Módulos 2 : Meio Ambiente e a Produção de Energia

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1 Módulos 2 : Meio Ambiente e a Produção de Energia
Novos Instrumentos de Planejamento Energético Regional visando o Desenvolvimento Sustentável Módulos 2 : Meio Ambiente e a Produção de Energia Pesquisadores: Mário Fernandes Biague Bruno Keiti

2 Produção de Energia Geração de Energia
Tipos de geração de energia elétrica Tecnologias Impactos ambientais Aspectos econômicos de se produzir energia através de diferentes fontes

3 Tipos de Geração de Energia Elétrica
Geração Térmica: Usinas Termelétricas a Vapor; Usinas Nucleares; Usinas à gás Geração Hidráulica: Usinas de Grandes Portes; Usinas Hidrelétricas de Médio Portes; Usinas Hidrelétricas de Pequeno Porte; Micro- Usinas Hidrelétricas; Pico - Geração Hidráulica;

4 Tipos de Geração de Energia Elétrica
Geração Eólica; Geração de energia através de Sistemas Fotovoltaicas; Geração de Energia através de Células Combustíveis;

5 Recursos Naturais Utilizados Para Geração de Energia Elétrica
Geração Térmica: Recursos fósseis: diesel, óleo combustível, biodiesel, gás, Biomassa (carvão, resíduos florestais, lixo urbano, etc.), urano (nuclear); Geração Hidráulica: Recursos Hídricos (Água); Geração Eólica: Vento; Geração Solar (Sistemas Fotovoltaicos): Radiação Solar;

6 Tipos de Geração de Energia
Usinas Termelétricas O funcionamento das termelétricas se dá pela conversão de energia térmica em mecânica, e desta em energia elétrica. Dois tipos de combustão utilizados: o de combustão externa, (Ex.: termelétricas a vapor), e o de combustão interna, (Ex.: turbinas a gás, e máquinas térmicas a pistão). Cogeração Os combustíveis mais utilizados nas centrais a vapor são: óleo, carvão, biomassa e derivados do petróleo, já nas centrais a gás são:o gás natural e o óleo diesel. Nesta sessão trataremos apenas das centrais que utilizam combustíveis fosseis.

7 Centrais Termelétricas
Cogeração Situação em Outros Países EUA GW. Metas governamentais: GW. Dinamarca - 27,5% da EE Holanda - 20% da EE

8 Centrais Termelétricas
Mais "adequadas" à operação na ponta. Faixa típica de Potências: Chega-se até: 334 MW, Heat Rate = 8360 BTU/kWh (Mitsubishi) Potências na faixa de 22 MW (a 380 US$/kW) a 271 MW (a 183 US$/kW) Os custos ficam na faixa de 180 a 404 US$/kW

9 Centrais Termelétricas
Quadro Comparativo

10 Petróleo e seus Derivados
Primeiro na matriz energética mundial, baixo custo e uma ampla utilização. Oriente Médio possui mais de 60% da produção mundial, já no mercado importador se destaca os EUA – 50% do petróleo mundial. Consumo mundial: 42,6% (2003) Produção de energia elétrica: 6,9% do consumo de petróleo mundial Fonte: Key World Energy Statistics; IEA, 2005

11 Petróleo e seus Derivados
Produção de combustíveis para o transporte: gasolina, querosene e óleo diesel O principal meio de produção destes combustíveis são as refinarias de petróleo, que sintetizam os diversos derivados, produzindo, assim, uma grande variedade de produtos, dentre eles a gasolina (além de querosene, óleo diesel, dentre muitos outros). No Brasil, a produção petrolífera vem crescendo muito nos últimos anos, existem estimativas da possibilidade do país se tornar auto suficiente na produção de petróleo por volta de 2007. O processo de refino de petróleo no Brasil é realizado em sua maior parte pela Petrobrás, sendo que ela possui quatorze grandes refinarias (11 integrais no Brasil, 2 na Bolívia e 1 na Argentina). O rendimento médio das refinarias de petróleo brasileiras é de milhão de barris de petróleo bruto por dia.

12 Petróleo e seus Derivados
CADEIA PRODUTIVA DO SETOR PETROLÍFERO

13 Petróleo e seus Derivados
CADEIA PRODUTIVA DO SETOR PETRÓLEO

14 Petróleo e seus Derivados

15 Carvão Mineral Segundo lugar na matriz energética mundial, devido principalmente ao seu baixo custo. Os principais mercados exportadores são os USA (21%), a Austrália (37%) e a África do Sul (15%). Suas reservas são suficientes para suprir as necessidades atuais por centenas de anos. A metade da produção mundial de carvão tem como finalidade a produção de energia elétrica. No Brasil a participação do carvão na geração de energia elétrica é reduzida; isso se deve à pouca ocorrência desse insumo no território nacional e a “pobreza” do carvão disponível (baixo teor calórico). As usinas mais significativas encontram-se no Rio Grande do Sul e em Santa Catarina.

