Fontes energéticas Sistemas de conversão de energia Transporte e armazenamento de energia Equipamentos Utilização racional de energia Edifícios energéticamente eficientes Segurança

Fontes energéticas - Introdução
Fontes energéticas - Combustíveis fósseis
Fontes energéticas - Energias renováveis
Fontes energéticas - Hidrogénio
Fontes energéticas - Urânio

Fontes energéticas - Introdução

A intensa actividade humana, leva-nos a recorrer a um vasto conjunto de fontes para suprimir as necessidades energéticas globais. Estas energias, podem-se agrupar em quatro grupos distintos:

  • Combustíveis fósseis;
  • Energias renováveis;
  • Hidrogénio;
  • Urânio.

A exploração destas fontes energéticas depende basicamente de três factores:

  • Conhecimento - é necessário engenho para extrair energia de uma qualquer fonte, mais engenho ainda é necessário para maximizar o aproveitamento da energia disponível;
  • Balanço energético - em qualquer processo de exploração de uma fonte energética é necessário um input de energia para poder aproveitar o potencial da fonte. Assim, é importante garantir que a quantidade de energia extraída é superior à energia absorvida (Esquema: Balanço energético);
  • Factores político-económicos - porque a energia é indispensável à actividade Humana e a exploração de fontes energéticas acarreta inevitavelmente a produção de entropia / poluição.

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Fontes energéticas - Combustíveis fósseis

Tal com o nome indica, estes combustíveis, resultam da fossilização da matéria orgânica. A matéria orgânica, depositada em grandes bacias e posteriormente coberta por sedimentos, quando sujeita a pressões e temperaturas elevadas durante alguns milhões de anos, acaba por se converter em carvão, gás natural e petróleo. Estes combustíveis, muito ricos em carbono e hidrogénio, estão na base do desenvolvimento acelerado que a Humanidade sofreu desde a Revolução Industrial. As energias resultantes da utilização destes combustíveis, são consideradas não renováveis, por não poderem ser restabelecidas durante o tempo de vida do Homem.

Para extrair estes combustíveis da crosta terrestre são utilizadas técnicas específicas em função do tipo de combustível em causa.

  • Extracção de carvão

O carvão é sem dúvida o combustível fóssil mais abundante, estimando-se que existam cerca de 1.000 biliões de toneladas métricas o que, tendo em conta o consumo anual de cerca de 4 biliões de toneladas métricas, garante reservas para os próximos 250 anos.
Dependendo da profundidade a que se encontra o jazigo de carvão, a sua extracção pode ser realizada a céu aberto ou através de galerias subterrâneas (Esquema: Mina de carvão a céu aberto).

A extracção a céu aberto, é realizada removendo a camada superficial de solo até se alcançar a profundidade em que se encontra o filão de carvão, seguindo-se então a extracção do minério. Esta actividade implica a remoção de grandes quantidades de terra. Para minimizar este problema é prática comum recolocar a camada superficial de solo depois de retirar o carvão.

A extracção de carvão a céu aberto é realizada à custa de enormes pás escavadoras que podem remover muitas toneladas de terra / minério por hora, este processo, bem como o transporte do minério em camiões, origina quantidades significativas de poeiras de onde resultam distúrbios ambientais significativos. 

Mesmo utilizando a técnica de recolocação de solo para reconversão das áreas de mineração, as zonas que ficam expostas (zona de mineração) se inundadas pelas águas das chuvas podem provocar drenagens ácidas, ou seja, a água ( ) quando infiltrada nos detritos resultantes da actividade mineira, reage quimicamente com alguns materiais, como seja a pirite ( ), produzindo ácido sulfúrico ( ). Este ácido, caso os solos não estejam impermeabilizados, infiltra-se, acabando por atingir os lençóis freáticos subterrâneos.

