Fontes de Energia

Atualmente, a maior parte da energia consumida no Brasil é proveniente de fontes renováveis como a hidroeletricidade e a biomassa. Situação privilegiada no que se refere a suas fontes primárias de oferta de energia.

Cerca de 30% das necessidades de energia no país são supridas por biomassa, sob as seguintes formas:

  • Lenha para queima direta nas padarias e cerâmicas;
  • Carvão vegetal para redução de ferro gusa em fornos siderúrgicos e combustíveis alternativos nas fábricas de cimento do Norte e Nordeste;
  • Queima de carvão mineral, álcool etílico ou álcool metílico no Sul, para fins carburantes e para indústria química.

Como funciona

O conceito de biomassa compreende todas as matérias orgânicas utilizadas como fontes de energia. Os resíduos agrícolas, madeira e plantas - como a cana-de-açúcar, o eucalipto e a beterraba, colhidos com o objetivo de produzir energia - são os exemplos mais comuns da biomassa.

As plantas armazenam energia solar e a transformam em energia química que pode ser convertida em combustível ou calor e, conseqüentemente, em eletricidade. E como podem ser plantadas e replantadas continuamente, considera-se biomassa um recurso renovável.


Sistemas de Cogeração da Biomassa

Permitem produzir simultaneamente energia elétrica e calor útil. Estes sistemas configuram a tecnologia mais racional para a utilização de combustíveis.

Este é o caso das indústrias sucro-alcooleira e de papel e celulose, que além de demandar potência elétrica e térmica, dispõem de combustíveis residuais que se integram de modo favorável ao processo de cogeração.


Gaseificação Industrial

A energia química da biomassa pode ser convertida em calor e depois em outras formas de energia, que são:

  • Direta – a mais utilizada, obtida pela combustão na fase sólida;
  • Indireta– quando são produzidos gases e/ou líquidos combustíveis através da pirólise.


Este processo é dividido em três etapas:

  • Secagem - a retirada da umidade pode ser feita quando a madeira é introduzida no gaseificador, aproveitando-se a temperatura do mesmo. Contudo, a operação que utiliza madeira seca é mais eficiente;
  • Pirólise ou carbonização - durante esta etapa, formam-se gases, vapor d'água, vapor de alcatrão e carvão;
  • Gaseificação - libera a energia necessária ao processo, pela combustão parcial dos produtos da pirólise.


Vantagens da gaseificação da biomassa:

  • As cinzas e o carbono residual permanecem no gaseificador, diminuindo a emissão de particulados;
  • O combustível resultante é mais limpo e, na maioria dos casos, não há necessidade de controle de poluição;
  • Associada a catalisadores, como alumínio e zinco, a gaseificação aumenta a produção de hidrogênio e de monóxido de carbono e diminui a produção de dióxido de carbono.


Biogás

O biogás é outra forma de aproveitamento da biomassa, é uma fonte barata e abundante de energia. Pode ser obtido de resíduos agrícolas, ou mesmo de excrementos de animais e dos homens.

A formação do biogás acontece, basicamente, durante a decomposição da matéria viva por bactérias microscópicas. Durante este processo, as bactérias retiram da biomassa parte das substâncias de que necessitam para continuarem vivas, e lançam na atmosfera gases e calor. Este é o biogás.

O biogás pode ser utilizado no funcionamento de motores, geradores, moto picadeiras, resfriadores de leite, aquecedor de água, geladeira, fogão, lampião, lança-chamas. Pode ainda substituir o gás liqüefeito de petróleo na cozinha, porém o biogás não compete com a produção de alimentos.

Nas propriedades agrícolas, o biogás pode ser produzido em aparelhos simples chamados biodigestores. Os resíduos que sobram, uma substância com aspecto de lodo, quando diluída em água, podem ser utilizados como fertilizantes.


Composição do Biogás

O biogás é obtido a partir da digestão anaeróbia de matéria orgânica, como estercos de animais, lodo de esgoto, lixo doméstico, resíduos agrícolas, efluentes industriais e plantas aquáticas. É uma mistura composta principalmente de gás carbônico (30%) e metano (65%).

