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ENERGIA
CAPÍTULO 7
A proposta de adotar Prevenção da Poluição como princípio, implica considerar todos os aspec- tos que podem reduzir o impacto ao meio ambiente. Energia é um destes aspectos, pois está associada diretamente ao uso racional dos recursos naturais utilizados como fonte energética e aos impactos ambientais decorrentes do processo de produção e da forma de consumo adotada, tanto em setores industriais específicos como pela sociedade como um todo.
Assim sendo, neste capítulo abordaremos alguns pontos sobre a questão energética para que você possa fazer uma análise da situação atual no cenário mundial. Além disso, vamos apresentar alternativas de medidas e tecnologias que podem ser adotadas visando ao uso mais eficiente de energia no trabalho, na sua casa ou em qualquer outro local.
Aqueles que dominam a natureza E buscam possuí-la Jamais conseguirão, Porque a natureza é um sistema vivo, tão sagrado Que, quem a usar de forma profana, Certamente a perderá; E perder a natureza É perder a Nós mesmos. TAO
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Discutir a importância da energia nos diversos setores;
- Analisar as diferentes fontes, formas e possibilidades de conversão de energia;
- Discutir a viabilidade de medidas técnicas para melhoria do desempenho energético-ambiental;
- Avaliar o uso da energia do ponto de vista do desen- volvimento sustentável;
- Apresentar ao aluno a Exergia.
Ednildo Andrade Torres Universidade Federal da Bahia • UFBA • TECLIM
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Vale salientar nesse momento que a energia, desde os seus primórdios, vem sendo fator de disputa entre as mais diversas nações, onde as guerras e, conseqüentemente, as conquistas têm trazido situações peculiares. A condição prévia de qualquer civilização é a energia. Por isso, tanto no passado, em que se utilizava a força animal e humana, quanto mais adiante, após o avanço das técnicas, quando se passou a utilizar os recursos naturais como o sol, o vento, as águas e as florestas, a energia sempre teve um papel destacado. Porém, com o crescimento da população, as necessidades energéticas passaram a ser cada vez mais concentradas e o modelo de desenvolvimento industrial adotado baseado na centralização da geração.
Esse modelo teve como base a transformação das fontes primárias, inicialmente a de carvão mineral e em seguida a do petróleo e seus derivados. Essa civilização foi forjada tendo como base, inicialmente, a máquina a vapor e depois os motores de combustão interna. Com o surgimento e o fortalecimento da indústria, houve a geração de empregos, paralelamente ao desenvolvimento da demanda de energia. Atualmente, a população da Terra é superior a 5 bilhões de habitantes, sendo que cerca de 70% vivem nas cidades. Para exemplificar a escalada urbana, e conseqüentemente a concentração populacional, vejamos: no ano de 1900, apenas 11 cidades do mundo tinham população superior a 1 milhão de habitantes; em 1950, eram 75; em 1978, já eram 191; em 1985 o número passou para 273; e atualmente são mais de 350 cidades, sendo a maioria localizada em países do Terceiro Mundo.
Estamos vivendo uma fase de transição, em que a base ainda é a centralização da geração. Entretanto, já é uma realidade a participação da iniciativa privada na geração de energia, a contribuição dos autoprodutores, a introdução das alternativas e a conscientização do uso racional da energia. O Brasil não diverge das grandes questões mundiais, tampouco as soluções empregadas seguem uma linha diferente. O nosso processo de industrialização também desencadeou uma crescente incorporação da energia como fator de crescimento, e, por outro lado, como fator limitante. Nas fábricas, possibilitou a produção em larga escala, gerando empregos, estimulando investimentos, proporcionando o desenvolvimento e o bem-estar da população.
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para facilitar a vida, utilizando a natureza como fonte de suprimento, nas diversas formas apropriadas a satisfazer suas necessidades básicas: calor, cocção, movimento, iluminação, etc. Para se entender a relação entre a utilização da energia e os impactos provocados sobre o meio ambiente é importante observar que o homem a transforma, a organiza para poder utilizá-la. Isto é, disponibiliza a energia de uma forma mais facilmente manuseável, podendo ser mais concentrada e mais disponível para uso imediato. Como exemplos citamos a transformação do petróleo e seus derivados, da lenha em carvão vegetal, do potencial hidráulico em hidroeletricidade. Mas para isso se paga um preço, as irreverssibilidades, que têm tanto um componente ambiental como energético.
