Aula 3 – Energia

Julio C. J. Silva

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) Instituto de Ciências Exatas

Depto. de Química

Juiz de Fora, 2019

Química Ambiental

Energia e Meio Ambiente

• Sustentabilidade (ONU, 1987): Trata-se de encontrar uma forma de desenvolvimento que atenda às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das próximas gerações de suprir as próprias necessidades

• É um conceito muito explorado pelas empresas para mostrar que o produto foi fabricado sem danificar ou prejudicar o meio ambiente, sendo classificado como ecologicamente correto, não poluente e etc.

• Sustentabilidade ambiental e ecológica é a manutenção do meio ambiente do planeta Terra, mantendo a qualidade de vida e os ecossistemas em harmonia com as pessoas

• Sustentabilidade ambiental ainda é cuidar para não poluir as águas, separar o lixo e evitar desastres ecológicos

Energia e sustentabilidade As discussões ambientais giram em torno da sustentabilidade.

Advém da percepção de que a atividade humana está consumindo os recursos naturais a uma velocidade que ultrapassa a capacidade de recuperação da natureza.

Sustentabilidade Manutenção desses recursos para as futuras gerações

Exploração sustentável de madeira

Agricultura sustentável

Ecologia industrial (EI): busca reduzir (a) a entrada de recursos; (b) a geração de poluentes; e, (c) as saídas de resíduos, tendo especial aplicação

no nível interorganizacional

Energia e sustentabilidade

O uso da energia levanta as questões mais dramáticas sobre sustentabilidade

Queimar os depósitos de petróleo, gás e carvão da Terra é evidentemente uma prática não sustentável: a energia não pode ser recuperada

(2ª Lei da Termodinâmica)!

O que há de tão ruim no consumo de combustíveis fósseis?

Energia barata, abundante e... plástico, cosméticos, borracha, lubrificantes, produtos de limpeza, asfalto, tecidos sintéticos, alimentos, etc.)

CO2 (Gás de efeito estufa)

Energia e sustentabilidade

Quanto tempo vai durar as reservas de combustíveis fósseis ?

Alternativas

Fissão nuclear ?

Fusão Nuclear ?

Energia renovável ?

Energia e sustentabilidade

“O conceito de sustentabilidade é mais uma maneira para levantar questões importantes do que um guia prático de ação”

As respostas envolvem escolhas morais e políticas, baseadas em uma clara compreensão de como o mundo material funciona.

Raramente as coisas são tão simples como parecem

Energia – O motor da vida moderna

Fluxo Anual de Energia na Terra

• Energia: • Sol = 1,17 x 1031 kJ/ano • Terra = 54,4 x 1020 kJ/ano (100%)

• Refletidos/dispersos no espaço:

• 16,3 x 1020 kJ/ano (30%) • 14,1 x 1020 kJ/ano (26% - atmosfera) • 2,2 x 1020 kJ/ano (4% - superfície)

• Absorvida:

• 13 x 1020 kJ/ano (24% - absorvido pela atmosfera) • 7,5 x 1020 kJ/ano (14% - absorvido pela superfície) • 17,5 x 1020 kJ/ano (32% - absorvida pelos oceanos) • Energia responsável pelo sistema climático da terra (vento,

chuva, e neve)

Fluxo Anual de Energia na Terra

Fluxo Anual de Energia na Terra

Consumo de Energia

O Uso da Energia “O período de crescimento mais rápido teve início após a Segunda Guerra Mundial, quando o consumo global era

apenas um décimo dos níveis atuais”

O uso de energia comercial por um país depende de muitos fatores, que incluem não apenas sua população, situação geográfica e clima,

mas também o custo da energia

O fator mais importante no consumo total de energia parece ser o

produto interno bruto (PIB) do país

• Embora o aumento no uso de energia esteja algumas vezes associado diretamente ao crescimento da população

• De um modo geral ele está mais fortemente relacionado com o

desenvolvimento econômico

O Uso da Energia “O aumento fantástico no consumo global de energia na segunda metade do

século 20 foi devido principalmente expansão industrial e ao aumento no padrão de vida nos países desenvolvidos”

O Uso da Energia “O aumento fantástico no consumo global de energia na segunda metade do

século 20 foi devido principalmente expansão industrial e ao aumento no padrão de vida nos países desenvolvidos”

Entretanto, o crescimento econômico dos países em desenvolvimento (3/4 da população mundial) está se acelerando, e com isso o consumo total

de energia

Embora os países em desenvolvimento tenham utilizado apenas 30% da energia comercial mundial gerada em 1993

