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POSSIBILIDADE DE USO DO GRAFENO NA MELHORIA DA REDE ELÉTRICA

DO CEARÁ

Daniel de Alencar Lima

Resumo: O grafeno é um material da família do fulerenos, composto basicamente de carbono, possui a espessura de apenas um átomo, mostra-se altamente flexível, ótimo condutor elétrico, resistente mecanicamente e podendo ser manipulado, associando-se a outros elementos e materiais. Promete revolucionar a indústria eletrônica e outros materiais, por ser usado em escala pequena. Com o avanço da tecnologia, o grafeno será usado em escala comercial para as mais diversas finalidades: substituição do silício em dispositivos eletrônicos, aumento da resistência mecânica de materiais, etc. O presente trabalho quer estudar os benefícios do uso do grafeno, ao invés do cobre, nas redes de distribuição de energia elétrica no Ceará, onde ocorrem perdas significativas devido à resistência dos condutores usualmente usados.

Palavras-chave: Grafeno, Rede elétrica, Ceará.

INTRODUÇÃO

O Grafeno é um material composto de átomos de carbono dispostos em

hexágono, e de espessura de um átomo (DESCOBERTO, 2004, on line), como mostra a

Figura 01. O carbono é o elemento 12 da Tabela Periódica dos Elementos (BROW,

2005, p.232), que é conhecido desde a Pré-História na forma de grafite e diamante.

Posteriormente foram descobertas novas formas alotrópicas 1 do elemento. A

importância do carbono reside no fato de ele ligar-se eletronicamente consigo, e ligar-se

a outros elementos quer sejam metais ou não. Assim ele consegue formar vários

compostos (CARBONO, s.d, online).

Figura 1- Estrutura do grafeno. Fonte: cienciahoje.uol.com.br/colunas/do-laboratório-para-a-fabrica/promessas-tecnologicas-do-grafeno

1 Graduando em Engenharia Mecânica no Instituto de Educação Ciência e Tecnologia do estado do Ceará

² Rearranjos da disposição dos átomos de um mesmo elemento no espaço.

2

O grafeno veio a se tornar um material importante, devido às suas características

jamais vistas em outros materiais tais como: flexibilidade, condutor elétrico entre outros

(DESCOBERTO, 2004, on line). Ele pode ser modificado, abrindo possibilidades da

criação de novos materiais como semicondutores³(GRAFANO, 2009, on-line).

Sabe-se até o momento que o grafeno é um excelente condutor e pode ser usado

como semicondutor, mas ainda não se conhece os limites de suas aplicações. Até 2010

foram publicados mais de 7 mil artigos relacionados, principalmente ao uso do material

em transistores2, o que permite que pesquisadores do mundo inteiro façam outras

descobertas. (SANTOS, 2010, on-line). Um ponto de reflexão seria a possibilidade de

sua utilização como substituto ao cobre na rede de distribuição de energia elétrica no

Ceará.

Os principais estudos sobre o material estão sendo feitos pela Universidade de

Manchester, onde trabalham os vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2010, Andre

Geim e Konstantin Novoselov. No Brasil, na UFRJ, a doutoranda Karla Acemano tem

realizado alguns estudos sobre o grafeno: Estudo de Prospecção Tecnológica em

Grafenos (2011); Prospecão Tecnológica em Grafenos através de Metodologia

Sistemática por Patentes (2012); Grafeno: Aplicações e Tendências Tecnológicas

(2012)(SIGMA.UFRJ,2013,on line).

Até o momento e analisando a rede elétrica do Ceará focando consumo, como é

feita a distribuição, e o tipo de material usado, o presente trabalho vai buscar encontrar

uma alternativa para melhorar o setor elétrico do Estado, mostrando as vantagens que se

vai ter com a implementação do uso de grafeno.

1. GRAFENO

1.1. História

O grafite é um dos mais conhecidos materiais da humanidade e é largamente

usado na fabricação de lápis. Foi a partir deste material que surge o grafeno. Desde

1987, sabia-se que o grafite era formado por empilhamento de camadas de átomos

organizadas em estrutura hexagonal, mas não se conseguia isolá-lo. A dificuldade era

maior ainda de se acreditar na existência do grafeno é que uma teoria criada pelo

2³ O transístor é um componente eletrónico semicondutor com várias funções, nomeadamente: amplificador de sinal (tensão)

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cientista Lev Davidovic Landau3 em 1933, praticamente selava que não existisse um

material bidimensional e se existisse era termodinamicamente instável. (LEV

DAVIDOVIC, s.d. on line).

