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Fundamentos da Energia: Parte 02 - Grupo GIMI



Fonte e tipos de energia variados

Tipos de energia

A energia é responsável pela produção de trabalho, portanto, qualquer coisa que esteja trabalhando possui energia. Os tipos de energia desempenham um papel crucial na compreensão dos mecanismos pelos quais as diferentes formas de energia podem ser convertidas e utilizadas para realizar trabalho. Feita essa consideração, os mais importantes tipos de energia que existem são:

⦁ mecânica (movimento)

⦁ térmica (calor)

⦁ elétrica (potencial elétrico)

⦁ química (reações químicas)

⦁ nuclear (desintegração do núcleo)


Formas de aplicação


Energia Hidrelétrica


Itaipu Binacional Energia Hidrelétrica

Vista aérea da Itaipu Binacional – Lado Paraguaio.


A energia hidrelétrica é obtida nas usinas construídas com esta finalidade e são equipadas com máquinas e equipamentos que se movimentam a partir da força da água em movimento. Para ser possível converter a energia cinética da água em energia elétrica, são necessários os passos abaixo:


Conservação de água retendo energia potencial gravitacional por barreiras construídas nos leitos dos rios para represar a água em uma cota superior à da casa de máquinas da usina, de modo que a aceleração da água na transformação da energia potencial em cinética seja coletada nos geradores e transformada novamente em energia elétrica. Pode-se recuperar também a energia cinética de rios sem represamento somente pela passagem da água com velocidade, em usinas do tipo “Fio D’água”.


A energia elétrica obtida nas unidades geradoras é então “canalizada” e transmitida por meio das linhas complexas de transmissão até os centros de carga (que podem ser cidades, grandes indústrias, etc...). Já nos centros consumidores ou em suas proximidades a energia é distribuída para as residências e comércios em circuitos de baixa tensão e, em circuitos de média ou alta tensão, para as indústrias.


Usina hidrelétrica com represa

Representação de uma usina hidrelétrica com represa.


A maior parcela da matriz energética brasileira é de origem hidráulica em razão do potencial hidrelétrico brasileiro ser bastante relevante. A extensão territorial permeada por grande quantidade de rios permitiu a construção de grande aproveitamento do potencial hidrelétrico Nacional. Cabe ressaltar que este potencial poderia ser melhor explorado se fossem mantidos os conceitos de reserva e acumulação em grandes reservatórios, conforme o plano de águas da década de 1950. Entretanto, as modernas interpretações sobre uso das águas, impactos ambientais dos grandes reservatórios, entre outras mazelas, fizeram com que as “baterias” do sistema elétrico brasileiro deixassem de ser construídas como antes, o que nos obriga a investir enormes montas de riquezas para construção de parque de geração térmica de segurança, muito mais poluente e cara que a hidrelétrica. A principal vantagem da energia hidrelétrica é sua renovabilidade e limpeza, ou seja, é de baixíssimo potencial poluente e de baixo impacto ambiental.



Energia Eólica


Parque de geração de energia eólica

Energia eólica consiste na transformação da energia cinética do vento em energia mecânica útil na ponta de um eixo em rotação, que por meio dos geradores se converte em energia elétrica. Tal como na utilização de aerogeradores para produzir eletricidade, moinhos eram usados na antiguidade, e ainda o são, para obter energia mecânica ou velas para impulsionar veleiros. A energia eólica, enquanto alternativa aos combustíveis fósseis, é renovável, está permanentemente disponível, pode ser produzida em qualquer região, é limpa, não produz gases de efeito de estufa durante a produção e requer menos terreno. O impacto ambiental é geralmente menos problemático do que o de outras fontes de energia.


Os parques eólicos são conjuntos de centenas de aerogeradores individuais ligados a uma rede de transmissão de energia elétrica. No Brasil existem grandes parques eólicos ao longo da costa, uma vez que a força do vento é superior e mais estável que em terra e o conjunto tem menor impacto visual. Em 2010, a produção de energia eólica era responsável por mais de 2,5% da eletricidade consumida à escala global, apresentando taxas de crescimento na ordem dos 25% por ano. A energia eólica faz parte da infraestrutura elétrica em mais de oitenta países. Em alguns países, como a Dinamarca, representa mais de um quarto da produção de energia.


