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Demétrio Bastos Netto 13 de março de 2012 60 anos – UNISAL - Centro Salesiano Demétrio Bastos Netto ÁGUA DO MAR PEGA FOGO ? O MAR COMO FONTE DE ENERGIA.

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1 Demétrio Bastos Netto 13 de março de anos – UNISAL - Centro Salesiano Demétrio Bastos Netto ÁGUA DO MAR PEGA FOGO ? O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

2 Demétrio Bastos Netto ÁGUA DO MAR: DEVÍAMOS SIMPLESMENTE QUEIMÁ-LA? OU, QUEM SABE, ANTES DISSO, OLHAR UM POUCO NOSSO MAR COMO FONTE DE ENERGIA? Esta é a 3a. vez em 15 anos que discuto em público este tópico A última vez foi em Brasília, no COBEM 2007 Agora, na UNISAL em LORENA

3 Demétrio Bastos Netto Meus amigos: Como muitos dos Srs. Sabem, mercê de minha idade tive entre muitos deveres, duas funções que muito me honraram: a Coordenação da RNC e a chefia do LCP. Entretanto apenas alguns sabem que nosso LCP já foi um Depto. de Energia. Com isto em mente, ao ser convidado mais uma vez para falar sobre tema livre, decidi, sem imaginar que devesse talvez me ater apenas às nossas engenharias, prestar homenagem a dois colegas nossos que, vivendo décadas antes de seus tempos, ensinaram-me com entusiasmo, paciência e imaginação, o pouco que sei:

4 Demétrio Bastos Netto O Alte. PAULO DE CASTRO MOREIRA da SILVA e O Dr. BELA JOHN EDWARD ZETTL

5 Demétrio Bastos Netto A primeira parte do título de nossa apresentação: ÁGUA DO MAR: DEVÍAMOS SIMPLESMENTE QUEIMÁ-LA? parece um pouco estranha. Entretanto há poucos anos, no dia 09/09/2007 apareceu um Artigo por David Templeton na Pittsburgh Post-Gazette com o título: Salt water as fuel? Erie man hopes so Eis o Artigo original a mim enviado via por amigo, também engenheiro, que, ao fazê-lo, certamente não acreditava em sua imediata valia:

6 Demétrio Bastos Netto Salt water as fuel? Erie man hopes so Sunday, September 09, 2007 By David Templeton, Pittsburgh Post-Gazette For obvious reasons, scientists long have thought that salt water couldn't be burned. So when an Erie man announced he'd ignited salt water with the radio-frequency generator he'd invented, some thought it a was a hoax. John Kanzius, a Washington County native, tried to desalinate seawater with a generator he developed to treat cancer, and it caused a flash in the test tube. Within days, he had the salt water in the test tube burning like a candle, as long as it was exposed to radio frequencies. His discovery has spawned scientific interest in using the world's most abundant substance as clean fuel, among other uses.

7 Demétrio Bastos Netto Rustum Roy, a Penn State University chemist, held a demonstration last week at the university's Materials Research Laboratory in State College, to confirm what he'd witnessed weeks before in an Erie lab. "It's true, it works," Dr. Roy said. "Everyone told me, 'Rustum, don't be fooled. He put electrodes in there.' " But there are no electrodes and no gimmicks, he said. Dr. Roy said the salt water isn't burning per se, despite appearances. The radio frequency actually weakens bonds holding together the constituents of salt water -- sodium chloride, hydrogen and oxygen -- and releases the hydrogen, which, once ignited, burns continuously when exposed to the RF energy field. Mr. Kanzius said an independent source measured the flame's temperature, which exceeds 3,000 F (~ 1,650 C), reflecting an enormous energy output.

8 Demétrio Bastos Netto As such, Dr. Roy, a founding member of the Materials Research Laboratory and expert in water structure, said Mr. Kanzius' discovery represents "the most remarkable in water science in 100 years. But researching its potential will take time and money, he said. One immediate question is energy efficiency: The energy the RF generator uses vs. the energy output from burning hydrogen. Etc. Etc K

9 Demétrio Bastos Netto Introdução Gradiente Térmico dos Oceanos A Reserva Térmica do Oceano Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Limite de BETZ Gradientes de Salinidade - Osmose A Energia das Marés Energia das Ondas Energia das Correntes Energia da Biomassa A Fusão Termonuclear Controlada O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Emprego Conjugado da Energia Solar com os Gradientes do Oceano do Oceano

10 Demétrio Bastos Netto COMO VEEM SÃO 09 TÓPICOS, MUITA COISA PARA NOSSO POUCO TEMPO. ASSIM, CHAMO A ATENÇÃO DE VV. PARA DUAS COISAS: 1-APESAR DO RUGIR DE SEUS VENTOS, DO BRAMIR DE SUAS ONDAS E DA RIQUEZA DE SUA BIOMASSA O MAR É MUITO MAIS TÉRMICO QUE MECÂNICO OU BIOLÓGICO. ALIÁS ATÉ MESMO O POTENCIAL DA EXPLORAÇÃO DE SEU GRADIENTE DE SALINIDADE É ORDEM DE MAGNITUTE MAIOR QUE O MECÂNICO OU DE BIOMASSA; 2-ASSIM OLHAREMOS APENAS AQUELES ASPECTOS (I.E., O TÉRMICO E O DO GRADIENTE DE SALINIDADE) ALÉM OBVIAMENTE DAQUELE QUE GUARDA O FUTURO DA RAÇA HUMANA

