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UNIVERSIDADE PAULISTA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO
CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA
GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS
PIM IV
Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa
Diferenças de Produção, Aspectos Energéticos e Ambientais
Danilo Ulisses da Silva RA A607013-0
Junior Campos Ozono RA A697DJ-0
Luana Santos Benfatti RA A5119E-3
Rita de Cássia dos Santos RA A50175-4
São José dos Campos
Novembro de 2011
UNIVERSIDADE PAULISTA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO
CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA
GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS
PIM IV
Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa
Diferenças de Produção, Aspectos Energéticos e Ambientais
Danilo Ulisses da Silva RA A607013-0
Junior Campos Ozono RA A697DJ-0
Luana Santos Benfatti RA A5119E-3
Rita de Cássia dos Santos RA A50175-4
TRABALHO APRESENTADO COMO REQUISITO
DE APROVAÇÃO NAS DISCIPLINAS
EMPREENDEDORISMO E ESTRATÉGIA DE
NEGÓCIOS, DESENVOLVIMENTO
SUSTENTÁVEL, EXPLORAÇÃO E PRODUÇÃO,
ENERGIAS RENAVÁVEIS E NÃO RENOVÁVEIS,
QUÍMICA GERAL II E TÉCNICAS DE REFINO,
NO QUARTO SEMESTRE DO CURSO
SUPERIOR TECNOLÓGICO DE GESTÃO EM
PETRÓLEO E GÁS, NA UNIVERSIDADE
PAULISTA, UNIP, EM SÃO JOSÉ DOS CAMPOS.
São José dos Campos
Novembro de 2011
Danilo Ulisses da Silva RA A607013-0
Junior Campos Ozono RA A697DJ-0
Luana Santos Benfatti RA A5119E-3
Rita de Cássia dos Santos RA A50175-4
Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa
Diferenças de Produção, Aspectos Energéticos e Ambientais
UNIVERSIDADE PAULISTA
INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO
CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA
TECNOLOGIA EM PETRÓLEO E GÁS
Data de aprovação:_____de________________de 2011
_____________________________________________________
Professor Francisco Martins
Orientador do PIM IV
I
Resumo
O desenvolvimento mundial promoveu alterações significativas no modo de
produção e consumo de energia na sociedade. A geração e distribuição de energia
se tonaram essenciais para a obtenção de resultados satisfatórios no setor
industrial, pois o trabalho executado pelas máquinas, que são cada vez mais
comuns no processo produtivo, só é possível através de energia. Portanto, esse
processo intensificou a dependência da utilização de combustíveis, em especial os
de origem fóssil: petróleo, carvão mineral e gás natural.
Aproximadamente 87% de todo o combustível consumido no mundo é de
origem fóssil, ou seja, não renovável. Essas substâncias, formadas de compostos de
carbono, são resultado de um longo processo de decomposição da matéria orgânica
(depósitos fósseis, florestas soterradas), que fica submetida a condições com pouco
oxigênio, pressão da terra e elevadas temperaturas.
Após serem processados adequadamente para determinada utilização, essas
fontes energéticas podem ser empregadas na produção de combustíveis (gasolina e
diesel), lubrificantes, energia elétrica, aquecimento de caldeiras e fornos, entre
outros. Apesar das várias vantagens, os combustíveis fósseis são extremamente
poluentes e a sua utilização desordenada contribui para o aquecimento global,
desencadeia chuvas ácidas, emite gases que poluem a atmosfera, contaminam os
recursos hídricos, etc.
Por serem de origem fóssil, esses combustíveis irão se esgotar na natureza.
Caso não se reduza a média de consumo registrada nas últimas décadas, as
reservas mundiais de petróleo e gás natural e as de carvão, devem se esgotar nas
próximas décadas.
A busca por alternativas eficazes de produção e distribuição de energia é um
elemento essencial para o ser humano, principalmente na atual sociedade, onde os
modos de consumo se intensificam a cada dia. Diante dessa dependência de
recursos energéticos, surge a necessidade de diversificar a utilização das fontes
energéticas.
A energia proveniente da Biomassa é uma energia renovável, ou seja, pode
ser adquirida em curto espaço de tempo se comparada ao tempo de formação do
petróleo, por exemplo.
Essa fonte energética é renovável, pois a sua decomposição libera CO₂ na
atmosfera, que, durante seu ciclo, é transformado em hidratos de carbono, através
II
da fotossíntese realizada pelas plantas. Nesse sentido, a utilização da biomassa,
desde que controlada, não agride o meio ambiente, visto que a composição da
atmosfera não é alterada de forma significativa, porém, para a produção de sua
matéria-prima, grandes áreas de florestas às vezes devem ser destruídas, o que é
considerado também um impacto ambiental.
No Brasil o uso dessa fonte de energia representa um quarto na matriz
energética. Atrás do petróleo e do gás natural.
Esse trabalho traz comparações sobre essas duas fontes de energia. O
capítulo 1 descreve os tipos de combustíveis fósseis existentes: petróleo, gás natural
e carvão mineral. No capítulo 2, veremos a definição da gasolina e no capítulo 3, a
do diesel, e também como é feita a produção. Esses dois tipos de combustíveis
foram selecionados pelo fato de serem os combustíveis mais produzidos dentre os
combustíveis de origem fóssil. No capítulo 4 podemos conferir os impactos
ambientais causados por uma refinaria para a produção dos derivados do petróleo.
No capítulo 5 é a vez biomassa ser citada. Começa com a definição, e passa
pela produção de alcoóis com combustível da biomassa, no capítulo 6, e a do
biodiesel, no capítulo 7, que também foram selecionados por serem os principais
combustíveis dessa fonte de energia. O capítulo 8 descreve a digestão anaeróbica
para a produção de gases para uso combustível. No capítulo 9 é mostrada também
os principais aspectos energéticos e impactos ambientais causados pela produção e
consumo dos combustíveis dessa fonte de energia alternativa. O último capítulo, 10,
traz informações referentes ao uso de energia e sua relação com a sustentabilidade.
III
Abstract
The development of the world has promoted significant changes in the way of
production and consumption in society. The generation and distribution have become
essential for obtaining satisfactory results in the industrial sector, for the work
performed by machines, which are increasingly common in the production process,
that’s only possible through energy. Therefore, this process has increased the
dependency on the use of fuels, especially from fossil fuels: oil, coal and natural gas.
Approximately 87% of all fuel consumed worldwide is produced from fossil
fuels, ie, non-renewable. These substances, formed of carbon compounds are the
result of a long process of decomposition of organic matter (fossil deposits, buried
forests), which is subjected to low oxygen conditions, earth pressure and high
temperatures.
After being processed properly for a particular purpose, these energy sources
can be used to produce fuels (gasoline and diesel), lubricants, electricity, heating
boilers and furnaces, among others. Despite several advantages, fossil fuels are
highly polluting and disorderly use contributes to global warming, acid rain triggered,
emits gases that pollute the atmosphere, contaminating water resources.
For being fossil fuels, these fuels will be exhausted in nature. If we do not
reduce the average consumption recorded in recent decades, the world reserves of
oil and natural gas and coal must be exhausted in the coming decades.
The search for effective alternatives for energy production and distribution is
an essential element for humans, especially in today's society, where consumption
modes are intensifying every day. Given this dependence on energy resources, there
is a need to diversify the use of energy sources.
Energy from Biomass is a renewable energy, or can be acquired in a short
time compared to the time of formation of oil, for example.
As said above, this energy source is renewable, because its decomposition
releases CO ₂ in the atmosphere, which, throughout its life cycle, it is converted into
carbohydrates through photosynthesis by plants. In this sense, the use of biomass,
since controlled, does not harm the environment, since the composition of the
IV
atmosphere does not change significantly, however, for the production of its raw
material, large forest areas sometimes must be destroyed, which is also considered
an environmental impact.
In Brazil the use of this energy source is a quarter the energy matrix. Behind
the oil and natural gas.
This paper presents comparisons of these two energy sources. Chapter 1
describes the types of existing fossil fuels: oil, natural gas and coal. In Chapter 2, we
see the definition of gasoline and diesel in chapter 3, and how the production is done.
These two types of fuel were selected because from fossil fuels they are more
produced. Chapter 4 can provide the environmental impacts caused by a refinery for
the production of petroleum derivatives.
In chapter 5 the biomass is cited. It begins with the definition, and goes
through the production of alcohols, in chapter 6 and biodiesel, in chapter 7, which
were also selected for being the main source of this fuel energy. Chapter 8 describes
the anaerobic digestion to produce gas for fuel. It is also shown in chapter 9 the main
energy aspects and environmental impacts caused by production and consumption
of this alternative energy source. The last chapter, 10, contains information regarding
energy use and its relationship to sustainability.
V
Lista de figuras
1 - Aumento do preço do petróleo..........................................................................2
2 - Diagrama de McKelvey......................................................................................3
3 - Curva de Hubbert..............................................................................................5
4 - Consumo e produção americana de petróleo...................................................5
5 - Reservas mundiais e americanas em 2003......................................................6
6 - Consumo mundial de petróleo...........................................................................7
7 - Reservas mundiais por região...........................................................................7
8 - Reservas mundiais por país..............................................................................8
9 - Primeiro poço comercial de petróleo, Titusville, Pensilvânia, EUA...................9
10 - Consumo de petróleo nos Estados Unidos.....................................................9
11 - Esquema simplificado de uma refinaria..........................................................10
12 - Típica barreira de petróleo..............................................................................12
13 - Método aperfeiçoado de recuperação.............................................................13
14 - Usos do gás natural por setor.........................................................................15
15 - Consumo de gás de 2008-2011......................................................................16
16 - Reservas de carvão em 2007..........................................................................17
17 - Classificação do carvão...................................................................................19
18 - Depósitos de carvão nos Estados Unidos.......................................................20
19 - Vista aérea de uma mina de superfície...........................................................21
20 - Formas por meio das quais a biomassa é convertida em outros combustíveis
................................................................................................................................41
21 - Fluxograma para a produção de etanol a partir do milho...............................42
22 - Combustíveis alternativos para veículos.........................................................47
23 - Densidade energética de diversos combustíveis............................................48
24 - Digestor de metano de recipiente fixo.............................................................51
VI
Sumário
Resumo...................................................................................................................I
Abstract...................................................................................................................III
Lista de figuras........................................................................................................V
Sumário...................................................................................................................VI
1.0 - Introdução.......................................................................................................1
1.1 - Terminologia dos recursos.............................................................................2
1.2 - Petróleo...........................................................................................................6
1.3 - Gás natural.....................................................................................................13
1.4 - Carvão: Um papel em expansão....................................................................17
1.5 - Exemplo..........................................................................................................18
1.6 - Tipos de carvão..............................................................................................18
1.7 - Padrões de produção e consumo de carvão..................................................19
1.8 - Mineração de superfície.................................................................................20
1.9 - Restrições à demanda e suprimento de carvão.............................................22
2 0 - Gasolina..........................................................................................................23
2.1 - Blend e pool....................................................................................................24
2.2 - Características específicas da gasolina.........................................................24
2.3 - Volatilidade.....................................................................................................25
2.4 - Resistência a detonação e octanagem..........................................................25
2.5 - Poder calorífico e eficiência energética..........................................................27
3 0 - Diesel..............................................................................................................28
3.1 - Blend e pool....................................................................................................29
3.2 - Características específicas do diesel.............................................................29
3.3 - Temperatura de ebulição e perfil de destilação.............................................29
3.4 - Temperatura de fusão....................................................................................29
3.5 - Poder calorífico...............................................................................................29
3.6 - Viscosidade....................................................................................................29
3.7 - Instabilidade química......................................................................................30
VII
3.8 - Números de cetanas (NC)..............................................................................30
3.9 - Qualidades do combustível e desempenho do motor....................................31
3.10 - Partida...........................................................................................................32
3.11 - Potência........................................................................................................32
3.12 - Ruído............................................................................................................32
3.13 - Consumo de combustível.............................................................................33
3.14 - Lubricidade...................................................................................................33
3.15 - Operações a baixas temperaturas...............................................................33
3.16 - Estabilidade do combustível.........................................................................34
3.17 - Qualidade do combustível e emissões.........................................................34
4.0 - Impactos ambientais.......................................................................................35
4.1 - Emissões atmosféricas...................................................................................35
4.2 - Localização de impactos no processo de refino............................................36
4.3 - Fatores médios para emissões de atmosféricos para fontes energéticas
consumidas em refinarias (em g/GJ)......................................................................37
4.4 - Descargas líquidas.........................................................................................38
5.0 - Biomassa........................................................................................................39
5.1 - Energia da Biomassa......................................................................................40
5.2 - Conversão de biomassa.................................................................................41
6.0 - Alcoóis............................................................................................................42
6.1 - Metanol...........................................................................................................44
6.2 - Programa brasileiro de etanol........................................................................48
7.0 - Biodiesel.........................................................................................................49
7.1 - Biodiesel e H-Bio no Brasil.............................................................................49
8.0 - Digestão anaeróbica.......................................................................................50
9.0 - Impactos ambientais.......................................................................................51
10 - Energia e Sustentabilidade..............................................................................51
Conclusão...............................................................................................................VIII
Referências.............................................................................................................IX
1
1.0 Introdução
Atualmente, cerca de 85% das fontes comerciais de energia usadas no
mundo são oriundas de combustíveis fósseis – carvão, petróleo e gás natural.
Entretanto, com exceção do carvão, as reservas destes combustíveis, com as taxas
de utilização atuais, podem não durar mais do que o tempo de existência das
pessoas vivas hoje. O combustível de uso mais comum, o petróleo, parece ter as
menores reservas globais, mas continua sendo a mercadoria da qual mais
dependemos. De fato, a dependência de petróleo, especialmente para transporte,
deixa muitos países vulneráveis a um desastre econômico de grandes proporções
em caso de interrupção ou corte de fornecimento. O Japão importa praticamente
todo o seu petróleo (sobretudo do Oriente Médio), enquanto alguns países, cujas
economias têm crescimento rápido hoje (Coréia, Tailândia, Cingapura), dependem
em grande parte do petróleo importado.