A energia do vento é bastante consistente ao longo de intervalos anuais, mas tem variações significativas em escalas de tempo curtas. Assim, a geração eólica ainda não pode ser considerada como base para o sistema elétrico. Entretanto, complementação do sistema e utilização da geração em horários alternativos para economia de fontes primárias são uma excepcional contribuição ao sistema.



Energia Nuclear Térmica


Tipo de energia nuclear térmica

Foto aérea da usina nuclear de Angra I.


A energia nuclear é obtida através da cisão do núcleo atômico conhecida como fissão nuclear, que consiste na divisão do núcleo de um átomo mais pesado (por exemplo, urânio e plutônio) em dois ou mais fragmentos, controlada e desencadeada por uma avalanche de nêutrons, que emite grande quantidade de energia e mais nêutrons. A partir desta primeira fissão do núcleo de um átomo bombardeado pelos nêutrons, é desencadeada reação em cadeia pelo bombardeio mútuo de nêutrons, ocasionando a cisão de mais e mais núcleos, gerando enormes quantidades de energia.


funcionamento da instalação nuclear

Ilustração simplificada do funcionamento de uma instalação nuclear.


As usinas nucleares, ainda que possuam um grande potencial de geração elétrica, também foram responsáveis por graves acidentes atômicos, como, por exemplo, Three Miles Island Power Station, nos EUA, em 1979, e Chernobyl, na Ucrânia, em 1986, pois com a fissão dos núcleos dos átomos são gerados rejeitos radioativos que podem ser catastróficos, pois alteram a genética de animais e plantas, provoca o câncer entre outras graves doenças, má-formação de bebês, além de modificar e contaminar irreversivelmente o meio ambiente.


No Brasil temos duas instalações nucleares em operação, as usinas de Angra 1 e Angra 2, ambas no município de Angra dos Reis – RJ, além de uma terceira em construção, Angra III.



Energia térmica – Outras fontes


Energia térmica, é obtida através da queima de combustíveis obtidas tanto por fontes não renováveis, como, por exemplo, o carvão, derivados de petróleo e gás natural, quanto por outras fontes consideradas renováveis como a lenha, cavacos de madeira, bagaço de cana ou palhas de culturas agrícolas, entre outras.


Usina termelétrica ou central termoelétrica é uma instalação industrial usada para geração de eletricidade obtida a partir da energia liberada por qualquer produto que possa gerar calor com sua queima (reação química de combustão), como bagaço de vários tipos de culturas agrícolas, restos de madeira, óleo combustível, óleo diesel, gás natural, urânio enriquecido e carvão natural. Assim como na energia hidrelétrica, em que um gerador, impulsionado pela água, gira, transformando a energia potencial em energia elétrica, nas termelétricas a fonte de calor aquece uma caldeira com água, gerando vapor d'água em alta pressão, e o vapor move as pás da turbina do gerador.


A primeira usina termelétrica do Brasil foi inaugurada em 1883, em Campos dos Goytacazes, com a potência de 52 kW. A maior usina termoelétrica a carvão do Brasil é o Complexo Termoelétrico Jorge Lacerda em Santa Catarina com 853MW.


Importante ressaltar que do ponto de vista físico, uma usina nuclear térmica como Angra funciona da mesma forma com que funciona uma termelétrica a carvão ou bagaço de cana, dentro de um ciclo termodinâmico, se todas as instalações tiverem como objetivo a geração de eletricidade. Todos os tipos de usina térmica utilizam uma fonte de calor que aquece água dentro de um vaso de pressão, e o vapor superaquecido realizará o movimento do eixo, no qual estará atrelado um gerador que converterá esse movimento do eixo em eletricidade.


Esquema simplificado de uma usina termelétrica

Esquema simplificado de uma usina termelétrica - Obtida no website http://caroldaemon.blogspot.com/2013/09/como-funciona-uma-termoeletrica.html. Acessada em 01/05/2018.



Energia Solar Térmica e Fotovoltaica


O Sol é fornecedor de calor e energia, proporcionados pela radiação eletromagnética que ele emite. Assim, o Sol é capaz de proporcionar energia que podemos captar de duas formas distintas, que são basicamente na forma térmica e na forma fotovoltaica.