11 Demétrio Bastos Netto O homem não deve viver do planeta que habita, mas sim conviver com ele. É fato sabido que para esta metade do século XXI está prevista uma demanda de eletricidade de erg (2,7x10 5 TWh). Por outro lado 3/4 da superfície da Terra são cobertos por água. Assim, dos 600x10 6 TWh de energia solar que aqui chegam anualmente, 120x10 6 TWh são absorvidos e armazenados pelos oceanos, sob a forma de energia térmica, química, mecânica e bioquímica (o balanço sendo principalmente refletido). Para se ter uma idéia da proporção dessa energia no balanço global, basta lembrar que os três primeiros metros da camada superficial do oceano armazenam mais energia solar que toda a atmosfera (e aí estão incluídos os ventos, da brisa ao furacão). Vale a pena listar por seu potencial as grandes energias utilizáveis do oceano cujas técnicas (e sugestões de técnicas) de aproveitamento discutiremos a seguir. Vale a pena listar por seu potencial as grandes energias utilizáveis do oceano cujas técnicas (e sugestões de técnicas) de aproveitamento discutiremos a seguir INTRODUÇÃO O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

12 Demétrio Bastos Netto AS GRANDES ENERGIAS UTILIZÁVEIS NO OCEANO A) A EXPLORAÇÃO DO GRADIENTE TÉRMICO ENTRE A SUPERFÍCIE E 0 FUNDO: 40 BILHÕES DE MW. B) A EXPLORAÇÃO DOS GRADIENTES DE SALINIDADE (POR EXEMPLO), NA FOZ DOS RIOS: 1,4 BILHÕES DE MW. C) A EXPLORAÇÃO DAS CORRENTES MARINHAS: 5 MILHÕES DE MW. D) A EXPLORAÇÃO DAS MARÉS: 2,7 MILHÕES DE MW. E) A EXPLORAÇÃO DAS ONDAS: 2,5 MILHÕES DE MW. F) APROVEITAMENTO DO POTENCIAL DE BIOMASSA (ASSUMINDO UMA EFICIÊNCIA DO PROCESSO FOTOSSINTÉTICO DE 2%): 274 MILHÕES DE MW. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

13 Demétrio Bastos Netto Então, como vimos, o mar apesar de mecânico em sua aparência – o bramir das ondas, a força das correntes marinhas, etc - é muito mais Térmico (aliás, até o potencial osmótico é muito maior que o mecânico). O oceano (como a atmosfera) apesar das aparências, está sob o domínio da Energia Térmica. Então, como vimos, o mar apesar de mecânico em sua aparência – o bramir das ondas, a força das correntes marinhas, etc - é muito mais Térmico (aliás, até o potencial osmótico é muito maior que o mecânico). O oceano (como a atmosfera) apesar das aparências, está sob o domínio da Energia Térmica. Basta lembrar que toda a energia mecânica dissipada no oceano (em suas diversas formas) é no máximo da ordem de 0,1% da energia que o mar entrega à atmosfera no processo de evaporação. Assim a energia mecânica marinha é apenas um subproduto, irrisório até mesmo se comparada com o fluxo térmico das camadas profundas do oceano. Basta lembrar que toda a energia mecânica dissipada no oceano (em suas diversas formas) é no máximo da ordem de 0,1% da energia que o mar entrega à atmosfera no processo de evaporação. Assim a energia mecânica marinha é apenas um subproduto, irrisório até mesmo se comparada com o fluxo térmico das camadas profundas do oceano GRADIENTE TÉRMICO DOS OCEANOS O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

14 Demétrio Bastos Netto Assim o gradiente térmico é, de longe, o principal recurso utilizável, com cerca de 40 bilhões de Megawatts, excedendo com folga os 32 bilhões estimados para o consumo da humanidade neste Milênio recém-iniciado. Assim o gradiente térmico é, de longe, o principal recurso utilizável, com cerca de 40 bilhões de Megawatts, excedendo com folga os 32 bilhões estimados para o consumo da humanidade neste Milênio recém-iniciado GRADIENTE TÉRMICO DOS OCEANOS Fato é que embora longe de ser insignificante o fluxo da energia mecânica do oceano: Fato é que embora longe de ser insignificante o fluxo da energia mecânica do oceano: - arrebentação das ondas na costa: 6x10 -3 W/m 2 - marés: 3x10 -3 W/m 2 - correntes: 3x10 -3 W/m 2 - ondas ao largo: 3 x W/m 2 ela se amesquinha diante da energia térmica: somente por evaporação o oceano transmite à atmosfera 75 W/m 2 O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

15 Demétrio Bastos Netto A Reserva Térmica do Oceano A quase-opacidade da água à radiação solar (especialmente nos maiores comprimentos de onda, do infravermelho próximo em diante) dá aos oceanos uma estrutura térmica característica que, na figura ao lado está representada para o oceano brasileiro: Distribuição de temperatura e nitratos no oceano. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