Acredita-se que eles venham a consumir mais do que a metade deste total em algum momento durante as duas primeiras décadas do século 21

O ano exato vai depender de suas taxas de crescimento econômico

O Uso da Energia

Reservas de Energia

Reservas de Energia Estimativas das reservas mundiais de energia derivada de fontes não-renováveis

A principal reserva de combustíveis fósseis é o carvão: que está disponível em abundância no mundo É abundante inclusive em países desenvolvidos, sendo que sua extração e transporte são de baixo custo

Fontes de Energia

● Convencionais: - Petróleo; - Carvão mineral; - Lenha; - Carvão vegetal; - Gás natural; - Hidroeletricidade; - Energia nuclear.

Consumo de Energia no Mundo

21% 31,5%

36,5%

6%

5%

Fontes de energia não-renováveis

● COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS(SUJAS): -CARVÃO MINERAL; -PETRÓLEO E DERIVADOS; -GÁS NATURAL. ● MINERAIS RADIOATIVOS: -URÂNIO

Recursos Energéticos (Não – Renováveis)

Petróleo 1 – Vantagens: -O petróleo é um líquido e, portanto, tem fácil transporte;

- Os combustíveis líquidos da era do petróleo possibilitaram o desenvolvimento de meios eficazes de transporte, do avião ao automóvel e as locomotivas à diesel;

-Os combustíveis à base de petróleo são relativamente limpos, já que a refinaria produz frações de hidrocarboneto, deixando a maior parte dos compostos com enxofre e metal no resíduo;

- Todo o sistema de extração do petróleo, transporte, refino e distribuição tem sido desenvolvido de acordo com um alto nível de integração e eficiência, tornando a busca por combustíveis alternativos um desafio extraordinário.

Petróleo 2 – Desvantagens: ● Derramamentos de petróleo: -A extração de petróleo do solo produz uma inevitável contaminação por derramamento.

-As áreas costeiras são especialmente vulneráveis, por causa da fragilidade de seus ecossistemas e da importância da navegação no transporte de petróleo.

-Navios-tanque percorrem continuamente as rotas de navegação, embarcando e desembarcando carga nos pontos do mundo.

- Acidentes com esse tipo de embarcação constituem exemplos mais notórios de poluição causada pelo petróleo.

- O óleo acaba invadindo praias e contaminando pássaros, animais marinhos e peixes.

Petróleo ● Emissões: -A queima de todo combustível fóssil produz CO2 e contribui com o aquecimento da Terra.

-Todos os processos de combustão produzem o poluente óxido nítrico, NO.

-Embora o N2 e o O2 da atmosfera não reajam a temperaturas comuns, eles reagem às altas temperaturas de uma fornalha ou de um motor automotivo.

Uma vez formado, o NO é lentamente oxidado até se transformar em dióxido de nitrogênio, NO2, e depois em ácido nítrico, HNO3, que é absorvido pela chuva e levado da atmosfera.

- Em resumo, o petróleo se destaca como um dos principais fatores contribuintes para a intensificação do efeito estufa, da chuva ácida e da poluição do ar nas zonas urbanas.

Gás Natural ● Embora represente um recurso energético tão grande como o petróleo, o gás natural tem sido historicamente considerado um subproduto da exploração e produção do petróleo. 1 – Vantagens: - O gás natural é um combustível limpo, que exige muito pouco processamento;

- É de fácil transporte por dutos terrestres;

- Sua taxa de emissão de CO2 é inferior à de outros combustíveis fósseis. 2 – Desvantagens: - O gás natural é muito mais difícil de transportar do que os hidrocarbonetos líquidos. - Compressões e/ou refrigeradores se fazem necessários, e o tanque de armazenamento deve ter paredes espessas ou isolamento.

Gás Natural - Requer um sistema de distribuição capaz de transferir o gás sob pressão. ● Esses requisitos constituem obstáculos significativos à substituição do petróleo pelo gás natural no transporte automotivo. ● Os problemas são mais gerenciáveis para frotas de caminhões ou ônibus, que podem carregar tanques grandes e são abastecidos em um depósito central. - Embora produza menos CO2 do que outros combustíveis fósseis, o próprio metano constitui um potente gás do efeito estufa. ●Os vazamentos de metano representam uma grave preocupação ambiental. Eles podem ocorrer nos poços de gás, durante as transferências e no uso final.