Nos Estados Unidos, o carvão responde pela maior fatia da produção
doméstica de energia, seguido pelo gás natural e pelo petróleo bruto. Nos anos
1990, o crescimento da economia e os baixos preços do petróleo bruto levaram a
um aumento no consumo de carvão, gás natural e petróleo. No caso do carvão, essa
elevação ocorreu principalmente em usinas elétricas, cuja produção cresceu a uma
taxa de 2,2% ao ano. Na década de 1990, a demanda pó gás natural subiu 2,1% ao
ano em quase todos os setores (residencial, indústria e de concessionárias
elétricas), mas permaneceu constantes na primeira metade da década atual. O
maior consumo de petróleo foi resultado do aumento dos transportes (mais carros
nas estradas, mais milhas percorridas), e a não expansão da economia global de
combustíveis nos últimos 15 anos (na verdade ela diminui 6% em razão do
crescimento da venda de veículos utilitários esportivos (SUV´s) e caminhões leves)
resultou no aumento de 22% no consumo total de gasolina automotivo no período de
1990 a 2005. Veículos de passageiros consumiram 85% das importações
americanas.
Um efeito colateral dos preços baixos do petróleo bruto é a redução na
exploração de petróleo e gás. Quando o preço do petróleo bruto subiu de forma
abrupta em 1981, a exploração subiu níveis recordes. Havia 861 equipes engajadas
em exploração, os poços rotatórios eram 3.970, e os pecos exploratórios abertos
eram 17.500 por ano. À medida que os preços do petróleo caíam na metade da
década de 1980, havia cortes drásticos na exploração. Em 1993, os números tinham
2
caído a 79 equipes, 754 poços rotatórios e 1.300 exploratórios. Na maior parte da
década de 1990, os baixos preços continuaram a inibir a exploração;
aproximadamente 2.500 poços exploratórios continuaram a ser abertos por ano. Os
aumentos espetaculares do preço do petróleo a partir de 1999 (figura 1) levaram à
reversão desta situação.
Figura 1 Aumento do preço do petróleo (www.olharsentido.blogspot.com)
1.1 Terminologia dos recursos
A terminologia utilizada para descrever os estados das fontes de combustíveis
fósseis parece ambígua, na melhor das hipóteses. Palavras como reservas, reservas
conhecidas e recursos não descobertos são usadas frequentemente, e muitas vezes
de forma incorreta. Essas diferenças são importantes e serão discutidas nesta
seção. É difícil prevermos a quantidade de um determinado recurso que permanece
não utilizado ou ainda não descoberto no solo. Como nossas estimativas são
baseadas em exploração incompleta, sempre sobrará algum recurso a ser
descoberto. E mesmo que ainda reste uma quantidade de um determinado recurso,
fatores econômicos e técnicos sempre determinam a quantidade passível de ser
extraída.
3
Figura 2 Diagrama de McKelvey (www.books.google.com.br)
Utilizaremos o método desenvolvido pelo U.S. Geological Survey, chamado
de diagrama de McKelvey (figura 2), para categorizar os diferentes tipos de
recursos petrolíferos. Começaremos com um retângulo que mostra todos os
recursos (petróleo, neste exemplo) que existe em uma área determinada (tal como
os Estados Unidos). O eixo vertical registra o custo crescente do produto final,
começando pelo canto superior esquerdo, que indica o produto de menor custo de
recuperação. O eixo horizontal mostra a incerteza crescente de descoberta. As
reservas ocupam o canto superior esquerdo deste triângulo e são definidas como
aqueles recursos que são bem conhecidos por meio da prospecção e que podem
ser recuperados com preços e tecnologias atuais. O lado direito do diagrama se
refere a recursos ainda não descobertos, cuja incerteza aumenta na medida em que
se afasta de eixo vertical para a direita. O lado esquerdo, além da área
correspondente às reservas, conhecidas cujo custo de exploração é viável (o
retângulo da figura), permite, na parte inferior, a representação de reservas
conhecidas (de baixa incerteza), cujos custos de extração são altos demais no
cenário atual. Às vezes, as reservas são divididas em comprovadas, indicadas e
inferidas. As comprovadas são aquelas passíveis de produção em reservatórios
conhecidos, sob condições econômicas e tecnológicas existentes. Reservas
indicadas são quantidades recuperáveis de jazidas conhecidas por meio do
melhoramento das técnicas de recuperação. E as inferidas são os depósitos
esperados em jazidas identificadas, porém ainda não quantificadas.
4
O tamanho da caixa das reservas é estabelecido pelas próprias indústrias de
energia. Infelizmente, uma parte dos dados pode ser subestimada, já que alguns
Estados taxam as reservas conhecidas. Ainda assim, são os melhores números
disponíveis. À medida que uma indústria exaure suas reservas, ela procura manter
seu inventário pela adição de novas reservas. Entretanto, a adição de novas
reservas de petróleo, nos Estados Unidos, historicamente não tem sido capaz de
acompanhar o consumo. De 1962 até o presente, em nenhum ano esse país foi
capaz de compensar o petróleo consumido com a descoberta de novas reservas.
Mas, como sabemos o tamanho da caixa correspondente às reservas totais
de petróleo? Um método avalia esse tamanho supondo que a quantidade de
petróleo existente em um determinado tipo de estrutura geológica é fixa, e então
estima o volume total desse tipo de estrutura que existe nos Estados Unidos ou no
mundo. A quantidade presente é, então, o número estimado de barris por metro
cúbico multiplicado pelo volume estimado daquele tipo de estrutura geológica. Outro
método é a “abordagem comportamental”, em que a história da produção de
petróleo é extrapolada para o futuro, a fim de se avaliar a quantidade remanescente
no solo. Um exemplo famoso desta abordagem é a previsão feita em 1969 por M.
King Hubbert, O princípio por trás dessas curvas de produção em forma de sino é
que o uso histórico de combustível começa com o aumento contínuo no tempo. Em
dado momento os depósitos de baixo custo ou com pouca exigência de tecnologia
são exauridos; o uso do combustível atinge um nível máximo e depois diminui à
medida que os preços aumentam e a substituição de combustível cresce. A figura 3
mostra uma dessas curvas para a produção mundial de petróleo (a figura 4 mostra
a produção americana). Tal curva sugere que por volta do ano 2050 a produção de
petróleo nas reservas mundiais vai estar somente 10% dos níveis atuais.
5
Figura 3 Curva de Hubbert (www.cienciahoje.uol.com.br)
Muitos analistas de recursos não acreditam que a abordagem
comportamental pudesse ou devesse ser aplicada para se fazer previsões acerca
dos recursos totais disponíveis. O argumento é que esta é uma questão geológica e
deve ser respondida por meio de dados geológicos. O uso da história, dizem eles,
não é relevante para se fazer previsões. Não se pode substituir a exploração
geológica. A abordagem comportamental não leva em consideração os avanços
tecnológicos na descoberta e na extração da jazida. A produção anual depende da
tecnologia, bem como do custo e da demanda.
Figura 4 Consumo e produção americana de petróleo (www.oceanica.ufrj.br)
6
A figura 5 apresenta as reservas mundiais, em 2003, de petróleo, gás natural
e carvão. Também são mostradas as taxas de consumo mundiais e americanas para
cada um desses combustíveis. (Conforme vimos nos parágrafos anteriores, existe
um grau muito grande de incerteza nas estimativas dos recursos). A razão entre as
reservas e o consumo fornece uma estimativa da longevidade de um combustível
sob as condições atuais de consumo. Mas devemos lembrar que as reservas são
aumentadas substancialmente pelos recursos à medida que os preços subirem ou
novas tecnologias forem descobertas.
Mundial Estados Unidos Tempo de vida
Petróleo 1.213 x 109
bbl
7,00 x 1018
bbl
23 x 109
bbl
0,12 x 1018
Btu
10 anos
Gás natural 5.505 x 1012
ft3
5,4 x 1018
Btu
187 x 1012
ft3
0,19 x 1018
Btu
9 anos
Carvão 1,08 x 1012
tons
27 x 1018
Btu
0,27 x 1012
tons
6,5 x 1018
Btu
250 anos
Areia betuminosa 272 x 109
bbl 22 x 109
bbl 8 Anos
1,5 x 1018
Btu 0,12 x 1018
Btu
Óleo de xisto 2.570 x 109
bbl 20 x 109
bbl 8 Anos
15 x 1018
Btu 0,11 x 1018
bbl
Figura 5 Reservas mundiais e americanas em 2003
1.2 Petróleo
O apetite mundial por petróleo continua a crescer (figura 6). Em 2003, o
consumo diário mundial total era de 82 milhões de barris por dia (MBPD), dos quais
19 MBPD, ou cerca de 25% foram consumidos nos Estados Unidos
(aproximadamente 56% desse petróleo foi importado). Além de consumir mais do
que qualquer outro país, os Estados Unidos são o terceiro maior produtor, abaixo
somente da Arábia Saudita e da Rússia. Entretanto, os Estados Unidos têm apenas
menos de 2% das reservas mundiais conhecidas, que seriam suficientes somente
para mais quatro anos se utilizadas à taxa atual. Embora esses números possam
parecer enganadores, já que novas reservas certamente serão encontradas nesse
país, as descobertas não deverão alterar significamente esse tempo de vida.
7
Figura 6 Consumo mundial de petróleo (www.psp-sa.com)
A figura 7 mostra as reservas mundiais de petróleo por região e o consumo
por região. Observe a não uniformidade da distribuição de petróleo. Os campos
petrolíferos do Oriente Médio contêm cerca de 64% do petróleo mundial, em 0,5%
da área total do planeta. A figura 8 exibe as reservas mundiais de petróleo por país
em 2003.
Figura 7 Reservas mundiais por região (www.biodiselbr.com)
8
Figura 8 Reservas mundiais por país
Apesar de o primeiro poço de petróleo comercial ter sido perfurado em
Titusville, Pensilvânia, em 1859 (figura 9), a utilização do petróleo na medicina, em
lâmpadas e em outras aplicações remonta aos tempos bíblicos. O piche de asfalto
era empregado no antigo Egito e na Babilônia por volta de 2500 a.C. para
impermeabilização e em ruas; os gregos e os romanos o usavam em suas armas.
Os chineses perfuravam poços atrás de petróleo e gás antes de 1000 a.C., e os
utilizavam para aquecimento e iluminação. O uso do petróleo aumentou bastante a
partir de 1859, pois passou a ser usado como substituto do óleo de baleia. O preço
do óleo de baleia (utilizado para iluminação) estava aumentando em razão da
dizimação desse mamífero.
9
Figura 9 Primeiro poço comercial de petróleo, Titusville, Pensilvânia, EUA
(www.blogdoklebers.blogspot.com)
Conforme temos discutido ao longo desse capítulo, o petróleo é crucial para a
economia mundial, especialmente em aplicações nas quais sua substituição é difícil,
como transportes, agricultura e produtos petroquímicos. Dois terços do petróleo
consumido nos Estados Unidos são utilizados em transporte (figura 10).
Figura 10 Consumo de petróleo nos Estados Unidos
Legenda:
1= Geração de eletricida 3%
2= Comercial/ residencial 6%
3= Industrial 24%
4= Transporte 67%
10
O petróleo é uma mistura de óleo cru, gás natural em solução em
semissólidos asfálticos espessos e pesados. Todos os depósitos de petróleo contêm
gás natural, mas nem todos os depósitos de gás natural contêm óleo. O petróleo é
uma mistura de hidrocarbonetos (compostos de hidrogênio e carbono), com uma
razão média de hidrogênio para carbono de aproximadamente 1 para 7 em massa.
Alguns compostos possuem apenas um átomo de carbono, enquanto uns poucos
têm atém cem átomos de carbono. Não se encontrou duas amostras de petróleo
com a mesma mistura de componentes. O petróleo também contém pequenas
porcentagens de compostos de vanádio, níquel e enxofre.
Figura 11 Esquema simplificado de uma refinaria (www.books.google.com.br)
O petróleo bruto deve passar por uma série de estágios durante o processo
de refinação para que seja convertido em produtos úteis. Na refinação, o primeiro
passo é a destilação, que separa as partes do petróleo em função de seus diferentes
pontos de ebulição. O petróleo é inicialmente aquecido desde a parte inferior e
depois passa por uma torre de fracionamento (com aproximadamente 40 m de
altura). Os diversos derivados de petróleo são condensados a diferentes
temperaturas na torre e são coletados. As frações (ou produtos) mais pesadas
acumulam-se na parte inferior da torre, enquanto a gasolina é condensada no topo
(alguns gases não se condensam, por isso são retirados no topo e adicionados ao
gás natural). A figura 11 mostra um esquema simplificado de uma refinaria. A maior
parte dos produtos que saem da torre sofre um tratamento químico e/ ou térmico
posterior para fornecer derivados como gasolina, óleo para aquecimento,
combustível de aviação, óleo diesel, parafinas e asfalto. A gasolina é o derivado
11
mais importante do petróleo, representando aproximadamente 45% da produção de
uma refinaria. A produção da refinaria pode ser ajustada de acordo com a estação,
para produzir mais ou menos gasolina e óleo para aquecimento. Aproximadamente
10% de todo o petróleo utilizado nos Estados Unidos fornece à indústria química
insumos como metano, etano, benzeno e tolueno, que são usados na produção de
fertilizantes, plásticos, solventes, náilon, borracha sintética e assim por diante.