A extracção de carvão através de galerias subterrâneas apresenta igualmente problemas ambientais significativos, mas acima de todo apresenta riscos consideráveis para a saúde de quem nelas trabalha, de tal forma que este tipo de actividade está a entrar em desuso, nos países ocidentais.

Para os operadores esta actividade apresenta riscos de:

  • Colapso das estruturas, provocando perdas humanas consideráveis;
  • Incêndio, libertando fumos tóxicos prejudiciais à saúde de quem os inala;
  • Explosões que rapidamente podem provocar a morte ou o colapso das estruturas;
  • Problemas pulmonares derivados da constante inalação de poeiras.

Do ponto de vista ambiental, a extracção de carvão através de galerias subterrâneas, pela intensa utilização de água provoca o mesmo efeito de acidificação, anteriormente descrito.

O minério, antes de entrar nos circuitos comerciais, terá de ser lavado. Este processo acaba também por provocar uma reacção química como a descrita anteriormente. Para além deste efeito de acidificação, a água também arrasta alguns metais pesados constituintes do carvão (como o arsénio). Assim, caso as águas resultantes da lavagem do minério não sejam devidamente tratadas, constituem uma significativa fonte de poluição. Depois de lavado, o carvão requer espaços para armazenamento de grandes dimensões, sendo que estes espaços mesmo depois de desactivados, permanecem contaminados por um longo período, a menos que se invistam recursos (energia) na reconversão dos espaços. Para agravar todo este cenário, é pratica comum que junto às minas de carvão, nos locais de lavagem de minério, se acumulem detritos resultantes da actividade, especialmente quando a actividade é encerrada e as instalações abandonadas.

  • Extracção de gás natural / petróleo

O petróleo, é o combustível fóssil mais utilizado, mas também aquele que apresenta menos reservas face aos actuais níveis de consumo, prevendo-se que as reservas, à actual taxa de consumo, durem apenas até 2100, no entanto, o pico de produção dever-se-á registar por volta de 2050, ou seja a partir dessa data o consumo de petróleo terá de reduzir por força da diminuição das reservas.

O gás natural, segundo as estimativas mais optimistas e à taxa de consumo actual, deverá durar mais cerca de 120 anos.

A extracção de gás natural e petróleo realiza-se de forma semelhante, visto que estes dois combustíveis se encontram localizado em jazidas semelhantes, quando não partilham uma mesma jazida. De facto, o gás pode estar directamente associado ao petróleo ou não (Esquema: Exploração de um reservatório de petróleo).

Fala-se em gás associado quando no reservatório o gás natural se encontra maioritariamente dissolvido no petróleo ou se encontra sob a forma de capa.

Fala-se de gás não associado quando, num reservatório, a generalidade do gás natural está livre ou junto de pequenas quantidades de petróleo (Esquema: Exploração de um reservatório de gás natural).

Quer se trate de petróleo ou de gás natural, o método de extracção é em tudo semelhante. Depois de se localizar um reservatório, são realizados um ou mais furos a partir do(s) qual(ais) será bombeado o petróleo ou o gás natural.

Os avanços da técnica bem como as necessidades impostas pela excessiva dependência do consumo de petróleo levaram a que este tipo de extracção, seja actualmente realizado tanto em terra quanto no mar (por vezes em condições extremas), conduzindo ainda a que seja economicamente viável extrair petróleo de profundidades progressivamente maiores. Por outro lado, extraí-se petróleo de uma forma muito mais eficiente, visto que inicialmente o processo passava pela simples bombagem, da qual resultava um aproveitamento de apenas 25% do petróleo contido num reservatório. Assim, para aumentar a produtividade da extracção são injectados água, vapor ou químicos; tais como dióxido de carbono ou nitrogénio, que irão forçar a subida do combustível, conseguindo-se assim extrair cerca de 60 % do petróleo contido no reservatório.

Para aumentar o rendimento económico do petróleo, bem como reduzir os impactes ambientes resultantes da sua queima, este passa por um processo de refinação do qual é possível obter um vasto conjunto de produtos.

