Energia : Conceitos e Definições

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Energia : Conceitos e Definições

 O que é energia

 O papel da energia no mundo

 Conceitos e definições importantes

 As leis de conser vação da energia

 A geração distribuída de energia

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A importância das Fontes de Energia no Mundo

As fontes de energia são fundamentais para o funcionamento da sociedade em todo mundo. É um dos insumos que move toda a economia mundial. Em função de alterações climáticas, existe um debate amplo relacionado à diversificação da matriz energética e à adoção de fontes de energia renováveis.

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Conceituação de Energia

Energia, em grego, significa “trabalho” (do grego enérgeia e do latim energia)

e pode ser definidas de várias maneiras:

• É a realização de um Trabalho ( W= Fxd) , que é uma força atuando para

causar um movimento em um sistema ou sobre um sistema provocando uma

alteração de estado um dado sistema físico.

• É uma propriedade de um sistema derivada da Primeira Lei da

Termodinâmica.

• “É uma propriedade ou atributo de todo corpo ou sistema material em

virtude da qual este pode transformar-se, modificando sua situação ou

estado, assim como atuar sobre outros originando neles processos de

transformação” (Salomon, 1985)

O conceito de energia admite quatro formas básicas: a cinética, a potencial, a

da massa (energia de repouso) e a dos campos (gravitacional e

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Conceituação de Energia (2)

O conceito de energia admite quatro formas básicas: a cinética, a potencial, a da massa (energia de repouso) e a dos campos (gravitacional e

eletromagnético) (Solbes e Tarín, 1998, p.391)

• Energia química, energia elétrica, energia mecânica, energia térmica não

devem ser entendidos como novas formas de energia, mas sim como manifestações das formas básicas em diferentes sistemas

•A energia nunca é criada ou destruída. É sempre transformada ou convertida de uma forma para outra.

• Energia primária: energia contida nas fontes providas de forma direta pela natureza como energia hidráulica, carvão mineral, lenha, gás natural, urânio, petróleo, vento, sol, plantas.

• Energia secundária: energia primária após ser transformada nos Centro de Transformação (usinas hidrelétricas, refinarias, coquerias, destilarias, usinas nucleares, termelétricas ). São exemplos: gasolina, óleo Diesel, álcool,

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Conceituação de Energia (3)

Fontes alternativas de energia são aquelas que fornecem uma forma de energia diferente daquela obtida por fontes tradicionais (ou convencionais), que

participam em larga escala da matriz energética. O nome Energia Alternativa hoje não se aplica bem. Melhor seria “Fontes Complementares”

 Seriam consideradas fontes alternativas, no caso brasileiro, a energia solar,

a energia eólica, o hidrogênio, a energia das marés, geotérmica e outras.

 A biomassa, embora tenha grande participação na matriz energética

brasileira, tem sido tratada, em várias definições, como fonte alternativa.

 Fontes renováveis de energia são aquelas que tem uma reposição continuada

de estoque ou cujo o potencial de utilização seja considerado ilimitado.

• As fontes alternativas, em geral, utilizam unidades de médio e pequeno portes e, na maioria dos casos, de forma distribuída ou descentralizadas.

Quando essas fontes estão diretamente conectadas ao sistema de distribuição da Concessionária ou utilizadas de modo isolado (stand-alone) são também

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GERAÇÃO DISTRIBUIDA

O conceito de “Geração Distribuída” (GD) ou “Descentralizada” nos remete a

aquelas fontes de energia, de pequeno porte, produzida localmente para atender ao consumo próprio ou mesmo uma pequena injeção via rede de distribuição. Existem diversas definições para a GD, mas todas dá essa idéia acima. O tamanho máximo dessas fontes é que variam de 5, 10 a 30 MW

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Conservação de Energia

"Quando uma quantidade de energia de qualquer natureza desaparece numa

transformação, então produz-se uma quantidade igual em grandeza de uma energia de outra natureza". Julius Robert Mayer (1814-1878)

"Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma“ - Lavoisier (1743-1794)

"A energia total (mecânica e não mecânica) de um sistema isolado, um sistema que

não troca matéria e/ou energia com o exterior, mantém-se constante.“ - Max Planck

(1858-1947).

Primeira Lei da Termodinâmica (Princípio da Conservação de Energia), relaciona a energia térmica com a energia mecânica (Trabalho) :

ΔU = Q – T

Onde:

Q é a quantidade de calor recebida ou cedida;

T é o trabalho realizado pelo sistema ou que é realizado sobre o mesmo; ΔU é a variação da energia interna do sistema.

