Fontes Não Renováveis I

ENE-101 Fundamentos da Energia

Aula 5

ENE-101 Fundamentos da Energia

Aula 5

Pr of. D r . Jose Ru ben s Ma i or i n o En g en h a r i a d e En er gi a

CECS

Fontes Não Renováveis I

Biomassa

Solar

Biomassa

Origens

Deriva de produtos vegetais e animais:



Florestais



Resíduos da indústria da madeira



Resíduos de culturas agrícolas



Resíduos sólidos urbanos – biogás



Produtos recicláveis



Cana de açúcar – etanol (transporte) e

bagaço da cana (geração elétrica)

Vantagem da Biomassa

• . A biomassa pode considerar-se um recurso natural renovável,

enquanto que os combustíveis fósseis não se renovam a curto prazo.

• A biomassa é utilizada na produção de energia a partir de

processos como a combustão de material orgânico produzida e acumulada em um ecossistema, porém nem toda a produção primária passa a incrementar a biomassa vegetal do

ecossistema. Parte dessa energia acumulada é empregada pelo ecossistema para sua própria manutenção. Suas vantagens

são o baixo custo, é renovável, permite o reaproveitamento

de resíduos e é menos poluente que outras formas de energias como aquela obtida a partir de combustíveis fósseis.

Produtos derivados da biomassa

• Bio-óleo: líquido negro obtido por meio do processo de pirólise cujas destinações principais são aquecimento e geração de energia elétrica.

• Biogás: metano obtido juntamente com dióxido de carbono por meio da decomposição de materiais

como resíduos, alimentos,esgoto e estco digestores de biomassa.

• Biomassa para-Liquidos: líquido obtido em duas etapas.

Primeiro é realizado um processo de gasificação, cujo produto é submetido ao processo de Fischer-Tropsch. Pode ser

empregado na composição de lubrificantes e combustíveis líquidos para utilização em motores do ciclo diesel.

• Etanol celulósico: etanol obtido alternativamente por dois

processos. Em um deles a biomassa, formada basicamente por moléculas de célulose, é submetida ao processo de hidrólise enzimática, utilizando várias enzimas, como a celulase,

celobiase e β-glicosidase. O outro processo é composto pela

Produtos derivados da biomassa

• Bioetanol "comum": feito no Brasil à base do sumo extraído da cana de açúcar (caldo de cana). Há países que empregam milho (caso dos Estados Unidos) e beterraba (da França) para a sua produção. O sistema à base de cana-de-açúcar empregado no Brasil é mais viável do que o utilizado pelo americano e

francês.

• Biodiesel: éster produzido com óleos vegetais como do dendê, da mamona, do sorgo e da soja, etc

• Óleo Vegetall: Pode ser usado em Motores diesel usando a tecnologia Elsbet

• Lenha: Forma mais antiga de utilização da Biomassa.

• Carvão vegetal: Sólido negro obtido

pela carbonização pirogenal da lenha ou carbonização hidrotermica..

USINA TÉRMICA A BIOMASSA

o setor de energia elétrica tem sido favorecido com a injeção de energia procedente das usinas de álcool e açúcar, geradas a partir da incineração do bagaço e da palha da cana-de-açúcar. Outros detritos como palha de arroz ou serragem

Geração Avançada

Utilização da biomassa como combustível para

transporte

Durante os colapsos de fornecimento de petróleo que

ocorreram durante a década de 1970, essa importância se

tornou evidente pela ampla utilização de artigos procedentes

da biomassa como álcool, gás de madeira, bio gáse óleos

vegetais nos motores de combustão interna Não obstante,

os motores de combustão interna foram primeiramente

Biodiesel

O biodiesel é derivado de lipídios orgânicos

renováveis, como óleos vegetais e gorduras

animais, para utilização em motores de ignição por

compressão (diesel). É produzido

por transesterificação e é também um combustível

biodegradável alternativo ao diesel de petróleo,

criado a partir de fontes renováveis de energia, livre

de enxofre em sua composição. É obtido a partir de

óleos vegetais tais como:

Biogás

• Biogás é uma mistura gasosa composta principalmente

de gás metano (CH4) e é

obtido pela digestão anaeróbia (em ausência de oxigênio)

de matéria orgânica onde microrganismos atuam em

um ecossistema balanceado com limites

de temperatura, pH, nutrientes e teor de umidade. A produção de biogás pode ocorrer de

forma natural, como

nos aterros sanitários ou com a implantação de uma usinas de biogás , cujo processo é totalmente limpo, eficaz e sustentável

Bioetanol-Álcool

• O bioetanol é a obtenção do etanol através da biomassa, para ser

usado diretamente como combustível ou se juntar com os ésteres do óleo vegetal e formar um combustível, a esse processo se dá o nome de transesterificação. O etanol é um álcool incolor, volátil, inflamável e totalmente solúvel em água, derivado da cana-de-açúcar, do milho,

da uva, da beterraba ou de outros cereais, produzido através da fermentação da sacarose. Comercialmente, é conhecido como álcool etílico e sua fórmula molecular é C₂H₅OH.

• O etanol é hoje um produto de diversas aplicações no mercado,

largamente utilizado como combustível automotivo na forma hidratada ou misturado à gasolina. Também tem aplicações em produtos

como perfumes, desodorantes, medicamentos, produtos de limpeza doméstica e bebidas alcoólicas. Merece destaque como uma das

principais fontes energéticas do Brasil, além de ser renovável e pouco poluente. O Brasil é hoje o maior produtor mundial de etanol, que,

quando utilizado como combustível em automóveis, representa uma alternativa à gasolina de petróleo. Destacam-se na produção do etanol os estados de São Paulo e Paraná, respondendo juntos por quase 90% da safra total produzida. Além disso, o Brasil lidera a produção

CONCEITOS BÁSICOS

• Intensidade de radiação solar no topo da

atmosfera incidindo sobre área normal à

direção da radiação: I (S)=1395 W/m

2

Fusão Nuclear

Radiação solar

• Radiação solar é a designação dada à energia radiante emitida pelo Sol , em particular aquela que é transmitida sob a forma de radiação electromagnética. Cerca de metade desta energia é emitida como luz visível na parte de frequência mais alta

do espectro electromagnético e o restante na do

infravermelho próximo e como radiação ultravioleta. A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre 1,5 x 1018 _kWh

de energia, a qual, para além de suportar a vasta maioria

das cadeias tróficas, sendo assim o verdadeiro sustentáculo da vida na Terra, é a principal

Balanço de Energia Solar na Terra

Em média, da radiação solar incidente (sobre o sistema Terra/atmosfera):

* 19 % é perdida por absorção pelas moléculas de oxigénio e ozónio da radiação ultravioleta (de alta energia) na estratosfera (onde a temperatura cresce com a altitude);

* 6% é perdida por difusão da luz solar de menor comprimento de onda - azuis e violetas - (o que faz com que o céu seja azul);

* 24% é perdida por reflexão - 20% nas nuvens e 4% na superfície. (O albedo do planeta é de 30% (6% difusão+24%

reflexão)- ciclo hidrológico.

* 51% é absorvida pela superfície. Energia Geotérmica

Balanço da energia solar incidente

na superfície( 51%)

• A energia radiada pela superfície da Terra, na gama dos

infravermelhos, corresponde a cerca de 117% do total de radiação solar incidente (sobre o sistema Terra/atmosfera). Dessa energia,

apenas 6% é emitida diretamente para o espaço (emissão terrestre) e 111% é absorvida pelos gases de estufa da atmosfera, que reemite

depois, de volta para a superfície, uma energia correspondendo a 96% da radiação solar incidente. Finalmente, uma energia correspondendo a 64% da radiação solar incidente é emitida pela atmosfera para o

espaço (emissão atmosférica).