A energia solar térmica é obtida a partir de placas ou sistemas solares térmicos que captam a energia oriunda do Sol aquecendo a água e é utilizada em chuveiros ou piscinas. Normalmente é necessária a complementação do aquecimento por outras formas de aquecimento como boilers ou caldeiras, pois a água não é aquecida até a temperatura desejada em todos os dias do ano somente recebe a energia térmica de origem solar.


Instalação de sistema de aquecimento de água solar

Imagem de instalação de sistema de aquecimento de água solar.


A energia solar fotovoltaica, por sua vez, pode ser obtida através do uso de complexos sistemas de diodos chamados de painéis fotovoltaicos. A energia solar fotovoltaica tem uma característica peculiar, pois poder ser utilizada diretamente ou ser armazenada em baterias para ser utilizada quando não houver insolação adequada ou quando for noite.



Fazenda de geração fotovoltaica

Imagem de fazenda de geração fotovoltaica.


A grande vantagem da energia oriunda do sol é o fato de ser absolutamente renovável, pelo menos enquanto houver Sol.



Formas de armazenamento


O armazenamento da energia, tanto quanto sua geração e transmissão, tem ganhado importância na vida moderna por conta da velocidade com que temos que responder às demandas diárias, nos obrigando a estar conectados o tempo todo. Como um processo natural, a energia produzida na criação do universo foi armazenada nas estrelas tais como o Sol, e vem sendo usada por seres humanos direta ou indiretamente como pelos ventos, agricultura, aquecimento entre outros usos.



Processo de armazenamento eletroquímico


Pensar em armazenamento de energia nos remete diretamente ao uso de pilhas e baterias, ou seja, pelo processo Eletroquímico.


Uma bateria é um aparelho ou dispositivo que transforma em corrente elétrica a energia desenvolvida numa reação química. Cada célula de uma bateria contém um terminal positivo (cátodo) e um terminal negativo (ânodo). O processo químico de troca de elétrons é conhecido como oxirredução. Dois tipos de baterias são as mais comuns: Bateria de chumbo, típica bateria automotiva, é composta por chumbo, e uma solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4). O segundo tipo mais comum é a bateria de níquel-cádmio, composta pelos elementos químicos: níquel (Ni) e cádmio (Cd). Suas sucessoras mais modernas são as baterias que empregam óxidos metálicos de lítio na confecção da placa positiva (cátodo) e grafite na negativa (ânodo). Cientistas buscam identificar novos metais e a melhor combinação de lítio com outros materiais para otimizar sua densidade energética. Duas apostas são as baterias de zinco-ar e lítio-ar, que conseguem armazenar quase duas vezes mais energia do que os modelos de lítio-íon, mas ainda estão em estágio de desenvolvimento.


As pilhas, por sua vez, são células galvânicas, dispositivo onde têm-se dois elétrodos que são constituídos de metais diferentes, entre os quais ocorrem as reações de oxidação e redução. Estes elétrodos são postos em dois compartimentos separados, imersos por sua vez em um meio líquido contendo íons em concentrações conhecidas e separados por uma placa ou membrana porosa, podendo ser composta por argila não-vitrificada, porcelana ou outros materiais. As duas metades desta célula eletroquímica são chamadas de compartimentos e têm por finalidade separar os dois reagentes participantes da reação de oxido redução, do contrário, os elétrons seriam transferidos diretamente do agente redutor para o agente oxidante. Finalmente, os dois elétrodos são conectados por um circuito elétrico, localizado fora da célula, denominado circuito externo, garantindo o fluxo de elétrons entre os elétrodos.



Processo de armazenamento químico


A forma mais comum de energia armazenada é a energia química, em combustíveis. Fósseis ou não, combustíveis sólidos ou líquidos são a maneira com que o homem conseguiu associar substâncias que podem ser transportadas a qualquer lugar e somente no destino, gerar a energia no momento certo e na quantidade necessária.