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TRABALHO e ENERGIA

Trabalho é definido como o efeito do deslocamento de um corpo por uma

força, ou:

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1. W = F .



x,

3. F = m. a

4. a = dv/dt



_{F = m. dv/dt  W =}

𝒎.

𝒅𝒗

𝒅𝒕

. 𝒅𝒙

5. W = m.

𝒅𝒗_𝒅𝒕

. 𝒅𝒙 = m. 𝒅𝒗. 𝒗

6. W= ½. m. v²

(energia cinética)

Equação trabalho e energia

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Formas de Energia

ENERGIA CINÉTICA:

É a energia que um corpo possui associada ao seu movimento.

E

_c

= ½.m.v²

m é a massa do corpo e v sua velocidade ENERGIA TÉRMICA:

É uma manifestação de energia cinética. A energia térmica é a energia

associada ao movimento microscópico aleatório das partículas que

constituem um determinado meio. A energia térmica é proporcional à

temperatura

e corresponde à diferença entre a energia interna de um

objeto a certa temperatura e a que ele teria à temperatura de zero

absoluto.

No caso de partículas livres, a energia térmica consiste na

energia cinética

média das partículas.

Energia cinética média de uma molécula = 3kT/2

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Formas de Energia - 2

ENERGIA POTENCIAL:

É a energia que um corpo possui em virtude de sua posição ou da posição

relativa de suas partes, em relação a um dado referencial.

(12)

ENERGIA POTENCIAL ELÁSTICA:

Energia contida na deformação de uma mola.

E

_pel

= ½ .k.x²

k é a constante elástica e x, a deformação da mola

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Formas de Energia 4

ENERGIA MECÂNICA:

A energia mecânica de um corpo é a soma de sua energia cinética com

sua energia potencial.

CONSERVAÇAO DA ENERGIA MECÂNICA:

Desprezadas as forças dissipativas, a energia mecânica permanece

constante. A unidade de energia no SI é o joule(símbolo: J)

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FONTES CONVENCIONAIS DE ENERGIA

1. ENERGIA NUCLEAR

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Uso final Tecnologias de conversão Energia primária Nuclear Preparação do combustível Reatores de 1ª geração Reatores de 2ª geração Reatores de 3ª geração Reatores de 4ª geração Turbina Eletricidade Hidrogênio Fissão Fusão A quente A frio

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A Reação em Cadeia

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Tecnologias Atuais

• Geração I: (1950-60) Poucos estão

funcionando hoje. A maioria usa urânio

natural e grafite como moderador.

• Geração II: A maioria dos que estão em

operação. Usam urânio enriquecido e são

resfriados e moderados pela água.

• Geração III: Reatores Avançados. Por

enquanto, só poucos no Japão. São

melhoramentos em questões de segurança

da geração II.

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Tecnologias Atuais

Reator Principais Países Número GWe Combustível Resfriador Moderador

Pressurised Water Reactor (PWR)

EUA, França, Japão, Rússia,

China 265 251.6 UO2 enriquecido Água Água Boiling Water Reactor

(BWR) EUA, Japão, Suécia 94 86.4 UO2 enriquecido Água Água Pressurised Heavy

Water Reactor 'CANDU' (PHWR)

Canadá 44 24.3 UO₂natural Água Pesada Água Pesada

Gas-cooled Reactor

(AGR & Magnox*) Reino Unido 18 10.8

U natural (metal),

UO₂enriquecido CO2 Grafite Light Water Graphite

Reactor (RBMK)* Rússia 12 12.3 UO2 enriquecido Água Grafite Fast Neutron Reactor

(FBR) Japão, França, Rússia 4 1.0 PuO2 e UO2 Sódio líquido none Outros Rússia 4 0.05 UO2 enriquecido Água Grafite

TOTAL 441 386.5

GWe = capacidade em milhares de megawatts (aproximada)

Fonte: Nuclear Engineering International Handbook 2008

Geração III * Geração I

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Reatores de água pressurizada (PWR)

• São os mais frequentes, com 226 em serviço no mundo. Utilizam

água a elevada pressão como meio permutador de calor, o

moderador também é constituído por água a elevada pressão. O

combustível é urânio ligeiramente enriquecido, podendo

eventualmente ser usado misturado com plutónio (MOX).

(24)

Tecnologias Atuais

• Reciclagem de rejeitos: uso de plutônio-239

(Pu-239), para o combustível de óxido misto

(MOX);

• Urânio-238 empobrecido: manufatura de

combustível MOX, enriquecimento ao nível

natural ou mesmo ao nível de combustível.