• Note que estes números traduzem um equilíbrio no sistema

Terra/atmosfera: a radiação emitida para o espaço é igual à radiação solar incidente [24% (reflexão) + 6% (difusão) + 64% (emissão

atmosférica) + 6% (emissão terrestre) = 100%].

• No entanto, em média, a superfície absorve mais radiação da que emite e a atmosfera radia mais energia do que a que absorve. Em ambos os casos, o excedente de energia é de cerca de 30% da energia da

radiação solar incidente no sistema Terra/atmosfera:

superfície - energia absorvida: 147% (51% do Sol + 96% da atmosfera); energia emitida: 117%

• A partir desta constatação pareceria que a superfície deveria ir aquecendo e a atmosfera arrefecendo. Isso não acontece porque

existem outros meios de transferência de energia da superfície para a atmosfera que representam, no seu conjunto, uma transferência

líquida de 30% do total de radiação solar incidente que equilibra o orçamento de energia no planeta.

• O ar quente que se eleva na atmosfera a partir da superfície transfere calor para a atmosfera. Essa transferência de calor (o fluxo de calor sensível) corresponde a um valor de energia que é 7% do total de radiação solar incidente.

• A evaporação da água na superfície do planeta corresponde a uma extracção de calor que acaba por ser libertado durante o processo de condensação na atmosfera (que dá origem à formação das nuvens). Essa transferência de calor (o fluxo de calor latente) corresponde a um valor de energia que é 23% do total de radiação solar incidente.

• Uma fração pequeníssima(0,02%) é capturada pelas plantas onde se processa a fotossíntese( radiação solar+CO₂+H₂O→compostos

orgânicos+ O₂ ). Esta energia que dá origem à biomassa, e ao se acumularem depois do material orgânico cessarem(morte) irão se acumular ao longo de séculos e devido fenômenos naturais(

RADIAÇÃO SOLAR

• NA SUPERFÍCIE DA TERRA:

I

= 1000 J/s.m

_{= 85 MJ/m}

_.dia

(constante solar após passagem pela atmosfera)

• NO BRASIL:

I

= 16 MJ/m2.dia (média anual)

• POTENCIAL SOLAR DO BRASIL:

E

= A I

= (8 x 10

_m

_)x(16

MJ/m

_{.dia)/(86400 s/dia) E}

Aproveitamento da energia solar

• Sistemas devem ser projetados pela potência de pico

• Aproveitamento parcial da área de coleta de energia

solar

• Disponibilidade do sistema: f

≈

0,20 (horas diárias de

insolação)

• Eficiências dos sistemas de aproveitamento:

- Sistemas térmicos,

CSP

(Concentrated Solar

Power):

η

≈

30%

- Sistemas fotovoltáicos (

PV

):

Células de silício policristalino:

η

≈

13% – 1

7% (95% do mercado)

Células de silício amorfo:

η

≈

7% (4% do

PAINEL FOTOVOLTÁICO: Conversão direta de

Energia Solar em Eletricidade

Células Fotovoltaicas

Uma célula solar (também chamada célula fotoelétrica ou célula fotovoltaica) é um dispositivo elétrico de estado sólido capazes de converter a luz diretamente em energia elétrica por intermédio do efeito fotovoltaico. Os conjuntos de células usadas para fazer módulos solares utilizados na captura de energia da luz solar são conhecidos

como paineis ou placas solares. A energia gerada por este módulos solares é

Aproveitamento da energia solar

por CSP

• Aquecimento por

espelho de uma mistura de:

• 60% de nitrato de sódio

• 40% de nitrato de potássio

Esquemas para Coletores Solares

Domésticos

Colet or

Reservatório

Coletores Solares

Trocador De Calor

Gerador Elétrico Água

Quente Propano _Eletricidade Água Fria

Insolação

• Radiação que atinge a superfície da Terra.

Fortemente dependente de:

• Condições da atmosfera

• Época do ano

RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL

Vantagens e desvantagens da energia solar

Vantagens

• A energia solar não polui durante sua produção. A poluição decorrente da

fabricação dos equipamentos necessários para a construção dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente.

