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.

Contributo dos edifícios para o consumo de energias fósseis

O texto que se segue, da autoria do Eng Ivan Simões assistente do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra, é uma visão actual sobre o estrado do consumo de energia nos edifícios, e um alerta para o caminho que inevitavelmente termos que percorrer na prossecução da sustentabilidade energética e económica nesta área.

Estima-se que mais de 40% do consumo de energia na EU deve-se ao sector dos Edifícios, uma percentagem comparável ao sector dos transportes e mais do dobro do sector industrial. A Directiva 2002/91/EC impôs aos estados-membros o desenvolvimento de Sistemas de Certificação Energética para edifícios, melhoria das envolventes (requisitos mínimos), auditorias aos sistemas de AVAC e integração de energias renováveis. Em muitos países a directiva já está em vigor, mas ainda há muito para fazer no que diz respeito ao estudo dos consumos energéticos, melhoria da arquitectura e envolvente, integração de outras fontes renováveis e sistemas de climatização mais eficientes. Ao estudar estes factores minuciosamente, pretende-se determinar modelos que se aproximem o mais possível da realidade, no que diz respeito à eficiência energética, que permitam em fase de projecto simular o comportamento futuro do edifício a projectar e corrigir em projecto situação de ineficiência.
Em Espanha, mais de 80% da energia consumida é de origem fóssil. Segundo Ayres [1] mais de 80% das agressões ao meio ambiente provêem do sector energético. A estrutura do sistema energético é por natureza pouco eficiente e desperdiçador, uma vez que, apenas 3% da energia primária (fóssil, nuclear e renováveis) transformada em energia útil (electricidade, calor e mecânica) é depois aproveitada. Estes dados são contundentes e fazem do actual sistema energético, insustentável do ponto de vista do meio ambiente, da economia e da sociedade.Por outro lado, a electricidade, a mais versátil de todas as formas de energia útil, é gerada em grandes instalações, e tem que ser imediatamente transportada e distribuída aos locais de consumo, situados normalmente a grandes distâncias, originando grandes perdas energéticas. Também o petróleo e o gás natural são importados através de grandes cargueiros ou transportados por extensas redes de condutas que atravessam inúmeros países. Esta estratégia torna-nos vulneráveis a uma interrupção do fornecimento, seja por decisão política ou económica.
Do que foi apresentado anteriormente concluímos que o sistema energético é pouco diversificado e depende quase exclusivamente dos combustíveis fósseis. Todos estes problemas levaram a União Europeia a apostar no desenvolvimento de um novo sistema, em que as energias renováveis tenham um papel cada vez mais importante. No Livro Branco da CE [2] indica-se a estratégia e o plano de acção para estas energias, que manifesta a intenção de que no ano de 2010, 12% do consumo de energia primária seja de origem renovável. Este objectivo será difícil caso não se reduza o consumo energético e se aumente a eficiência deste.Estima-se que mais de 40% do consumo energético na EU deve-se ao sector dos edifícios, uma percentagem comparável ao sector dos transportes e dos serviços, uma percentagem comprável ao sector dos transportes e mais do dobro do sector industrial [3,4]. A directiva 2002/91/CE [5] faz referência às características da envolvente dos edifícios, sistemas de climatização e integração de energias renováveis.

[1] Ayres, R.U. and Ayres, L.W. "Industrial ecology: towards closing material cycle". Ed. Edward Elgar. London (1996).[2] Livro Branco da Comissão Europeia "Energia para o futuro: fontes de energia renováveis". COM (97) 599 e Vol. 11-1997 (1997).[3] C.A. Balaras, K. Droutsa, A.A. Argiriou an D.N. Asimakopoulos. "Potencial for energy conservation in apartament buildings". Energy an Buildings 31, 143-154 (2000).[4] F.Cuadros, F. López Rodrígues, C. Segador an A. Marcos. "A simple procedure to size active heating schemes for low-energy building design". Energy and Buildings 39, 96-104 (2007).[5]Directive 2002/91/EC of the European Parliament and of the Council of December 16,2002, on the energy and performance of buildings.

Macrorredes/Microrredes

O actual sistema de produção/transporte/distribuição de energia eléctrica, assenta no sistema de macrorrede. Isto é, a produção efectua-se em centrais de elevada potência, hidroeléctricas, térmicas, eólicas ou nucleares, cuja localização é escolhida mais de acordo com as conveniências/exigências da produção do que com as necessidades do consumo. A energia produzida, é subsequentemente transportada por linhas de muito alta tensão para as regiões de consumo, sendo posteriormente distribuída nestas, e disponibilizada ao consumidor final.
Tendo a vantagem de aproveitar os recursos energéticos, onde eles abundam, e de uma economia de escala que reduz o custo de produção, este sistema tem a desvantagem de acarretar elevadas perdas no transporte e o facto de uma avaria numa linha de transporte ou distribuição deixar sem alimentação ou com alimentação deficiente vastas áreas territoriais, com os consequentes prejuízos em usos domésticos e industriais.
Com a crise energética emergente e o consequentemente o indispensável incremento das energias renováveis, a economia de escala perde importância face ao elevado custo dos combustíveis fósseis e à sua escassez que tornam necessário um aproveitamento de todas as fontes energéticas viáveis. Assim sendo, começam a surgir médias, pequenas e micro produções, aproveitando os recursos existentes, através de mini-hídricas, ou de vários processos de microgeração eólica, fotovoltaica, de co-geração entre outras.
Esta nova realidade, conduz inevitavelmente a uma nova forma da organização das redes energéticas, a associação de microrredes, em que, cada uma delas, inclui vária micro produções de energia eléctrica, baseada em tecnologias e utilizando recursos diferentes, poderemos por exemplo ter uma microrrede alimentada por uma fotovoltaica e por uma eólica, e interligada com ela uma microrrede baseada numa mini-hídrica e numa co-geração.
Não deixaremos certamente, nem no curto nem no médio nem no longo prazo de ter de contar com as grandes redes, formadas pela interligação destas microrredes, e que cumprem uma missão de regulação (absorção de excessos de produção e garantia de fornecimento nos picos), ao que assistiremos será a uma descentralização progressiva da produção, que cada vez mais contará com o contributo das micro produções, que serão sempre localizadas junto aos consumos, evitando assim as perdas de transporte, e permitindo que, em caso de avaria, se isolem micro redes funcionando “em ilha”, garantindo a continuidade de abastecimento.
No momento actual, algumas limitações se colocam ainda a um mais rápido desenvolvimento deste conceito: os entraves legislativos e burocráticos impostos por alguns países para proteger a suas grandes produtoras impedindo a democratização da produção energética, o elevado custo actual dos vários sistemas de microgeração e finalmente a dificuldade de armazenamento de energia, que tornaria cada uma destas micro redes ainda mais autónoma e mais rentável.
Estas limitações, serão seguramente ultrapassadas por um lado pela necessidade de resolução dos problemas energéticos, que conduzirá à inevitável mudança das políticas para o sector, por outro pela vulgarização e avanço da tecnologia que virá resolver os problemas quer de custo quer de armazenamento.