A descoberta aconteceu quando os professores pesquisadores da Universidade de

Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov, ambos de origem russa, decidiram

estudar as propriedades eletrônicas do grafite, em um momento eles perceberam que

sempre ficava um resquício de grafite em fita adesiva, que era usada para tornar a

superfície do grafite mais lisa. Dissolveram a fita e conseguiram pela 1ª vez isolar uma

camada muito fina de carbono. (DESCOBERTO, 2013, on line). No ano de 2004 foi

publicado o artigo “Para experiências inovadoras sobre o grafeno, o material

bidimensional.” (O PREMIO, 2010, on line). Posteriormente novos estudos foram

realizados para que se descobrissem todas as propriedades químicas e físicas do material

bem como possibilidades de uso. (DESCOBERTO,2004, on line).

1.1.2. Prêmio Nobel

No ano de 2010, os professores pesquisadores Andre Geim e Konstantin

Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Físca pelo trabalho "Para experiências

inovadoras sobre o grafeno, o material bidimensional".(COHEN, 2010, on line)..Sendo

a mais rápida premiação da história, pois foram quase 6 anos entre a publicação

referente a descoberta e a premiação pela Academia Real de Ciências da Suécia

recebendo os dois juntos 1,5 bi de Euros. (CIENTISTAS, 2010, on line). Segundo a

Academia Real "O grafeno é o melhor condutor de calor conhecido até o momento".

(CIENTISTAS, 2010, on line).

1.2. O que é Grafeno?

O Grafeno é um material bidimensional, de espessura de apenas um átomo 4,

constituído de átomos de carbonos dispostos em hexágono. A folha de carbono é

3 Diz que é impossível existir um material fino que fosse estável termodinamicamente, ou seja, que não pode resistir quando submetido a altas temperaturas provocadas por corrente elétrica.

4Escala de 1 nanometro 10-9m

4

estável, altamente flexível, forte e excelente condutor de eletricidade. (DESCOBERTO,

2004, on line).

O Grafeno ainda pode ser modificado, como no caso do Grafano. O Grafano foi

criado pela equipe dos professores Geim e Novoselov e consiste da adição de átomos de

hidrogênio para modificar o grafeno - que consiste em uma folha de carbono,

parecida com uma tela de galinheiro, com apenas um átomo de espessura- sendo

isolante.

Esta descoberta abre possibilidades de o grafeno gerar novos materiais,

podendo substituir o silício na eletrônica. Segundo Geim (GRAFANO, 2009, on

line), "A moderna indústria de semicondutores utiliza toda a tabela periódica, de

isolantes a semicondutores e metais. Mas que tal se um único material puder ser

modificado de forma a cobrir o espectro inteiro necessário para as aplicações

eletrônicas,".(GEIM apud GRAFANO, 2009on line).

Mas a propriedade que mais chama a atenção com relação a este material é

que pode ser fatiado, em escala tão pequena e mesmo assim não oxida como o

silício. Materiais com um átomo de espessura. (MATERIAIS, 2005, on line).

1.3. Formas de obtenção do grafeno

Quando foi descoberto o grafeno foi isolado por técnica de esfoliação em que

usa-se fita adesiva colada à superfície de grafite e dissolvendo a fita, isolou-se o

grafeno (não foi encontrado qualquer referência ao material usado como solvente),

Figura 2- Estrutura do grafano, com a inserção de átomos de hidrogênio na estrutura planar do grafeno. Fonte: www.inovacaotecnologica.

com.br/noticias/ noticia.php

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mas a técnica se mostrou inadequada à indústria, pois além de ser uma técnica que

exige paciência, obtêm frações muitos pequenas de grafeno para ser usado em

grande escala.

Mas hoje usa-se a deposição de vapor químico de algum hidrocarboneto

sobre algum metal. (CIRCUITO, 2012, on line). Segundo Thoroh (2013, on line):

O ponto de partida é aquecer um hidrocarboneto [substância química constituída apenas por átomos de carbono (C) e de hidrogênio (H)] em estado gasoso. Por um mecanismo conhecido como deposição química de vapor, os átomos de carbono e hidrogênio aquecidos se depositam sobre uma superfície metálica [como o cobre, por exemplo] adotada como suporte. Ao se depositarem, eles se arranjam naturalmente na rede hexagonal. (THOROH, 2013, on-line)

E ainda acrescenta: "Um dos métodos é depositar o polímero sobre a placa

metálica que já aderiu à rede de grafeno. E, depois, corroer o metal, deixando o

grafeno preso no polímero"(THOROH, apud BRASIL,2013, on line).