O petróleo tem sua origem na decomposição de matéria orgânica, geralmente
a fauna marinha, que é convertida em petróleo ao longo de milhões de anos, sob
altas pressões e temperaturas associadas ao soterramento profundo. O petróleo (e o
gás natural) formado sob essas condições pode migrar por rochas adjacentes,
formando depósitos a partir dos quais pode ser extraído. Esses depósitos são
encontrados em rochas-reservatórios, como arenito, xisto e calcário, as quais
absorvem o petróleo da mesma forma que uma esponja absorve água. Tais rochas
são bastante porosas (têm vazios ou aberturas) e permeáveis, permitindo o
movimento dos líquidos ou gases. Para que o petróleo se acumule e não escape, é
essencial que o reservatório esteja coberto por uma rocha impermeável ou não
porosa que vai atuar como uma barreira que evita a migração do petróleo e dos
gases rumo à superfície. O tipo mais comum de barreira ou armadilha é o “anticlino”,
causado pelo deslocamento das camadas inferiores da Terra. À medida que o óleo
se move para cima no anticlino, fica preso sob uma rocha na forma de domo, tal
como o xisto impermeável (figura 12). Outro tipo de barreira é o “domo de sal”, que
resulta da intrusão para cima de um tampão de sal, oriundo de grandes
profundidades, para dentro do estrato adjacente.
12
Figura 12 Típica barreira de petróleo (www.books.google.com.br)
A procura por petróleo tem se encontrado na busca de tais domos de sal ou
anticlinos. Os primeiros geólogos concentravam-se na observação de feições de
superfície e na anotação, em um mapa, da inclinação de camadas ou bacias
sedimentares. Tais estudos da superfície têm sido expandidos mais recentemente
pelo uso da sismologia para se “ver” a estrutura da Terra sob a superfície.
Na medida em que a busca por novos depósitos de petróleo continua, torna-
se cada vez mais difícil obter sucesso com as técnicas convencionais de perfuração.
Uma vez que o petróleo e o gás natural são frequentemente encontrados juntos,
seus métodos de recuperação são semelhantes. Ambos estão geralmente presos na
rocha porosa que atua como reservatório. O reservatório tem um teto de rocha
impermeável, que impede a migração dos combustíveis rumo à superfície. A água é
mais densa do que o petróleo, portanto encontra-se no fundo da barreira, abaixo do
petróleo e do gás natural. Um poço de perfuração que atinge um reservatório produz
inicialmente resultados graças ao escoamento natural, já que as pressões no
subsolo forçam o petróleo para cima – resultando, em alguns casos, em um pólo
jorrante. Para aumentar e sustentar a remoção, uma unidade de bombeamento é
normalmente empregada, mantendo uma pressão mais baixa no topo do poço, como
um canudo num copo de refrigerante. Uma recuperação adicional (secundária) é
feita por meio da injeção de água no reservatório, aumentando, assim, sua pressão.
Mesmo com a recuperação secundária, menos de um terço do petróleo é extraído
(figura 13). Para aumentar ainda mais a recuperação do petróleo, métodos
aperfeiçoados ou terciários são utilizados. O mais comum é a injeção de vapor no
13
solo. O calor do vapor torna o petróleo menos viscoso, e permite que ele escoa mais
facilmente para fora da rocha porosa e do poço, a fim de que possa ser bombeado
para a superfície. Outro método envolve a injeção de CO₂ ou nitrogênio diretamente
no petróleo, para aumentar a pressão no reservatório e liberar o petróleo da rocha.
Um terceiro método utiliza produtos químicos, como polímeros em vez de gases,
para forçar as moléculas dos componentes do petróleo para fora das rochas do
reservatório. Estima-se que o uso de métodos de recuperação aperfeiçoados pode
aumentar a produção de petróleo de um reservatório em 10% a 30%.
Figura 13 Método aperfeiçoado de recuperação (thalescastroblog.blogspot.com)
Os Estados Unidos possuem mais poços perfurados por milha quadrada do
que qualquer outro país do mundo. À medida que a extração de petróleo se torna
mais difícil, o petróleo descoberto por pé (ft) perfurado tem caído de forma quase
linear desde os anos 1940. A profundidade média de um poço nos Estados Unidos
hoje em dia chega a 8 mil pés, e somente 30% dos poços perfurados têm sucesso.
Com o avanço da tecnologia de extração de petróleo, a energia gasta por pé
perfurado aumenta. Alguns analistas de recursos sugerem que eventualmente será
atingido um ponto em que a energia que pode ser obtida de um poço será igual à
energia nele aplicada.
Os maiores aumentos nas reservas dos Estados Unidos são esperados na
perfuração de poços de grande profundidade em alto-mar. Aproximadamente 33%
do petróleo bruto e 21% do gás natural dos Estados Unidos são provenientes da
reservas marinhas atualmente. Exceto por uma faixa de 3 milhas de águas
14
estaduais, o governo federal americano é dono dos recursos minerais submersos
em águas internacionais, e fornece concessões para a exploração e a produção em
uma determinada região. Algumas estimativas dão conta de que metade das
reservas americanas esteja em tais águas. Entretanto, a exploração em meados dos
anos 1980 ao largo da costa leste (no Baltimore Canyon, ao largo de Nova Jersey e
Maryland) mostrou-se bastante decepcionante. Ademais, a preocupação ambiental
com derramamentos de petróleo fez com que milhões de acres de áreas marinhas
fossem retirados das áreas passíveis de concessão.
1.3 Gás Natural
O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos leves, principalmente metano
(CH₄). Assim como o petróleo bruto, é formado a partir da decomposição de matéria
orgânica. Ele pode estar misturado com petróleo (sob as pressões existentes no
reservatório), ou preso em regiões nas quais o petróleo bruto não é abundante. O
gás natural encontrado sozinho em reservatórios é chamado de gás não associado.
Algumas teorias sugerem que a formação do gás natural não é de origem biológica,
e que ele é oriundo das profundezas da terra. (As ramificações dessas teorias
levariam a diferentes métodos e locais de prospecção). O primeiro poço perfurado
nos Estados Unidos em busca de gás natural, em 1821, ficava próximo às margens
do lago Erie em Freedonia, Nova Iorque. Porém, antes que a indústria pudesse se
expandir, era necessário que gasodutos fossem desenvolvidos para que o
combustível chegasse ao consumidor. Depois da Segunda Guerra Mundial, uma
rede de gasodutos de alta pressão foi construída para atender a todo o território
continental americano. Vermont foi o último Estado concluído na rede, em 1966.
Hoje, os Estados Unidos têm mais de 1 milhão de milhas de gasodutos.
Do fim da Segunda Guerra até a década de 1970, o uso do gás natural nos
Estados Unidos teve um crescimento fenomenal. O consumo quadruplicou entre
1950 e 1970, o que representa o dobro da taxa de crescimento do consumo de
petróleo. O consumo de gás diminuiu nas décadas de 1970 e 1980, já que houve um
decréscimo de fornecimento, mas atualmente está estabilizado em torno de 22
trilhões de pés cúbicos ao ano. Um dos entraves à produção de gás na década de
1970 era a imposição do controle dos preços nas vendas interestaduais, muito
abaixo de preço de uma quantidade equivalente de energia sob outras formas. A
desregulamentação ocorreu em 1985, levando a um aumento na produção
americana de gás.
15
O gás natural é de baixo custo, tem queima limpa e alta disponibilidade.
Trata-se de um ótimo substituto do petróleo, e ajuda a reduzir a dependência
americana do petróleo importado. O gás natural tem muitos usos: calefação,
aquecimento de água, como combustível de caldeiras (indústrias e utilitárias), no
transporte, e como matéria-prima para a indústria química (para amônia,
fertilizantes, plásticos, borracha natural, etc). A figura 14 destaca os usos do gás por
setor em 2003. O gás natural é responsável por mais de 50% dos combustíveis
fósseis utilizados nos setores residencial, industrial e comercial.
Figura 14 Usos do gás natural por setor
Legenda:
1= Clientes comerciais 15%
2= Clientes utilitários 18%
3= Clientes residenciais 25%
4= Transporte 3%
5= Clientes industriais 39%
As reservas mundiais de gás natural são estimadas em mais de 5.500 trilhões
de pés cúbicos (tft³), suficientes para mais 67 anos, à taxa de consumo atual, que é
de 82 tft³. As maiores reservas são, de longe, as encontradas na Rússia, com 1.700
tft³. Nos Estados Unidos, 50% do gás é encontrado na região costeira do Golfo do
México. A produção anual de gás dos Estados Unidos atingiu seu máximo em 1973,
com 24 tft³, e estabilizou-se no fim dos anos 1980 em aproximadamente 20 tft³. Em
anos recentes, os aumentos das reservas e da produção têm sido equivalente,
levando a maiores estimativas de fornecimento e a um aumento no uso de gás
16
natural em muitas outras áreas, inclusive como combustível em usinas geradoras de
eletricidade (figura 15).
Figura 15 Consumo de gás de 2008-2011
Reservas adicionais de gás natural não exploradas podem ser encontradas
nos Estados Unidos, embora a preços substancialmente mais altos. Tais fontes são:
(1) gases presos em jazidas de carvão, (2) xisto devoniano, presente em grande
parte no subsolo de leste dos Estados Unidos, e (3) gás nas areias tight-sands das
Montanhas Rochosas. De maneira oposta aos depósitos convencionais, em que o
gás é extraído pela perfuração de um poço, nessas áreas ele se encontra preso
dentro de materiais que apresentam baixa permeabilidade. (baixa taxa de
penetração) ao gás natural. Portanto, caso não haja canais naturais pelos quais os
gás possa escoar para o poço, o xisto ou o estrato de tight-sand tem de ser
perfurado ou fraturado para que se abram canais para estimular seu escoamento.
Isto pode ser feito com o uso de explosivos ou injeção de água a alta pressão no
poço. A tecnologia necessária para tais procedimentos ainda está em
desenvolvimento.
O uso do gás natural na geração de eletricidade cresceu cerca de 50% nos
anos 1990, e deve continuar a crescer no futuro. Unidades de geração de energia
movidas a gás são baratas. Menos danosas ao meio ambiente (elas praticamente
não produzem CO₂ emitido em uma usina do mesmo porte movida a carvão) e têm
em tempo de construção mais curto. Embora a capacidade de geração de energia
dos Estados Unidos esteja atualmente acima da demanda, esse excesso está
17
diminuído, devendo desaparecer logo. As unidades movidas a gás serão menores
(100 MW – 200MW) e permitirão que as empresas invistam em aumento da
capacidade das empresas, mas parte de um esforço de cogeração empreendido por
produtores independentes de energia. (A cogeração envolve tanto a geração de
eletricidade por um gerador acionado pela turbina como a utilização produtiva da
energia térmica dos gases de exaustão. O vapor ou o calor do processo é vendido a
alguma indústria das proximidades).
1.4 Carvão: Um papel em expansão
O carvão é o combustível mais abundante da América e do mundo. Tanto,
que os Estados Unidos já foram chamados de “a Arábia Saudita do carvão”. A figura
16 mostra as reservas recuperáveis mundiais de carvão; os Estados Unidos têm
aproximadamente um quarto delas. O U.S Geoligical Survey estima que as reservas
americanas sejam de mais de 3 trilhões de toneladas, sendo que 300 bilhões de
toneladas são recuperáveis por meio da tecnologia existente atualmente. As
reservas mundiais totais recuperáveis de carvão são estimadas em 1.080 bilhões de
toneladas, suficientes para uso durante 210 anos com as taxas atuais de consumo.
Das reservas americanas recuperáveis de combustíveis fósseis, 80% são de carvão,
comparadas aos menos de 3% de petróleo e aos 4% de gás natural. Ainda assim, o
carvão corresponde hoje a apenas 23% do suprimento de energia americano,
comparado a 70% de 1925.
Figura 16 Reservas de carvão em 2007 (a cor mais escura representa maiores reservas)
geoninho.blogspot.com
18
1.5 Exemplo
Se todas as necessidades energéticas dos Estados Unidos fossem supridas
pelo carvão, as reservas durariam 80 anos com a presente taxa de consumo.
Este valor é enganoso, porque (1) o carvão não é capaz de atender a todas
as necessidades (algumas aplicações precisam de combustíveis líquidos), (2) não
foram incluídas perdas resultantes da segunda lei da termodinâmica, como uma
perda de aproximadamente 65% na geração de energia, e (3) foi considerado um
crescimento zero do consumo de energia. Um aumento de consumo de 3% ao ano
reduziria este número a 50 anos, enquanto um crescimento de 5% levaria 35 anos
até a exaustão.
O consumo americano de energia que vem do petróleo é o dobro da energia
gerada pelo carvão. A substituição generalizada do petróleo por carvão não é uma
tarefa simples. Uma grande parte do petróleo é utilizada em transporte. Líquidos
obtidos do carvão parecem promissores, mas a pesquisa e o desenvolvimento são
lentos e atualmente não são favoráveis comercialmente. Cerca de 90% do carvão
usado hoje é queimado por usinas e produtores independentes de energia. Em
caldeiras industriais, as restrições ambientais têm dificultado a utilização do carvão.
Aparentemente, o aumento do consumo de carvão vem sendo restringido pela
demanda, e não pela oferta.
1.6 Tipos de carvão
O carvão é formado a partir de material vegetal que se acumulou no fundo de
pântanos há milhões de anos. Essa vegetação se decompôs em turfa e, à medida
que o terreno se sedimentou, ela foi coberta por lama e areias, que se
transformaram no xisto e no arenito encontrados no topo dos veios de carvão atuais.
Ao longo de milhares de anos, a turfa foi compactada por pressões geológicas,
tornando-se gradualmente veios de carvão. Calcula-se que sejam necessários 20
pés de matéria vegetal para formar 1 pé de carvão. O carvão recebe quatro
qualificações, de acordo com a quantidade de carbono nele contida (figura 17). Os
carvões mais jovens são chamados de lignitos.