Dada a complexidade que envolve o armazenamento e distribuição de grandes quantidades de gás natural, era prática corrente queimar o gás associado que se encontra presente nos reservatórios de petróleo. 

O desenvolvimento e construção de meios de transporte eficientes, a continua busca de combustíveis alternativos ao petróleo, bem como as vantagens ambientais do gás natural face ao petróleo, impulsionaram a exploração de gás natural enquanto fonte energética alternativa ao petróleo.

De facto, o gás natural apresenta características que lhe permitem a alcunha de combustível amigo do ambiente, uma vez que libertado na atmosfera se dissipa rapidamente, provocando um impacte ambiental relativamente reduzido. Por outro lado, quando queimado, produz emissões com menos carga poluente quando comparado com a queima de carvão ou de petróleo (cerca de metade do dióxido de carbono, um terço dos óxidos de nitrogénio e 1% dos óxidos do enxofre). 

Os sistemas de armazenamento e transporte de gás, dadas as suas dimensões e complexidade, acabam por representar os factores mas agressivos do ponto de vista ambiental associado ao consumo de gás natural.

Quanto ao petróleo são muitos os factores que desaconselham a sua utilização:

  • As dimensões dos sistemas de armazenamento e a contaminação dos solos que resulta da sua construção/utilização;
  • Necessitam de refinarias muito complexas que só por si consomem muita energia e que acabam por contaminar os solos em que se encontram instaladas;
  • Durante a extracção ou durante o processo de refinação são utilizadas quantidades consideráveis de água, sendo que esta, quando libertada, contamina e representa só por si uma ameaça ao meio ambiente;
  • Risco de derrames, pois que o petróleo, dadas as sua características químicas, quando derramado sobre a terra ou sobre a água assume consequências ambientais catastróficas;
  • Num processo de extracção de petróleo, são bombeadas grandes quantidades de água salgada do subsolo. Quando a extracção se realiza em terra e a água salgada é libertada à superfície, acaba por esterilizar o solo envolvente ao local de extracção; 
  • Libertação acidental de gases, como hidrocarbonetos e sulfito de hidrogénio;
  • Alteração de paisagens naturais protegidas.

» Fontes de energia que derivam da influencia do Sol na Terra 
» Recursos energ. globais com base em energias renovaveis

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Fontes energéticas - Energias renováveis

As energias renováveis são todas aquelas em que a sua utilização actual não implica a diminuição da sua disponibilidade futura.

Directa ou indirectamente, a generalidade das fontes de energia renovável que conhecemos acabam por resultar do Sol e das quantidades massivas de energia que este nos coloca à disposição. A excepção acontece com a energia geotérmica que, sendo uma fonte de energia renovável, provem do calor libertado das profundezas da terra (Esquema: Fontes de energia que derivam da influencia do Sol na Terra).

Considera-se a energia hídrica e a biomassa como energias renováveis, tendo em linha de conta que para tal é necessário garantir a preservação dos ecossistemas, ou seja, para assegurar a renovação da biomassa é necessário que exista a quantidade adequada de vegetação, bem como de água para o seu desenvolvimento, para assegurar a continuidade da produção de energia com base nos recursos hídricos é necessários que estes sejam preservados.

A partir da tabela, podemos concluir que as fontes renováveis têm um potencial energético enorme, pelo que representam uma alternativa aos combustíveis fósseis como fontes para obtenção de energia (Tabela: Recursos energ. globais com base em energias renovaveis).

A utilização deste tipo de fontes energéticas, para além de garantir a continuidade dos recursos e consequente obtenção de energia, pois estão em constante renovação, supera em muito as nossas necessidades globais de energia e, como veremos de seguida, acarretam a produção de reduzidas quantidades de poluição / entropia.

  • Energia solar

A energia solar chega à Terra por radiação sob duas formas, luz e calor, em quantidades tais que a energia recebida pela Terra durante 10 semanas é equivalente a todas as reservas energéticas conhecidas do planeta (incluído petróleo, gás e carvão).