Carvão Mineral 1 – Vantagens: -As reservas de carvão são muito grandes, e tanto sua extração quanto o transporte ferroviário são relativamente baratos. 2 – Desvantagens: -O deslocamento e o manuseio do carvão é muito menos conveniente que o petróleo;

- Seu uso nos transportes desapareceu, quando o diesel substituiu a locomotiva a vapor;

-Em países tecnologicamente avançados, o carvão não é mais diretamente usado para aquecimento de ambientes, mas no restante do mundo a queima de carvão em fogões e fornalhas cobrem o ar de fuligem e SO2, contribuindo para a manifestação de doenças respiratórias. - O SO2 e o NO2 emitidos pela queima do carvão em usinas termo elétricas são as principais fontes de chuva ácida; -As minas tradicionais de carvão, que exploram os veios de carvão até as profundezas do solo, são locais de trabalho de alto risco e o pó de carvão provoca a doença do pulmão negro nos mineiros.

Impactos ambientais dos combustíveis fósseis

• Poluição do ar -A queima de combustíveis fósseis libera gases e partículas no ar: Óxidos de enxofre e nitrogênio Monóxido de carbono Pequenas quantidades de metais tóxicos Material particulado.

Chuva ácida Além de riscos a saúde humana, os composto de enxofre e nitrogênio liberados pela queima de combustíveis fósseis causam danos aos ecossistemas e construções quando estes retornam a superfície da terra em forma de chuva ácida.

Chuva Ácida

Impactos ambientais dos combustíveis fósseis • Mudanca climática e aquecimento global

-Efeito Estufa;

-Dióxido de carbono (CO2) representa o mais importante gás causador do efeito estufa;

-Dióxido de carbono é em grande parte gerado pela queima de combustíveis fósseis e no Brasil, pelo desmatamento de florestas.

• Metano

-Liberado pelo uso de gás natural, e é um gás estufa muito mais potente do que o dióxido de carbono, entretanto permanece menos tempo na atmosfera.

• Impactos na fauna

-Alterações no ecossistema causadas

pela poluição do ar e da água.

-A operação de hidroelétricas causa

danos a fauna, especialmente no caso

dos peixes.

Fontes de energia renováveis (limpas)

-ENERGIA EÓLICA (VENTOS); -ENERGIA SOLAR; -ENERGIA HIDROELÉTRICA.

Fontes de Energia

●NOVAS OU ALTERNATIVAS: -Energia solar; -Energia eólica; - Biomassa (biogás, álcool etanol, biodiesel, etc).

Recursos Energéticos Renováveis

Energia Solar ●Energia solar: é a energia radiante do Sol que pode ser utilizada para aquecimento de água em residências e para a geração de energia elétrica por meio de células fotoelétricas.

Energia Solar

●Uma das restrições técnicas à difusão de projetos de aproveitamento de energia solar é a baixa eficiência dos sistemas de conversão de energia O que torna necessário o uso de grandes áreas para a captação de energia em quantidade suficiente para que o empreendimento se torne economicamente viável.

Energia Solar no Brasil

Biomassa

Do ponto de vista energético, biomassa é toda matéria orgânica (de origem animal ou vegetal) que pode ser utilizada na

produção de energia Assim como a energia hidráulica e outras fontes renováveis, a

biomassa é uma forma indireta de energia solar.

A energia solar é convertida em energia química, através da

fotossíntese, base dos processos biológicos de todos os seres vivos

Tecnologia de Aproveitamento da Biomassa

Biocombustíveis

Energia Eólica

●Seu aproveitamento ocorre através da conversão da energia cinética de translação em energia cinética de rotação, com o emprego de turbinas eólicas (aerogeradores) para a geração de energia elétrica, ou através de cataventos e moinhos para trabalhos mecânicos, como bombeamento de água.

Geração de eletricidade: as primeiras tentativas surgiram no final do Século XIX, mas somente um século depois, com a crise do petróleo, é que houve interesse e investimentos suficientes para viabilizar o desenvolvimento e aplicação de equipamentos em escala comercial.

Recentes desenvolvimentos tecnológicos têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos.

Fazendas Eólicas

Energia Eólica ●Entre os principais impactos sócio-ambientais de usinas eólicas destacam-se os sonoros e os visuais. Os impactos sonoros são devidos ao ruído dos rotores e variam de acordo com as especificações dos equipamentos

●Os impactos visuais são decorrentes do agrupamento de torres e aerogeradores, principalmente, no caso de centrais eólicas com um número considerável de turbinas, também conhecidas como fazendas eólicas.