Classificação Carbono (%) Conteúdo energético
19
(Btu/ lb)
Lignito 30 5.000 – 7000
Sub-betuminoso 40 8.000 – 10.000
Betuminoso 50 – 70 11.000 – 15.000
Antracito 90 14.000
Figura 17 Classificação do carvão
As pressões geológicas exercidas pelo solo acima e as temperaturas são
mais baixas neste caso; portanto, os lignitos possuem alto teor de água e baixo teor
calorífico. Com pressões e temperaturas maiores, forma-se o carvão sub-
betuminoso. Embora ainda tenha um elevado teor de água, este carvão vem
despertando interesse por possuir pouco enxofre e custos de mineração mais
baixos. Com calor e pressão adicionais, forma-se o carvão betuminoso, que é o tipo
mais abundante de carvão. Neste tipo, valor calorífero é elevado. Existem imensos
depósitos no leste e meio-oeste dos Estados Unidos, porém, o teor de enxofre tende
a ser elevado – mais de 2% em massa. Finalmente, temos o antacitro, um carvão
muito duro com alto teor calorífero. Durante muitos anos, este carvão teve grande
popularidade para uso em aquecimento, já que não apresenta poeira nem fuligem, e
queima durante mais tempo do que os outros tipos. Entretanto, as fontes de
antracito são muito limitadas e atualmente encontradas principalmente na
Pensilvânia. Em cada estágio do seu desenvolvimento, a porcentagem de carbono
do carvão aumenta.
1.7 Padrões de produção e consumo de carvão
O consumo de carvão nos Estados Unidos permaneceu relativamente
constante em cerca de 600 milhões de toneladas por ano durante os 30 anos que se
seguiram à Segunda Guerra Mundial. Entretanto, durante esse período, a
porcentagem da sua contribuição no consumo total de energia declinou
dramaticamente, de cerca de 40% para 18%. Esse declínio foi o resultado principal
da disponibilidade de óleo e gás natural baratos e de queima limpa. Os mercados
também mudaram drasticamente. Nos anos 1940, as estradas de ferro eram as
maiores usuárias de carvão, consumindo 125 milhões de toneladas por ano, mas
hoje seu uso de carvão é desprezível, já que locomotivas elétricas e a diesel
substituíram as locomotivas a vapor movidas a carvão. Os usos industriais e
residenciais também diminuíram bastante os últimos 30 anos. O setor das usinas
elétricas foi o único em que a utilização de carvão aumentou: de 50 milhões de
toneladas em 1940 para 1.095 milhões de toneladas em 2003. Hoje, usinas elétricas
20
consomem aproximadamente 90% do carvão total produzido. A contribuição do
carvão no consumo doméstico de energia elétrica vem aumentando cerca de 3% ao
ano desde meados dos anos 1970. A produção de carvão nos Estados Unidos
atingiu 1.300 milhões de toneladas em 2003, e espera-se que cresça.
A produção de carvão tem sofrido deslocamentos geográficos significativos
desde os anos 1940. Em geral, a produção tem se deslocado para o oeste dos
Estados Unidos, e do subsolo para minas na superfície. A figura 18 mostra as
regiões de suprimento de carvão desse país por tipo de carvão. Embora mais da
metade da produção anual venha da região dos Apalaches, o carvão de baixo teor
de enxofre do meio-oeste e oeste terá mais impacto no futuro por causa das
limitações na emissão de enxofre impostas pela lei do Ar Limpo.
Figura 18 Depósitos de carvão nos Estados Unidos
1.8 Mineração de superfície
O carvão ocorre na forma de veios ou leitos, que variam em espessura de
algumas polegadas até mais de 100 pés. Ele é extraído no subsolo e em minas de
superfície. Cerca de 60% do carvão produzido atualmente vem de minas de
superfície, de veios muito próximos à superfície da Terra (figura 19). Na mineração
de superfície, a terra e as rochas que estão acima do veio – chamadas “sobrecarga”
– são removidas e colocadas de lado. O carvão exposto é então é quebrado e
transportado em caminhões. Sob condições ideais, a sobrecarga é então reposta e o
21
terreno é preparado para o posterior plantio. As máquinas escavadeiras utilizadas na
remoção da sobrecarga são gigantescas. Suas hastes podem ser maiores que um
campo de futebol americano e suas barras são capazes de remover 180 yd³
(aproximadamente a metade do volume de uma casa) em apenas ema “mordida”.
Figura 19 Vista aérea de uma mina de superfície (cprm.gov.br)
A mineração de superfície de carvão apresenta uma série de problemas
ambientais, cuja solução é essencial para a expansão da produção. A mineração de
superfície no leste dos Estados Unidos causou problemas ambientais catastróficos
no passado. Grandes extensões de terra foram deixadas na forma de buracos de
lama gigantescos. A remoção do solo superficial e sua vegetação, sem a reposição,
leva á erosão. A terra exposta não é capaz de sustentar a vegetação e,
consequentemente, a vida selvagem. Hoje em dia, uma legislação federal (Ato de
Controlo e Recuperação da Mineração de Superfície, de 1997) determina que as
áreas de mineração de superfície sejam recuperadas, devolvendo-se à terra sua
produtividade original. A recuperação é feita por meio da reposição cuidadosa do
solo superficial, seguida de reflorestamento. Porém, ainda não está claro se a
perturbação causada à terra pode ser totalmente remediada. Um problema é a
quantidade de água disponível o reflorestamento. Em áreas secas (com um índice
pluviométrico anual abaixo de dez polegadas), o reflorestamento pode se revelar
impossível. A mineração também pode alterar o suprimento local de água, assim
como sua drenagem. Outro problema difícil é a “drenagem ácida da mineração”.
Nesta situação, o carvão se combina com o oxigênio e o vapor de água para formar
22
o ácido sulfúrico, H₂SO₄. A água ácida é nociva à vegetação e à vida aquática das
redondezas.
A mineração de superfície no oeste americano vai crescer dramaticamente
nos próximos anos. As minas de superfície do oeste possuem veios que têm de 50
pés a 100 pés de espessura (comparados aos veios de 5 pés a 10 pés no leste), a
sobrecarga tem profundidade de apenas 30 pés a 40 pés, o teor de enxofre é baixo,
e a mineração de superfície é mais segura e envolve menos mão de obra do que a
no subsolo. A produção de uma mina de superfície em toneladas por hora é
aproximadamente oito vezes maior do que a de uma mina no subsolo.
Mesmo com as dificuldades ambientais associadas à mineração de superfície
do carvão do oeste, parece claro que o papel do carvão na matriz energética
americana terá importância crescente nos anos que virão. Quais serão as outras
restrições à expansão desse papel?
1.9 Restrições à demanda e suprimento de carvão
O aumento no uso do carvão pode ser dificultado pelo lado da demanda, pelo
lado do suprimento, ou por ambos. Vamos mencionar apenas brevemente tais
restrições para demonstrar as complexidades envolvidas no aumento do uso do
carvão.
Restrições ao suprimento de carvão vêm de várias áreas. Uma delas já foi
discutida: a solução dos impactos ambientais associados à mineração de superfície.
A velocidade do desenvolvimento da mineração de carvão na parte ocidental dos
Estados Unidos vai depender do sucesso na reabilitação dessas terras. Problemas
sociais também surgirão como resultado do desenvolvimento rápido do carvão no
oeste americano. Cidades vão se desenvolver muito rapidamente, como resultado
do alto influxo de mineradores e trabalhadores da construção civil. Em muitos casos,
isso levará a uma sobrecarga nas escolas e nos serviços públicos de abastecimento
de energia. Um impedimento à mineração no subsolo é a disponibilidade de mineiros
de carvão. A mineração de carvão no subsolo é a profissão mais perigosa dos dias
de hoje, de maneira que poderá ser difícil atrair os novos trabalhadores necessários
ao aumento projetado da mão de obra.
Como nas grandes empreitadas, as coisas não podem ser mudadas da noite
para o dia. O tempo necessário para se abrir uma nova mina de carvão é de três a
sete anos, e mesmo esse tempo tem sido alongado em virtude do atraso nos
pedidos de equipamento novo de mineração. Uma vez extraído o carvão, deve haver
23
meios de transporte suficientes para levá-lo às populações do leste. Atualmente,
65% de todo o carvão extraído é transportado por via férrea. Portanto, serão
precisos milhares de novos vagões de carga e locomotivas.
O aumento a curto prazo na demanda por carvão virá de seu uso crescente
na geração de eletricidade. Hoje, cerca de 72% da eletricidade gerada a partir de
combustíveis fósseis vem do carvão. Porém, fortes restrições têm sido impostas ao
aumento de sua utilização por causa dos padrões de qualidade do ar, especialmente
os de emissão SO₂. A chuva ácida (resultante de reações químicas entre óxidos de
nitrogênio e de enxofre e o vapor de água na atmosfera) é um assunto muito
importante hoje em dia, especialmente no leste dos Estados Unidos, no Canadá e
na Europa Ocidental. Efeitos nocivos aos peixes e às florestas já foram
comprovados. Entretanto, as emissões de dióxido de enxofre têm diminuindo nos
últimos 15 anos, como resultado de novos dispositivos de controle de poluição, do
uso de carvão de queima mais limpa e de técnicas de combustão do carvão (como a
combustão em leito fluidizado). Dispositivos confiáveis de controle de SO₂,
chamados scrubbers, ou unidades de dessulfurização dos gases das chaminés
podem reduzir a emissão em até 90%. Outra preocupação causada pelo uso do
carvão (assim como de petróleo e gás) são os efeitos climáticos resultantes da
emissão de CO₂.
2.0 Gasolina
Podemos descrever a gasolina conforme sua composição química ou as suas
propriedades:
a) Composição química: a gasolina é uma complexa mistura de centenas de
hidrocarbonetos, que variam conforme sua classe, em cada classe por tamanho,
podendo ser parafinas, olefinas, compostos cíclicos e aromáticos. Esta mistura de
hidrocarbonetos e oxigenados na gasolina determina suas propriedades físicas e
características de desempenho do motor.
b) Propriedades: a gasolina é produzida para atender os limites das
especificações e regulamentação local, e não para alcançar uma distribuição
especifica de hidrocarbonetos por classe e tamanho em sua composição. Entretanto,
em graus de variação estes limites definem a sua composição química. Considere,
por exemplo, a volatilidade da gasolina. A gasolina evapora dentro de uma faixa de
temperatura, de acordo com o perfil de destilação, conferindo ás especificações do
24
combustível o papel de limitante para a de amplitude desta faixa. Cada
hidrocarboneto evapora a uma temperatura especifica, denominada ponto de
ebulição e, geralmente, este ponto cresce com o peso molecular.
Conseqüentemente, requerer um perfil de destilação à gasolina é equivalente a
exigir uma mistura de hidrocarbonetos em uma certa gama de pesos moleculares.
Os limites de temperatura do perfil de destilação excluem hidrocarbonetos menores
com pontos de ebulição inferiores e maiores hidrocarbonetos com pontos de
ebulição superiores.
2.1 Blend e pool
Uma refinaria no seu primeiro estágio, destilação atmosférica, produz a
gasolina straight – run. Em estágios mais complexos, subseqüentes, produzem-se
outros componentes do pool da gasolina tanto para aumentar sua quantidade quanto
para elevar a sua qualidade.
A gasolina comercial é feita de diferentes frações, originarias da reforma
catalítica, isomerização e unidades de FCC (craqueamento catalítico). Aquelas
frações que vem de reforma e de isomerização são produzidas de cortes de
destilação e, conseqüentemente, contêm pouco ou nenhum enxofre, já os
compostos sulfurosos estão presente em petróleos com altos pontos de ebulição e
as cargas utilizadas na isomerização e na reforma são hidrotratadas. Por outro lado
os resíduos atmosféricos ou os destilados de vácuo que constituem as cargas do
FCC contêm quantidades significativas de enxofre 0,5 - 1,5% em peso.
Para o processo de blending, o pool da gasolina tem mais componentes
adicionais e que o pool do diesel. Não obstante, como normalmente a nafta
craqueada de FCC representa 30 – 40% do pool total da gasolina, sendo de longe o
mais importante contribuinte de enxofre na gasolina, até 85 - 95%, apenas a
alteração da mistura no pool da gasolina não resolveria o problema da remoção
profunda de enxofre.
2.2 Características especificas da gasolina
a) Volatilidade.
b) Características de detonação e pré-ignição.
c) Calor de combustão por unidade de massa e volume.
d) Calor latente da vaporização.
e) Estabilidade química.
f) Segurança.
25
2.3 Volatilidade
É a tendência de um liquido evaporar-se. A volatilidade é importante porque
líquidos e sólidos não queimam; somente vapores queimam. Quando um líquido
aparentemente está queimando, na realidade é o vapor invisível acima da sua
superfície que está queimando.
A volatilidade da gasolina é ajustada sazonalmente, conforme as condições de
operação dos motores que a consomem e a localidade onde operam estes motores:
 No inverno do hemisfério norte, o blend da gasolina busca rápida evaporação,
de forma a facilitar a partida do motor e sua operação ainda a frio.
 Em climas quentes e no verão do hemisfério norte, o blend da gasolina deve
evaporar-se menos facilmente para prevenir a evaporação e o chamado vapor lock
do motor (fenômeno que ocorre quando a gasolina evaporada acumula no sistema
de combustível, interrompendo ou reduzindo o fornecimento de combustível do
motor).
Duas propriedades são particularmente uteis para medir a volatilidade da
gasolina: pressão de vapor e perfil de destilação. A pressão pode ser entendida
como a pressão exercida pelo vapor quando o mesmo se encontra em equilíbrio
com o líquido. A pressão de vapor é medida a 37,8ºC e 1 atm, e á expressa em kPA
ou psi. Quando a PRV (pressão de vapor Reid) da gasolina é baixa, o motor pode ter
dificuldades de partida; quando a PRV da gasolina é alta, o motor tem partida a frio
mais fácil. A faixa típica de PVR da gasolina está entre 48,2 e 103,0 kPa ( ou 7,0 e
15,0 psi).
