terra (Figura 6.16). Na mineração de superfície, a terra e as rochas que estão acima do veio — chamadas de "sobrecarga" — são removidas e colocadas de lado. O carvão exposto é quebrado e transportado em caminhões. Sob con- dições ideais, a sobrecarga é então reposta e o terreno é preparado para o posterior plantio. As máquinas utilizadas na remoção da sobrecarga são gigantescas (Figura 6.17). Suas hastes podem ser maiores que um campo de futebol e suas barras são capazes de remover 180 yd3

(aproximadamente a metade do volume de uma casa) em apenas uma "mordida".

FIGURA 6.17

Guindaste usado na remoção de carvão em uma mina de superfície

U . S . D E P A R T M E N T O F T H E I N T E R I O R )

FIGURA 6.16

Vista a é r e a d e uma mina de

superfície e m Montana,

EUA. ( L S . DE P A R T M E N T O F T H E I N T E R I O R )

A mineração de superfície de carvão apresenta uma série de problemas ambientais, cuja solução é essencial para a expansão da produção. A mineração de superfície no leste dos Estados Unidos causou problemas ambientais catastróficos no passado. Grandes ex- tensões de terra foram deixadas na forma de buracos de lama gigantescos. A remoção do solo superficial e sua vegetação, sem a reposição, leva à erosão. A terra exposta não é capaz de sustentar a vegetação e, conseqüentemente, a vida selvagem. Hoje em dia, uma legis- lação federal (O Ato de Controle e Recuperação da Mineração de Superfície, de 1997) de- termina que as áreas de mineração de superfície sejam recuperadas, devolvendo-se à terra a sua produtividade original. A recuperação é feita por meio da reposição cuidadosa do solo superficial, seguida de reflorestamento. Porém, ainda não está claro se a perturbação causada à terra pode ser totalmente remediada. Um problema é a quantidade de água disponível para o reflorestamento. Em áreas secas (com um índice pluviométrico anual abaixo de dez polegadas), o reflorestamento pode se revelar impossível. A mineração tam- bém pode alterar o suprimento local de água, assim como a sua drenagem. Outro pro- blema difícil é a "drenagem ácida da mineração". Nesta situação, o carvão se combina com o oxigênio e o vapor de água para formar o ácido sulfúrico, H2S 04. A água ácida é nociva

à vegetação e à vida aquática das redondezas.

A mineração de superfície no oeste americano irá crescer dramaticamente nos próxi- mos anos. As minas de superfície do oeste possuem veios que têm de 50 pés a 100 pés de espessura (comparados aos veios de 5 pés a 10 pés no leste), a sobrecarga tem profundi- dade de apenas 30 pés a 40 pés, o teor de enxofre é baixo, e a mineração de superfície é mais segura e envolve menos mão-de-obra do que a mineração no subsolo. A produção de uma mina de superfície em toneladas por hora é aproximadamente oito vezes maior do que a de uma mina no subsolo.

Mesmo com as dificuldades ambientais associadas à mineração de superfície do carvão do oeste, parece claro que o papel do carvão na matriz energética americana terá importân- cia crescente nos anos que virão. Quais serão as outras restrições à expansão deste papel?

R e s t r i ç õ e s à D e m a n d a e S u p r i m e n t o s d e C a r v ã o

O aumento no uso do carvão pode ser dificultado pelo lado da demanda, pelo lado do suprimento, ou por ambos. Iremos mencionar apenas brevemente estas restrições, para demonstrarmos as complexidades envolvidas no aumento do uso do carvão.

Restrições ao suprimento de carvão vêm de várias áreas. Uma delas já foi discutida: a solução dos impactos ambientais associados à mineração de superfície. A velocidade do desenvolvimento da mineração de carvão na parte ocidental dos Estados Unidos irá de- pender do sucesso na reabilitação destas terras. Problemas sociais também irão surgir como resultado do desenvolvimento rápido do carvão no oeste americano. Cidades irão desenvolver-se muito rapidamente, como resultado do grande influxo de mineradores e trabalhadores da construção civil. Em muitos casos, isso irá levar a uma sobrecarga nas es- colas e nos serviços públicos de abastecimento de energia. Um impedimento à mineração no subsolo é a disponibilidade de mineiros de carvão. A mineração de carvão no subsolo é a profissão comum mais perigosa dos dias de hoje, de maneira que poderá ser difícil atrair os novos trabalhadores necessários ao aumento projetado da mão-de-obra.

Como nas grandes empreitadas, as coisas não podem ser mudadas da noite para o dia. O tempo necessário para se abrir uma nova mina de carvão é de três a sete anos, e mesmo esse tempo tem sido alongado devido ao atraso nos pedidos de equipamento novo de mineração. Uma vez extraído o carvão, deve haver meios de transporte suficientes para levá-lo às populações do leste. Atualmente, 65% de todo o carvão extraído é transportado por via férrea. Conseqüentemente, milhares de novos vagões de carga e locomotivas serão necessários.

Cap. 6 Energia de Combustíveis Fósseis 167 O aumento a curto prazo na demanda por carvão virá de seu uso crescente na geração de eletricidade. Hoje, cerca de 80% da eletricidade gerada a partir de combustíveis fósseis vem do carvão. Porém, grandes restrições têm sido impostas ao aumento na sua utiliza- ção devido aos padrões de qualidade do ar, especialmente os de emissão de SO2. A chuva ácida (resultante de reações químicas entre óxidos de nitrogênio e de enxofre com o vapor de água na atmosfera) é um assunto muito importante hoje em dia, especialmente no leste dos Estados Unidos, no Canadá e na Europa Ocidental. Efeitos nocivos aos peixes e às florestas já foram comprovados. Entretanto, as emissões de dióxido de enxofre têm diminuído nos últimos 15 anos, como resultado de novos dispositivos de controle de poluição, do uso de carvão de queima mais limpa, e de técnicas novas de combustão do carvão (tais como a combustão em leito fluidizado). Dispositivos confiáveis de controle

de emissão de S 02, chamados scrubbers, ou unidades de dessulfurização dos gases das chaminés podem reduzir a emissão em até 90% (ver Capítulo 7). Outra preocupação cau- sada pelo uso do carvão (assim como petróleo e gás) é com os efeitos climáticos resul- tantes da emissão de CO2.