Esta é de facto uma fonte energética com um enorme potencial faltado, no entanto, a tecnologia correcta para a podermos explorar em toda a sua plenitude.

  • Vento

O vento é utilizado como fonte de energia à séculos, no entanto, apenas recentemente e graças aos avanços da aerodinâmica ganhou relevância, nomeadamente na produção de energia eléctrica. Apesar da abundância do recurso, o vento só ganha interesse do ponto de vista da produção de energia quando num determinado local assume uma direcção e intensidade constates (a velocidade do vento deverá ser superior a 5 m/seg). Assim, é normal serem avistados earogeradores agrupados numa área geográfica relativamente reduzida, a que normalmente se dá o nome de quinta eólica.

Actualmente, a energia eléctrica produzida à base do aproveitamento do vento (através da instalação de aerogeradores) é inferior a 1% do consumo total de energia eléctrica, prevê-se no entanto, que esta fonte energética venha a suprir cerca de 20% das necessidades eléctricas globais nas próximas décadas.

  • Água

A água, mas concretamente a água em movimento, encerra um grande potencial de produção de energia. Desde há muitos séculos que o Homem compreendeu que a água em movimento podia ser aproveitada para gerar energia mecânica. Mais recentemente, a energia mecânica extraída da água em movimento é convertida em energia eléctrica em centrais hidroeléctricas, representando cerca de 10% da energia eléctrica produzida a nível global.

A utilização deste recurso energético não implica a emissão de poluentes, podendo contudo alterar ecossistemas, dadas as perturbações introduzidas nos recursos hídricos disponíveis e no meio ambiente envolvente.

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  • Biomassa

A biomassa é composta por matéria orgânica (plantas, lixo, excrementos, etc) que possa ser directamente queimada ou transformada em algo que o possa vir a ser. Esta foi a primeira fonte energética explorada pelo Homem e actualmente é a fonte de energia renovável mais intensamente utilizada, representando cerca de 30 % do consumo energético global.

A madeira para queima é certamente a forma mais conhecida de biomassa, no entanto existem muitas outras:

  • Detritos florestais e agrícolas – os ramos e folhas resultantes da limpeza da floresta e dos campos podem ser queimados de forma controlada para, por exemplo, produzir energia eléctrica;
  • Lixo – duas utilizações energéticas podem ser dadas ao lixo urbano, a queima controlada ou através de um processo de degradação biológica chamado de digestão, aproveitar o gás metano e o biogás libertado. Os óleos usados, bem como outras gorduras podem ser utilizados para fabricar biodiesel;
  • Excrementos – à semelhança do lixo, os excrementos animais sujeitos a um processo de digestão libertam metano que poderá ser utilizado para queima ou como combustível para equipamentos agrícolas;
  • Culturas energéticas – são culturas que depois de processadas industrialmente têm a capacidade de produzir etanol, que poderá ser utilizado com combustível para os automóveis. A cultura energética que apresenta mais implantação é a de cana-de-açúcar.

A utilização de biomassa enquanto fonte energética deverá ser muito criteriosa de forma a reduzir ao mínimo o seu impacte ambiental. 

Como é sabido, a deflorestação é um problema que afecta grandemente o equilíbrio natural da Terra, no entanto, é possível estabelecer políticas de abate de árvores acompanhadas com outras de reflorestação que assegurem a manutenção sustentada das florestas, caso contrário, o abate puro e simples de árvores, para além destruir os ecossistemas que estas albergam, é responsável pelo acelerado processo de degradação dos solos. 

A recolha de detritos florestais, desde que realizada de uma forma criteriosa e em locais que não afectem os ecossistemas protegidos representa uma medida eficaz contra o flagelo dos incêndios florestais que esses sim constituem uma importante fonte de poluição.