Um exemplo simples é a gasolina. A gasolina é uma mistura de hidrocarbonetos líquidos, inflamáveis e voláteis conseguidos depois da destilação do petróleo cru. Tradicionalmente, é empregado como combustível nos motores de explosão interna com ignição à faísca convencional ou por compressão e também como solvente. A gasolina é obtida a partir do petróleo, em instalações complexas em petroquímicas chamadas de refinaria. Uma refinaria é uma planta industrial que se ocupa da refinação do petróleo a partir de um procedimento especial que permitirá obter diversos combustíveis fósseis a serem utilizados em motores de combustão.


Normalmente, a gasolina é obtida a partir da nafta por destilação direta, que se trata da fração líquida mais leve do petróleo, exceto dos gases. Assim mesmo, pode ser obtido mediante a conversão de frações pesadas de petróleo. No entanto, é necessário que o produto da gasolina cumpra estritamente uma série de condições requeridas para que por um lado o motor funcione satisfatoriamente e outras tantas que tem relação com a questão ambiental e que na maioria dos países se encontram regulamentadas a partir de leis próprias de cada país. A indicação mais característica é a do índice de octanagem, que indica a pressão e a temperatura na qual poderá ser submetido um combustível carburado, ou misturado com ar, antes de chegar a se auto detonar ao atingir a temperatura de autoignição. As gasolinas comerciais encontram-se classificadas em função de seu número de octanos.


Outro exemplo muito conhecido do nosso dia a dia é o gás de cozinha. Podemos transporta-lo em botijões padronizados a qualquer lugar com segurança, e utilizá-lo na quantidade desejada para diversas aplicações, como cocção, aquecimento de água, etc. O gás liquefeito de petróleo (GLP), é uma mistura de gases de hidrocarbonetos. O GLP é a liquefação por pressão dos gases dissolvidos no petróleo, sendo o propano e butano.


O gás natural, outra forma muito importante de armazenamento de energia e fonte primária muito importante para a indústria, também é muito cômodo e versátil.


O gás natural é mais uma mistura de hidrocarbonetos leves derivados de combustíveis fósseis, encontrado em formações rochosas subterrâneas.


O óleo diesel, é um óleo derivado da destilação do petróleo bruto usado como combustível nos motores a diesel, constituído basicamente por hidrocarbonetos. O óleo diesel é um composto formado principalmente por átomos de carbono, hidrogênio e em baixas concentrações por enxofre, nitrogênio e oxigênio. O diesel é selecionado de acordo com suas características de ignição e de escoamento, adequadas ao funcionamento dos motores ciclo diesel. É um produto pouco inflamável, medianamente tóxico, pouco volátil, límpido, isento de material em suspensão e com odor forte e característico.


Sua importância mundialmente é vital para o transporte e geração de eletricidade. Caminhões, Ônibus e navios são os grandes consumidores dos mais de 250 milhões de barris de Diesel produzidos em 2016, segundo a revista Exame Publicada em 19 janeiro de 2018.


O petróleo e seus derivados correspondiam em 2015 a 31,8% de toda a oferta de energia consumida no Brasil, enquanto a hidroeletricidade apenas 12,5% da matriz energética brasileira. Essa diferença se dá pela vasta gama de derivados de petróleo e a forma com que a energia química é armazenada em seus produtos, que a humanidade, em pouco mais de 150 anos, foi capaz de moldar e transformar o ambiente a sua volta para poder usar quando e como quiser, os combustíveis fósseis como grandes fontes de energia armazenada.


Falando em biocombustíveis, é o combustível de origem biológica não fóssil. Normalmente é produzido a partir de uma ou mais plantas. Todo material orgânico gera energia, mas o biocombustível é fabricado em escala comercial a partir de produtos agrícolas como a cana-de-açúcar, mamona, soja, canola, babaçu, mandioca, milho, etc. Podemos citar vários exemplos de biocombustíveis, tais como o álcool etanol, a biomassa ou o biodiesel. Um exemplo de biomassa é a lenha. Portanto, os biocombustíveis são usados desde que o homem descobriu o fogo.


Se estamos seguindo com o raciocínio de armazenamento de energia, vamos considerar que, processando a cana de açúcar, podemos transportar, armazenar e utilizar o Etanol tal como idealizamos com a gasolina, ou seja, com as mesmas funcionalidades daquele combustível, ainda que a quantidade de energia armazenada por volume de Etanol seja substancialmente menor que a gasolina. Vamos voltar à biomassa quando falarmos das fontes de energia.