16 Demétrio Bastos Netto Na realidade, a figura anterior é típica para todos os oceanos (com exceção dos polares), isto é 76% de suas águas tem uma temperatura menor que 4ºC, a temperatura média dos oceanos sendo de 3,52ºC (próxima figura). Mas isso não é tudo. Deve ser lembrado que essas águas profundas e frias, não penetradas pela luz contém muitas vezes mais nitratos (ver figura), fosfatos e silicatos (os sais nutrientes) que as águas superficiais. A exposição dessas águas profundas à luz solar seria suficiente para multiplicar a produção orgânica do oceano por fator da ordem de 100 (hoje limitada exatamente pela escassez desses sais na zona eufótica). Na realidade, a figura anterior é típica para todos os oceanos (com exceção dos polares), isto é 76% de suas águas tem uma temperatura menor que 4ºC, a temperatura média dos oceanos sendo de 3,52ºC (próxima figura). Mas isso não é tudo. Deve ser lembrado que essas águas profundas e frias, não penetradas pela luz contém muitas vezes mais nitratos (ver figura), fosfatos e silicatos (os sais nutrientes) que as águas superficiais. A exposição dessas águas profundas à luz solar seria suficiente para multiplicar a produção orgânica do oceano por fator da ordem de 100 (hoje limitada exatamente pela escassez desses sais na zona eufótica). Assim, a camada superficial dos oceanos (50 a 100 metros de espessura) representa uma reserva de energia térmica disponível para o homem que nada mais é do que energia solar armazenada. Aqueles que criticam a energia solar pelo fato de que, não sendo constante nem mesmo regular, ela deve ser armazenada - operação difícil - esquecem-se que o oceano (72% da superfície do globo) tem como sua função geofísica principal, exatamente aquela de armazenar a energia solar. As zonas tropicais e equatorial, assim se constituem no reservatório principal desta energia. Infelizmente esta energia é armazenada numa temperatura relativamente baixa (cerca de 25ºC). Assim, a camada superficial dos oceanos (50 a 100 metros de espessura) representa uma reserva de energia térmica disponível para o homem que nada mais é do que energia solar armazenada. Aqueles que criticam a energia solar pelo fato de que, não sendo constante nem mesmo regular, ela deve ser armazenada - operação difícil - esquecem-se que o oceano (72% da superfície do globo) tem como sua função geofísica principal, exatamente aquela de armazenar a energia solar. As zonas tropicais e equatorial, assim se constituem no reservatório principal desta energia. Infelizmente esta energia é armazenada numa temperatura relativamente baixa (cerca de 25ºC) A Reserva Térmica do Oceano O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

17 Demétrio Bastos Netto Percentagem volumétrica das águas oceânicas em diferentes temperaturas. Observem que a Temperatura Média dos oceanos é de 3,52 oC A Reserva Térmica do Oceano O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

18 Demétrio Bastos Netto Todos sabem é impossível operar uma máquina térmica trocando calor com uma só fonte (esta é uma maneira de se apresentar a 2 a LEI DA TERMODINÂMICA). Todos sabem é impossível operar uma máquina térmica trocando calor com uma só fonte (esta é uma maneira de se apresentar a 2 a LEI DA TERMODINÂMICA). O que caracteriza o oceano entretanto é que, próximo à esta imensa fonte quentea 25º C existe uma fonte fria praticamente inexaurível de água gelada (4ºC ou menos!). O que caracteriza o oceano entretanto é que, próximo à esta imensa fonte quentea 25º C existe uma fonte fria praticamente inexaurível de água gelada (4ºC ou menos!). Daí a idéia já antiga – D´Arsonval propôs seu emprego em 1881 de se montar uma máquina térmica usando a água da superfície do oceano como fonte quente (25ºC) e a água profunda como fonte fria. Daí a idéia já antiga – D´Arsonval propôs seu emprego em 1881 de se montar uma máquina térmica usando a água da superfície do oceano como fonte quente (25ºC) e a água profunda como fonte fria A Reserva Térmica do Oceano O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

19 Demétrio Bastos Netto Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos (A) CONCEPÇÃO DE CICLO ABERTO. CICLOS TERMODINÂMICOS DE SISTEMAS OTEC (I) O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

20 Demétrio Bastos Netto G. Claude gerou em kWe em Cuba (Baía de Matanzas) usando uma diferença de temperatura de apenas 13º C. Companhias de utilidades públicas francesas projetaram diversas usinas para operarem no Caribe e na Costa Oeste da África entre 1940 e Em particular em 1956 (Abidjan) chegou-se a operar usina que, com um ΔT = 22°C, gerava 15 MWe! Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos Vale notar que tais projetos não foram levados adiante principalmente pela competição, em preço, de outras fontes de energia. Entretanto a crise de energia, levou cientistas e Organizações Governamentais em todo o mundo a renovarem seus interesses na aplicação da idéia de D´Arsonval. Vale notar que tais projetos não foram levados adiante principalmente pela competição, em preço, de outras fontes de energia. Entretanto a crise de energia, levou cientistas e Organizações Governamentais em todo o mundo a renovarem seus interesses na aplicação da idéia de D´Arsonval. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

21 Demétrio Bastos Netto O conceito de Ciclo Fechado (B) emprega como fluido de trabalho um material com baixo ponto de Fusão (Amônia, NH 3 ), tem sido sugerido como primeira opção, embora haja outros candidatos tais como Buteno-1, Cloreto de Metila, Difluoretano e os refrigerantes R11, R12, R21, entre outros. O conceito de Ciclo Fechado (B) emprega como fluido de trabalho um material com baixo ponto de Fusão (Amônia, NH 3 ), tem sido sugerido como primeira opção, embora haja outros candidatos tais como Buteno-1, Cloreto de Metila, Difluoretano e os refrigerantes R11, R12, R21, entre outros. A Amônia é vaporizada num trocador de calor (1-2) (evaporador) recebendo calor da água oceânica morna (- 25ºC). Este vapor trabalha numa turbina (2-3) que move um gerador produzindo eletricidade. A Amônia é vaporizada num trocador de calor (1-2) (evaporador) recebendo calor da água oceânica morna (- 25ºC). Este vapor trabalha numa turbina (2-3) que move um gerador produzindo eletricidade. O vapor de amônia é então condensado noutro trocador de calor (3-4) (condensador) pela água fria profunda (- 5°C) sendo dai bombeada (4-1) de volta para o evaporador, num ciclo de Rankine clássico Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