A variação do poder calorífico do biogás (de 5000 a 7000 Kcal/m3) depende da quantidade de metano presente no mesmo. Quanto maior a quantidade de metano, maior será a pureza do biogás e, assim, maior será o seu poder calorífico. O biogás altamente purificado pode alcançar até 12 000 Kcal/m3.

Um metro cúbico de biogás equivale a:

  • 0,613 litro de gasolina;
  • 0,579 litro de querosene;
  • 0,553 litro de óleo diesel;
  • 0,454 litro de gás de cozinha;
  • 1,536 quilo de lenha;
  • 0,790 litro de álcool hidratado;
  • 1,428 kW de eletricidade.


Rede Zeri

A Fundação Zeri Internacional existe há cinco anos. No Brasil, a Rede Zeri foi lançada no ano de 1996 e no Paraná, em março de 1999. O objetivo é desenvolver modelos produtivos que impliquem em emissão zero de resíduos não aproveitáveis, com a utilização de fontes de energias renováveis.

Saiba mais sobre as atividades da Rede Zeri.



CÉLULA A COMBUSTÍVEL


Uma Célula a Combustível é um dispositivo de conversão de energia eletroquímica, que converte hidrogênio e oxigênio em eletricidade, calor e água. Ao contrário de uma bateria, uma célula a combustível não necessita ser carregada. Ela produz energia continuamente desde que seja fornecido o combustível (hidrogênio).

A célula consiste em dois eletrodos (condutor metálico por onde uma corrente elétrica entra num sistema ou sai dele) separados por um eletrólito (condutor de eletricidade, sólido ou liquido, no qual o transporte de carga se realiza por meio de íons). O hidrogênio é alimentado no ânodo (-) (eletrodo para onde se dirige os íons negativos) e o oxigênio (ou ar) entra na célula a combustível através do cátodo (+) (eletrodo de onde partem os elétrons e para onde se dirigem os íons positivos). Através da ação de um catalisador, os átomos de hidrogênio são decompostos em prótons (H+) e elétrons (e-), que seguem caminhos diferentes para o cátodo.

Os prótons (H+) são conduzidos através do eletrólito para o cátodo e os elétrons (e-), que não podem passar através do eletrólito, criam uma corrente elétrica externa que é utilizada para a geração de energia elétrica antes de regressar ao cátodo, na qual é reunida com os íons positivos de hidrogênio e oxigênio para formar água e calor (ver desenho abaixo).

 

EÓLICA

Por que aproveitar o vento para gerar energia?


A energia eólica é muito vantajosa, tanto para quem gera, como para quem consome. Isso porque o vento é uma fonte natural e renovável de energia, adequada para a geração elétrica em grande escala.

Além disso usinas eólicas são inofensivas ao meio-ambiente. Usinas eólicas podem compartilhar terra com pastagens e agricultura, dispensando desapropriações ou deslocamento de populações. A sua implantação é modular e mais rápida do que a de usinas convencionais. Cerca de 85% do custo instalado se refere à produção de turbinas em escala industrial.

Com tais características, as usinas eólicas potencializam a fixação de indústrias, tecnologia e geração de empregos em fabricação, operação e manutenção, na cidade e no campo.


Projeto Ventar - Descobrindo o potencial eólico do Paraná

Com o propósito de avaliar o potencial eólico do Paraná, no ano de 1994, a Copel implementou o Projeto Ventar. O projeto levantou o potencial de 25 locais em diferentes regiões do Paraná.

A campanha de medições foi realizada com a instalação de estações anemográficas (equipamentos que medem e registram os dados relativos à velocidade e direção de vento) em locais previamente escolhidos em diferentes áreas do Estado do Paraná.


Mapa Eólico do Paraná

O Mapa Eólico do Paraná, no qual podem ser identificadas as áreas mais promissoras ao aproveitamento da energia eólica, foi elaborado através da colheita e interpretação dos seguintes dados:

  • Informações obtidas através do Projeto Ventar
  • Dados de vento de algumas estações meteorológicas do Iapar
  • Arquivo digital com os dados de relevo do Cehpar
  • Base cartográfica da Sema/Liserp e da Sanepar
  • Mapa do Uso do Solo da Sema/Liserp


Veja abaixo uma visão geral do Mapa. Para maiores detalhes, clique nas imagens da tabela logo a seguir (Visão detalhada).