16 Gás Natural É o terceiro lugar na matriz energética mundial.
Aproximadamente 13% das termelétricas mundiais são abastecidas com gás natural, e essas são responsáveis por 3% da produção de energia primaria do mundo. Os USA, o Canadá e a ex-URSS são os maiores produtores de gás natural, sendo que os maiores mercados importadores são novamente os USA e a Europa Ocidental. No Brasil, o crescimento do uso do gás natural parece limitado a investimentos que aumentem a rede de distribuição pelo país, sua aplicação mais imediata se dá pelo uso do gasoduto Brasil-Bolívia, além do uso do gás da Argentina através de interconexão elétrica.

17 Gás Natural Pode estar ou não associado ao petróleo. É predominantemente formado por metano; apresenta baixos teores de contaminantes, como o nitrogênio, o dióxido de carbono, a água e compostos de enxofre. A exploração, primeiro elo da indústria de petróleo e gás natural, está dividida basicamente em pesquisa e perfuração. Depois de confirmada a existência de petróleo e gás natural, inicia-se a fase de desenvolvimento e produção. Até este ponto as indústrias de petróleo e gás natural caminham juntas. Nas unidades de produção, parte do gás é utilizada como gás lift para reduzir a densidade do petróleo facilitando sua extração e parte é reinjetada com duas finalidades: recuperação secundária (que aumenta a pressão interna do reservatório) ou armazenamento em poços de gás não associado.

18 Gás Natural O restante pode ser: consumido internamente na geração de eletricidade e vapor; queimado em flares, caso não haja infra-estrutura suficiente que permita seu aproveitamento e; escoada para Unidades de Processamento de Gás Natural (UPGN) ou diretamente consumidas. Nas UPGN's, ocorre a separação das frações mais leves do gás natural e obtêm-se o gás natural seco (metano e etano), o Gás Liqüefeito de Petróleo - GLP (propano e butano) e a gasolina natural (pentano e superiores).

19 Centrais Hidrelétricas

20 Centrais Hidrelétricas
As centrais hidrelétricas podem ser classificadas em: Centrais a fio d’água: capacidade de armazenamento pequena e, em geral, dispõem somente da vazão natural do curso de água para gerarem energia; Centrais de acumulação: reservatórios de água são plurianuais; Centrais com armazenamento por bombeamento ou com reversão.

21 Centrais Hidrelétricas
Além disso se dividem em três grupos: as Grandes Centrais Hidrelétricas, as Médias Centrais e as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH’s). As centrais hidrelétricas correspondem a cerca de 82% da produção de energia elétrica brasileira. Somente Itaipu, que tem capacidade para gerar 12,6 GW, perfaz 17% da capacidade nacional. Essa dependência das usinas hidrelétricas causou grandes problemas no ano de 2001 no setor elétrico brasileiro, devido a um período com menos chuvas e face ao aumento do consumo (além de outros fatores).

22 CARACTERIZAÇÃO DA BIOMASSA
Classificação de Combustíveis gerados a partir de biomassa: Combustíveis Produtos e Subprodutos Energéticos Derivados Combustíveis Sólidos Produtos Primários: Subprodutos (Resíduos): - Madeira e outros Matérias ligno-celuloses Resíduos da Agricultura Resíduos da Silvicultura Resíduos Atividades urbanas Combustíveis Líquidos Fermentação Pirólise Liquefação Etanol Metanol Etc. Combustíveis Gasosos Processo Biológico Anaeróbio-biogás Gaseificação Digestão Biogás

23 Processo de Combustão ou Queima Direta

24 Processo de Combustão ou Queima Direta
Combustão ou Queima Direta: Transformação da energia química do combustível em calor por meio das reações dos elementos constituintes do combustível com oxigênio do ar fornecido além da quantidade estequiométrica (quantidade mínima teórica para a combustão); Gaseificação: Aquecimento da biomassa em presença de oxidante (ar ou O2) em quantidade menores do que estequiométrica, obtendo-se um gás combustível composto de CO, H2, CH4 e outros. Deste gás, utilizando-se catalisadores, pode-se obter adicionalmente metano, hidrogênio e amônia; Pirólise:Aquecimento da biomassa em ausência de oxidante (oxigênio). Obtem-se, como resultado, um gás combustível, produtos líquidos (alcatrão e ácido piro-lenhoso) e uma substância carbonosa que pode ser convertida em carvão ativado. É o processo usado na fabricação do carvão vegetal;

25 Processo de Combustão ou Queima Direta
Liquefação:Processo de produção de combustíveis líquidos por meio da reação da biomassa triturada em um meio liquido com monóxido de carbono (CO), em presença de um catalisador alcalino (em condições de P = 150 – 250 atm , T = C, t = minutos), obtem-se um liquido viscoso que pode ser utilizado como combustível em fornos; Fermentação: Conversão anaeróbica de compostos orgânicos pela ação de microorganismos, em grande dos casos da levedura Saccharomyces cerevisiae. No caso da fermentação alcoólica o substrato orgânico é a sacarose e os produtos são fundamentalmente o etanol e o gás carbônico;

26 Processo de Combustão ou Queima Direta
Biodigestão- Biogás: Conversão anaeróbica de compostos orgânicos pela ação de microorganismos. Para a produção de biogás (metano e gás carbônico) utiliza-se de microorganismos acidogênicos e metanogênicos. Tecnologia Utilizada: Biodigestor Anaeróbico: Equipamento usado para produção de biogás (metano); Matéria utilizada: resíduos de produção (vegetal), esterco, lixo domestico, etc.