22 Demétrio Bastos Netto (B) CONCEPÇÃO DE CICLO FECHADO. CICLOS TERMODINÂMICOS DE SISTEMAS OTEC (II) O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos

23 Demétrio Bastos Netto Qualquer que seja a técnica empregada, a diferença de temperatura, ΔT entre a água de superfície e a água profunda é naturalmente um elemento chave na viabilidade econômica do processo. Qualquer que seja a técnica empregada, a diferença de temperatura, ΔT entre a água de superfície e a água profunda é naturalmente um elemento chave na viabilidade econômica do processo. Estudos normalmente consideram um ΔT típico de 22°C. Entretanto vale notar que uma variação de 2ºC deste valor nominal pode acarretar até cerca de 25% de variação na potência líquida com impacto significante na economia da usina. Estudos normalmente consideram um ΔT típico de 22°C. Entretanto vale notar que uma variação de 2ºC deste valor nominal pode acarretar até cerca de 25% de variação na potência líquida com impacto significante na economia da usina. Um valor de ΔT de 20ºC é considerado como um limite inferior para usinas economicamente viáveis. Isto restringe o emprego da OTEC às regiões tropicais. A eficiência térmica ideal (Carnot) é baixa, de 2 a 3%. Daí grandes volumes dágua com enormes superfícies de troca de calor são essenciais para que se obtenha quantidades razoáveis de potência líquida, o que resulta em usinas caras e grandes. Um valor de ΔT de 20ºC é considerado como um limite inferior para usinas economicamente viáveis. Isto restringe o emprego da OTEC às regiões tropicais. A eficiência térmica ideal (Carnot) é baixa, de 2 a 3%. Daí grandes volumes dágua com enormes superfícies de troca de calor são essenciais para que se obtenha quantidades razoáveis de potência líquida, o que resulta em usinas caras e grandes. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos

24 Demétrio Bastos Netto Por outro lado muitas são as aplicações propostas para tais sistemas e suas variações. 0 produto principal de uma usina OTEC é eletricidade. Esta eletricidade pode ser transmitida para uma malha local para consumo público. Entretanto, dependendo do ponto de geração, esta pode não ser a melhor solução. Tal eletricidade pode ser usada em processos de alto consumo de energia como na produção de Alumínio ou na fabricação de Amônia para fertilizantes ou até mesmo para a obtenção do combustíveis sintéticos em Pólos Petroquímicos Água doce é um subproduto direto das usinas OTEC de ciclo aberto, podendo também ser obtida indiretamente nas OTEC's de ciclo fechado (usando as águas quente e fria em dessalinizadores flash múltiplo estágio). A água fria pode ser usada em unidades de refrigeração para condicionamento de ar ou armazenagem de produtos refrigerados. A água fria, rica em sais nutrientes, pode ser usada em estações de maricultura. Dependendo do local e do mercado cada uma dessas aplicações tem maior ou menor potencial. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos

25 Demétrio Bastos Netto Aplicações da Tecnologia das Usinas OTEC. Em especial uma opção foi proposta para o NE brasileiro. Eis um esquema dessas aplicações: O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos

26 Demétrio Bastos Netto c - Os efeitos biológicos (Biofouling) sobre os trocadores de calor e sobre o desempenho do sistema podem ser minimizados por contramedidas eficazes. d - 0 ciclo aberto é uma alternativa atraente para pequenas unidades devido a sua habilidade em produzir água doce. e - A construção de usinas de MWe, flutuantes requerem desenvolvimento significativo de engenharia para o fundeio, para a tubulação de água fria e para os cabos de transmissão submersos, dado o estado atual da tecnologia. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA Sistemas de Conversão da Energia Térmica dos Oceanos

27 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Como é bem sabido o processo de dessalinização custa dispêndio de energia. Será então que o processo oposto, ou seja, o salgamento de uma massa de água doce por outra, salgada, envolveria liberação de energia, eventualmente aproveitável? A resposta é afirmativa, e mais, não é difícil estimar-se a potência dissipada ao se misturar, por exemplo, as águas de um rio com as do oceano. Da Termodinâmica, a função de Helmholtz (ou função de energia livre ou função de trabalho) é: F = E – TS. Daí, dF = dE – TdS – SdT, onde T é a temperatura absoluta, E a energia interna e S a entropia do sistema. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

28 Demétrio Bastos Netto Por outro lado a relação bem conhecida: TdS = dE + pdV onde p é a pressão e V o volume, que é válida para uma substância pura, pode ser escrita, para uma mistura: GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE onde μ i é o potencial químico e X i é a fração molar do componente i na mistura. Lembrem-se que ambas são válidas para quaisquer processos, reversíveis ou irreversíveis, pois envolvem apenas propriedades termodinâmicas, que como todos sabem, são funções de ponto. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