2.4 Resistência á detonação e octanagem
A combustão de um motor é iniciada por um centelhamento elétrico. Quando
a combustão é anormal, ocorre uma auto-ignição espontânea do combustível, que
causa um aumento súbito de pressão do cilindro do motor, podendo resultar em:
 Ruído
 Perda de potência
 Sobreaquecimento
 Dano ao equipamento
Assim, por definição, a detonação é a explosão da mistura por efeitos da
pressão. A resistência a detonação é uma característica crucial dos combustíveis de
motores de ignição por centelha. Esta propriedade antidetonante do combustível
26
depende basicamente de sua composição química. Os efeitos da detonação são
nocivos para o motor. Repetidas detonações provocarão superaquecimento e a
perfuração da cabeça dos êmbolos.
O índice de octano (IO) é uma propriedade da gasolina que indica a qual
limite máximo a mistura vapor de combustível-ar pode ser comprimida dentro da
câmara de combustão, sem que haja detonação espontânea, ou seja, sem que a
mistura entre em combustão antes da centelha da vela de ignição (mede a
resistência de um combustível a inflamar-se espontaneamente).
 Quanto maior seu índice de octanas, maior temperatura e pressão o
combustível poderá suportar e será maior sua resistência à detonação.
 Motores com taxas de compressão elevadas requerem gasolina de maior
octanagem, para apresentar rendimento termodinâmico mais elevado e maior
desempenho. No caso de motor com alta taxa de compressão recebe combustível
de octanagem insuficiente, seu sistema de monitoramento eletrônico reduzirá
automaticamente a taxa de compressão, a fim de evitar a batida de pino. Isto resulta,
em perda de potencia.
No caso da gasolina, este combustível possui um componente chamado
heptano (C7H16), que tem baixa resistência à compressão, e o iso-octano (C8H18),
que tem grande resistência à compressão. Assim, em termos simplificados e
comparativos, quando uma gasolina tem 80 octanos, ela se comporta em relação à
detonação por compressão da mesma forma que uma gasolina que tivesse 80% de
iso-octanos (2,2,4 tri-metil-pentano) e 20% de heptano em sua composição. Ou
ainda, o índice de octanos foi convencionado como igual a 100 para o iso-octano e
“0” para o heptano. As especificações da gasolina, em termos de octanagem,
evoluíram em passo com a evolução dos motores, em termos de taxa de
compressão.
Logo, o IO é uma representação numérica do padre antidetonante de um
combustível. O método de ensaio consiste em operar o motor com uma mistura de
referência (isoctano mais heptano) e com o combustível a ser testado, nas
condições padrão, e ajustar a razão de compressão, para fornecer uma intensidade
padrão de batida. A proporção de isoctana na mistura de referência, que fornece as
mesmas características de detonação do combustível utilizado, é indicada como
índice de octano.
27
O IO tem grande importância nos motores de gasolina, pois um motor só
opera adequadamente quando a inflamação se produz no momento azado – quando
salta a faísca da vela – e não de modo incontrolado. Existem dois índices de
medição do OI – RON e MON -, segundo o procedimento empregado no ensaio do
combustível.
a) Método MON (Motor Octane ou método motor – ASTM D2700)
Avalia a resistência à detonação da gasolina na situação em que o motor está
em plena carga e em alta rotação.
b) Método RON (Research Octane Number) ou método pesquisa – ASTM D-
2699
Avalia a resistência à detonação da gasolina na situação em que o motor ETA
carregado e em baixa rotação (até 3 000 rpm). Para uma mesma gasolina, o RON
tem um valor típico superior ao MON de ate 10 octanas.
No Brasil, a princípio, usa-se ao índice MON. Alguns países utilizam a
octanagem RON, e outros – por exemplos, os EUA – o índice de octanagem AKI6
=
(MON+RON) / 2.
Finalmente, existem os componentes da gasolina com alto índice de octanagem
(aromáticos, olefinas, isômeros, alquilados) e os aditivos (produtos finais) para
aumento da octanagem da gasolina. Entre os aditivos, destacam-se:
CTE (Chumbo Tetra Etila – Pb (CH3)4): Foi suprimido totalmente da formulação da
gasolina pela Petrobras em 1989, devido à sua toxidade: produz formação de
depósito de óxidos de chumbo, ocasionando corrosão nas paredes dos cilindros; é
toxico e não pode ser utilizado nos combustíveis empregados para alimentar
motores com catalisadores no tubo de descarga. A percentagem adicionada destes
aditivos no combustível, com finalidade de aumentar o IO, variava na ordem de 0,08
a 0,9 cm3
/ litros.
Oxigenados: A gasolina oxigenada inclui tanto a complexa mistura de
hidrocarbonetos da gasolina-base, quanto a adição de um ou mais oxigenados, que
contem não apenas carbono e hidrogênio, mas também oxigênio. Os oxigenados
são alcoóis ou éteres.
2.5 Poder calorífico e eficiência energética
Energética dos motores depende de uma serie de variáveis que não além das
simples propriedades do combustível; tamanho do veiculo, aerodinâmica,
características do motor, da transmissão etc. Também importam as condições
28
ambientais de operação do motor, as condições da estrada, o estilo de direção do
motorista, o congestionamento da via. Pequenas viagens tendem a apresentar
maiores consumos específicos do que viagens mais longas, na medida em que
motores mais frios usam mais energia para vaporizar o combustível e vencer a
resistência de lubrificantes mais frios. Vale ressaltar que três características básicas
do combustível afetarão o uso final de energia do motor:
a) Calor de combustão: É a quantidade de calor liberada na combustão
completa de uma molécula-grama de uma substância. Em geral, refere-se a valores,
a volume ou a pressão constante. Independentemente da velocidade com que se
procede à combustão. A formulação da gasolina afeta bastante esta propriedade.
Por exemplo, compostos aromáticos tendem a aumentar o poder calorífico gasolina
(são normalmente tóxicos e cancerígenos). Por sua vez, os oxigenados reduzem o
poder calorífico da gasolina. A redução percentual, neste caso, é próxima do
percentual de massa de oxigênio adicionada á gasolina. Por exemplo, uma gasolina
oxigenada com 2,7% em massas de oxigênio tem um poder calorífico cerca de 2,7%
menor do que a gasolina convencional.
b) Calor latente de vaporização: É a quantidade de calor que deve ser
fornecida ao liquido para vaporizá-lo, a uma dada temperatura. Por exemplo, a
gasolina oxigenada com etanol necessita de calor adicional para vaporizar o
combustível final.
c) Ponto de ignição: Temperatura a que se deve aquecer (ou pressão a que se
deve comprimir) uma substância para ocorrer a sua combustão. Depende da
atmosfera em que está inserida a substancia.
3.0 Diesel
Assim como a gasolina, na verdade, é uma mistura (pool) de centenas de
compostos químicos, com número de carbono variando entre 10 e 22. Estes
compostos podem ser parafínicos, naftênicos ou aromáticos. As proporções destas
diferentes classes de hidrocarbonetos no diesel definirão a sua qualidade. Enquanto
na gasolina, uma propriedade fundamental era a sua capacidade de resistir à
detonação (medida pela sua octanagem), no diesel, o que vale é a sua capacidade
de sofrer combustão por pressão (o que é medido pelo seu número de cetanas). Na
gasolina, a octanagem decresce com a proporção de compostos parafínicos. No
diesel, a cetanagem aumenta com a proporção de compostos parafínicos. De certo
modo o que se espera no diesel é o contrário do que se pretende na gasolina.
29
3.1 Blend e pool
Existe um certo compromisso entre qualidade (rendimento) de um produto
prêmio em uma refinaria. Um pool mais especificado é composto por menos
correntes: Por exemplo, se o refinador pretende produzir diesel de baixa qualidade
(em grandes quantidades), o pool deste derivado deve ser igual à soma das
seguintes correntes intermediárias: diesel de destilação direta (straight-run), diesel
de HCC (se há HCC), diesel de HDT diesel (brando ou severo), óleo leve de reciclo
de FCC (LCO) e uma fração do corte de querosene.
Já para o diesel ultra-especificado, conhecido como ultra low sulfur diesel
(ULSD), o pool será composto por diesel de HCC, diesel de HDT severo e uma
fração do corte de querosene hidrotratada.
3.2 Características específicas do diesel
Segue nãos próximos parágrafos as características específicas do diesel.
3.3 Temperatura de ebulição e perfil de destilação
Para compostos orgânicos de uma mesma classe, o ponto de ebulição cresce
com o número de carbonos. Para compostos com mesmo número de carbonos, o
ponto de ebulição tende a crescer da classe isoparafínica para normal-parafínica,
naftênica e aromática.
3.4 Temperatura de fusão
A temperatura de fusão tende a crescer com o peso molecular, porém é
fortemente influenciada pela estrutura da molécula. Parafinas e aromáticos têm
pontos de fusão mais elevados do que isoprafinas e compostos alifáticos, com o
mesmo número de carbonos.
3.5 Poder calorífico
Para compostos com o mesmo número de carbonos, o poder calorífico cresce
dos compostos aromáticos para os naftênicos e parafínicos. A ordem é a inversa,
quando fazemos a comparação em base volumétrica, porém aromático é o maior, e
parafínico o menor.
3.6 Viscosidade
A viscosidade está relacionada ao peso molecular e o ideal é que ela esteja
entre 2,0 e 4,5 cST a 40ºC. Os limites de viscosidade do diesel são importantes
para:
 Garantir a fluidez do combustível durante a partida a frio.
 Prevenir perda de potência ou abrasividade a elevadas temperaturas.
30
3.7 Instabilidade química
A instabilidade envolve a conversão química de precursores em espécies de
alto peso molecular e limitada solubilidade. Os precursores são usualmente
compostos com enxofre ou nitrogênio, ácidos orgânicos e olefinas reativas. A
conversão é basicamente a oxidação dos precursores. Certos metais dissolvidos,
especialmente o cobre, podem ainda catalisar esta reação de oxidação. Muito
importante é o fato de que, contrariamente à intuição, dois combustíveis estáveis, ao
serem misturados, podem formar uma mistura instável. A instabilidade oxidativa é
uma prioridade química, e não física, do combustível.
3.8 Números de cetanas (NC)
O número de cetanas do diesel e o índice de octanagem da gasolina medem
ambos, a tendência de o combustível entrar em ignição espontaneamente. Como
suas escalas de referências foram elaboradas de forma a que o maior medisse a
maior qualidade do respectivo combustível, um combustível com alto teor de cetanas
tem baixa octanagem, e vice-versa.
a) No número de cetanas, o maior valor representa o combustível que sofre
combustão rapidamente e, portanto, se presta adequadamente ao motor diesel.
b) Na octanagem, o maior valor representa o combustível que resiste melhor à
detonação e, portanto, se presta bem ao motor à gasolina.
Assim os combustíveis destinados aos motores diesel devem ser facilmente
inflamáveis ao contato com o ar superaquecido. Esta facilidade de inflamação é
favorável ao arranque do motor e assegura uma combustão mais completa,
diminuindo a produção de fumaças no escape.
 Um combustível com alto NC queima quase instantaneamente após ser
injetado no cilindro ou tem curto atraso de ignição.
 Por sua vez, um combustível de baixa NC resiste à autodetonação e tem
grande atraso para ignição.
Os combustíveis para motores a diesel devem possuir um índice
compreendido entre 30 e 60 cetanos. Os combustíveis mais favoráveis aos motores
diesel atuais são aqueles cujo índice se situa entre 45 e 50 cetanos. O melhor óleo
diesel é encontrado nas frações perto do querosene.
31
 Abaixo de 30 cetanos, o combustível apresenta grandes dificuldades de
inflamação; não permite bom arranque a frio e provoca grande quantidade de
fumaça no escape.
 Acima de 60 cetanos, a inflamação demasiado fácil do combustível favorece a
detonação do motor, seguindo-se uma diminuição da potência e uma fadiga
exagerada dos elementos mecânicos: pistão, bielas e cabeçotes.
O número de cetanas varia sistematicamente com a classe dos
hidrocarbonetos:
 Parafinas normais têm alto NC, que aumenta com o peso molecular.
 Isoparafinas têm larga faixa de NC, entre 10 e 80.
 Naftenos têm NC entre 40 e 70.
 Aromáticos têm NC entre 0 e 60. Quanto menor o número de anéis
aromáticos e maiores as ramificações alquiladas, maior o NC. Moléculas com mais
de um anel aromático têm NC abaixo de 20. Assim dois compostos definem o
padrão do NC:
a) 1-metil-naftaleno, que tem baixo desempenho no motor diesel. A este
composto é conferido o NC igual a zero (0). Devido a sua toxidez, o alfa- metil-
naftaleno foi substituído pelo Heptametilnonano, que assume valor 15 para o
número.
b) N-hexadecano (cetana), que tem ótimo desempenho no motor diesel. Este
composto é referido n padrão igual a 100.
Estes hidrocarbonetos são, portanto, a referência primária para medição por
comparação de cetanagem dos combustíveis.
3.9 Qualidades do combustível e desempenho do motor
Entre as propriedades do motor diesel que devem ser atendida, merecem
destaque, por sua relação com a qualidade do diesel, as seguintes:
 Partida: busca-se alto número de cetanas (NC).
 Ruído: busca-se alto NC.
 Atrito: buscam-se lubricidade dinâmica e lubricidade estática: alta viscosidade
cinemática melhora a lubricidade.
 Potência: alta viscosidade afeta negativamente a combustão e a potência.
 Operação a baixa temperatura: busca-se um menor teor de parafinas de alto
peso molecular e de ceras.