Prospecção do Potencial Eólico

Visão Geral

 

Modelo Digital de Relevo

Prospecção do Potencial Eólico

 

O mapa temático da distribuição dos recursos eólicos sobre o Paraná foi realizado a partir de:

  • 1- Medições anemométricas obtidas por rede de 25 anemógrafos digitais, instalados em locais especialmente selecionados dentro do estado (Copel/DEC/|CDE - Projeto Ventar, 1995-1998)
  • 2- Ajustes climatológicos: correlação e ajuste dos dados medidos, em relação às médias climatológicas de longo prazo (15 anos) registradas pelas estações da rede meteorológica do Iapar
  • 3- Extrapolação para o território paranaense: realizada por software (WAsP e WindMap), a partir da superposição dos seguintes modelos geográficos do Paraná · Modelo Digital de Relevo elaborado a partir do banco de dados topográficos do Cehapar-Copel/UFPR; · Modelo Digital de Rugosidade elaborado pela associação de parâmetros de rugosidade às diversas classes de cobertura vegetal indicadas no mapa do Uso do solo do Paraná(Sema/Liserp) · Base Cartográfica fornecida pela Sema/Liserp e Sanepar; O mapa temático resultante foi realizado originalmente na resolução de 2 x 2 km (área mínima de representatividade), e apresenta as condições médias previstas para 50 metros de altura.

SEMA - Secretaria de Estado do Meio Ambiente / Liserp - Laboratório Integrado de Sensoriamento Remoto do Paraná
Cehpar - Centro de Hidráulica e Hidrologia Professor Parigot de Souza - Copel/UFPR

 

Modelo Digital de Relevo

Modelo Digital de Relevo

Modelo Digital de Rugosidade

Modelo Digital de Rugosidade

No regime sazonal, em termos das médias mensais, a velocidade do vento apresenta maior intensidade nos períodos de Inverno e Primavera, coincidindo com a estiagem na região Sudeste do Brasil.

Este fato sinaliza um potencial de sinergia na integração das fontes eólica e hidráulica no Sistema Elétrico Interligado. A geração eólica é mais intensa nos meses em que a tarifa industrial (horossazonal) é mais elevada.

Velocidade média mensal / Média anual de longo prazo

Velocidade média mensal / Média anual de longo prazo

 

O regime de ventos sobre o Paraná, nas escalas de espaço e tempo

Sobre o território paranaense, dois fatores principais conduzem o movimento atmosférico:

  • Um centro de alta pressão no oceano faz predominarem os ventos de quadrante Nordeste

  • Frentes frias, de periodicidade irregular variam a direção do vento em 360º. O efeito secundário de diferenças térmicas e de relevo também age em escala micro-regional.

No tempo de minutos a dias, o vento apresenta grande variabilidade.

Regime de ventos - 1 nas escalas de espaço e tempo

Mapa Eólico do Paraná regime de ventos sobre o Paraná, nas escalas de espaço e tempo

O regime diurno, na escala de médias anuais para cada hora do dia, mostra diferenças entre o regime de ventos no litoral e no planalto, causadas pela influência dos efeitos locais e de mesoescala como brisas marinhas e outros mecanismos térmicos e orográficos.

De modo geral, todo o interior do Paraná apresenta regimes diurnos semelhantes: médias menores no período da tarde.

 

Regime de ventos - 2 nas escalas de espaço e tempo

No regime interanual, a variabilidade do potencial eólico é muito pequena (<10%) se comparada com a do potencial hídrico (>50%).
A fonte eólica não apresenta uma produção regular de acordo com o tempo.

Porém, sua participação no sistema elétrico interligado, de base predominantemente hídrica, poderá diminuir o risco de baixa nos reservatórios durante os anos de estiagem.

A geração eólica pode aumentar a capacidade firme do sistema hidrelétrico.

 

Média anual / Média de longo prazo

Média anual / Média de longo prazo

 

O vento e as influências locais na Ilha do Mel

A velocidade média anual do vento pode apresentar grandes variações no espaço de poucas dezenas de metros, pela influência de relevo, rugosidade e eventual presença de obstáculos em cada local. Este fato é ilustrado pela comparação do potencial eólico na Ilha do Mel.