• As centrais necessitam de manutenção mínima.

• Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo que seu custo vem decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável.

• A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua

instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de

transmissão.

• Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente todo o território, e, em locais longe dos centros de produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e consequentemente a perda de energia que ocorreria na

transmissão

Desvantagem

• Um painel solar consome uma quantidade enorme de energia para ser fabricado. A energia para a fabricação de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele.[10]

• Os preços são muito elevados em relação aos outros meios de energia.

• Existe variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação atmosférica

(chuvas, neve), além de que durante a noite não existe produção alguma, o que obriga a que existam meios de armazenamento da energia produzida durante o dia em locais onde os painéis solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia.

• Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com frequente cobertura de nuvens (Curitiba, Londres), tendem a ter variações diárias de produção de acordo com o grau de nebulosidade. • As formas de armazenamento da energia

solar são pouco eficientes quando comparadas, por exemplo, aos

Energia das Marés

Energia maremotriz ou das marés, é o modo de geração de eletricidade através da utilização da energia contida no movimento de massas de água devido às marés. Dois tipos de energia maremotriz podem ser obtidas: energia cinética das correntes devido às marés e energia

MARÉS: Principios Físicos

A principal causa das marés é a Atração que a Lua exerce sobre a Terra. Inicialmente consideremos A Terra imóvel no espaço( Fig.1). No CM(centro da terra) a força de Atração(F_G) é igual à força centrifuga O movimento de rotação. No ponto Situado no equador do lado próximo da Lua a F_G.> F_c, devido este ponto estar mais próximo da Lua. No lado Oposto F_G< F_c. A mesma analise pode ser feita em qualquer ponto Da superfície da terra, fazendo com que existem forças não equilibradas atuando em todos os pontos da Superfície que tenderão a fazer a Água dos oceanos se mover na direção dos pólos para o equador, Conforme ilustrado na Fig.2.

. Figura 1

Aproveitamento das Energias das

Marés

• O resultado das ondas de

maré são ondas que se

propagam no oceano(

v~1600 Km/hr). Estas

ondas carregam energia

cinética que podem ser

convertidas. Mais além

se num canal apropriado

for construída um

barragem, da mesma

maneira que as

Aproveitamento da Energia das

Marés

• A máxima Energia que se pode

retirar das marés: E_max=ηρgR2S

Onde:

η- eficiência de conversão de

energia mecânica em elétrica

ρ-densidade da água do mar

g- aceleração da gravidade R- Altura da Maré

S- área total da Baia

• O comprimento L da barragem

necessário para fechar a barragem( aprisionar a água depois que esta é elevada pela maré ) é também um fator

Usinas Maremotrizes

Em Portugal há uma central na ilha do Pico nos Açores. A central é do tipo de coluna de água oscilante, com uma turbina Wells de eixo horizontal que aciona um gerador elétrico de velocidade variável, com a potência de 400 kW

La Rance

A mais importante usina maremotriz em operação em La Rance, França(1966) tem capacidade de ~250 MW. A capacidade mundial de produção de energia elétrica é estimada em 3x106 _{MW, dos quais}

1/3 em baias e estuários

Usinas R(m) S(km2_{) L(m) L/S(m/km}2₎

La Rance

(França) 11,4 22 725 33 Chausey

(França) 12,4 610 23500 39 Severn

Energia Geotérmica

Energia geotérmica é a energia obtida a partir do calor

proveniente da Terra, mais precisamente do seu interior. Geo significa terra e térmica significa calor, por

Princípio do uso da energia

geotérmica

• O calor da terra existe em toda parte por baixo da superfície do planeta, mas em algumas partes está mais perto da superfície do que outras, o que torna mais fácil a sua utilização