A incineração de lixo urbano, quando realizado em condições controladas e adequadas, apresenta emissões de gases poluentes inferiores ou equiparadas às das obtidas com a queima de combustíveis fósseis, acrescido da vantagem de se eliminar uma fonte poluição como sejam os aterros sanitários.

A utilização de metano, biogás ou biodiesel apresentam emissões poluentes reduzidas quando comparadas com a utilização de combustíveis fósseis, com a vantagem de alguns dos combustíveis alternativos apresentados, serem resultado de um processo de reciclagem e como tal de redução de resíduos, que de outra forma se iriam simplesmente avolumar os depósitos de resíduos.

  • Energia geotérmica

A energia geotérmica enquanto fonte de energia renovável, resulta do aproveitamento do calor que é libertado das profundezas da Terra, para aquecimento ou para produção de energia eléctrica. 

A utilização desta fonte energética apresenta alguns problemas, pois as águas quentes que provêm do interior da Terra são muitas vezes salinas ou altamente corrosivas. Os locais mais interessantes para implementar aproveitamentos deste tipo, são muitas vezes locais protegidos do ponto de vista paisagístico, ou locais muito requisitados pelo turismo o que acaba por dificultar grandemente a disseminação desta técnica.

Os aproveitamentos geotérmicos, ganham particular interesse, pelo facto de muitas regiões insulares apresentarem características geológicas favoráveis a estas instalações. Assim, esta fonte energética associada à energia eólica assume particular relevância no fornecimento de energia eléctrica às “pequenas” redes insulares de distribuição de energia.

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Fontes energéticas - Hidrogénio

O hidrogénio é tão-somente o elemento químico mais abundante do universo, no entanto, na Terra, praticamente não se encontra enquanto elemento isolado mas antes combinado com inúmeros outros elementos químicos, de tal forma que a sua presença é muito comum. Actualmente, o hidrogénio é produzido em grande escala a partir de combustíveis hidrocarbónicos, encontram-se no entanto, em fase de estudo, técnicas que permitiram a produção de hidrogénio a partir de biomassa, culturas de algas, culturas de bactérias em condições controladas e a partir da água (utilizando como fonte energética uma energia renovável ou utilizando a electricidade disponível nas horas fora de ponta).

O hidrogénio é simplesmente o melhor combustível conhecido, apresentando uma relação energia por unidade de peso muito superior a todos os outros combustíveis, por exemplo, 1 kg de hidrogénio contém a mesma energia que 2,8 kg de gasolina, e é 14,4 vezes menos denso que o ar. Estas características, entre outras tornam-no o combustível de eleição para a propulsão de naves espaciais que necessitam de um combustível com baixo peso e elevado potencial energético.

O coeficiente de difusão do hidrogénio no ar é de 0,61 cm3/s muito superior ao metano ou aos vapores de petróleo, o que permite combustões rápidas e eficientes. No entanto, este factor associado à sua elevada inflamabilidade (para concentrações entre 4 % - 75 %, o propano inflama em concentrações de 2,1 % - 9,5 %) tornam muito perigosa qualquer fuga de hidrogénio, dado o elevado risco de explosão.

Quando a combustão de hidrogénio ocorre na presença de oxigénio puro, o resultado da queima é tão-somente vapor de água, enquanto que em contacto com o ar, a combustão de hidrogénio produz óxidos de azoto.

Dependendo da técnica e da fonte a utilizar para obtenção de hidrogénio, pode-se produzir este combustível de uma forma limpa, sem emissão de poluentes, por exemplo se for utilizado:

  • Matéria-prima – água;
  • Método de extracção do hidrogénio – electrólise;
  • Energia utilizada no processo – electricidade proveniente de fontes de energia renovável.

Com o arranjo apresentado, para além do hidrogénio, apenas é produzido oxigénio, ou seja deste processo não resulta a emissão de poluição (Animação: Ciclo do Hidrogénio).