Processo de armazenamento elétrico


Uma forma bastante interessante de armazenamento de energia é o armazenamento elétrico em capacitores. Capacitor ou condensador armazena eletricidade em um campo elétrico, acumulando cargas elétricas desequilibradas. É necessário ressaltar que, apesar de ser possível armazenar energia em capacitores, poucas são as aplicações que os utilizam comercialmente com essa finalidade. Sua aplicação está muito mais direcionada à eletrônica e à qualidade de energia, em circuitos de controle e circuitos específicos como correção de fator de potência, filtros ativos e etc.



Processo de armazenamento potencial


Outra forma de armazenamento de energia, não facilmente percebido pelos leigos, é o de armazenar água em cotas altas, de modo a conserva-la como energia potencial gravitacional e quando quisermos utiliza-la, podemos convertê-la para energia elétrica por meio de uma usina hidrelétrica. Na foto abaixo, a água do rio Colorado é armazenada no lago Mead, a teóricos 221m de altura em relação à casa de máquinas, onde a energia potencial armazenada na água, quando desce pelos condutos forçados da usina, transforma-se em energia cinética, empurrando as turbinas e girando-as, sendo que elas são associadas a geradores elétricos que transformam, finalmente, aquela energia potencial da água a 221m de altura em energia elétrica.


Barragem de Hoover

Barragem Hoover (Divisa dos estados de Nevada e Arizona – EUA).


Uma forma de armazenamento de energia potencial, sem aplicação comercial para armazenamento de energia é a Energia potencial elástica. Essa energia é associada as propriedades elásticas de uma mola. Um corpo possui a capacidade de produzir trabalho quando está ligado a extremidade comprimida ou esticada de uma mola.



Processo de armazenamento mecânico


O meio mais intuitivo de armazenamento de energia mecânica é por meio de uma mola. Objeto elástico flexível, as molas são feitas de arame geralmente, tendo, como matéria-prima mais utilizada, o aço temperado.


Muitos são os tipos, mas elencamos alguns para efeito de informação.

⦁ Helicoidal: Fio enrolado em torno de um cilindro; e cónica: molas helicoidais e cónicas são tipos de molas de torção, porque o fio próprio é torcido quando a mola é comprimida ou esticada.


⦁ Feixe de molas: quando montada em feixes, é usada na suspensão traseira de veículos pesados de veículo.


⦁ Espiral: usada nos pulsos de impulsão.


⦁ Torção: Projetada para ser mais torcida que comprimida ou estendida.


⦁ Belleville: um disco usado geralmente para aplicar a tensão a um parafuso, assemelha-se à usa arruela cônica.



Volante de inércia


Na mecânica, um volante de inércia é um elemento totalmente passivo que apenas fornece ao sistema uma inércia adicional para que ele armazene energia cinética. Este volante continua seu movimento por inércia quando o torque que o impulsiona cessa. Desta forma, o volante se opõe a acelerações abruptas em um movimento rotativo. Isso reduz as flutuações da velocidade angular. Ou seja, o volante é usado para suavizar o fluxo de energia entre uma fonte de energia e sua carga.


Essa tecnologia é muito usada em dispositivos para suavizar a operação de instalações de geração de energia elétrica por energia eólica e energia fotovoltaica, bem como várias aplicações elétricas industriais. Em ferrovias elétricas que há muito tempo usam um sistema de freio regenerativo que alimenta a energia extraída da frenagem de volta para as linhas de energia por meio de volantes de inércia. Com os novos materiais e designs, maiores rendimentos são alcançados em tais propósitos.


Volante de inércia associada a um eixo  rotativo

Ilustração de um volante de inércia associada a um eixo rotativo.



Bibliografia

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Disponível em: <http://www.quimica.ufpr.br/ eduquim/pdf/experimento8.pdf>. Acesso em: 16 fev. 2011.


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Website TODA MATERIA :<http:// https://www.todamateria.com.br/tipos-de-energia/>. Acesso em: 01 maio. 2018.


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