• Em certos locais, fazendo furos de apenas 1 centena de metros é possível alcançar calor útil,

assim como existem zonas onde existem nascentes de água

quente completamente

espontâneas. Mas na maior parte do mundo é necessário fazer

furos de centenas a quilómetro de profundidade para encontrar calor significativo. (Tipicamente na crosta terrestre o calor

aumenta 25º a 30º centígrados por cada quilometro de

Origens

• Para que possamos entender como é aproveitada a energia do calor da Terra devemos primeiramente entender como nosso planeta é

constituído. A Terra é formada por grandes placas, que nos mantém isolados do seu interior, no qual encontramos o magma, que consiste basicamente em rochas derretidas. Com o aumento da profundidade a temperatura dessas rochas aumenta cada vez mais, no entanto, há

História

• A primeira tentativa de gerar eletricidade de fontes geotérmicas se deu em 1904 em Larderello na região da Toscana, na Itália. Contudo,

esforços para produzir uma máquina para aproveitar tais fontes foram mal sucedidos pois as máquinas utilizadas sofreram destruição devido a presença de substâncias químicas contidas no vapor. Já em 1913, uma estação de 250 kW foi produzida com sucesso e por volta da Segunda Guerra Mundial 100 MW estavam sendo produzidos, mas a usina foi destruída na Guerra.

• Por volta de 1970, um campo de gêiseres na Califórnia estava

produzindo 500 MW de eletricidade. A exploração desse campo foi dramática, pois em 1960 somente 12 MW eram produzidos e em 1963 somente 25 MW. México, Japão, Filipinas, Quénia e Islândia também têm expandido a produção de eletricidade por meio geotérmico.

• Na Nova Zelândia o campo de gases de Wairakei, na Ilha do Norte, foi desenvolvido por volta de 1950. Em 1964, 192 MW estavam sendo produzidos, mas hoje em dia este campo está acabando.

• Portugal conta com uma moderna central geotérmica em funcionamento na Ilha de São Miguel, Açores. Esta central foi construída pela

Fontes de energia geotérmica

Quando não existem gêiseres, e as condições são favoráveis, é

possível "estimular" o aquecimento d'água usando o calor do interior da Terra. Um experimento realizado em Los Alamos, Califórnia provou a possibilidade de execução deste tipo de usina. Em terreno propício, foram perfurados dois poços vizinhos, distantes 35 metros lateralmente e 360 metros verticalmente, de modo que eles alcancem uma camada de rocha quente. Em um dos poços é injetada água, ela se aquece na rocha e é expelida pelo outro poço e quando esta função acontece a água predominante na pedra penetra na mesma ocorrendo o processo de metabolização geotérmica.

Esta é a melhor maneira de obter energia naturalmente. É necessário perfurar um poço que já contenha água e a partir daí a energia é

gerada normalmente.

Vantagens e Desvantagens

Vantagens

• Fonte limpa de energia

• Não consome recursos

não renováveis

• Produção Aceitável

Desvantagens

• Cria

instabilidade Geológica

no sítio onde é instalada

• Em certos casos pode

ser fonte de poluição

sonora

• Produz gases

Central Geotérmica do Pico Vermelho:ilha de São Miguel, Açores

.

• Esta central geotérmica tem uma potência líquida de 10 MW e uma produção anual de 80 GWh com um fator de recarga de 92%, demorou cerca de 60 meses a ser construída e atingiu um montante global de

investimento de cerca de 34,4 milhões de euros, co-financiados pelo

Programa Operacional de

Desenvolvimento Económico e Social dos Açores (PRODESA) em cerca de 28%.

• Apresenta-se com uma Sistema single flash dotado de turbina de

contra-pressão e com uma capacidade de produção de 1 x 3 MW capaz de

apresentar um caudal de vapor que se eleva a cerca de 56 toneladas hora e uma pressão de admissão de 6 bar.

• Esta central que ainda não se encontra em plenas capacidades de exploração é alimentada

apenas por PV1 com a potência instalada de atual de 0,8 MW e uma vazãol de vapor de 20 toneladas hora, apresentando uma pressão de admissão: 5 bar. • Com a entrada em funcionamento

desta central, a contribuição de origem geotérmica para o sistema eletro produtor da ilha de São

Miguel em 2007 foi da ordem dos 37%..