Energia Solar

Como já defendemos e texto anterior a energia solar está na origem da maior parte da energia que utilizamos na terra.
Para além das inúmeras utilizações tradicionais da energia solar, que vão da secagem da roupa ao aquecimento, procuramos hoje tornar eficiente a utilização da energia solar sobe duas formas:
Energia solar térmica
Energia solar fotovoltaica
A energia solar térmica, utiliza a energia solar pela sua transformação em calor, para aproveitar esse calor, quer em utilizações domésticas como sejam as AQS (águas quentes sanitárias) e o aquecimento central, quer em utilizações industriais em todos os processos que necessitem água quente, e ainda, através de colectores especiais e concentradores, para a produção de vapor de água, a partir do qual se pode produzir energia eléctrica. O uso doméstico da energia solar para aquecimento de água está em grande desenvolvimento, e espera-se que venha a contribuir significativamente para a redução do consumo de combustíveis fósseis
A energia solar fotovoltaica, converte directamente a energia solar em energia eléctrica, através da utilização d e semicondutores. Este sistema a energia solar fotovoltaica, está também em fase de expansão apesar de, no estado actual da tecnologia, o seu rendimento ainda ser reduzido, no entanto, as vantagens ambientais e a redução da dependência dos combustíveis fósseis, torna-a uma opção cada vez mais atractiva.
Uma das desvantagens da utilização deste tipo de energia reside na irregularidade da produção, que oscila entre um máximo num dia limpo de sol não demasiado quente e zero durante a noite.
Na actualidade, desenvolvem-se esforços de investigação para melhorar o rendimento dos colectores solares fotovoltaicos, utilizando novos materiais. E procuram-se soluções de armazenamento de energia que permitam regularizar o fornecimento entre as horas de maior produção e as de produção nula.

Energia Eólica

A energia cinética do vento (energia eólica) também é uma fonte de energia e pode ser transformada em energia mecânica e eléctrica. Um barco á vela usa a energia dos ventos para se deslocar na água. Esta é uma forma de produzir força através do vento.
Durante muitos anos, os agricultores serviram-se da energia eólica para bombear água dos furos usando moinhos de vento. O vento também é usado para girar a mó dos moinhos transformando o milho em farinha. Actualmente o vento é usado para produzir electricidade.
O vento forte pode rodar as lâminas de uma turbina adaptada para o vento (em vez do vapor ou da água é o vento que faz girar a turbina). A ventoinha da turbina está ligada a um eixo central que contém em cima um fuso rotativo. Este eixo chega até uma caixa de transmissão onde a velocidade de rotação é aumentada. O gerador ligado ao transmissor produz energia eléctrica.
A turbina tem um sistema de abrandamento para o caso do vento se tornar muito forte, impedindo assim a rotação demasiado rápida da ventoinha.
Um dos problemas deste sistema de produção eléctrica é que o vento não sopra com intensidade todo o ano, ele é mais intenso no verão quando o ar se movimenta do interior quente para o litoral mais fresco. Outro entrave é o facto do vento ter que atingir uma velocidade superior a 20 km/hora para girar a turbina suficientemente rápido.
Cada turbina produz entre 50 a 300 kilowatts de energia eléctrica. Com 1000 watts podemos acender 10 lâmpadas de 100 watts; assim, 300 kilowatts acendem 3000 lâmpadas de 100 watts cada.

Energia Hídrica

A energia hídrica é aquela que tem por origem a água e é utilizada nos nossos dias em três vertentes:
As barragens.
A energia das marés
A energia das Ondas
As barragens são grandes “armazéns” de água que o Homem construiu para, aproveitando o desnível de montante para jusante aproveitando a energia potencial em turbinas Francis ou Kaplan ou ainda transformando essa energia potencial(1) em energia cinética(1) que se aproveita numa turbina Pelton. É um método de produção de energia muito usado, e sem emissões de CO2.
A energia das marés é a energia cinética (movimento) da água do mar, provocada pela subida e descida das marés. Existem por dia duas marés-altas e duas marés-baixas .
Estas marés são o resultado do movimento da Lua em torno da Terra e sofrem também a influencia do movimento da Terra em torno do Sol.
Este tipo de energia é aproveitado há já muito tempo, um exemplo deste aproveitamento são os famosos moinhos de maré do concelho de Almada que aproveitando este "vaivém" diário da água do Estuário do Rio Tejo moíam cereais.
Esta energia é obtida através de barragens construídas em áreas costeiras "afectadas" por marés.
As barragens bloqueiam e controlam o movimento das marés, que vão accionar turbinas especiais, que retêm a água que entra na maré-alta, libertando-a mais tarde, na maré baixa.
Principais vantagens e desvantagens:
As principais vantagens deste tipo de energia é o facto de ser uma energia renovável (não se esgota), não ser poluente e causar pouco impacte ambiental.
A desvantagem de utilizar a energia das marés na obtenção de energia é que o fornecimento não ser continuo apresentado assim baixo rendimento.
Como já foi referido, em Portugal existe aproveitamento de energia a partir da energia das marés. Moinhos de maré foram sendo construídos em Portugal a partir do século XIII, estando situados por quase todo o país, do Minho ao Algarve, na desembocadura dos rios, estuários e em rias.
A energia das ondas consiste em aproveitar o movimento da ondulação do mar para a produção de energia, é hoje em dia um processo que está a dar os primeiros passos com os
primeiros protótipos em fase de experimentação. Para países com Portugal com uma grande área marítima, pode ser um doas caminhos a explorar. O estado de desenvolvimento desta tecnologia ainda não permite tirar conclusões quanto à sua viabilidade e eficiência.