32
 Estabilidade do combustível (formação de gomas ou hidrocarbonetos de alto
peso molecular e baixa solubilidade): é um problema crítico do motor de motores
diesel, até porque a redução do teor do enxofre do diesel, através de unidade de
HDS sem refinarias, diminui também o teor de antioxidantes. Colocam-se aditivos no
diesel. Porém, o que é sobremodo importante para o caso da formulação com o
biodiesel ou diesel de detergentes origens, dois combustíveis quimicamente estáveis
não formam necessariamente uma mistura estável. O problema é sobre tudo de
base química. Da mesma forma aditivos válidos para um combustível não valem
para outro ou para mistura.
 Consumo: associado ao poder calorífico do combustível e, sobretudo, as
características do motor (razão de compressão e características da injeção do
combustível).
 Emissões: especialmente NOx e material particulado (as emissões de CO e
de compostos orgânicos voláteis não são importantes, porque, a queima é pobre e o
diesel é menos volátil do que a gasolina).
3.10 Partida
Quando se dá a partida no motor diesel, o calor da compressão é a única
fonte de energia para aquecer o gás na câmara de combustão ate a temperatura em
que se inicia ignição do combustível (cerca de 400ºC). É importante notar que:
 Como as paredes da câmara de combustão estão inicialmente à temperatura
ambiente, elas representam um sumidouro de calor e não uma fonte.
 Durante a partida, a compressão ocorre mais lentamente do que nas
condições de operação normais do motor, o que também leva as maiores perda de
calor e ar comprimido para as paredes do cilindro.
Ainda assim, dependendo das condições ambientes, o motor pode ter
dificuldade de, durante a sua partida, induzir a completa combustão do combustível
injetado no topo do cilindro. Este diesel não - combusto sairá como exausto do
motor, usualmente forma pequena gotícula.
3.11 Potência
Potência do motor é função basicamente do seu projeto. Contudo, se a
viscosidade do combustível estiver fora da faixa adequada, a combustão pode ficar
excessivamente podre, resultando na perda de Potência do motor.
3.12 Ruído
33
O ruído produzido pelo motor diesel é a combinação do ruído da combustão
com ruídos mecânicos. As propriedades do combustível afetarão o ruído da
combustão, na medida em que, no motor diesel, o combustível deverá sofrer ignição
espontaneamente logo após a sua injeção no cilindro. No entanto, sempre há certo
atraso na ignição, durante o qual o combustível se vaporiza e se mistura com o ar na
câmara de combustão. A combustão leva a liberação rápida de calor e aumento
drástico da pressão na câmara. Este aumento de pressão é a causa do ruído da
combustão, que pode ser reduzido com a elevação da cetanagem (NC) do diesel –
que diminui o atraso da ignição. Com um menor atraso da ignição, menos
combustível precisa ser injetado para que a combustão se inicie, reduzindo-se
também o tempo de mistura do combustível com o ar.
3.13 Consumo de combustível
Para o consumo de combustível, o projeto do motor é bem mais relevante do que as
propriedades do combustível. O consumo de diesel estará diretamente relacionado
ao poder calorífico do combustível.
3.14 Lubricidade
No motor diesel, o próprio combustível serve para lubrificar algumas partes
moveis do equipamento (bombas de combustíveis e injetores). Para evitar a
abrasividade excessiva, o combustível deve apresentar certo grau de lubricidade.
Lubricidade é a qualidade de reduzir a fricção entre superfícies sólidas em
movimento relativo.
a) A lubricidade hidrodinâmica é baseada numa camada de líquido que evita o
contato entre superfícies opostas. Neste caso a viscosidade é a propriedade básica
do diesel.
b) Durante elevada carga ou baixa rotação, apenas áreas relativamente
pequenas das superfícies que se opõem estão em contato. Nestes casos alguns
compostos presentes no diesel podem formar uma camada protetora antiabrasão,
aderindo às superfícies metálicas do motor. Espacialmente importantes são os
traços de compostos oxigenados e nitrogenados no diesel, e certas classes de
compostos aromáticos.
c) Finalmente a redução quase total do teor de enxofre do diesel reduz a sua
lubricidade. Assim, aditivos são empregados para a lubricidade do diesel com baixo
teor de enxofre, estes aditivos contêm um grupamento polar que, atraído pela
superfície do metal, forma uma fina camada lubrificante.
34
3.15 Operações a baixas temperaturas
A operação a baixa temperatura é um problema importante para a
propriedade do diesel porque este destilado médio contêm compostos parafínico em
grande proporção na sua composição, que podem se solidificar a temperaturas
reduzidas ( por exemplo, temperaturas do inverno do hemisfério norte e mesmo do
inverno de certas áreas do sul do Brasil). Quando isso acontece, a cera formada
pode entupir o filtro de combustível, tornando impossível ao sistema de combustível
alimentar o motor. O projeto do motor pode minimizar este problema, localizando a
bomba do combustível e os filtros em partes da carroceria onde receberão mais
calor de exaustão do motor. Contudo, o pool do diesel oriundo da refinaria também
deve responder a este problema:
 Reduzindo o uso de petróleos muito parafínicos como carga.
 Reduzindo a temperatura do corte do diesel (isto excluirá os componentes
parafínicos de alto peso molecular propensos a formar ceras).
 Diluindo o combustível com um outro com menor conteúdo de cera (por
exemplo, querosene).
 Adicionando aditivos para operação do diesel a reduzidas temperaturas.
3.16 Estabilidade do combustível
O diesel instável forma compostos orgânicos insolúveis ou gomas, ambos se
depositam nos injetores e os particulados insolúveis entopem o filtro de combustível.
A instabilidade do diesel pode ocorrer durante um período de longo de
armazenamento, mas também é verificada na recirculação do combustível. A
instabilidade térmica do diesel tem adquirido importância na medida em que
fabricantes de motores, para aumentar o desempenho da maquina térmica e reduzir
suas emissões atmosféricas, tem elevado as pressões de injetores. Estas
modificações do motor diesel expõem o combustível a maiores tempos de
resistência nos injetores.
O diesel com baixo teor de enxofre é mais estável do que o diesel com
elevado teor de enxofre, porquanto o DHT que remove enxofre também destrói
precursores de compostos orgânicos insolúveis.
3.17 Qualidade do combustível e emissões
 Enxofre: O teor de enxofre do diesel afeta não apenas as emissões de
compostos de enxofre, mais também de qualquer material particulado porque o
35
enxofre se converte em aerossol sulfato no exausto do motor. Os filtros de
particulados requerem combustível com reduzido teor de enxofre. De fato os óxidos
de enxofre competem com os sítios catalíticos requeridos para conversão de NO em
NO2 no DPF (diesel particulare filter), aumentando também a temperatura de
regeneração do filtro. O enxofre pode também ser oxidado no filtro, entupindo o
dispositivo. Os catalisadores de oxidação, que reduzem o material particulado
emitido pelo motor diesel, atuando sobre a fração orgânica solúvel deste material,
também atuam oxidando o SO2 e SO4, o que por sua vez, aumenta as emissões de
particulados. Reduzir o teor de enxofre do diesel significa poder aplicar no motor
tecnologias de controle de particulados. O diesel com alto teor de enxofre prejudica
não apenas o desempenho de particulados, como pode aumentar a emissão desses
poluentes.
 Números de cetanas: Aumenta o NC melhora a combustão e, reduz as
emissões de NOx e material particulado.
 Densidade: A densidade do combustível afeta a quantidade de energia
química por volume de combustível. A redução da densidade e diesel tende a
diminuir as emissões de NOx.
 Aromáticos: A redução do teor de aromáticos diminui as emissões de NOx e
material particulado.
4.0 Impactos ambientais
Os impactos ambientais da produção de gasolina e diesel seguem nos
próximos parágrafos.
4.1 Emissões atmosféricas
Poluentes associados a emissões atmosféricas de refinaria incluem: amônia
(NH3), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), acido sulfídrico (H2S),
metais, óxidos de nitrogênio (NOx), particulados, ácidos (HF, H2SO4), óxidos de
enxofre (SOx), compostos orgânicos voláteis (COVs), e numerosos compostos
orgânicos tóxicos. Estas emissões são geradas por varias fontes dentro da refinaria.
 Combustão: emissões associadas à queima de combustíveis.
 Emissões fugitivas no transporte ou movimentação de produtos: associadas à
perda por evaporação de compostos voláteis, através de válvulas, juntas de
tubulações, bombas.
36
 Emissões evaporativas associadas ao processo: ocorre durante as reações
químicas.
 Emissões evaporativas associadas ao estoque de produtos voláteis.
 Emissões evaporativas associadas à estação de tratamento de água da
refinaria.
Na comparação entre as emissões atmosféricas de refinaria e diferentes
unidades de refino, impende introduzir rapidamente o conceito de complexidade, em
termos simplificados, está associado à capacidade de conversão da refinaria
relativamente à capacidade de processamento primário (destilação ou separação).
Refinarias mais complexas, a principio são capazes de diferentes crus – e crus mais
pesados – obtendo rendimento altos em derivas leves através da utilização de fundo
de barril.
4.2 Localização de impactos no processo de refino
Processos Emissões
atmosféricas
Efluentes
líquidos
Resíduos
sólidos
Consumo
de
energia
Resíduo
térmico
Ruído Segurança
Separação
Destilação
(atmosférica e
a vácuo)
X X Y X X Y X
Conversão
Termo-
craqueamento
X X Y X X Y X
Coqueamento
retardado
X X X X X X X
FCC X X X X X Y X
HCC X X X X X Y X
Reforma X X X X X Y X
Isomerização X X X X X Y X
Produção de
MTBE
X X X X Y Y X
Alquilação X Y X X Y Y X
Tratamento
HDS X X X X X Y X
Adoçamento
X X X X Y Y X
Lavagem de X Y X X Y Y X
37
gases
Produção de
lubrificantes
Extração de
solvente
Y Y Y X Y Z X
Outras
unidades
Y X
Recuperação
de S
X X Y Y Y Y X
Flare Y Y Y Y X X X
Torre de
refrigeração
X X Y Y Y Y Y
Estação de
tratamento de
Água
X X X X Y Z Y
Unidade de
mistura
(blending)
X X Y Y Y Z X
Fonte: EIPCCB, 2004
Legenda:
X: alto
Y: baixo
Z: desprezível
4.3 Fatores médios para emissões de atmosféricos para fontes energéticas
consumidas em refinarias (em g/GJ)
SOX NOX CO Particulados COVs
Destilados médios 69 60 16 4 1
Óleos residuais 731 159 14 34 4
Gás natural 0 60 15 1 3
Gás de refinaria 0 60 15 1 3
GLP 0 89 15 3 3
Coque de petróleo 1075 408 131 310 2
Fonte: EPA, 1995. Energetics, 1998
Comumente a complexidade de uma unidade de refino em uma refinaria
como um todo, é mensurada pelo índice de Nelson. Quanto maior é este índice,
maior é a complexidade da refinaria ou sua capacidade conversão. As refinarias
mais complexas tendem a possuir maior porte e mais unidades intensivas. No
entanto, há casos de refinarias de baixa complexidade e pequeno porte, com alta
38
emissão de CO2, porque estas refinarias tendem a operar com processos
energeticamente menos eficientes e também menos seletivos, apresentando menor
rendimento nos produtos finais almejados, ou consumindo mais energia e emitindo
mais CO2 para obter o produto almejado.
Em relação às emissões de NOx, cuja principal fonte são os processos de
combustão a altas temperaturas como fornos, caldeiras, regeneradores de FCC,
incineradores, turbinas a gás entre outros, forman 90% de NO, elas depende
basicamente das condições operacionais da queima. Neste sentido não há uma
relação explicita entre complexidade e emissões de NOx, ainda que refinarias com
FCC tendam a emitir mais NOx (em média, as refinarias européias, a regeneração
de catalisadores do FCC emite 16% do NOx total emitido).
Em relação aos particulados inclusive os metais pesados, a sua emissão está
associada à queima de óleos residuais em caldeiras e fornos, e à queima do coque
de FCC em regeneradores.
Em relação às emissões de SOx, especialmente SO2, mas também SO3,
existe uma relação direta da carga processada com o combustível produzido e
consumido na própria refinaria, e com as suas emissões de enxofre. No entanto, não
existe uma correlação clara entre emissões de SO2 e a complexidade das refinarias,
medida pelo índice de Nelson. Apenas, pode-se inferir que, como o FCC é uma das
principais unidades emissoras de SO2, refinarias com maior capacidade de FCC
tendem a emitir mais SO2. Finalmente em relação às emissões de compostos
orgânicos voláteis, boa parte das mesmas associa-se às emissões fugitivas da
refinaria.
4.4 Descargas líquidas
O processamento de petróleo requer grandes volumes de água, ainda que
bastante variáveis conforme a refinaria: sua complexidade, configuração,
capacidade de reciclagem, localização. Deste total, fração considerável se pode
reciclar; o restante encontra-se, porém, contaminado e deve passar pelos
tratamentos primários e secundários.
Estima-se o consumo de água de refinarias entre 250 a 350 litros de água por barril
de óleo bruto processado (OGJ 1992). Em geral são quatro as fontes de descargas
líquidas de refinarias:
 Vazamentos intermitentes de água, por exemplo, durante a lavagem de
tanques e reatores, ou devido a falhas em equipamentos.
39
 Água de refrigeração: refinarias demandam volumes consideráveis de água
de refrigeração. Esta água porem, não entra em contato com óleo e contêm menos
contaminantes que as correntes de água empregadas nos processos. Assim quase
toda a água de refrigeração pode ser reciclada, através de sistemas fechados com
torres de refrigeração, que promovem a troca térmica entre a corrente de água e o ar
ambiente. A água de refrigeração deve conter também aditivos antiincrustação.
 Água para uso sanitário.
 Água de processos: entra em contato diretamente com óleo e está, portanto
contaminada. Esta corrente advém principalmente, da dessalgação, das torres de
destilação, fracionamento e esgotamento. O seu tratamento envolve a separação do
óleo da água e remoção de sais, sólidos, e H2S e NH3. A quantidade de descarga
líquida gerada depende dos processos aplicados na refinaria. Todos os processos
lidam com vapor para destilação ou fracionamento, o que leva à produção de água
ácida.