Nessa luta contra a “desordem” dissipa-se uma determinada quantidade de energia, que se perde para fora das fronteiras do sistema. Isso implica que se necessita de mais energia para ordená-la. De forma simplificada, as atividades econômicas não fazem nada mais que estruturar a matéria de modo a propiciar sua utilização pelo homem, e para isso exigem a incorporação de um aporte de energia externa. O grande problema é que existe uma contrapartida. As irreversibilidades ou perdas, que são transferidas sob a forma de energia degradada, são rejeitadas para o meio ambiente. Assim, a incorporação pelo homem da energia fóssil (petróleo, carvão mineral, gás) à produção de bens e serviços será acompanhada de perdas de matéria e energia para o meio externo, causando uma série de impactos ambientais (Odum, 1988). Outrossim, além da emissão de resíduos sólidos, líquidos e gasosos, o aproveitamento das fontes energéticas provoca impactos ambientais associados ao custo (econômico, social e ecológico) de oportunidade da utilização de recursos naturais. Estes impactos podem ser significativos, mesmo no caso do emprego de fontes renováveis de energia como a hidroeletricidade, a biomassa energética, a energia solar e eólica, pelas grandes áreas utilizadas para a produção energética em grande escala (na construção e na área de influência de grandes barragens, em florestas e plantações energéticas, na superfície ocupada por coletores solares e aerogerados).
Além dos impactos ambientais que acompanham a operação normal das instalações de produção e utilização da energia, as tecnologias energéticas podem provocar riscos
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de acidentes, catástrofes e desvios de seu uso para outros fins. O caso da energia nuclear é sem dúvida o mais importante nesse campo devido aos problemas a ela associados: disposição de resíduos, desativação dos equipamentos (após o tempo de vida útil), contaminação e vazamentos.
Embora nenhuma emissão para o meio ambiente esteja associada com a operação de usinas de geração de eletricidade nuclear, os resíduos de combustível nuclear permanecem radioativos por milhares de anos, e, apesar de pequenos em quantidade, devem ser dispostos e gerenciados cuidadosamente, pois representam uma grande ameaça para o meio ambiente e para a humanidade.
No caso da hidroeletricidade, esta modifica a operacionalidade dos rios, inunda terras anteriormente agricultáveis ou utilizadas para outros fins, altera os ecossistemas e muda o microclima. E durante a construção das barragens são empregadas grandes quantidades de materiais, o que provoca impactos, desde a sua extração até a sua aplicação nas usinas.
Aos alunos: Outras tecnologias energéticas que envolvem grandes riscos são: minas de carvão, campos de petróleo, refinarias, transporte de petróleo, etc. Pesquise os impactos provocados por estas tecnologias alternativas energéticas.
No primeiro capítulo deste módulo, para analisarmos as conseqüências dos problemas decorrentes de algumas atividades criativas, apresentamos a Equação Mestra do Impacto Ambiental. No caso específico do impacto ambiental provocado pelo uso da energia, convém fazer uma análise do consumo de energia no mundo.
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Nela foram lançados os dados referentes aos anos de 1971, 1990 e 2000, assim como um cenário para 2010. Os valores representam toda a energia consumida no período, dividida pela população do país. A unidade de medida em que foram expressos os índices é a tep (tonelada equivalente de petróleo), ou seja, transformam-se todas as fontes de energia consumida em uma única, que equivale à energia produzida que pode ser extraída a partir de uma tonelada de petróleo.
Nos EUA e no Canadá, para o ano de 1990, o consumo per capita foi de cerca de 7,5 tep/habitante; enquanto para o ano de 2000, um consumo por habitante de 8,2 tep. O que representou um crescimento de 9,3% em uma década.
Para a América Latina, o consumo específico em 1990 foi de aproximadamente 0,9 tep/habitante; enquanto para o ano de 2000, cerca de 1,2 tep/habitante. Quando comparado com a média mundial, a América Latina não se encontra muito distante com relação ao consumo per capita. Porém, com relação aos EUA, a relação é de um para aproximadamente sete.
Com esses números podemos afirmar que o processo de desenvolvimento na América Latina está muito aquém dos países desenvolvidos. No entanto, o objetivo não é aumentar o consumo per capita de qualquer maneira, e sim buscar um desenvolvimento sustentável e equilibrado.
Particularizando, podemos estabelecer os índices para o Brasil, desagregando-os do que foi mostrado. Para isso utilizaremos os dados fornecidos pelo BEN (Balanço Energético Nacional). Para o ano de 1990, o consumo per capita foi de 1,18 tep/habitante e em 1995 foi de 1,28 tep/habitante. Sendo que em 1997 esse número cresceu para 1, tep/habitante e pelo BEM (2000) o valor aumentou para 1,55 tep/habitante. Portanto, quando comparado com a América Latina, o Brasil tem um consumo por habitante maior, condizente com o processo de desenvolvimento no país em relação aos demais da América Latina.