29 Demétrio Bastos Netto Assim, para um processo isotérmico tem-se que: GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Como na ausência de Reações químicas, dX i =0, a variação de Energia livre na mistura, (infelizmente dissipada sob a forma de calor, fica, restabelecido o equilíbrio, Da Físico-Química, (Ref. 2), as partículas do soluto numa solução obedecem à equação (Van´t Hoff, 1885): pV=nRT onde p é a pressão osmótica, R a Constante Universal dos Gases e n é o número de moles do soluto na solução. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

30 Demétrio Bastos Netto Da matemática, a função ln (1+x) pode ser escrita, para valores muito menores que 1 como : ln (1+x) x, x<< GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Da Química Em soluções eletrolíticas o soluto está dissociado em seus íons. Assim, por exemplo, uma solução 0,01 molar de NaCl contém 0,02M de partículas (moles) (i.e., 0,01M de Na + e 0,01M de Cl - ). Isto posto, considere-se uma massa dágua doce de volume V 1 que é misturada numa massa muito maior dágua salgada de volume V 2, concentração C 2, V 1 /V 2 <<1, ambas as massas numa temperatura T. Vale lembrar que n, o número de partículas do soluto pode ser escrito, n=C 2 V 2 O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

31 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Então a energia W liberada na mistura daquelas águas pode ser escrita (restabelecido o equilíbrio) usando a equação: É interessante observar que o problema pode ser, modus in rebus, imaginado como uma expansão das partículas do soluto que no início ocupavam um volume V 2 e no final passaram a ocupar um volume V 1 + V 2. O sinal menos mostra que tal energia sai do sistema (calor cedido, convenção clássica na Termodinâmica). Assim, multiplicando-se e dividindo-se o integrando por V, O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

32 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE e lembrando que pV = nRT onde n, R e T são constantes durante o processo. Então: Como V 1 /V 2 <<1, podemos escrever: e a energia liberada fica: O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

33 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Daí a potência pode ser inferida (), onde é a vazão volumétrica da água doce. Suponha-se então que 1m 3 /sec de água se mistura com uma imensa massa de água salgada de salinidade de 35 0 / 00 (leia-se 35 partes por mil) ambas a 20ºC. Então a potência dissipada no processo pode ser estimada e a partir da equação: O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

34 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Embora a concentração C 2 possa ser medida com precisão, é possível estimá-la considerando-se o Cloreto de Sódio o único sal presente. Assim, tomando-se 1,02g/cm 3 para a densidade da solução, e como 35 0 / 00 significam que em 1kg da solução existem 35g de NaCl de massa molecular 58,5 g/mol ( ,5) então tal solução tem a molaridade de (35g/kg x 1,02kg/l)/58,5g/mol = 0,61 mol/l. Porém, como (mencionado anteriormente), existem 0,61 x 2 mol/l de partículas, i.e., 1,22 mol/l (0,61 M de Na + e 0,61 M de Cl - ). Daí, tomando-se C 2 = 1,22mol/l encontra-se W = 2,97 Megawatts liberados para cada m 3 /sec de água doce que se mistura na solução de NaCl de 35 0 / 00 ambos à 20°C. Por outro lado sabe-se que a pressão osmótica medida da água do mar 35 0 / 00 a 20ºC é de 24,52atm (o uso da concentração estimada acima na equação pV=nRT forneceria p = 1,22 mol/l x 0,08205 atm-l/molK x 293K = 29,33 atm) o que corresponde a uma concentração efetiva de 1,019mol/l. Isto equivale a dizer que a água do mar se comporta osmoticamente como se contivesse cerca de 1 mol de partículas por litro. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

35 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE A Tabela abaixo mostra a vazão dos principais rios do mundo e seu potencial energético sob o presente ponto de vista: Tabela - Potencial Osmótico dos Rios. RIOS VAZÃO (m 3 /seg) POTÊNCIA (GW) Totalidade dos rios 1,1 x Amazonas 2,0 x La Plata-Paraná 8,0 x Congo 5,7 x Yangtse 2,2 x Ganges 2,0 x Mississipi 1,8 x O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

36 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Esse surpreendente potencial energético (aliás o segundo maior do Oceano, só perdendo para o Gradiente Térmico) é baseado no fenômeno da Osmose, cujo mecanismo foi observado à partir do final do século XVIII. A Osmose é uma propriedade das soluções que se relaciona com a difusão das moléculas do solvente (aqui a água) através de uma barreira que não permite a passagem fácil das partículas do soluto. Barreiras permeáveis à uma substância mas não à outra são chamadas de semipermeáveis. Vale mencionar que todas as membranas envolvendo as células dos organismos vivos exibem permeabilidade à água (tanto àquela do próprio corpo como em relação àquela do meio externo). A água, assim, atravessa a membrana em ambas as direções, mas o fluxo líquido é do lado da solução mais diluída (em soluto) para a solução mais concentrada (em soluto). Assim o volume da solução que tem mais soluto aumenta. Esta direção líquida do escoamento concorda com a tendência natural das moléculas de sofrerem difusão de uma região de mais alta para uma região de mais baixa concentração (aqui, do solvente). O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

37 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Por exemplo, considere-se o solvente puro separado de uma solução por uma membrana semipermeável como sugerido na próxima figura. O solvente atravessa a membrana entrando no compartimento da solução e fazendo subir o nível da solução no tubo à esquerda até que a pressão hidrostática da coluna de solução diluída no lado esquerdo seja suficiente para equilibrar a pressão de difusão das moléculas do solvente passando para a solução através da membrana (claro que também existe uma pequena migração do solvente da solução para o compartimento do solvente, apenas o efeito global é do lado do solvente para o lado da solução). A pressão hidrostática no equilíbrio, isto é, quando as moléculas do solvente estão passando através da membrana em ambas as direções em fluxos iguais, é a pressão osmótica p, da solução. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