●Outro impacto negativo de centrais eólicas é a possibilidade de interferências eletromagnéticas, que podem causar perturbações nos sistemas de comunicação e transmissão de dados.

Energia Eólica

Energia Eólica no Brasil

Aspectos ambientais do uso de fontes renováveis

Energia eólica -Podem coexistir com usos tradicionais

da terra como agricultura e pecuária .

-Pode causar morte de pássaros,

principalmente se as turbinas forem

instaladas em zonas de rotas migratórias.

Energia solar -Considerações devem ser feitas quanto a composição dos módulos fotovoltaicos que podem incluir metais pesados.

-Riscos podem ser minimizados com a adequação de procedimentos apropriados para manuseio, desmontagem e/ou reciclagem.

Combustíveis convencionais e alternativos (consequências ambientais)

Já estamos familiarizados com o uso generalizado da gasolina para propulsão mecânica dos veículos Estamos também cientes de que grande parte dos problemas de poluição do ar nas cidades origina-se das emissões dos motores movidos à gasolina E que os combustíveis fósseis quando são queimados produzem grandes quantidades de gases indutores do efeito estufa Por essas razões, a atenção está se voltando para o desenvolvimento de fontes alternativas de combustíveis de combustão mais limpa

Energia e Meio Ambiente

Algumas dessas alternativas são também renováveis No sentido de que sua produção pode ser sustentada por

tempo indefinido no futuro sem que isso resulte na acumulação de grandes quantidades adicionais de dióxido de

carbono

“Isto é importante dado que uma fração significativa da energia mundial é usada para o transporte”

Discussão gasolina x seus maiores rivais (alcoóis, biomassa

e hidrogênio)

Os veículos podem ser movidos por diversos combustíveis: - álcool – etanol – diesel - gasolina (de diversos tipos) – gás natural “Questões como o aquecimento global, a busca por fontes renováveis de energia e a relação custo/benefício entram em pauta quando é preciso escolher um combustível a ser

usado”

Energia e Meio Ambiente

Energia e Meio Ambiente

É o tipo de combustível mais utilizado em veículos de passeio, já que é extraída em grandes proporções do petróleo e possui rendimento superior a outros combustíveis fósseis

Além disso, seu arranque na combustão do motor é mais eficiente, aquecendo o motor de maneira rápida, e alguns de seus aditivos conseguem limpar o motor

Principal desvantagem: sua queima é uma das principais responsáveis pela emissão de gases de efeito estufa, que contribuem no aceleramento do aquecimento global Ela provém, ainda, de uma fonte não renovável e, futuramente, acabará

Por fim, ela é um combustível mais caro se comparado a outros, como o gás natural e o diesel

Gasolina

O Etanol O Brasil é o pioneiro no uso do etanol, álcool etílico, e o segundo produtor mundial, ficando atrás somente dos Estados Unidos Apesar de ser um combustível renovável, sua produção não é considerada totalmente ecológica Se de um lado o etanol emite até 25% menos poluentes do que a gasolina, de outro há a questão da necessidade de grandes áreas para plantação vegetal No Brasil, a cana-de-açúcar é a matéria-prima utilizada na produção do etanol, enquanto que os norte-americanos o obtém a partir do milho

Etanol é um álcool à base de grãos que vem sendo usado para suplementar a produção de petróleo desde a década de 1970 O etanol é um hidrocarboneto líquido, similar à gasolina, e portanto é considerado um substituto desta Vantagens: O principal benefício do etanol é ser uma alternativa limpa e renovável, se comparada com a gasolina, que é derivada do petróleo, um recurso mineral finito que libera gás carbônico e contribui com a poluição Com uma tecnologia simples, qualquer país pode produzi-lo, desde que haja condições mínimas, como terra para plantação, sol e chuvas

Energia e Meio Ambiente

Energia e Meio Ambiente

Podendo ser utilizado puro ou misturado aos combustíveis fósseis, este biocombustível também pode ser obtido a partir da soja, milho, mamona, canola e babaçu

Outra vantagem do etanol é o preço mais baixo quando comparado ao dos combustíveis fósseis

Desvantagens: Muitos indicam como desvantagem a necessidade de grandes extensões de terras para o plantio de matérias-primas, que podem contribuir para o aumento da fome no mundo, uma vez que estas áreas poderiam ser destinadas à produção de alimento para as pessoas