EXPECTATIVA DE VIDA X CONSUMO DE ENERGIA Iniciaremos a discussão deste item apresentando a Figura 7.2, que mostra a correlação entre o consumo de energia e a expectativa de vida da população de alguns países.
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FIGURA 7.2 – EXPECTATIVA DE VIDA X CONSUMO DE ENERGIA (FONTE: TORRES, 1999)
O consumo de energia no eixo x é expresso em tep/ano e no eixo y é mostrada a expectativa de vida ou vida média dos diversos países, em anos. Observa-se que os EUA têm o maior consumo de energia per capita, com cerca de 7,5 tep/ano e uma expectativa de vida de cerca de 79 anos. Por outro lado, na Etiópia, o consumo per capita é inferior a 0,22 tep/ano e a expectativa de vida é menor do que 50 anos. Já no Brasil, onde o consumo per capita é pouco maior do que 1,3 tep/ano, a esperança média de vida de um brasileiro é de cerca de 70 anos. Maior consumo de energia indica a existência de mais indústrias, mais saúde, mais habitação, mais educação, mais empregos, e a condição social da população é refletida sob a forma de uma vida mais longa. Portanto, podemos afirmar que quanto maior a renda per capita , maior é a vida média e o nível de vida da população, e maior seu consumo de energia.
Questão para reflexão:
- Que outras implicações você vê nisso?
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Fonte: Balanço Energético Nacional, 1997. FIGURA 7.3 – CONSUMO DE ENERGIA NA INDÚSTRIA POR FONTE, BRASIL 1981–
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SETOR RESIDENCIAL
Fonte: Balanço energético nacional, 1997. FIGURA 7.4 – CONSUMO DE ENERGIA NO SETOR RESIDENCIAL POR FONTE, BRASIL 1981–
O setor residencial no Brasil tem uma participação importante no contexto da matriz energética brasileira. A lenha (biomassa) teve no passado uma importância fundamental.
No ano de 1981, no Brasil, a lenha participava com 55,5% do consumo de energia no setor residencial, enquanto a eletricidade contribuía com 28,4% e o GLP com 11,3%. Mas em 1996 a participação da lenha caiu para 17,9%, sendo substituída pelo GLP, que figurou com 18,5%, e pela eletricidade, com 61,8%. A Figura 7.4 mostra a evolução dos energéticos no setor residencial no Brasil.
SETOR DE TRANSPORTE O setor de transporte é o segundo maior consumidor, perdendo apenas para o setor industrial. Os energéticos mais consumidos são o óleo diesel e a gasolina. Na Figura 7.5 observa-se que a gasolina em 1981 participava com 32,5% no consumo de energia,
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- a importância do álcool de cana-de-açúcar como combustível de automóveis, graças ao maior programa de biomassa renovável em todo o mundo;
- a má qualidade do carvão mineral brasileiro, com seus altos teores de cinzas e enxofre. Estas especificidades e outros exemplos demonstram a necessidade de nossa política ambiental estar particularmente atenta às características da produção e uso da energia no país, assim como a importância crescente de uma adequada inserção da dimensão ambiental no planejamento energético brasileiro.
Aos alunos: Tente dar sugestões para a redução do consumo de energia nos setores apresentados. Pense nas causas primeiro, é claro!
7.4 FONTES, FORMAS E CONVERSÃO DE ENERGIA
Agora que foi apresentado o contexto em que a questão energética se insere, é preciso considerar de que maneira se encontram os recursos energéticos para nosso uso. O objetivo disso é identificar a melhor forma de aproveitar energia para os fins que temos em mente. Genericamente podemos dizer que o uso de energia envolve:
- produção das formas de energia utilizáveis através de processos de conversão de energia; transporte, distribuição e armazenamento de energia;
- utilização de recursos de energia e formas processadas de energia para produzir serviços e processar tarefas.
O conhecimento da finalidade a ser dada à energia deve ser conjugado com o conhecimento das suas fontes, formas e meios de conversão, para identificar a maneira mais eficiente e menos impactante para o seu aproveitamento. Deve-se lembrar, contudo, que transformações para se obter uma forma de energia apropriada ao uso final implica perdas.