O Biogás

O biogás é um biocombustível cujo componente fundamental é o metano.
Obtém-se pela decomposição anaeróbica (na ausência de ar) de dejectos de animas e outro restos orgânicos, por acção das bactérias.
Pelo facto de ser um reaproveitamento de resíduos, sem quais quer outros custos de produção que não sejam a construção inicial de um biodigestor anaeróbico é uma energia sustentável quer do ponto de vista energético quer do ponto de vista ambiental.
Este gás pode ser utilizado para aquecimento ou num gerador de energia eléctrica.

Bioetanol e biodiesel

O bioetanol e biodiesel são biocombustíveis que podem ser utilizados como substitutos da gasolina e do gasóleo respectivamente.
O primeiro, obtêm-se por destilação de açúcares, como por exemplo da beterraba, cana do açúcar ou milho entre outros, e pode ser utilizado misturado com a gasolina ou com o biodiesel ou isoladamente.
O segundo é obtido por um processo chamado por transesterificação, a partir de gordura vegetais e animais e pode ser utilizado misturado no gasóleo, ou sem qualquer mistura em veículos cujas especificações o permitam.
Também aqui podemos ter situações muito diversas que vão desde a reciclagem de restos alimentares, até à produção em grande massa de matérias-primas para processamento e produção de bioetenol ou biodiesel.
Se a primeira é incontestável pois se trata do reaproveitamento de resíduos, alguns deles altamente poluentes, como os óleos alimentares, já quanto a produção em massa de matéria prima unicamente destinada a esse fim, deverá ser ponderada analisando a sua viabilidade energética, pois deverá ser considerada no balanço toda a energia consumida na produção e transformação e o impacto social que pode advir da ocupação com culturas destinadas à produção de energia das terras até agora destinadas À produção alimentar, e do impacto que teria nos preços dos bens alimewntares.

Biomassa Florestal

Entende-se por biomassa florestal todo o produto florestal que pode ser utilizado para queima para produção de energia.
Se estivermos a considerar apenas os produtos da necessária limpeza das matas, podemos considerar que a reposição é rápida e que a energia consumida no processo é apenas a dos cortes de desbaste e a do transporte, se associarmos a este aspecto o benefício ambiental que representa, do ponto de vista da prevenção de incêndios florestais, uma floresta limpa, podemos aceitar sem grande esforço que estamos perante um processo sustentável. Se no entanto estivermos a desmatar para queima grandes extensões de floresta para aproveitar a energia, é certo que conseguiremos no curto prazo uma grande quantidade de energia, mas mesmo com uma replantação intensiva, que tem custos energéticos elevados, dificilmente conseguiremos a sustentabilidade, pois a capacidade de regeneração da floresta não será suficiente quer para a reciclagem de todo o CO2 produzido. Entre estes dois extremos existem situações intermédias, que deverão ser sempre cuidadosamente estudados, quer do ponto de vista de balanço energético, diferença entre energia produzida e energia consumida, quer do ponto de vista ambiental. Hoje em dia, para além da tradicional utilização da biomassa nas lareiras e em equipamentos domésticos de queima também denominados recuperadores de calor, existem grandes centrai de biomassa, com caldeiras de elevado rendimento.