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Fontes energéticas - Urânio

O urânio é um metal, com uma dureza ligeiramente inferior à do aço e encontra-se no seu estado natural em algumas rochas da crosta terrestre. A extracção deste minério é realizada através de galerias subterrâneas. 

Este metal, dadas as suas características físico-químicas, quando sujeito a um processo que dá pelo nome de cisão nuclear, produz grandes quantidades de energia; 1 kg de óxido de urânio produz calor equivalente a aproximadamente 16 toneladas métricas de carvão; todo este calor convertido em energia eléctrica, transforma este mineral numa das mais importantes fontes para produção de energia eléctrica, cerca de 16% de toda a electricidade consumida no mundo.

No estado natural o urânio apresenta três isótopos urânio-238 (cerca de 99,3 % de todo o urânio), urânio-235 (cerca de 0,7 %) e urânio-234 (cerca de 0,005 %), no entanto, apenas o urânio-235 é susceptível de ser submetido a um processo de cisão nuclear (urânio cindível). Para que a cisão nuclear ocorra é ainda necessário que o urânio contenha cerca de 3% do isótopo urânio-235, ou seja, é necessário realizar um processo industrial que aumente a concentração deste isótopo, sendo que o produto final obtido dá pelo nome de urânio enriquecido.

A limitação técnica que impõe a cisão do isótopo urânio-235, faz com que cerca de 99% do urânio seja desperdiçado e se transforme em lixo. Assim as reservas conhecidas deste minério apenas conseguirão sustentar a produção de energia por mais algumas décadas. Recentemente, começou a ser instalado um tipo de reactor que dá pelo nome de reactor rápido, este, para além de produzir energia, transforma o urânio não cindível em plutónio 239, que pode ser separado e utilizado como combustível no reactor rápido. Dadas as reservas actuais de urânio, este equipamento, por aproveitar melhor a fonte energética, pode fornecer cerca de metade da energia actualmente produzida com base em combustíveis fósseis durante cerca de 2.000 anos.

Com base no urânio, podem-se produzir grandes quantidades de electricidade sem qualquer emissão de gases poluentes, no entanto, apresenta uma séria adversidade do ponto de vista ambiental, que se prende com o facto do urânio ter propriedades radioactivas sendo que, a generalidade dos seres vivos (incluindo o Homem), quando expostos a quantidades relativamente elevadas de radioactividade, desenvolvem perturbações genéticas e cancerígenas, pelo que todas as tarefas que impliquem o contacto directo ou indirecto com o urânio deverão ser realizadas com especial cuidado. 

O perigo para o meio ambiente começa aquando da mineração, uma vez que os detritos resultantes deste tipo de exploração encontram-se contaminados com radioactividade de tal forma que a água das chuvas podem arrastar estes componentes e, por exemplo, contaminar os lençóis freáticos. Para além do perigo que esta actividade representa para todos os trabalhadores da mina, todo o processamento industrial que é necessário fazer para transformar o urânio, do seu estado natural em urânio enriquecido e pronto a ser utilizado nas centrais de energia nuclear, constituí de igual forma uma potencial fonte de poluição para aos seus trabalhadores e para o meio envolvente.

Parte da radiação emitida pelos materiais radioactivos atravessa facilmente o ar mas fica retida na generalidade dos sólidos que encontra, tais como roupa, paredes, metais, etc, ou seja todos os materiais que estejam em contacto com o urânio ficam de imediato contaminados. Assim, na contabilidade do lixo radioactivo resultante da exploração do urânio, temos também de considerar todos estes materiais contaminados.

Para complicar tudo um pouco estima-se que o urânio demore cerca de 7 biliões de anos a perder o seu poder radioactivo, ou seja, até ser descoberta uma forma de anular a radioactividade deste elemento a única solução é armazenar todo o lixo radioactivo em locais que garantam a estanquicidade durante séculos, milénios… Este problema assume grandes proporções se pensarmos que, só nos Estados Unidos, são produzidas anualmente cerca de 2.000 toneladas métricas de lixo radioactivo.

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