(25)

Potencial Mundial

• O maior produtor de

urânio do mundo é a

Austrália. Em 2007,

o país continha 23%

das reservas

mundiais do metal.

Logo abaixo, vêm o

Cazaquistão, com

15% e a Rússia, com

10%.

http://app.chinamining.com.cn/bbs/uchome/space.php?uid=3361&do=blog&id=5114

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Potencial do Brasil

Consumo: 0,5% da energia nuclear consumida no mundo.

Reservas recuperáveis de urânio:

278000 toneladas, ou 5% das reservas mundiais (7º país do ranking).

Distribuição percentual da matriz energética brasileira. Depósitos de urânio no Brasil.

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Potencial do Brasil

Consumo: 0,5% da energia nuclear consumida no mundo.

Reservas recuperáveis de urânio:

278000 toneladas, ou 5% das reservas mundiais (7º país do ranking).

Distribuição percentual da matriz energética brasileira. Depósitos de urânio no Brasil.

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Preço do urânio

Alta dos preços, devido à grande procura e pouca oferta.

Urânio: 8.9 kg U3O8 x

$115.50 US$ 1028 Conversão: 7.5 kg U x $12 US$ 90 Enriquecimento: 7.3 SWU x $164 US$ 1197

Fabricação do

combustível: por kg US$ 240 Total, aprox.: US$ 2555

Preços históricos do urânio Custos do urânio, em janeiro/2010:

(30)

Custos

Custos de produção de eletricidade ao longo do tempo (cents/kWh): a vantagem da usina nuclear.

Custos de produção: operação + manutenção + combustível.

(31)

Custos

• Usinas “overnight”: variam de US$

1000/kW na República Tcheca a

$2500/kW no Japão, a média é de

$1500/kW.

• Mais caras, mas produzem energia

mais barata e não sensível a taxação

de emissões de carbono.

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Nuclear

• Líderes:

– França: Areva,

EDF;

– EUA: Exelon Corp.;

– Alemanha: E.ON

Kernkraft;

– Japão: Tokyo

Electric Power Co;

– Reatores:

GE-Hitachi;

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Pesquisa & Desenvolvimento

• Tendências:

– segurança nuclear;

– otimização de manutenção e operação de usinas;

– melhorias na confiabilidade do equipamento;

– gerenciamento e disposição de lixo de baixo e

alto nível de radioatividade;

– desenvolvimento de novos reatores;

– melhorias na confiabilidade do combustível,

– gerenciamento de materiais, componentes,

sistemas e estruturas envelhecidos,

(34)

Pesquisa & Desenvolvimento

• Reatores Geração IV: não serão

operacionais antes de 2020. Terão ciclos de

combustível fechados e queimar os

actinídeos que hoje estão no lixo nuclear.

• Tório (Th) como combustível: as reservas de

tório são três vezes maiores, não precisa ser

enriquecido, seu rejeito é muito menos

radioativo que o da fissão do urânio.

– Reatores capazes de operar com Th-232,

(CANDU, p. ex.), ainda não são comercialmente

viáveis (entre outros, o armazenamento é

custoso pela grande radioatividade do

combustível).

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(36)

(37)

Uso final Tecnologias de conversão Energia primária Petróleo Gasolina GLP Turbina a vapor Óleo Combustível Diesel Não energéticos Querosene Combustão

Calor Energia Motora Motor a combustão

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Petroleo

• O petróleo está associado a grandes estruturas que comunicam a crosta e o manto da terra, sobretudo nos limites entre placas tectônicas.

• O petróleo e gás natural são encontrados tanto em terra quanto no mar, principalmente nas bacias sedimentares (onde se encontram meios mais porosos - reservatórios), mas também em rochas do embasamento cristalino. Os

hidrocarbonetos, portanto, ocupam espaços porosos nas rochas, sejam eles entre grãos ou fraturas. São efetuados estudos das potencialidades das estruturas acumuladoras (armadilhas ou trapas), principalmente através de sísmica

que é o principal método geofísico para a pesquisa dos hidrocarbonetos.

• Durante a perfuração de um poço, as rochas atravessadas são descritas, pesquisando-se a ocorrência de indícios de hidrocarbonetos. Logo após a perfuração são investigadas as propriedades radioativas, elétricas, magnéticas e

elásticas das rochas da parede do poço através de

ferramentas especiais (perfilagem) as quais permitem ler as propriedades físicas das rochas, identificar e avaliar a

ocorrência de hidrocarbonetos.