Os biocombustíveis – Energia Biomassa

Tal como os combustíveis, tal como os combustíveis fósseis, têm a sua origem nos seres vivos, a diferença fundamental reside em dois aspectos fundamentais:
- Primeiro o serem renováveis, isto é termos uma produção contínua desses combustíveis, ou das matérias-primas dos quais se podem obter, em lugar de estarmos dependentes de jazidas que não serão seguramente repostas em tempo útil, como acontece com os combustíveis fósseis.
- Segundo o facto de a produção de novos biocombustíveis, absorver o CO2 produzido na combustão, e libertar oxigénio em quantidade igual produzido na mesma, num processo já tratado anteriormente “A fotossíntese”. Os hidratos de carbono compostos contendo carbono hidrogénio e oxigénio, como a glicose, produzidos pela fotossíntese, estão na base de todos os biocombustíveis seja directa ou indirectamente (atente-se na semelhança com os hidrocarbonetos dos combustíveis fósseis, que são compostos de carbono e hidrogénio).
A combustão da glicose, um hidrato de carbono típico, obedece à seguinte equação

C6 H12 O6 + 6 O2 + 6H2 O→ 6 CO2 + 12 H2 O + energia

Se compararmos esta equação com a apresentado no texto “A Energia e a Fotossíntese” verificaremos que uma é a inversa da outra e a energia que nos surge da combustão deste hidrato de carbono é a correspondente à energia luminosa absorvida na fotossíntese quando da sua formação. Aparentemente seria um processo de desperdício zero e emissões zero, pois todo o CO2 produzido seria reconvertido através da fotossíntese, tal pode não ser a realidade, é necessário levar em consideração todo o processo e isso inclui pensar na energia consumida para produzir o biocombustível e para o seu transporte. Neste aspecto há situações diversas a considerar, cujos balanços são significativamente diferentes.
Analisaremos em textos seguintes diversos biocombostíveis sempre sob o ponto de vista da sustentabilidade.

Energias Renováveis

Energias renováveis são aquelas formas de energia cuja reposição, (renovação) se verifica num período relativamente curto de tempo.
Parecendo ser um conceito recente, na realidade, as energias renováveis fora as primeiras formas de energia utilizadas pelo Homem.
Na realidade podemos dizer que a primeira forma de energia que o Homem utilizou foi a solar, pois antes mesmo de descoberta a utilização do fogo, podemos garantir que os nossos antepassados se aqueciam ao sol.
Ao longo da história da humanidade, outras energias renováveis como a eólica, (moinhos de vento), a hídrica (azenhas), a energia das marés (moinhos de marés) e a energia da biomassa (queima de lenha, óleos e excrementos de animais) foram usados durante milhares de anos, apenas com o advento da revolução industrial no século XVIII com o aumento do consumo de carvão mineral e da produção industrial do petróleo no século XIX, a utilização das energias renováveis foi reduzida, dando lugar aos combustíveis fósseis, mais fáceis de manusear e com produções de energia em grade quantidade. A disponibilidade desses combustíveis e a quantidade aparentemente inesgotável para os padrões de consumo da altura, levou a que as energias renováveis fossem em muitos casos abandonadas, e a que não se apostasse no seu desenvolvimento. Com o aumento dos consumos energéticos, as consequências em termos de poluição atmosférica, e o progressivo declínio das reservas existentes, nas últimas décadas do século XX e início deste século XXI começou a apostar-se novamente neste tipo de energias nas mais diversas formas.

Gás Natural

O gás natural é o mais simples dos combustíveis naturais, e, portanto, é um bom exemplo para a nossa primeira análise pormenorizada da combustão. É simples porque, fora as impurezas de menor importância, é constituído por uma substância bem definida, um gás chamado metano. Este é com­posto por dois elementos, carbono e hidrogénio, e cada molécula de metano é constituída por um átomo de carbono rodeado por quatro átomos de hidrogénio - CH4 . A combustão, como vimos, requer oxigénio e uma molécula de oxigénio é constituída por dois átomos de oxigénio - O2 . Daqui resulta que uma molécula de metano reage com duas moléculas de oxigénio da forma seguinte:

Os produtos da combustão são fáceis de identificar: dióxido de carbo­no e água, esta na forma de água vaporizada ou vapor, (note-se que o nú­mero de átomos não se altera: um C, quatro H e quatro O).
Ainda temos de ver porque é que a energia fica disponível por esta nova combinação dos átomos. O ponto de partida essencial para esta explicação é que é necessário fornecer uma dada energia para separar os átomos de qualquer molécula, (se não fosse assim, as coisas que nos rodeiam desfazer-se-iam permanentemente em bocados, com as cadeiras de madeira a trans­formarem-se em gás e um pouco de pó, e o sal de mesa, num metal peri­goso e vapor venenoso.) Há quatro moléculas diferentes na equação quí­mica acima indicada, e um facto importante - que não é evidente na equa­ção - é que a energia necessária para manter separados o metano e o oxi­génio é apreciavelmente menor do que a energia libertada quando os mes­mos átomos se juntam para formar dióxido de carbono e água. E esta faci­lidade com que os seus átomos se separam e a aptidão dos seus elementos para reagir com o oxigénio que torna os compostos de carbono e hidrogé­nio tão bons combustíveis. Logo que o processo se inicia - assim que se acende a chama - manter-se-á, desde que continue o fornecimento de com­bustível e de oxigénio. A energia libertada, não tendo para onde ir, aumenta a velocidade de todas as moléculas. Por outras palavras, os gases da com­bustão ficam mais quentes, alcançam milhares de graus Celsius e formam uma intensa chama de gás.
Se tivermos um pouco mais de informação, podemos deduzir algo útil a partir da equação que escrevemos acima. Assim, se conhecermos a massa dos diferentes átomos envolvidos, podemos conhecer a quantidade de dióxido de carbono produzido por cada quilo de gás queimado. O quadro 4.1 mos­tra a sequência do cálculo e o resultado que é a libertação de um pouco menos de três quilogramas de CO2 por cada quilograma de gás. Considere­mos o seguinte aspecto. Um habitante da Grã-Bretanha, em média, consome, por ano, cerca de 1300 kWh de energia calorífica para aquecimento de água. Como a queima de gás natural liberta cerca de 14 kg de CO2 por cada 100 kWh de energia calorífica produzida (quadro 4.2), para o seu banho, duche, lavagem de roupa etc. cada habitante, por ano, contribui com a emissão de cerca de um quinto de tonelada de dióxido de carbono para a atmosfera. (A realidade é bastante pior porque as caldeiras domésticas têm, normal­mente mau rendimento, e, em alternativa, a utilização da electricidade não resolve o problema, porque as centrais termoeléctricas libertarão cerca de uma tonelada e meia de CO2 ao produzi-la.)

Petróleo

O petróleo é uma substância mais complexa do que o gás natural, mas está relacionado com ele. O metano é o mais simples de um conjunto de compostos de carbono e hidrogénio denominados hidrocarbonetos e o petróleo bruto (crude oil) é uma mistura de muitos deles. Verifica-se que, em geral, o petróleo bruto tem 80 a 90 por cento (em massa) de carbono e
10 a 15 por cento de hidrogénio, um teor de enxofre até 4 por cento, algum oxigénio e nitrogénio, e vestígios de outros elementos. Se recordarmos que um átomo de carbono tem 12 vezes a massa de um átomo de hidrogénio, pode concluir-se que a relação média entre os átomos de carbono e de hi­drogénio deverá ser cerca de 7:12, ou, muito aproximadamente, de um para dois.
Como são então as "moléculas do petróleo"? A molécula de um deter­minado hidrocarboneto tem, não só uma dada proporção entre carbono e hidrogénio, mas também uma combinação específica dos seus átomos. A família das parafinas é uma série que joga o principal papel em muitos produtos petrolíferos. A figura, (a) mostra algumas parafinas cuja cons­tituição é um anel de átomos de carbono ligados a átomos de hidrogénio.