Na figura abaixo, pode-se ver:

  • A influência do relevo: elevações aceleram o vento no seu topo
  • A influência da rugosidade: restingas e matas reduzem o vento, inclusive nas áreas planas

 

Ilha do Mel: Média anual / Média de longo prazoo vento e as influências locais

 

Acesse o Atlas Eólico Nacional no site do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito (Cresesb).

A tabela abaixo apresenta a avaliação do potencial eólico tecnicamente aproveitável dentro do território paranaense, a partir das seguintes premissas:

 

  • Para faixas de velocidades médias anuais de vento típicas de aproveitamentos, foram integradas as áreas correspondentes no Mapa.
  • Em áreas planas, pode-se considerar uma densidade de capacidade eólica instalada de 10-12 MW/km². Na prática, os terrenos não são todos planos e existem outras restrições técnicas: topografia desfavorável, difícil acesso etc.
  • Assim, apenas 20% das áreas integradas foram consideradas utilizáveis para instalação de turbinas eólicas, resultando em uma média de 2 MW/km².
  • Foram considerados os parâmetros médios de desempenho de turbinas no atual estado-da-arte mundial, nas classes 500-1500 kW.
  • A energia anual gerada foi calculada pelo limite inferior de velocidade de cada faixa.

Aproveitamento de ventos a partir de, [m/s] 6,0 6,5 7,0
Área total potencialmente útil, [km2] 5.560 1.370 64
Potência tecnicamente instalável, [MW] 11.120 2.740 128
Energia aproveitável, [TWh/ano] 20,5 5,8 0,3
Fator de capacidade médio 0,21 0,24 0,28

 

HIDRÁULICA


A energia elétrica pode ser produzida de diversas formas, sendo que a mais eficiente é a hidráulica, cujo rendimento é acima de 90%. Existem ainda outras vantagens, tais como: não é poluente, é renovável, além de permitir, através das barragens, controlar a vazão dos rios, minimizando os efeitos das enchentes.

A produção de eletricidade por usinas hidrelétricas é possível aproveitando-se um desnível acentuado em um rio, o que permite utilizar a energia associada a queda d'água e ao volume de água que ficará disponível no reservatório.

A implantação de uma usina em um rio envolve a construção de uma barragem para a formação do reservatório, da casa de força, da subestação e de linhas de transmissão.

Na barragem de uma usina temos duas estruturas importantes:

  • A tomada d'água, que é a estrutura por onde a água é conduzida para o interior da casa de força, através dos condutos forçados para movimentar as turbinas;
  • O vertedouro, é a estrutura por onde pode ser escoado o excesso de água em épocas de chuvas intensas.

Na casa de força estão instalados os equipamentos eletromecânicos que produzem a eletricidade, que basicamente são: caixa espiral, turbina, gerador, sistema de excitação e regulador de velocidade.

A rotação da turbina movimentada pelo fluxo d'água faz girar o rotor do gerador, cujo campo magnético que ao se deslocar dentro do estator do gerador o produz energia elétrica.

Por questões de rendimento, a energia para ser transportada precisa ter sua tensão elevada para níveis que reduzam as perdas nas linhas de transmissão. A elevação da tensão é realizada pela subestação elevadora.

Assim, para que possamos usar a eletricidade em nossas casas, a tensão deve ser reduzida nas subestações próximas das cidades e nos transformadores instalados na rede de distribuição.

 

SOLAR


O estudo do aproveitamento da energia solar para eletrificação de residências e para o aquecimento d´água na substituição de chuveiros elétricos teve início na Copel em meados de 1994, na antiga Superintendência de Energias Alternativas (SEA). O objetivo era atender algumas necessidades específicas e dotar o corpo técnico de experiência na utilização destas tecnologias.

Em 1996, utilizando recursos do Prodeem - Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios e do Governo Federal, foi instalada na comunidade de Barra do Ararapira (litoral norte do Paraná) uma central fotovoltaica de carregamento de baterias, para a iluminação de 35 casas de pescadores artesanais.

Nos anos de 1996 e 1997 foi implantado o Projeto de Conservação de Energia na Ilha do Mel, com recursos provenientes do Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (Procel), contemplando:

  • A instalação de mais de 200 aquecedores solar d'água em substituição a chuveiros elétricos
  • E a troca de 2.000 lâmpadas incandescentes por lâmpadas fluorescentes compactas.