•

(39)

Constituintes da destilação do petróleo

Nas refinarias, o petróleo é submetido a uma destilação fracionada,

sendo o resultado desse processo separado em grupos. Nesta destilação

encontramos os seguintes componentes:

De 20 a 60 °C → éter de petróleo.

De 60 a 90 °C → benzina.

De 90 a 120 °C → nafta.

De 40 a 200 °C → gasolina.

De 150 a 300 °C → querosene.

De 250 a 350 °C → gasóleo (PT) ou óleo diesel (BR).

De 300 a 400 °C → óleos lubrificantes

Resíduos → asfalto, piche e coque.

Subprodutos → parafina e vaselina.

(40)

Potencial mundial

Distribuição das reservas mundiais de petróleo

(41)

Potencial do Brasil

Distribuição

percentual por Estado das reservas provadas

de Petróleo no Brasil (ANP, 2001)

Bacias sedimentares brasileiras, com destaque para as províncias

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Produtores

• Líderes Mundiais (em reservas):

(43)

Petroleo - Produção e Consumo, 2010

Valores de produção em 2010, em milhões de barris por dia:

1. Arábia Saudita (OPEP) 10,521 2. Rússia 10,146

3. Estados Unidos 9,688

4. República Popular da China 4,273 5. Irã (OPEP) 4,252

6. Canadá 3,483 7. México 2,983

8. Emirados Árabes (OPEP) 2,813 9. Brasil 2,719 10. Nigéria (OPEP) 2,458 11. Kuwait (OPEP) 2,450 12. Iraque (OPEP) 2,408 13. Venezuela (OPEP) 2,375 14. Noruega 2,134 15. Angola (OPEP) 1,988

Valores de consumo em 2010, em milhões de barris por dia:

1. Estados Unidos 19,180

2. República Popular da China 9,392 3. Japão 4,452

4. Índia 3,116 5. Rússia 3,038

6. Arábia Saudita (OPEP) 2,650 7. Brasil 2,560 8. Alemanha 2,495 9. Coreia do Sul 2,251 10. Canadá 2,216 11. México 2,073 12. França 1,861 13. Irã (OPEP) 1,800 14. Reino Unido 1,622 15. Itália 1,528

(44)

Produtores

• Líderes Mundiais:

– “Big Five”/“Big Oil”:

Chevron,

Exxon/Mobil, Royal

Dutch Shell, BP e

Conoco-Phillips.

– Brasil: Petrobrás.

– Em comum: todas

investem em

alternativas

energéticas.

ht tp://oi lpr ic e.c o m /E ne rg y/C rud e-O il/B ig -Oil -A -Lo o k-at -T he -W o rlds -M o st -P o we rfu l-C o m pa ni es.h tm l ht tp://co nt rai nf o rm ac ao em re de .bl o gsp o t.c o m /201 0_ 03_ 01_ ar chi ve .ht m l http://www.willyoujoinus.com/energy.issues/basicfactsaboutenergy/energysupply/limitationstogrowingsupply/

(45)

Preços

Preço recorde: US$ 147,27 (11/07/2008) Preço atual: US$ 78,21 (18/02/2010)

Fontes de petróleo por custo de produção ($ por barril)

Fonte: The Millennium Project baseado no IEA

Série histórica de preços do petróleo.

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Tecnologias atuais

• Gasolina, diesel, querosene, etanol;

• Motores a explosão e turbinas de

termelétricas.

http://www.solostocks.com.br/venda-produtos/eletricidade-equipamentos-eletricos/motor_b-4 http://pt.wikipedia.org/

(47)

Impactos ambientais

• Emissões de enxofre (SOx) e nitrogênio

(NOx), que causam chuva ácida.

• Emissão de CO

₂

, CO e outros gases do efeito

estufa.

• Derramamentos de óleo em caso de dano a

navio petroleiro.

• Derramamento de óleo e contaminação de

aquífero, em caso de acidente com veículo

terrestre transportando ou usando como

combustível.

(48)

Pesquisa & Desenvolvimento

• Motores bicombustível, motor limpo a diesel,

combustíveis com menos poluentes.

Flex Diesel/Gas

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Pesquisa & Desenvolvimento

• Motor diesel

mais limpo.

• Feito para

atender às

especificações

europeias de

emissão.

(50)

• Diesel limpo (Petrobrás):

– Já existe o S-10 (diesel com 10 ppm de

enxofre), e há perspectivas de baixar

ainda mais.