38 Demétrio Bastos Netto Para se medir a pressão osmótica não é necessário esperar-se o equilíbrio. Basta aplicar uma pressão hidrostática com um êmbolo no tubo do lado da solução. A pressão necessária para evitar o escoamento para o compartimento da solução é a pressão da solução, como já mencionado

39 Demétrio Bastos Netto A expressão para a determinação da pressão osmótica já foi dada (pV=nRT). Como se vê ela depende do número de partículas do soluto (e se são íons ou moléculas) por unidade de volume. A equação também pode ser escrita: A expressão para a determinação da pressão osmótica já foi dada (pV=nRT). Como se vê ela depende do número de partículas do soluto (e se são íons ou moléculas) por unidade de volume. A equação também pode ser escrita: GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE onde M é concentração molar total das partículas do soluto, R a constante universal dos gases, R = 0,08205 atm- l/mol-K e T a temperatura absoluta em Kelvin. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

40 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Osmose e Pressão Osmótica. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

41 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE A descrição do fenômeno da osmose já sugere per se uma possível técnica de dessalinização (aliás já empregada) conhecida como osmose reversa, que consiste na aplicação de uma pressão superior à pressão osmótica (que no caso água pura/água do mar é de 24,52 atm aos 20°C) forçando as moléculas do solvente na solução a migrarem em maioria para o lado do solvente puro. E mais, é simples imaginar um esquema onde seria possível retirar-se energia da osmose propriamente dita: Esta idéia existe e ela consistiria em separar numa tubulação a água doce de um rio de uma coluna de água do oceano através de uma membrana semipermeável. Se essa coluna tiver 248,52m de altura, nada acontece, pois isso corresponde à 24,52 atm (ambas águas a 20 C e a água salgada assumida com densidade de 1,02g/cm 3 ) que é a pressão osmótica. Entretanto, se a coluna de água salgada tiver, por exemplo, 100m então a água doce passará através da membrana para a água salgada, fazendo-a subir até 248,53 m. Esses 248,53 m poderão transbordar e em sua queda acionar uma turbina, gerando energia. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

42 Demétrio Bastos Netto GRADIENTES DE SALINIDADE - OSMOSE Geração de Energia - Osmose. Existem outras técnicas para aproveitarmos os gradientes de salinidade entre os oceanos e os corpos de água doce, que não discutiremos aqui pela falta de tempo. Tais são os casos da bombas osmóticas e das baterias dialíticas (entre as quais a célula de concentração eletroquímica). O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

43 Demétrio Bastos Netto Voltando à OSMOSE REVERSA é interessante a notícia a seguir, recebida por mim hoje cedo via computador, num pacote de novidades energéticas da VSE: Representantes da Aqua-Chem e da Vicel oficializaram na ter ç a-feira (6/3) a cria ç ão da Aqua-Chem Brasil. A empresa, que ir á operar na Zona Especial de Neg ó cios de Rio das Ostras (RJ), produzir á equipamentos para gera ç ão de á gua pot á vel e industrial para plataformas offshore do pr é -sal. A á gua ser á tratada a partir do processo de dessaniliza ç ão. A empresa criada, que j á havia anunciado um conte ú do local superior a 60% na fabrica ç ão dos dessanilizadores por osmose reversa, prevê produ ç ão para o segundo semestre deste ano.A empresa criada, que j á havia anunciado um conte ú do local superior a 60% na fabrica ç ão dos dessanilizadores por osmose reversa, prevê produ ç ão para o segundo semestre deste ano. A joint venture dever á prestar servi ç os para a Petrobrás, demais estaleiros e cons ó rcios nacionais.

44 Demétrio Bastos Netto A FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA Propositadamente não incluída em Tabela, a fusão representa, na opinião do autor, a liberação final do ser humano para com o problema energético. Aliás, sem dúvida nem risco de sofismar ele (i.e., o próprio ser humano) deve à fusão sua própria existência, pois o sol nada mais é que um enorme forno de fusão termonuclear (não controlada pelo homem). Do mesmo modo que uma bomba atômica envolve a fissão não controlada e um reator nuclear envolve a fissão controlada, uma bomba de Hidrogênio é fusão não controlada, seu controle, que levará ao reator de fusão Termonuclear, é o sonho maior dos cientistas neste novo milênio. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

45 Demétrio Bastos Netto Como se sabe a fissão nuclear envolve a ruptura de núcleo um átomo pesado (U235 ou Pu239) através de bombardeio de nêutrons, ocorrendo um defeito de massa i.e. a soma das massas obtidas é menor que a massa inicial, esta massa desaparecida sendo convertida em energia, proporcional ao quadrado da velocidade da luz, na famosa expressão atribuída a Einstein,