Este projeto foi reconhecido como um dos melhores em sua categoria, no Congresso Mundial de Meio Ambiente, realizado no Rio de Janeiro em 1998.
Entre 1997 e 1998, com recursos próprios da Copel, mais 12 comunidades isoladas no litoral norte do Paraná foram eletrificadas através de sistemas fotovoltaicos, atendendo a aproximadamente 230 famílias de pescadores baixa renda.

Em 1997, a Copel avaliou, através de um Projeto Piloto, a eletrificação rural através da energia fotovoltaica. Para isso, instalou sistemas fotovoltaicos em residências rurais, distribuídas em diversas regiões do interior do estado do Paraná, aproveitando a infra-estrutura de seus escritórios regionais.

Em paralelo a estas realizações, a Copel atendeu a solicitações de diversos órgãos do governo, como IAP - Instituto Ambiental do Paraná, Ibama, Marinha do Brasil e a Polícia Florestal, entre outros, para a eletrificação de parques ambientais, faróis de marinha, postos avançados de fiscalização, respectivamente, situados em locais remotos e de difícil acesso, através da energia solar.

Além disto, foram empregados esforços no sentido de divulgar esta tecnologia dentro e fora da Copel, através de seminários, feiras, cursos e folhetos. Vários artigos foram editados a respeito, em jornais e revistas de grande circulação. Isto tudo ajudou a deixar ainda mais claro para o público o conceito que a Copel tem da sua função na sociedade: uma empresa que investe na utilização de novas tecnologias para o incremento de sua eficiência aliada à preservação do meio ambiente.


 

TERMOELÉTRICA

 

Na termoeletricidade, a energia mecânica necessária para girar o eixo do gerador de energia elétrica é obtida com a queima de combustíveis, isto é, pela transformação da energia química em energia mecânica, através de processos de queima específicos para cada tipo de combustível.

As instalações físicas utilizadas são denominadas de usinas termoelétricas, e são semelhantes a outras indústrias de processos, sendo suas dimensões definidas em função da potência e tecnologias adotadas.

A grande vantagem de uma termoelétrica, que utilize o gás natural como combustível, é a possibilidade de ser implantada junto aos grandes centros de consumo de energia, desde que atendidas as normas de proteção ao meio ambiente local. A usina estando junto aos consumidores reduz as perdas nas linhas de transmissão e diminui o risco de continuidade dos sistemas de transmissão.

As termoelétricas podem operar em ciclo simples, em ciclo combinado ou em co-geração:

 

  • Gás natural
  • Derivados de petróleo
  • Carvão mineral e vegetal
  • Xisto betuminoso
  • Resíduos de madeira e da produção agrícola
  • Bagaço de cana de açúcar
  • Lixo doméstico
  • Urânio
  • E outros

Ciclo simples - a queima de um determinado combustível em caldeiras simples, turbinas ou em motores de Ciclo Otto, fornece a energia mecânica para o gerador de energia elétrica. Eficiência média do sistema - 30 a 42 %.

Ciclo combinado - a queima do combustível fornece energia mecânica para o gerador de energia elétrica, e os gases da queima do combustível com uma temperatura em torno de 550 ºC são direcionados a uma caldeira de recuperação de calor para produzirem vapor, e este vapor irá movimentar uma turbina a vapor que estará ligada a um outro gerador de energia elétrica.
Eficiência média do conjunto - 42 a 58%.

Co-geração - é semelhante ao sistema em ciclo combinado, no qual o vapor produzido na caldeira de recuperação de calor será também utilizado no processo industrial de alimentos, papel, bebida, aquecimento de ambiente etc.
Eficiência média do conjunto - 42 a 80 %.

O combustível utilizado para a obtenção do calor necessário para o processo, apresenta-se sob diversas formas:

 

Descrição do processo de transformação da energia química de um combustível em energia mecânica.

a) Gás Natural e derivados finos de petróleo

I - Turbinas

O combustível misturado com o ar atmosférico ao ser queimado em uma câmara de combustão, produz um aumento rápido da pressão e volume no local. Estes gases sob alta temperatura são então direcionados para uma turbina de expansão ( semelhante a turbinas de avião) provocando o giro da mesma. O eixo desta turbina estando ligado ao gerador permite a geração da energia elétrica.