5.0 Biomassa
Biomassa é ainda um termo pouco conhecido fora dos campos da energia e
da ecologia, mas já se faz parte do cotidiano brasileiro. Fonte de energia não
poluente, a biomassa nada mais é que a matéria orgânica, de origem animal ou
vegetal, que pode ser utilizada na produção de energia. Para se ter uma ideia da sua
participação na matriz energética brasileira, a biomassa responde por um quarto da
energia consumida no país. A utilização como combustível pode ser feita a partir de
sua forma bruta, como madeira, produtos e resíduos agrícolas, resíduos florestais,
resíduos pecuários, excremento de animais e lixo.
Ao contrário das fontes fósseis de energia, como petróleo e o carvão mineral,
a biomassa é renovável em curto intervalo de tempo. Além do pequeno tempo
necessário a sua produção, a fotossíntese, o processo produtivo da biomassa, capta
em geral quantidades superiores aquelas dos gases emitidos na queima para a
formação de mais matéria prima. Nesse processo, o ciclo de carbono é de curta
duração, limitando-se a superfície terrestre.
A questão é que de uns tempos para cá, com o aumento da preocupação
relativa ao efeito estufa, o uso da biomassa como forma de obter energia limpa e
barata vem representando um enorme atrativo principalmente para as indústrias.
40
Mas, é importante ressaltar que a biomassa não é necessariamente “a
mocinha” da história. A combustão de qualquer material de origem orgânica produz
material particulado, CO₂ ou CO e outros óxidos dependendo do material
combustível. A questão é que ultimamente tem se valorizado a utilização de
biomassa proveniente de resíduos urbanos, florestais e industriais com o fim de
diminuir a quantidade de resíduos em aterros, além de que, alguns processos de
obtenção de energia a partir da biomassa não produzem os gases causadores do
efeito estufa, ou produzem uma quantidade bem menor do que os combustíveis
fósseis (gás natural).
5.1 Energia de biomassa
É aquela derivada de matéria viva como os grãos (milho, trigo), as árvores e
as plantas aquáticas. Esta matéria viva também é encontrada nos resíduos agrícolas
e florestais (incluindo os restos de colheita e os estrumes) e nos resíduos sólidos
municipais. A biomassa pode ser utilizada como combustível em três formas:
Combustíveis sólidos, como as lascas de madeira; combustíveis líquidos produzidos
a partir da ação química ou biológica sobre a biomassa sólida e da conversão de
açúcares vegetais em etanol ou metanol; e combustíveis gasosos produzidos por
meio do processamento com alta temperatura e alta pressão.
Os recursos de biomassa ocupam uma grande área de terra. Eles têm a
possibilidade de fornecer, em qualquer lugar, de 4% a 25% da energia necessária
nos Estados Unidos. A biomassa atualmente abastece 3% das necessidades
energéticas norte-americanas e pode fornecer várias vezes mais energia que a
esperada de fontes eólicas e fotovoltaicas. A Suécia e a Finlândia utilizam a
biomassa para 14% de suas demandas energéticas. Além disso, este recurso é de
particular utilidade para nações do mundo em desenvolvimento, onde os altos
preços do petróleo desaceleram o crescimento econômico. Como uma forma
armazenada de energia solar, a biomassa tem a vantagem de os custos com
coletores serem menores e o armazenamento de energia já estar incluído. A
biomassa pode ser convertida em combustíveis líquidos e gasosos em diversas
etapas, enquanto a combustão direta para produção de vapor ou eletricidade
também é bastante popular. A Figura 20 ilustra algumas formas por meio das quais
a biomassa é convertida em outros combustíveis.
41
Figura 20 Formas por meio das quais a biomassa é convertida em outros combustíveis
5.2 Conversão de biomassa
O processo fundamental de conversão nas plantas verdes é a fotossíntese,
que é a combinação de CO₂ atmosférico com água e energia luminosa para produzir
oxigênio e carboidratos (como açúcares e amidos).
O reverso deste processo é chamado respiração, na qual CO₂, H₂O e calor
são produzidos pela combustão de carboidratos e oxigênio. Ela ocorre nas folhas e
raízes dos vegetais e nos animais, assim como na matéria orgânica em
decomposição. A eficiência da fotossíntese é de apenas cerca de 1% para o
processo de transformação de energia solar em energia química armazenada. Nas
plantas verdes, a fotossíntese ocorre durante o dia, e a respiração, à noite, levando
a alterações diárias na concentração de CO₂ atmosférico.
A concentração de dióxido de carbono varia de acordo com as estações do
ano; mais alta no inicio da primavera e mais baixa no outono, no fim da temporada
de crescimento. Vinte por cento da área de terra livre norte-americana (nos 48
Estados contíguos) é dedicada à produção agrícola, e 30% são cobertos com
florestas comerciais e nativas. Em valor energético, o milho é a maior cultura,
seguido por soja e aveia. A base terrestre americana totaliza 2.260 milhões de
acres. Quase metade disso tem potencial para produção de biomassa. Terras com
florestas e de agricultura podem suprir 1,3 bilhão de toneladas secas de biomassa
42
por ano, o suficiente para substituir um terço da demanda atual de combustíveis
para transporte. Defensores dizem que o uso da biomassa deste modo requer
modificações apenas modestas no uso da terra e nas práticas florestais e agrícolas.
Tais modificações não teriam impacto nas demandas de alimentos, alimentação e
exportações. Os Estados Unidos seriam assim menos dependentes da importação
de petróleo, diminuiriam sua emissão de gases estufa e teriam melhorias na
economia rural. A produção de etanol em 2004 foi cerca de 3,4 bilhões de galões, e
tem crescido em torno de 20% ao ano.
Os processos para a conversão de biomassa em outras formas de energia
são numerosos, mas podem ser classificados em três tipos:
√ Processos bioquímicos – decomposição de resíduos orgânicos em uma atmosfera
deficiente em oxigênio – com a produção de gás metano (digestão anaeróbica) ou a
fermentação controlada para a produção dos álcoois etanol e metanol.
√ Combustão direta – queima de biomassa para produzir calor para o aquecimento
de ambientes ou para a produção de eletricidade através de uma turbina de vapor.
Qualquer coisa – de resíduos sólidos e sobras de colheitas a madeira – pode servir
como combustível para este processo.
√ Pirólise – decomposição térmica de resíduos em um gás ou líquido (com um
relativamente baixo valor de aquecimento) sob altas temperaturas (500ºC a 900ºC)
em uma atmosfera pobre em oxigênio.
6.0 Álcoois
São produtos da conversão de biomassa que têm recebido considerável
atenção nos últimos anos como substitutos para os líquidos derivados de petróleo. A
fermentação de materiais vegetais para a conversão de seus açúcares em álcool
data de mais de 4 mil anos: os egípcios faziam cerveja com grãos e uvas. Mais de
100 anos atrás, Louis Pasteur identificou as leveduras como catalisadores do
processo de fermentação.
Os dois álcoois de maior importância são o etanol e o metanol. O etanol é um
líquido transparente com ponto de ebulição de 78ºC. Sua fórmula é C₂H5OH, e
também chamado de álcool de grãos ou álcool etílico. Ele pode ser feito de uma
série de matérias-primas, porém, as mais comuns são a cana-de-açúcar, o milho e a
madeira. Os Estados Unidos usam principalmente milho; o Brasil usa cana-de-
açúcar; a França, trigo e beterraba; e a Alemanha, centeio. A Figura 21 é um
43
fluxograma simples para a produção de etanol a partir do milho, iniciando com
carboidratos complexos.
O etanol produzido com grãos demanda grandes quantidades de energia para
plantio, fertilização e colheita. Ele pode melhorar o desempenho dos veículos e
produz menos emissões que os veículos a gasolina. O etanol feito de madeira pode
reduzir as emissões de gases estufa, pois as plantas absorvem CO₂ enquanto
crescem. Sem saber, muitos carros nos Estados Unidos já utilizam etanol – uma
mistura (gasohol) com 10% de etanol e 90% de gasolina comum, conhecido como
E10. Minnesota exigia E10 em todos os seus veículos e aumentou para E20 em
2005. Muitos postos de combustível no meio-oeste americano fornecem
combustíveis E85. Carros flex-fueled (com flexibilidade para uso de combustíveis)
usam este combustível E85. Seus motores são aptos a funcionar com diferentes
misturas de combustíveis, desde a gasolina comum até E85 e M85, apenas
ajustando eletronicamente o tempo de ignição e as relações ar/combustível. A
maioria das grandes montadoras fabrica esses carros; há atualmente nos Estados
Unidos 4 milhões de carros flex-fueled. Preços menores tornam esses carros
especialmente atrativos hoje, embora apresentem maior consumo, com 10% a 15%
a menos de mpg. Contudo, o etanol feito de milho não reduz as emissões de gases
estufa por causa do petróleo usado para o cultivo e os fertilizantes.
O etanol foi utilizado como combustível nos veículos Ford Modelo-T no início
do século XX e teve sua utilização aumentada durante a depressão (como uma
mistura álcool-gasolina), quando foram empreendidos esforços para estimular a
economia agrícola nos Estados Unidos. Durante as crises do petróleo das décadas
de 1970 e 1980, uma adição de 5% a 10% de álcool à gasolina foi promovida para
substituir parte do petróleo usado como combustível automotivo. Não é necessária
nenhuma conversão do motor para utilizar esta mistura. Se etanol puro for
queimado, modificações devem ser feitas, porque ele é corrosivo e pode degradar
alguns metais e polímeros utilizados nos sistemas a gasolina. Além disso, a baixa
densidade de energia do etanol faz com que um carro que o utilize tenha uma
autonomia cerca de um terço menor do que se usasse gasolina. O Brasil teve uma
longa história relacionada com o uso do etanol de cana-de-açúcar em seus carros.
Quase metade da sua frota era movida por etanol puro.
O custo de produzir etanol tornou-se mais econômico na medida em que os
preços do petróleo subiram. Os Estados Unidos produzem mais de 3 bilhões de
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Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa

  • 1. UNIVERSIDADE PAULISTA INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS PIM IV Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa Diferenças de Produção, Aspectos Energéticos e Ambientais Danilo Ulisses da Silva RA A607013-0 Junior Campos Ozono RA A697DJ-0 Luana Santos Benfatti RA A5119E-3 Rita de Cássia dos Santos RA A50175-4 São José dos Campos Novembro de 2011
  • 2. UNIVERSIDADE PAULISTA INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS PIM IV Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa Diferenças de Produção, Aspectos Energéticos e Ambientais Danilo Ulisses da Silva RA A607013-0 Junior Campos Ozono RA A697DJ-0 Luana Santos Benfatti RA A5119E-3 Rita de Cássia dos Santos RA A50175-4 TRABALHO APRESENTADO COMO REQUISITO DE APROVAÇÃO NAS DISCIPLINAS EMPREENDEDORISMO E ESTRATÉGIA DE NEGÓCIOS, DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL, EXPLORAÇÃO E PRODUÇÃO, ENERGIAS RENAVÁVEIS E NÃO RENOVÁVEIS, QUÍMICA GERAL II E TÉCNICAS DE REFINO, NO QUARTO SEMESTRE DO CURSO SUPERIOR TECNOLÓGICO DE GESTÃO EM PETRÓLEO E GÁS, NA UNIVERSIDADE PAULISTA, UNIP, EM SÃO JOSÉ DOS CAMPOS. São José dos Campos Novembro de 2011
  • 3. Danilo Ulisses da Silva RA A607013-0 Junior Campos Ozono RA A697DJ-0 Luana Santos Benfatti RA A5119E-3 Rita de Cássia dos Santos RA A50175-4 Combustíveis Fósseis x Combustíveis da Biomassa Diferenças de Produção, Aspectos Energéticos e Ambientais UNIVERSIDADE PAULISTA INSTITUTO DE CIÊNCIAS SOCIAIS E COMUNICAÇÃO CURSOS SUPERIORES DE GESTÃO TECNOLÓGICA TECNOLOGIA EM PETRÓLEO E GÁS Data de aprovação:_____de________________de 2011 _____________________________________________________ Professor Francisco Martins Orientador do PIM IV
  • 4. I Resumo O desenvolvimento mundial promoveu alterações significativas no modo de produção e consumo de energia na sociedade. A geração e distribuição de energia se tonaram essenciais para a obtenção de resultados satisfatórios no setor industrial, pois o trabalho executado pelas máquinas, que são cada vez mais comuns no processo produtivo, só é possível através de energia. Portanto, esse processo intensificou a dependência da utilização de combustíveis, em especial os de origem fóssil: petróleo, carvão mineral e gás natural. Aproximadamente 87% de todo o combustível consumido no mundo é de origem fóssil, ou seja, não renovável. Essas substâncias, formadas de compostos de carbono, são resultado de um longo processo de decomposição da matéria orgânica (depósitos fósseis, florestas soterradas), que fica submetida a condições com pouco oxigênio, pressão da terra e elevadas temperaturas. Após serem processados adequadamente para determinada utilização, essas fontes energéticas podem ser empregadas na produção de combustíveis (gasolina e diesel), lubrificantes, energia elétrica, aquecimento de caldeiras e fornos, entre outros. Apesar das várias vantagens, os combustíveis fósseis são extremamente poluentes e a sua utilização desordenada contribui para o aquecimento global, desencadeia chuvas ácidas, emite gases que poluem a atmosfera, contaminam os recursos hídricos, etc. Por serem de origem fóssil, esses combustíveis irão se esgotar na natureza. Caso não se reduza a média de consumo registrada nas últimas décadas, as reservas mundiais de petróleo e gás natural e as de carvão, devem se esgotar nas próximas décadas. A busca por alternativas eficazes de produção e distribuição de energia é um elemento essencial para o ser humano, principalmente na atual sociedade, onde os modos de consumo se intensificam a cada dia. Diante dessa dependência de recursos energéticos, surge a necessidade de diversificar a utilização das fontes energéticas. A energia proveniente da Biomassa é uma energia renovável, ou seja, pode ser adquirida em curto espaço de tempo se comparada ao tempo de formação do petróleo, por exemplo. Essa fonte energética é renovável, pois a sua decomposição libera CO₂ na atmosfera, que, durante seu ciclo, é transformado em hidratos de carbono, através
  • 5. II da fotossíntese realizada pelas plantas. Nesse sentido, a utilização da biomassa, desde que controlada, não agride o meio ambiente, visto que a composição da atmosfera não é alterada de forma significativa, porém, para a produção de sua matéria-prima, grandes áreas de florestas às vezes devem ser destruídas, o que é considerado também um impacto ambiental. No Brasil o uso dessa fonte de energia representa um quarto na matriz energética. Atrás do petróleo e do gás natural. Esse trabalho traz comparações sobre essas duas fontes de energia. O capítulo 1 descreve os tipos de combustíveis fósseis existentes: petróleo, gás natural e carvão mineral. No capítulo 2, veremos a definição da gasolina e no capítulo 3, a do diesel, e também como é feita a produção. Esses dois tipos de combustíveis foram selecionados pelo fato de serem os combustíveis mais produzidos dentre os combustíveis de origem fóssil. No capítulo 4 podemos conferir os impactos ambientais causados por uma refinaria para a produção dos derivados do petróleo. No capítulo 5 é a vez biomassa ser citada. Começa com a definição, e passa pela produção de alcoóis com combustível da biomassa, no capítulo 6, e a do biodiesel, no capítulo 7, que também foram selecionados por serem os principais combustíveis dessa fonte de energia. O capítulo 8 descreve a digestão anaeróbica para a produção de gases para uso combustível. No capítulo 9 é mostrada também os principais aspectos energéticos e impactos ambientais causados pela produção e consumo dos combustíveis dessa fonte de energia alternativa. O último capítulo, 10, traz informações referentes ao uso de energia e sua relação com a sustentabilidade.