46 Demétrio Bastos Netto Na reação de fusão onde átomos mais leves se fundem num mais pesado também ocorre o defeito de massa, a energia gerada sendo também proporcional à mc 2, c - velocidade da luz. Acontece que, para que, por exemplo, dois átomos de Deutério se fundam formando um átomo de Hélio, mais um nêutron e liberando 3,1x10 10 Joules por átomo de He é necessário trazer tais átomos à distância da ordem de cm o que equivale ao aquecimento local da ordem de milhões de graus Kelvin. E aí começam os problemas: nessa temperatura as substâncias envolvidas já há muito são gases (totalmente) ionizados, ou seja, plasmas. Como obter esse nível de temperatura que dispare a fusão? Na bomba de Hidrogênio clássica, todos sabem, a espoleta é uma bomba atômica. E num reator? Outro problema é, como conter este plasma tão aquecido que vaporizaria instantaneamente as paredes de qualquer recipiente? A FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

47 Demétrio Bastos Netto A primeira parte, uma técnica possível é a da compressão do plasma, outra, a do aquecimento local através do emprego de feixe de Laser ou de associações de Lasers. E a contenção do plasma vem sendo tentada através do emprego de campos magnéticos. Assim é que dezenas de diferentes formas de campos magnéticos têm sido testados para verificar até que ponto eles conseguem conter o plasma quente para uma reação de fusão ser mantida, pois ocorrem tipos de instabilidade no plasma que conduzem à sua fuga dessas garrafas magnéticas. Máquinas de espelho magnéticos e Tokamaks têm sido as geometrias mais promissoras para a contenção magnética do plasma.

48 Demétrio Bastos Netto A FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA As reações envolvidas podem ser escritas [2] : [2] - Hélio, com dois prótons e dois nêutrons em seu núcleo; - Hélio, isótopo, com dois prótons e um nêutron em seu núcleo; n – nêutron; - Deutério, isótopo do Hidrogênio, com um próton e um nêutron em seu núcleo; - Trítio, isótopo do Hidrogênio, com um próton e dois nêutrons em seu núcleo; - Lítio. Assim, 1g de Deutério ( ) produzirá 7,7x1010 Joules enquanto 1g de Urânio 235 (U235) num reator de fissão produz 5,1x1010 Joules. e a obtenção do Trítio: O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

49 Demétrio Bastos Netto A FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA Assim, entre os vários ciclos possíveis de fusão o mais limitado é o de Deutério-Trítio porque o Lítio teria que ser explorado para a obtenção do Trítio. Vale dizer que as reservas de Lítio conhecidas podem suprir a demanda por mais de um milhão de anos (e mais, o solo lunar é rico em Lítio). Já o ciclo Deutério-Deutério é o mais abundante. Como 0,015% da água da Terra não é H 2 0 e sim D 2 0 e como o Oceano contém mais de 97% daquela água, ele é a grande reserva de Deutério, representando um potencial de 3,5x10 35 Joules (10 26 Mwh), ou seja, vezes a reserva total de combustíveis fósseis. É interessante notar que o Deutério em 1 grama de água do mar representa energia de fusão equivalente a 300 g de gasolina. Uma extrapolação grosseira prevê a fusão capaz de sustentar as necessidades energéticas do homem para os próximos 40 milhões de anos. E depois? A opinião do autor é a de que, se muito antes disso ele não aprender o caminho para as estrelas, aí... O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

50 Demétrio Bastos Netto A IMAGINAÇÃO É MAIS IMPORTANTE DO QUE O CONHECIMENTO. Isto posto, aqui se discute o emprego conjugado da Lagoa Solar com sistema tipo OTEC. Finalmente nossa apresentação é encerrada com a apresentação de uma Tabela retirada da revista Science (Vol. 207, nº 442, 18 jan 80, p- 266) que contem uma estimativa bastante interessante das energias da Natureza. É também pertinente lembrar que invariavelmente a melhor solução é a mais simples e que - também frase de Einstein - DEUS É POR VEZES SUTIL, MAS NUNCA MALICIOSO. Esta frase, atribuída a A. Einstein, sintetiza bem o espírito de nosso assunto. OUTRAS FONTES O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

51 Demétrio Bastos Netto EMPREGO CONJUGADO DA ENERGIA SOLAR COM OS GRADIENTES DO OCEANO Os sistemas de OTEC vistos no início de nossa palestra não consideram um fenômeno que ocorre em 0,1% da superfície dos Oceanos e que é também causado pela energia solar através do vento (que nada mais é do que energia solar processada). Trata-se da ressurgência, fenômeno causado pela ação combinada da componente de Coriolis da aceleração terrestre com certos ventos, que causa o afastamento das águas costeiras, permitindo a subida da água fria, profunda, senão à superfície, pelo menos a menores profundidades. No Brasil, este é o caso de Cabo Frio, onde águas de 12°C vem por vezes à superfície e são quase sempre encontradas a apenas 50m de profundidade (pela Fig. 1 vê-se que são águas normalmente encontradas a 400m de profundidade). O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

52 Demétrio Bastos Netto As implicações biológicas da presença, na superfície, dessa água profunda e rica em sais nutrientes são enormes e naquela região, mais precisamente no Arraial do Cabo, o Instituto de Pesquisas da Marinha (IPqM) desenvolveu de 1971 a 1982, com o apoio da FINEP o Programa conhecido como Projeto Cabo Frio, que envolvia atividades em Oceanografia Física, Química e Biologia Marinha e que deu origem ao Instituto de Estudos do Mar Alte. Paulo Moreira.