Pesquisa & Desenvolvimento

(51)

Pesquisa & Desenvolvimento

• Tendências:

– Maior eficiência da queima do carvão;

– Tecnologias de gaseificação;

– Seqüestro e captura de dióxido de carbono;

– Produção de O

₂

;

– Tecnologias para o uso do gasogênio;

– Tecnologias que tolerem qualidades variáveis de

carvão;

– Novos conceitos, como o looping químico, o

gaseificador de transporte, membrana de separação de

CO

₂

e outros;

– Transporte de CO

₂

em larga escala, capturado e

pressurizado na queima do carvão.

(52)

(53)

Uso final Tecnologias de conversão Energia primária Gás Natural Turbina a gás Combustão Cogeração Não energéticos Ciclo combinado Ciclo aberto Calor Eletricidade Gás de síntese (Hidrogênio) Reforma

(54)

• Usinas termelétricas, inclusive com

recolhimento do calor (cogeração), em que

substitui de maneira vantajosa o carvão e o

diesel.

• Com cogeração: rendimentos de até 85%.

Sem cogeração: entre 35% e 55%.

Tecnologias Atuais

(55)

• Motores de combustão interna para

automóveis (GNV). Não deixa resíduos

nas partes internas do motor.

Tecnologias Atuais

http://www.sdec.com.pt/5.3L_Natural_Gas_Engine.htm

(56)

Tecnologias Atuais

http://www.epa.gov/oaintrnt/images/cogen_shematic.jpg

Planta com Cogeração.

Planta com Ciclo Combinado

http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/fig5BraytonOpenCycle_web.jpg

Planta com Ciclo Aberto

(57)

Potencial Mundial

Distribuição regional de reservas provadas de gás natural no mundo.

h tt p :/ /w w w .o s a k a g a s .c o .jp/ c s r_ e /c h a rt e r0 1 /s a fe ty 0 1 .h tm l

(58)

Potencial do Brasil

Termelétricas brasileiras a gás natural.

(59)

Preços

Preço atual: $4,56 por MMBtu

Série histórica de preços do gás natural nos EUA.

http://www.oilnergy.com/1gnymex.htm

Projeções a curto prazo do preço do gás natural.

Fonte: Short-term Energy Outlook, março/2010, Reuters News Service e CME Group.

(60)

Custos

• Custos de construção da usina: $500-1000/kW

• Usinas mais baratas de se implantar, mas o

preço aumenta com implantação de

tecnologias de CCS.

Custo capital da usina “overnight” (2008 $/kW) Custo da eletricidade (c/kWh) nuclear 4038 8.34 carvão supercrítico 2214 8.65 carvão supercrítico +CCS 4037 14.19 IGCC (gaseificação de carvão) 2567 9.22

IGCC + CCS 3387 12.45

gás com ciclo combinado 869 7.60 gás com ciclo combinado + CCS 1558 10.31

(61)

Impactos ambientais

• Emissão de CO

₂

, CO e outros gases do

efeito estufa.

• Contaminação do subsolo quando

escavado em terra firme.

• Emissões de compostos de enxofre (SOx)

e nitrogênio (NOx), que causam chuva

ácida.

• Emissão dos transportes de gás e a gás.

• Mais limpo que petróleo e carvão, mas

ainda assim poluente.

(62)

Pesquisa & Desenvolvimento

• Gerador de hidrogênio em células

combustíveis (produzem energia elétrica

através da reação entre hidrogênio e

oxigênio). Poluentes gerados: muito menos

que a combustão.

(63)

• Melhoramento de turbinas de

termelétricas: eficiência, condições

estremas, exigências ambientais.

• Possibilidade de obter GN de outras

fontes que não minerais (quando ele é

chamado de biogás).

Pesquisa & Desenvolvimento

(64)

(65)

Uso final

Tecnologias de conversão Energia primária

Carvão

Pulverização Gaseificação

Cogeração Turbinas a gás/ciclo combinado Não energéticos Eletricidade Calor Turbinas a vapor Queima direta

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Tecnologias Atuais

• Geração de energia elétrica: termelétricas.

• Turbinas mais novas: ciclo combinado (com

recolhimento de vapores quentes) ou

cogeração (produzem calor e eletricidade).

(67)

Tecnologias Atuais

• Gaseificação ou liquefação para gerar

outros combustíveis (gasogênio,

hidrogênio, gasolina ou diesel).

• Turbinas supercríticas.

http://www.projectsmonitor.com/NewsImages/Photos%2024/L&T%20Jaypee.jpg http://www.eastman.com/Company/Industrial_Gasification/Pages/Process.aspx