1.4. Possibilidades do uso do grafeno

O Grafeno é um dos materiais mais promissores que existem. Dentre as

possibilidades de uso estão na fabricação de transistor de efeito de campo 5 ambipolar

totalmente funcional a temperatura ambiente. (CIRCUITO, 2012, on line). Para isso

pesquisas na Universidade de Manchester pela equipe do professor Andre Geim,

buscam estudar a possibilidade de obter grandes pedaços de grafeno

(DESCOBERTO, 2004, on line).

Figura 3- Transistor de efeito de campo. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/ Transistor_de_efeito_de_campo

5 Funciona através do efeito de campo elétrico. Dentre suas funcionalidades está no controle de corrente sobre uma carga.

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Na Itália os pesquisadores do Instituto Politécnico de Milão citados

anteriormente criaram o primeiro circuito integrado feito com portas lógicas6 de

grafeno. Esse circuito integrado de grafeno funciona em contato com o ar - e não em

atmosferas controladas de laboratório -, a temperatura ambiente e usando as mesmas

tensões usadas pela eletrônica do silício. Segundo Sordan "Além disso, nossas portas

são integradas sobre um tipo de grafeno que pode facilmente ser crescido sobre áreas

grandes, o que abre o caminho para a fabricação em larga escala desses circuitos

eletrônicos à base de carbono," (CIRCUITO, 2012, on line).

Figura 4- Esquema das portas lógicas de grafeno, postas para funcionar em cascata, compondo circuitos complexos, funcionais a temperatura ambiente. Fonte: www.

inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=circuito-grafeno-real&id=010110120816

1.5. Prós e contras do grafeno

O grafeno é tido como o material do futuro por resistente mecanicamente, ou

seja, podem dobra-lo que mesmo assim ele não sofre qualquer dano, além de ótimo

condutor elétrico, estável.

Entretanto um grupo de cientistas da Rice University realizou uma série de

estudos para testar a real resistência do grafeno. Eles descobriram que no limite das

camadas de grafeno, a estrutura de hexágonos do nanomaterial acaba se interrompendo

e gerando imperfeições. O problema é que, quando o grafeno estiver sob algum tipo de

força, essas imperfeições podem gerar rupturas que vão se espalhando por toda a

estrutura do nanomaterial. (GAZZARRINI, 2013, on line).

6Portas lógicas ou circuitos são dispositivos que operam um ou mais sinais lógicos de entrada para produzir uma e somente uma saída, dependente da função implementada no circuito.

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2. HISTÓRIA E ATUAL SITUAÇÃO DA REDE ELÉTRICA DO ESTADO DO CEARÁ

2.1. História da eletricidade do Ceará

Antes de 1961, a energia consumida no Estado era proveniente de

termoelétricas de forma precária e cara, mesmo com a geração de energia por

hidrelétrica ser feita de 1949. Depois dessa data a energia hidrelétrica chegou no

território cearense pela região Sul, Cariri, vinda da Usina de Paulo Afonso ao longo

do rio São Francisco administrada pela Chesf (Companhia Hidreletrica do São

Francisco) sob uma tensão (diferença de potencial entre dois pontos) de 220 kV. Este fato

ocorreu no mandato do governador Virgílio Távora (1963-1966). Ocorreu um

prolongamento das linhas de transmissão até Fortaleza por meio da ligação

Milagres-Banabuiu-Fortaleza(FILHO,2004, p.14 on line).

Em outro mandato do governador Virgilio Távora (1979-1983) ocorreu um

impulso da Distribuição e na Transmissão da rede elétrica. O governo mostrou

grande preocupação em implantar um sistema para medir o desempenho do sistema

Coelce (Companhia Elétrica do Ceará) em relação à qualidade do fornecimento da

Energia Elétrica. E também houve uma preocupação com a modernização da

estrutura técnico-administrativa responsável pela manutenção das redes de

distribuição (FILHO,2004, p.18 on line).

Já no governo de Tasso Jereissati (1987-1990) aconteceu uma ampliação da

oferta e do atendimento, principalmente para o interior do Estado. (FILHO,2004,

p.19 on line).

2.2. Matriz Energética do Ceará

Até o inicio do século XX, o Ceará era desprovida de qualquer unidade

geradora de eletricidade, a maior parte da energia elétrica consumida no Estado vem

das hidrelétricas do complexo de geração da Companhia Hidro Elétrica do São

Francisco (Chesf) por meio das hidrelétricas de Paulo Afonso 1, 2, 3 e 4, de Xingu,

Sobradinho e Moxotó e Usina Hidreletrica de Tucuruí no Pará.

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O Estado é marcado por períodos de seca em que a maioria dos rios

desaparece, por uma geografia de poucas áreas de grande relevo o Ceará não produz

o que consome. Desde o inicio deste século estão sendo feitos investimentos em

usinas de geração elétrica a partir da força do vento e do sol ambos abundantes o ano

inteiro (CEARÀ, s.d.on line). Muito raramente se usa a eletricidade produzida pela

Central Termelétrica Fortaleza localizada próximo ao Pécem (Terminal Portuário

localizado em São Gonçalo do Amarante).