53 Demétrio Bastos Netto EMPREGO CONJUGADO DA ENERGIA SOLAR COM OS GRADIENTES DO OCEANO Entretanto, é óbvio que uma região onde a água fria vem à superfície não se presta para a construção de um sistema de OTEC. Por outro lado, água fria profunda, ligeiramente aquecida é de grande interesse para experimentos em aquacultura. Isso levou o IPqM a projetar uma associação do sistema de OTEC à uma Lagoa Solar (Solar.Pond). O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

54 Demétrio Bastos Netto Lagoas solares e seus usos para captura e armazenamento de Energia Solar têm sido, a partir da concepção de H. Tabor (gradiente de salinidade bloqueando gradiente de temperatura) implementadas nos últimos tempos Imagine-se então o esquema da Figura: o fluido de trabalho (Amônia) é vaporizado e superaquecido na Lagoa Solar (1-2) seguindo dai para uma Turbina onde se expande realizando trabalho (2-3) e se condensa (3-4) num condensador resfriado pela água fria, de ressurgência, sendo então bombeado (4-1) de volta para a Lagoa Solar, num ciclo Clássico de Rankine com superaquecimento. A água de circulação do condensador, já aquecida é então usada para experimentos em Aquacultura. [Este Projeto foi concebido em 1972 tendo recebido apoio parcial da FINEP: A Lagoa Solar foi construida e metros de tubo PVC preto de 1" foram instalados para pré-aquecer a água da Lagoa Solar - aproveitando-se a encosta de um morro voltada para Norte. Em 1981 ele foi enquadrado no I Plano Nacional de Recursos do Mar, mas infelizmente o financiamento não foi recebido e nada mais foi feito.

55 Demétrio Bastos Netto EMPREGO CONJUGADO DA ENERGIA SOLAR COM OS GRADIENTES DO OCEANO Associação OTEC x Lagoa Solar. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

56 Demétrio Bastos Netto EMPREGO CONJUGADO DA ENERGIA SOLAR COM OS GRADIENTES DO OCEANO É interessante mencionar que este projeto, com um pouco de imaginação pode muito facilmente ser transposto para outras regiões do Brasil e grandemente ampliado. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

57 Demétrio Bastos Netto Um exame da Distribuição dos Gradientes Térmicos do Oceano Brasileiro revela a presença de canyons de água profunda (fria) próximos à costa, precisamente no Nordeste, onde a Plataforma Continental se torna mais estreita. Isto significa que, a cerca de 1000m da costa ocorrem profundidades de 800m com água a 4°C. 0 que é de se esperar, pois a própria circulação marítima anticiclônica (Corrente do Brasil) exige a subida junto ao talude, das isotermas profundas, mais frias. A extrapolação é óbvia: A costa NE é rica em lagoas. Um corpo dágua seria preparado para servir como Lagoa Solar. A usina montada então em terra operaria tendo como fonte quente a Lagoa Solar e como fonte fria a água profunda próxima, bombeada dos canyons, que após circular nos condensadores seria, por exemplo, lançada noutras lagoas e a implicação biológica é evidente.

58 Demétrio Bastos Netto EMPREGO CONJUGADO DA ENERGIA SOLAR COM OS GRADIENTES DO OCEANO Como já vimos água oceânica de 6°C tem um teor de nitratos de mais de 30 g-at/l (vs água de superfície com cerca de 0.9 g-at/l). Este aliás é um fator limitante na produtividade da água de superfície. E mais, como se sabe a lagoa de Mundaú (Al) fornece 70ton-ha/ ano de Sururu (Mitela Falcata) - a maior produtividade do Brasil. Por outro lado Moreira da Silva (mostrou através do simples balanço energético) que água profunda numa Lagoa rasa (5m) pode viabilizar produtividade invejável de até 290 ton-ha/ano de mexilhão (perna-perna), cifra igual às obtidas nas Rias da Espanha. Uma outra opção, também atraente, é a utilização do kWh elétrico a ser gerado em tal usina para a obtenção de água potável na região. O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

59 Demétrio Bastos Netto ENERGIA NA NATUREZA Finalmente é interessante a apresentação da Tabela publicada pela Science (vol. 207, nº 442, 18 jan 1980, p.226) que mostra as estimativas de alguns eventos da natureza sob o ponto de vista da energia envolvida (liberada ou absorvida - sinal menos) cobrindo um espectro bastante amplo, ou seja, do Big Bang (explosão que teria gera do o Universo conhecido - como se sabe as Galáxias se afastam entre si com velocidade determinada; daí é possível estimar-se o instante da explosão e a energia envolvida) ao pulo de uma pulga! O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

60 Demétrio Bastos Netto FONTE OU SUMIDOURO ENERGIA (ERGS) Big Bang Super Nova Hidrogênio do Oceano (Fusão) Radiação Solar (1 Ano) Urânio Marinho Insolação sobre a Terra (1 Ano) Vento Próximo à Superfície (1 Ano) Gradiente de Salinidade (1 Ano) Gradiente Térmico do Oceano (1 Ano) Biomassa Marinha (1 Ano) Demanda Energética no Ano Fluxo Energia das Ondas x 1 Ano Maior Bomba-H Tsunami Relâmpago Dieta Humana (1 Dia) Lata de Fuido de Isqueiro Cubo de Gelo Fundido Batida em Máquina de Escrever 10 5 Pulo de uma Pulga 10 0 ESTIMATIVAS EM ORDEM DE MAGNITUDE DA ENERGIA ENVOLVIDA EM ALGUNS EVENTOS DA NATUREZA: (Ref. Science, Vol. 207, Nº 442, 18 Jan 80, p-266) O MAR COMO FONTE DE ENERGIA

61 Demétrio Bastos Netto OBRIGADO


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