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Apesar de suas múltiplas formas, a energia se origina de apenas três tipos de interações fundamentais da natureza: gravitacional, eletromagnética e nuclear. Apenas três!
As fontes de energia, ou energia primária, provêm das interações anteriormente mencionadas, que são encontradas na natureza. Consideram-se formas de energia primária a energia solar, o potencial hidroelétrico, a biomassa, os combustíveis fósseis, a energia eólica e a geotérmica. Estas formas de energia possuem algumas interdependências.
ENERGIA SOLAR A energia solar, por exemplo, é a mais importante para o homem. É vital para a vida na Terra, e dessa fonte energética derivam, indiretamente, várias outras formas de energia utilizáveis no nosso planeta. A energia solar provém da fusão termonuclear, na superfície do Sol, de elementos leves, especialmente do hidrogênio, produzindo deutério e hélio. Como a massa total resultante é ligeiramente menor que a inicial, há nesse processo uma transformação dessa pequena diferença de massa em uma enorme energia, liberada sob a forma de calor, segundo a fórmula da teoria da relatividade restrita de Einstein: E = m.c 2 (energia igual ao produto da massa relativística pelo quadrado da velocidade da luz).
Parte da energia produzida atinge a Terra sob a forma de radiação eletromagnética, especialmente à luz visível. Cerca de 30% dessa energia são refletidos de volta ao espaço pelas nuvens, por partículas na atmosfera e pela superfície terrestre. O resto é absorvido pela atmosfera e, principalmente, pela Terra, que uma vez aquecida reemite esse calor de volta ao espaço através dos ciclos hídricos, biológicos e dos ventos, conforme indica a Figura 7.6.
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dando origem, de acordo com o tempo de decomposição, à formação de diversos tipos de carvões, como a hulha, o linhito e a turfa, por ordem de idade decrescente. O petróleo e o gás natural resultam da reação bacteriana de matéria orgânica sob condições especiais, transformando os hidratos de carbono em hidrocarbonetos, que em estado líquido ou gasoso se deslocam facilmente na crosta terrestre até serem aprisionados por rochas porosas.
É importante notar que os combustíveis fósseis constituem um estoque não renovável, pois o tempo de sua formação na Terra, da ordem de milhões de anos, é muito maior que a escala de tempo das atividades humanas. Outras fontes de energia que estão disponíveis na Terra de forma finita são: matéria orgânica parcialmente decomposta como turfa; urânio, etc. A energia solar também é responsável pela evaporação da água na superfície de oceanos, lagos e rios. Conforme indica a Figura 7.6, 23% da energia incidente sobre a Terra são absorvidos no ciclo hidrológico. O vapor d’água resultante sobe à atmosfera e após certo tempo, tendo percorrido alguma distância, se condensa em gotas d’água, retornando à Terra como chuva e liberando calor no processo de condensação. Assim, a energia do Sol realimenta a energia hidráulica das quedas d’água, originada pela força de gravidade. Por se tratar de ciclos anuais, esta forma de energia é considerada renovável.
A diferença entre as quantidades de energia solar recebidas nas várias partes da superfície terrestre causa diferenças de temperatura e pressão, provocando ventos na atmosfera. Também contribuem para sua formação a energia cinética, o movimento de rotação da Terra e a atração gravitacional da Terra sobre a massa da atmosfera que a envolve. Portanto, a energia eólica resulta da energia solar e da energia gravitacional. Também a partir dessas duas fontes os oceanos poderão (no futuro, pois hoje só temos projetos piloto para desenvolvimento das tecnologias necessárias, que de modo geral ainda são muito caras) fornecer energia de três tipos:
- das marés, provocada pelo movimento de rotação da Lua em torno da Terra, arrastando pela atração gravitacional a massa de água dos oceanos, fazendo variar a altura da superfície do mar, que pode ser usada próximo às costas;
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- das ondas, provocada por efeitos combinados de movimentos do mar e dos ventos, que se atritam com a superfície dos oceanos;
- da diferença de temperatura entre a água da superfície, aquecida pela energia solar, e as águas mais profundas dos oceanos.
Pode-se, enfim, usar diretamente a energia solar como fonte energética, através de equipamentos especialmente construídos para captá-la, destacando-se:
Coletores planos. Capazes de aproveitar não só a radiação direta do Sol mas também a radiação difusa (única disponível em dias nublados) para aquecimento de água e do ar (na secagem de grãos, por exemplo).
Células fotovoltáicas. Para geração direta de energia elétrica, aproveitando o efeito fotovoltáico: a radiação solar direta desprende elétrons de materiais semicondutores (como o silício metálico, por exemplo), dando origem a uma corrente elétrica.