Os parques eólicos instalados se localizam no litoral na Prainha, Taíba e

Mucuripe, extensões de terra com fortes ventos vindos do oceano Atlântico. Com

relação a energia solar cabe destacar a MPX Ceará (CEARÀ, s.d.on line).

2.3. GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E DESTINO FINAL DA ENERGIA

ELÉTRICA.

2.3.1. Empresas geradoras

O Ceará não possui empresas geradoras de eletricidade em seu território, o Estado

consome a energia elétrica produzida pelo Complexo de Paulo Afonso, Xingu e Usina de

Tucuruí. (CEARÀ, s.d.on line)

2.3.2. Empresas distribuidoras

A empresa responsável pela distribuição e gerenciamento das redes de distribuição,

responsável pela manutenção de fios, postes e etc. é a Coelce privatizada em 1998 e

administrada pelo Consórcio Distriluz Energia Elétrica (FILHO, 2004, on line). Atualmente

administrada pela Investiluz formada pelas empresas Endessa, Cerj, Energia e Chilectra

nenhuma cearense (HISTÓRICO, s.d., on line).

2.4. MATERIAL USADO NAS REDES ELÉTRICAS DE DISTRIBUIÇÃO

A eletricidade que recebe-se em casa é transportada por meio de corrente alternada

que é uma corrente que varia com o tempo, ou seja, oscila. Esta corrente é produzida em

centrais hidrelétricas que usam a força mecânica da água para movimentar um gerador que

irá transformar a força da água em eletricidade.

A corrente alternada foi escolhida por conta das perdas de energia na forma térmica

ou efeito Joule, que ocorrem nos fios condutores de eletricidade. A relação entre a forma

como a eletricidade é transportada e o material está condicionado por uma equação da

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potência desenvolvida nos fios sob a forma de calor que é P = ri 2, onde r e i são

respectivamente a resistência do material a passagem dos elétrons e a corrente que passa no

mesmo material.

Para minimizar perdas de energia elétrica na forma de calor, deve-se ter os valores

de r e i o mínimo possível. Por isso os engenheiros eletricistas levam em consideração que a

voltagem para transmitir eletricidade até os centros consumidores, depende da potência a

ser transmitida e da distância a ser percorrida. (REIS, 2011,p.369)

2.4.1. O cobre: Um capítulo à parte:

A principal razão para utilizar o cobre em sistemas elétricos é sua excelente

condutividade elétrica. O cobre apresenta a resistência elétrica mais baixa entre todos os

metais não-preciosos. (POR QUE, s.d. on line). O Cobre custava em 2008, US$

5600,00 por tonelada (COTAÇÃO, 2008,on line), enquanto o grafeno custa US$

100,00 por m2 (COMO O GRAFENO, 2012, on line). A resistividade (dificuldade

dos elétrons se movimentarem livremente) do cobre é 0,0167 ohms.mm 2/m,

(TABELA, s.d. on line), enquanto o grafeno à temperatura ambiente é da ordem de 10

nOhm.m (nano Ohm-metro) (GRAFENO, 2008, on line). As reservas mundiais de

cobre, medidas e indicadas, atingem atualmente cerca de 607 milhões de toneladas de

metal contido.(RESERVAS, s.d, on line).

CONCLUSÃO

As possibilidades de uso do Grafeno ainda não são totalmente conhecidas pelos

cientistas para ser usado em escala comercial. O que se sabe até o momento é que as

propriedades de ser altamente condutor elétrico, resistente a choques mecânicos e

manipulado para gerar novos materiais (semi-condutor, isolantes etc.) o torna candidato

ideal a ser usado na eletrônica e em outros setores.

A pesquisa sobre as características do grafeno e análise da situação e

características do cobre chega-se a conclusão de que o grafeno pode ser usado na rede

elétrica, desde que se fabrique os semicondutores e isolantes necessários, pois o grafeno

dissipa muita energia principalmente na forma de calor.

A vantagem que o grafeno tem sobre o cobre é que pode ser obtido a partir de

qualquer hidrocarboneto que vem das mais diversas fontes, já que que o carbono que é o

elemento constituinte do material é abundante na Terra e é a base de toda vida.

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Enquanto que o cobre é extraído a partir de um minério, o que ocasiona grandes

impactos sobre o meio ambiente. O cobre não é usado somente na fabricação de fios

elétricos e o seu preço tende a variar para mais ou para menos conforme a produção.

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