Os primeiros quatro membros da série, à temperatura normal, são gases. Aparecem como bolhas de gás no caudal de petróleo quando este é extraído do poço, e foram durante muitos anos livremente libertadas para a atmos­fera, ou queimadas localmente, mas este desperdício dum combustível que tem valor está a alterar-se, pois, quando economicamente viável, passou a fazer-se o seu aproveitamento.
Um aspecto muito importante para o processamento do petróleo bruto é o facto de que quando se progride na série de hidrocarbonetos, a tempe­ratura a que cada hidrocarboneto passa a gás (o ponto de ebulição) vai aumentando. O pentano é um líquido à temperatura normal, o octano só se vaporiza a uma temperatura superior à temperatura de ebulição da água, e assim por diante. Esta progressão é a base da separação por destilação. Quando o petróleo bruto é aquecido a cerca de 200°C todos os componen­tes que tem o ponto de ebulição mais baixo vaporizam, e, portanto, podem ser recolhidos e condensados. A esta mesma temperatura, aproximadamente um quinto dos constituintes do petróleo bruto são destilados e daí resul­ta a "gasolina de destilação directa" que contém todas as parafinas desde o pentano ao octano. Também há outros hidrocarbonetos presentes, e na fi­gura (b) mostram-se dois dos mais ou menos 200 que constituem a ga­solina. A necessidade de aumentar a proporção de gasolina obtida do petró­leo bruto, levou há muitos anos atrás ao desenvolvimento do "cracking" ^ para decompor os hidrocarbonetos mais pesados em moléculas mais le­ves. Este processo, e outros tais como a reformação ^ (reforming) e a purifi­cação^ dos produtos, podem consumir até 5 por cento da energia contida no petróleo à entrada da refinaria. A combustão de qualquer hidrocarboneto é semelhante à do metano. Consideremos, por hipótese, o pentano, um dos constituintes da gasolina. Para "gastar" os cinco átomos de carbono e os doze de hidrogénio, precisamos de oito moléculas de oxigénio:
C5 H12 + 8 O2 -» 5 CO2 + 6 H2 O + energia
Uma aritmética simples leva-nos à conclusão que se queimarmos 72 kg de pentano libertamos 220 kg de dióxido de carbono - cerca de 3 kg de CC>2 por quilograma de pentano. Embora as condições num motor de combus­tão interna sejam bastante diferentes das de um aquecedor a gás, a com­bustão da gasolina nos motores envolve precisamente esta mesma reacção entre os hidrocarbonetos e o oxigénio do ar. Um litro de pentano pesa cer­ca de dois terços de um quilograma, e, por isso, se a equação acima for característica do que se passa, produzimos qualquer coisa como 2 kg de CO2 por cada litro de gasolina que queimamos. Com uma média de 10 milhas (16,09 km) por litro, e 5.000 milhas (8.045 km) por ano, um carro utilitário pode portanto, ser responsável por enviar para a atmosfera uma tonelada por ano de dióxido de carbono.

O Carvão

O carvão mineral é, de todos os combustíveis fósseis, aquele que produz maior quantidade CO2 (dióxido de carbono) para a mesma energia produzida, aproximadamente o dobro, além disso produz ainda grandes quantidades de oxido de azoto NO, de dióxido de enxofre SO2 que são libertados nos gases de chaminé juntamente com o dióxido de carbono, e grande quantidade de cinzas que, se não forem devidamente isoladas, pode poluir lençóis de água com produtos como ácido sulfúrico H2SO4. Estas características do carvão associada ao facto de o mesmo ser mais difícil de armazenar e de usar para as mesma energia produzida, tornam-no pouco atraente, como consequência o seu consumo cresceu nos últimos anos muito menos que o do petróleo ou do gás natural.
O carvão existe na natureza sob diversos tipos Antracite, Grafite, Lenhite etc. com composição bastante complexa, que assenta em átomos de carbono C, mas que inclui também hidrogénio, enxofre, oxigénio e azoto em quantidades variáveis.
Esta diversidade de composição cria muitos problemas quando pretendemos estudar a combustão do carvão, e determinar e tratar os produtos de combustão.
O hidrogénio, enxofre, oxigénio e azoto, bem como a humidade que sempre se encontra no carvão, são libertados em primeiro lugar, logo que se inicia o aquecimento do carvão, consumindo uma parte da energia para valorizar a água. Libertados estes produtos, dá-se a combustão do carbono restante, denominado carbono fixo, segundo a seguinte reacção

C + O2 = C O2

Combustíveis Fósseis

A forma de energia mais utilizada, nos nossos dias, são os combustíveis fósseis.
Como o próprio nome indica estes combustíveis têm origem em seres vivos, que sofreram processos de transformação que demoraram vários milhões ou biliões de anos, em condições específicas difíceis de repetir. Este facto, torna evidente que os combustíveis fósseis, não pertencem ao grupo das energias renováveis, pois, dado o tempo e as condições necessárias á sua formação, não podemos contar com mais do que os existentes na actualidade, descobertos ou a descobrir, mas sempre limitados.
A esta categoria dos combustíveis fósseis, pertencem os combustíveis que se seguem:
Carvão Mineral
Petróleo
Gás Natural
O primeiro é utilizado quer directamente quer transformado, o segundo apenas é utilizado depois de transformado, por um processo chamado refinação, dando origem a vários derivados com utilizações diferentes, o terceiro é utilizado directamente.
A maior vantagem da utilização de combustíveis fósseis reside na sua versatilidade, pois é possível transportá-los e armazená-los com facilidade, e dispor desta forma de quantidades razoáveis de energia em qualquer momento e em qualquer lugar.
As desvantagens são a sua elevada contribuição para o efeito de estufa, e o facto de serem recursos limitados, como atrás ficou dito, o que torna insustentável a sua utilização a médio/longo prazo.
Cada um destes combustíveis, bem como as respectivas utilizações serão tratados em texto próprio.