Coletores concentradores (cilíndrico-parabólicos, por exemplo). Estes são concentradores da radiação solar direta num único ponto, de forma a produzir calor em alta temperatura para vaporizar a água e gerar eletricidade numa turbina.
Aos alunos: Tente levantar os custos das opções apresentadas e fazer um estudo da relação custo x beneficio.
BIOMASSA A biomassa é matéria orgânica de origem tanto animal como vegetal, obtida de florestas nativas e plantadas, culturas energéticas, plantas aquáticas e resíduos orgânicos
- domésticos, industriais e agropecuários. Exemplos típicos são: cana-de-açúcar, lenhas e madeiras de diversas origens, óleos vegetais, como de mamona e dendê, esterco animal, esgoto, etc.
Esses materiais são transformados em energia pelas vias termoquímica ou bioquímica, normalmente para gerar calor direto, gás metano ou eletricidade.
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Apesar de seu sucesso tecnológico, o Proálcool também representa importantes custos sociais e ecológicos (La Rovere, 1988):
- os incentivos dados à expansão da cultura da cana-de-açúcar – não estendidos às culturas alimentares para abastecimento do mercado interno – chegaram, ao longo da implementação do Proálcool, a causar, em algumas regiões, a substituição dos cultivos alimentícios pela cana-de-açúcar;
- sua produção, à base de monocultura, com a prática da queimada para facilitar o corte, exige muito do solo, além de um elevado uso de insumos como: fertilizantes, água, pesticidas, entre outros;
- a transformação da cana em álcool nas destilarias gera efluentes líquidos altamente poluentes, como as águas de lavagem e principalmente o vinhoto, emitido em grande quantidade (10 a 17 litros para cada litro de álcool).
- o tratamento do vinhoto em lagoas de decantação e/ou estabilização deu margem a diversos acidentes de rompimento ou transbordo das represas, e o conseqüente despejo do vinhoto em rios causa mortandade de peixes em decorrência da demanda de oxigênio dessa enorme carga orgânica.
Um uso mais efi ciente da biomassa é fundamental para reduzir os impactos ambientais decorrentes do seu uso. A conversão em carvão vegetal, o desenvolvimento de fornos aperfeiçoados, de maior rendimento e capazes de permitir a recuperação do alcatrão, poderá contribuir para atenuar os impactos ambientais negativos do uso de carvão vegetal.
A biodigestão anaeróbia propicia um tratamento conveniente de resíduos poluentes como esgoto, vinhoto (de destilarias de álcool e açúcar) e diversos efluentes industriais, fornecendo ainda o biogás como subproduto. Além disso, esta tecnologia também permite eliminar os germes patogênicos do esterco, através do uso de biodigestores rurais, que ainda produzem um biofertilizante bem mais eficaz que o esterco in natura, e biogás para cocção, iluminação e geração de energia elétrica.
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COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS Pela importância do impacto causado pela queima de combustíveis fósseis, faremos uma análise mais detalhada desta. A combustão é utilizada para muitos fins, como, por exemplo, em máquinas, transporte, etc. Qualitativamente, a combustão dos hidrocarbonetos pode ser expressa como a seguir:
Estequiometricamente, a combustão de um hidrocarboneto genérico (CmHn) no ar (tratado como apenas nitrogênio e oxigênio) pode ser descrita pela seguinte reação:
Aqui, m e n são variáveis que podem possuir diferentes valores numéricos para diferentes hidrocarbonetos (ex.: em termos aproximados, m=1 e n=4 para o gás natural, principalmente o metano; m=1 e n=2 para o óleo; e m=1 e n=1 para o carvão). Alguns pontos são importantes para as duas expressões da reação anterior:
- o dióxido de carbono é claramente um produto inerente da combustão de qualquer combustível que contenha carvão. De modo geral, a única maneira de evitar a emissão de dióxido de carbono é eliminar o uso de combustíveis baseados no carbono (ex.: utilizando o hidrogênio como combustível);
- se o oxigênio disponível for insuficiente (ou se os gases não se misturarem, ou o tempo de reação for curto), o carbono irá geralmente fazer uma combustão apenas parcial, produzindo CO;
- o nitrogênio não deveria reagir no ar, mas preferivelmente passar diretamente para um combustível imutável. Entretanto, oxidação do nitrogênio pode ser produzida sob certas condições de combustão, como a alta temperatura (ex.: máquinas de automóvel);