Energia e Meio Ambiente

A busca por novos terrenos de plantio para atender a crescente demanda mundial também pode aumentar o desmatamento das florestas Outro ponto negativo é a degradação ambiental causada pelo uso de fertilizantes e pesticidas na lavoura da cana e pelo manejo de dejetos gerados na produção, como o vinhoto O rendimento energético do etanol em um automóvel também é inferior se comparado à gasolina, sendo vantajoso seu uso quando o valor do litro do álcool for inferior a 70% do preço da gasolina

O Hidrogênio O hidrogênio é o elemento mais abundante do universo: é o que faz as estrelas entrarem em combustão e se faz presente em todas as formas de vida Carros movidos a hidrogênio vêm sendo cogitados como o próximo passo na tecnologia a motor e de transporte Vantagem: ele é abundante no planeta, levando em conta que 70% da superfície do planeta é coberto por água Não há emissões carbônicas associadas ao uso de células de hidrogênio e o único subproduto é a água pura

Desvantagem do hidrogênio como um combustível alternativo é a dificuldade de produção Exemplo: para extrair gás de hidrogênio da água, esta deve estar purificada, depois ter uma corrente elétrica forte passando por ela, e ter o gás captado e armazenado num recipiente selado e não condutor, para prevenir explosões acidentais

Biodiesel

O biodiesel é derivado de como óleos vegetais e gorduras animais, para utilização em motores de ignição por compressão (diesel) É também um combustível 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, como o de girassol, nabo-forrageiro, algodão, mamona, soja

A tecnologia de fabricação do biodiesel está em desenvolvimento avançado no Brasil

Acredita-se que, para o futuro, este combustível possa, aos poucos, substituir nos veículos os combustíveis fósseis

Biodiesel Vantagens: - A queima do biodiesel gera baixos índices de poluição, não colaborando para o aquecimento global - Gera emprego e renda no campo, diminuindo o êxodo rural - Trata-se de uma fonte de energia renovável, dependendo da plantação de grãos oleaginosos no campo - Deixa as economias dos países menos dependentes dos produtores de petróleo - Produzido em larga escala e com uso de tecnologias, o custo de produção pode ser mais baixo do que os derivados de petróleo

Energia e Meio Ambiente Desvantagens:

Se o consumo mundial for em larga escala, serão necessárias plantações em grandes áreas agrícolas

Em países que não fiscalizam adequadamente seus recursos florestais, poderemos ter um alto grau de desmatamento de florestas para dar espaço para a plantação de grãos. Ou seja, diminuição das reservas florestais do nosso planeta. Com o uso de grãos para a produção do biodiesel, poderemos ter o aumento no preço dos produtos derivados deste tipo de matéria-prima ou que utilizam eles em alguma fase de produção. Exemplos: leite de soja, óleos, carne, rações para animais, ovos entre outros.

Você sabia? - O Brasil produz, atualmente, cerca de 50 mil barris de biodiesel por dia (fonte: Boletim Mensal de Energia - Ministério das Minas e Energia, dados de 2017). - Nosso país é o segundo maior produtor mundial de biodiesel (cerca de 4 bilhões de litros por ano). A região Centro-oeste é a maior produtora do Brasil.

Energia e Meio Ambiente

Metanol O metanol é uma forma liquefeita do metano, um hidrocarboneto gasoso natural produzido pela decomposição Atualmente, o metano é queimado como gás de "resíduo" em plataformas de extração de petróleo, minas de carvão, aterros sanitários e usinas de tratamento de água Vantagem do metano e de seu derivado, o metanol, é que ele é bastante abundante: a extração de petróleo e de carvão, além da decomposição de matéria orgânica, já produzem metano (capim, bagaço de cana-de-açúcar, palha, etc.) Como um hidrocarboneto similar ao propano e ao petróleo, o metano é um gás poderoso e explosivo que pode facilmente substituir o petróleo sem decréscimo de energia ou grande substituição de tecnologias existentes

Desvantagens: -O metanol é altamente tóxico e a exposição intensa pode causar sérios problemas de saúde (isto afeta os trabalhadores nas fábricas deste combustível) -O metanol é corrosivo para alguns metais tal, mesmo de alumínio.

Referências

http://esambiental.com.br/voce-sabe-o-que-e-sustentabilidade/

https://www.portalsaofrancisco.com.br/quimica/combustivel

http://www.ehow.com.br/vantagens-desvantagens-combustiveis-alternativos-

sobre_36781/

http://www.pensamentoverde.com.br/economia-verde/vantagens-desvantagens-etanol/

https://www.suapesquisa.com/ecologiasaude/biodiesel.htm

http://masotopo.com/medicina-natural/metanol-aplicacoes-e-vantagens.php

http://slideplayer.com.br/slide/1268985/