Descrição do funcionamento de um conjunto turbina e gerador:

  • Um compressor axial de múltiplos estágios comprime o ar atmosférico procedentes dos filtros de admissão, a uma razão definida pelo fabricante do equipamento e é direcionado para a câmara de combustão.
  • Na câmara de combustão, tipo anular, o gás natural é queimado junto com o ar comprimido procedente do compressor.
  • A queima da mistura gás-ar é efetuada na câmara de combustão a uma temperatura média de 1.200 ºC.
  • Com a rápida expansão dos gases provenientes da queima, na câmara de combustão, surge um fluxo dos gases, que são direcionados para as palhetas da turbina, produzindo um efeito dinâmico de rotação no eixo do conjunto, que por sua vez irá fornecer o movimento mecânico para possibilitar o giro que fornece energia mecânica ao sistema de redução de velocidade acoplado ao eixo do gerador elétrico.
  • O gerador de energia elétrica é do tipo convencional, com características definidas em especificações iniciais, sendo refrigerado com o ar procedente do compressor da turbina à gás, gerando energia elétrica na tensão compatível com o gerador e potência do conjunto.
  • Os gases de exaustão, após sua passagem pela turbina, tendo reduzido a temperatura de 1200 ºC para 550ºC, são enviados para a chaminé e que em função de sua temperatura e velocidade de saída sobe e expande-se rapidamente com o ar ambiente.
II - Motores

Outra tecnologia para a utilização de combustíveis tipo gás natural e derivados finos de petróleo é a de motores alternativos.

Os motores utilizam a tecnologia normal de motores alternativos com velas, tendo sido desenvolvidos para obterem a máxima eficiência na sua capacidade nominal de geração e para operarem de modo contínuo sob a mesma rotação.

Esta tecnologia é normalmente utilizada em industrias para processos de co-geração, principalmente nas industrias de alimentos e bebidas.

b) Combustíveis sólidos

Os diversos tipos de combustíveis da categoria de sólidos são queimados em equipamentos denominados de caldeiras desenvolvidas especificamente para cada um deles. O objetivo é conseguir a máxima eficiência com os menores impactos ambientais possíveis.

Dentre os combustíveis mais utilizados, estão o carvão mineral, o bagaço de cana e resíduos de madeira.

Os grandes centros de pesquisa e desenvolvimento, assim como os fabricantes de equipamentos, estão, de modo permanente, melhorando os índices de eficiência e diminuindo o volume, para permitir que o custo da energia fique menor e que venham a atender os novos requisitos de proteção ao meio ambiente.

Usina Térmica à Carvãow

Basicamente, o processo consiste na queima do carvão mineral, aproveitando o calor obtido para produção de vapor. Para processar a queima do carvão e transformar a energia térmica gerada em energia mecânica, utiliza-se água que se tornará vapor em altíssima pressão e temperatura, o qual moverá uma turbina que por sua vez acionará um gerador elétrico acoplado, gerando energia elétrica. Os equipamentos principais para isso, são a caldeira, turbina e gerador elétrico. Nesse processo a caldeira é o equipamento fundamental para utilização do combustível em questão, podendo a mesma ser definida em tecnologias mundialmente testadas, ou seja em sistema de grelha, pulverização e injeção por queimadores ou em leito fluidizado circulante.

Os processos utilizados nos projetos atuais evita a formação de NOx, podendo-se abater também o SOx na fornalha, através da adição de calcário na massa de combustível. Esta tecnologia tem flexibilidade quanto a qualidade do combustível, podendo-se utilizar desde carvões de baixo até alto poder calorífico e altos índices de enxofre, com rendimentos térmicos iguais ou superiores às tecnologias convencionais.

Os processos para a queima de outros combustíveis sólidos possui a mesma descrição, havendo mudanças no tipos de caldeiras, processos para beneficiamento do combustível, e dimensões totais da usina.

As usinas termelétricas que utilizem combustíveis sólidos necessitam maior investimentos para controle ambiental dos seus efluentes líquidos , sólidos e gasosos, mas em contrapartida o custo do combustível por unidade de energia é bastante inferior, possibilitando que os empreendimentos sejam economicamente viáveis.

<!-- Além do termo termoelétrica e termoelétrico, os termos termelétrica ou termelétrico também estão corretos. -->