27 ESQUEMA DO BIODIGESTOR TIPO CHINÊS

28 Centrais de Biomassa Participação pequena na matriz energética mundial. Pode ser produzida a partir do uso do etanol, do bagaço de cana, do carvão vegetal, do óleo vegetal, da lenha, da beterraba, do arroz, entre outros. Nos USA a biomassa representa 4% da energia primaria usada no país, enquanto no Zimbabue é de 40% . No Brasil o uso de biomassa é principalmente dado pelo álcool veicular. Atualmente, existem pouco mais de 300 centrais elétricas de biomassa no território brasileiro, a grande maioria pequenas. O bagaço de cana é o que apresenta maior potencial para geração de energia elétrica: o período de safra coincide com o período seco das centrais hidrelétricas.

29 Centrais de Biomassa Briquetes de madeira

30 Centrais de Biomassa Grande safra agrícola permite o uso de resíduos para a geração distribuída. A tecnologia já é matura, sendo boa parte nacionalizada.

31 Centrais de Biomassa Área de plantio necessária p/ uma central térmica baseada em biomassa

32 Centrais de Biomassa Biodiesel Vegetable oils Recycled Greases
Dilute Acid Sulfuric Acid + Esterification methanol Methanol + KOH Transesterification Crude Glycerin Methanol Crude biodiesel recovery Glycerin Refining refining Glycerin Biodiesel

33 Centrais a Energia Solar
A produção de energia elétrica a partir da energia solar pode ser dividida em dois tipos principais: Sistemas fotovoltaicos autônomos; Sistemas termo-solares: utilizada para produzir convecção (vapor ou ar). O Brasil possui um ótimo índice de radiação solar, principalmente no Nordeste. Alguns países têm programas para aumentar a produção de energia solar, tais como Japão, USA, Alemanha, Itália, Indonésia, Índia, África do Sul, entre outros No Brasil, o aproveitamento da energia solar é pequeno. O principal motivo é o alto custo inicial para a implantação, além do alto custo da manutenção.

34 Exemplos de Utilização da Energia Solar Fotovoltaica
Centrais a Energia Solar Exemplos de Utilização da Energia Solar Fotovoltaica

35 Geração Termo - Solar

36 Centrais Eólicas O conhecimento da velocidade média do vento é de fundamental importância para a estimativa de energia a ser gerada em uma região (potência é função do cubo da velocidade) A eletricidade gerada pela força dos ventos pode ser estimada em 24 Terawatts-hora em 1999. Maior obstáculo é conjugar a inconstância dos ventos com a necessidade de produção energética. No Brasil a produção de energia eólica é pequena, a produção total de energia eólica no país é de 20,3 MW.

37 Exemplos de Utilização da Energia Eólica
Centrais Eólicas Exemplos de Utilização da Energia Eólica

38 Centrais Nucleares

39 Centrais Nucleares Corresponde a cerca de 16% da energia elétrica mundial sendo os principais produtores: USA, ex-URSS e os países Europeus. No Brasil Angra I (1982) MW, e Angra II (2000)-1300 MW, possibilidade de Angra III A contribuição total da energia nuclear no sistema energético brasileiro totaliza 1,3% do total, pouco se se observado o fato de que o Brasil possui a sexta maior reserva de urânio do mundo. Impactos dificílimos de serem mitigados (resíduos radioativos), mas possíveis de evitar. Alguns especialistas preconizam que é a única fonte capaz de substituir os combustíveis fósseis nas próximas décadas.

40 Centrais Geotérmicas

41 Utilização da Energia dos Oceanos
Energia das Marés A energia das marés tem como origem o enchimento e esvaziamento alternados das baias e estuários, podendo ser utilizada para geração de energia elétrica, tendo que existir para isso condições que façam com que o nível da água suba consideravelmente durante a maré cheia. Usinas reversíveis podem ser usadas para bombear a água do mar para a baia ou vice e versa dependendo do tipo de usina. Energia das Ondas As ondas apresentam energia cinética, o aumento da altura e do período das ondas e, conseqüentemente, dos níveis de energia, depende da faixa da superfície do mar sobre o qual o vento sopra, e de sua duração e intensidade. Também influem sobre a formação das ondas os fenômenos de marés, as diferenças de pressão atmosférica, abalos sísmicos, salinidade e temperatura da água.

42 Layout de uma central a ondas