  • 6. III Abstract The development of the world has promoted significant changes in the way of production and consumption in society. The generation and distribution have become essential for obtaining satisfactory results in the industrial sector, for the work performed by machines, which are increasingly common in the production process, that’s only possible through energy. Therefore, this process has increased the dependency on the use of fuels, especially from fossil fuels: oil, coal and natural gas. Approximately 87% of all fuel consumed worldwide is produced from fossil fuels, ie, non-renewable. These substances, formed of carbon compounds are the result of a long process of decomposition of organic matter (fossil deposits, buried forests), which is subjected to low oxygen conditions, earth pressure and high temperatures. After being processed properly for a particular purpose, these energy sources can be used to produce fuels (gasoline and diesel), lubricants, electricity, heating boilers and furnaces, among others. Despite several advantages, fossil fuels are highly polluting and disorderly use contributes to global warming, acid rain triggered, emits gases that pollute the atmosphere, contaminating water resources. For being fossil fuels, these fuels will be exhausted in nature. If we do not reduce the average consumption recorded in recent decades, the world reserves of oil and natural gas and coal must be exhausted in the coming decades. The search for effective alternatives for energy production and distribution is an essential element for humans, especially in today's society, where consumption modes are intensifying every day. Given this dependence on energy resources, there is a need to diversify the use of energy sources. Energy from Biomass is a renewable energy, or can be acquired in a short time compared to the time of formation of oil, for example. As said above, this energy source is renewable, because its decomposition releases CO ₂ in the atmosphere, which, throughout its life cycle, it is converted into carbohydrates through photosynthesis by plants. In this sense, the use of biomass, since controlled, does not harm the environment, since the composition of the
  • 7. IV atmosphere does not change significantly, however, for the production of its raw material, large forest areas sometimes must be destroyed, which is also considered an environmental impact. In Brazil the use of this energy source is a quarter the energy matrix. Behind the oil and natural gas. This paper presents comparisons of these two energy sources. Chapter 1 describes the types of existing fossil fuels: oil, natural gas and coal. In Chapter 2, we see the definition of gasoline and diesel in chapter 3, and how the production is done. These two types of fuel were selected because from fossil fuels they are more produced. Chapter 4 can provide the environmental impacts caused by a refinery for the production of petroleum derivatives. In chapter 5 the biomass is cited. It begins with the definition, and goes through the production of alcohols, in chapter 6 and biodiesel, in chapter 7, which were also selected for being the main source of this fuel energy. Chapter 8 describes the anaerobic digestion to produce gas for fuel. It is also shown in chapter 9 the main energy aspects and environmental impacts caused by production and consumption of this alternative energy source. The last chapter, 10, contains information regarding energy use and its relationship to sustainability.
  • 8. V Lista de figuras 1 - Aumento do preço do petróleo..........................................................................2 2 - Diagrama de McKelvey......................................................................................3 3 - Curva de Hubbert..............................................................................................5 4 - Consumo e produção americana de petróleo...................................................5 5 - Reservas mundiais e americanas em 2003......................................................6 6 - Consumo mundial de petróleo...........................................................................7 7 - Reservas mundiais por região...........................................................................7 8 - Reservas mundiais por país..............................................................................8 9 - Primeiro poço comercial de petróleo, Titusville, Pensilvânia, EUA...................9 10 - Consumo de petróleo nos Estados Unidos.....................................................9 11 - Esquema simplificado de uma refinaria..........................................................10 12 - Típica barreira de petróleo..............................................................................12 13 - Método aperfeiçoado de recuperação.............................................................13 14 - Usos do gás natural por setor.........................................................................15 15 - Consumo de gás de 2008-2011......................................................................16 16 - Reservas de carvão em 2007..........................................................................17 17 - Classificação do carvão...................................................................................19 18 - Depósitos de carvão nos Estados Unidos.......................................................20 19 - Vista aérea de uma mina de superfície...........................................................21 20 - Formas por meio das quais a biomassa é convertida em outros combustíveis ................................................................................................................................41 21 - Fluxograma para a produção de etanol a partir do milho...............................42 22 - Combustíveis alternativos para veículos.........................................................47 23 - Densidade energética de diversos combustíveis............................................48 24 - Digestor de metano de recipiente fixo.............................................................51
  • 9. VI Sumário Resumo...................................................................................................................I Abstract...................................................................................................................III Lista de figuras........................................................................................................V Sumário...................................................................................................................VI 1.0 - Introdução.......................................................................................................1 1.1 - Terminologia dos recursos.............................................................................2 1.2 - Petróleo...........................................................................................................6 1.3 - Gás natural.....................................................................................................13 1.4 - Carvão: Um papel em expansão....................................................................17 1.5 - Exemplo..........................................................................................................18 1.6 - Tipos de carvão..............................................................................................18 1.7 - Padrões de produção e consumo de carvão..................................................19 1.8 - Mineração de superfície.................................................................................20 1.9 - Restrições à demanda e suprimento de carvão.............................................22 2 0 - Gasolina..........................................................................................................23 2.1 - Blend e pool....................................................................................................24 2.2 - Características específicas da gasolina.........................................................24 2.3 - Volatilidade.....................................................................................................25 2.4 - Resistência a detonação e octanagem..........................................................25 2.5 - Poder calorífico e eficiência energética..........................................................27 3 0 - Diesel..............................................................................................................28 3.1 - Blend e pool....................................................................................................29 3.2 - Características específicas do diesel.............................................................29 3.3 - Temperatura de ebulição e perfil de destilação.............................................29 3.4 - Temperatura de fusão....................................................................................29 3.5 - Poder calorífico...............................................................................................29 3.6 - Viscosidade....................................................................................................29 3.7 - Instabilidade química......................................................................................30
  • 10. VII 3.8 - Números de cetanas (NC)..............................................................................30 3.9 - Qualidades do combustível e desempenho do motor....................................31 3.10 - Partida...........................................................................................................32 3.11 - Potência........................................................................................................32 3.12 - Ruído............................................................................................................32 3.13 - Consumo de combustível.............................................................................33 3.14 - Lubricidade...................................................................................................33 3.15 - Operações a baixas temperaturas...............................................................33 3.16 - Estabilidade do combustível.........................................................................34 3.17 - Qualidade do combustível e emissões.........................................................34 4.0 - Impactos ambientais.......................................................................................35 4.1 - Emissões atmosféricas...................................................................................35 4.2 - Localização de impactos no processo de refino............................................36 4.3 - Fatores médios para emissões de atmosféricos para fontes energéticas consumidas em refinarias (em g/GJ)......................................................................37 4.4 - Descargas líquidas.........................................................................................38 5.0 - Biomassa........................................................................................................39 5.1 - Energia da Biomassa......................................................................................40 5.2 - Conversão de biomassa.................................................................................41 6.0 - Alcoóis............................................................................................................42 6.1 - Metanol...........................................................................................................44 6.2 - Programa brasileiro de etanol........................................................................48 7.0 - Biodiesel.........................................................................................................49 7.1 - Biodiesel e H-Bio no Brasil.............................................................................49 8.0 - Digestão anaeróbica.......................................................................................50 9.0 - Impactos ambientais.......................................................................................51 10 - Energia e Sustentabilidade..............................................................................51 Conclusão...............................................................................................................VIII Referências.............................................................................................................IX
  • 11. 1 1.0 Introdução Atualmente, cerca de 85% das fontes comerciais de energia usadas no mundo são oriundas de combustíveis fósseis – carvão, petróleo e gás natural. Entretanto, com exceção do carvão, as reservas destes combustíveis, com as taxas de utilização atuais, podem não durar mais do que o tempo de existência das pessoas vivas hoje. O combustível de uso mais comum, o petróleo, parece ter as menores reservas globais, mas continua sendo a mercadoria da qual mais dependemos. De fato, a dependência de petróleo, especialmente para transporte, deixa muitos países vulneráveis a um desastre econômico de grandes proporções em caso de interrupção ou corte de fornecimento. O Japão importa praticamente todo o seu petróleo (sobretudo do Oriente Médio), enquanto alguns países, cujas economias têm crescimento rápido hoje (Coréia, Tailândia, Cingapura), dependem em grande parte do petróleo importado. Nos Estados Unidos, o carvão responde pela maior fatia da produção doméstica de energia, seguido pelo gás natural e pelo petróleo bruto. Nos anos 1990, o crescimento da economia e os baixos preços do petróleo bruto levaram a um aumento no consumo de carvão, gás natural e petróleo. No caso do carvão, essa elevação ocorreu principalmente em usinas elétricas, cuja produção cresceu a uma taxa de 2,2% ao ano. Na década de 1990, a demanda pó gás natural subiu 2,1% ao ano em quase todos os setores (residencial, indústria e de concessionárias elétricas), mas permaneceu constantes na primeira metade da década atual. O maior consumo de petróleo foi resultado do aumento dos transportes (mais carros nas estradas, mais milhas percorridas), e a não expansão da economia global de combustíveis nos últimos 15 anos (na verdade ela diminui 6% em razão do crescimento da venda de veículos utilitários esportivos (SUV´s) e caminhões leves) resultou no aumento de 22% no consumo total de gasolina automotivo no período de 1990 a 2005. Veículos de passageiros consumiram 85% das importações americanas. Um efeito colateral dos preços baixos do petróleo bruto é a redução na exploração de petróleo e gás. Quando o preço do petróleo bruto subiu de forma abrupta em 1981, a exploração subiu níveis recordes. Havia 861 equipes engajadas em exploração, os poços rotatórios eram 3.970, e os pecos exploratórios abertos eram 17.500 por ano. À medida que os preços do petróleo caíam na metade da década de 1980, havia cortes drásticos na exploração. Em 1993, os números tinham
  • 12. 2 caído a 79 equipes, 754 poços rotatórios e 1.300 exploratórios. Na maior parte da década de 1990, os baixos preços continuaram a inibir a exploração; aproximadamente 2.500 poços exploratórios continuaram a ser abertos por ano. Os aumentos espetaculares do preço do petróleo a partir de 1999 (figura 1) levaram à reversão desta situação. Figura 1 Aumento do preço do petróleo (www.olharsentido.blogspot.com) 1.1 Terminologia dos recursos A terminologia utilizada para descrever os estados das fontes de combustíveis fósseis parece ambígua, na melhor das hipóteses. Palavras como reservas, reservas conhecidas e recursos não descobertos são usadas frequentemente, e muitas vezes de forma incorreta. Essas diferenças são importantes e serão discutidas nesta seção. É difícil prevermos a quantidade de um determinado recurso que permanece não utilizado ou ainda não descoberto no solo. Como nossas estimativas são baseadas em exploração incompleta, sempre sobrará algum recurso a ser descoberto. E mesmo que ainda reste uma quantidade de um determinado recurso, fatores econômicos e técnicos sempre determinam a quantidade passível de ser extraída.
  • 13. 3 Figura 2 Diagrama de McKelvey (www.books.google.com.br) Utilizaremos o método desenvolvido pelo U.S. Geological Survey, chamado de diagrama de McKelvey (figura 2), para categorizar os diferentes tipos de recursos petrolíferos. Começaremos com um retângulo que mostra todos os recursos (petróleo, neste exemplo) que existe em uma área determinada (tal como os Estados Unidos). O eixo vertical registra o custo crescente do produto final, começando pelo canto superior esquerdo, que indica o produto de menor custo de recuperação. O eixo horizontal mostra a incerteza crescente de descoberta. As reservas ocupam o canto superior esquerdo deste triângulo e são definidas como aqueles recursos que são bem conhecidos por meio da prospecção e que podem ser recuperados com preços e tecnologias atuais. O lado direito do diagrama se refere a recursos ainda não descobertos, cuja incerteza aumenta na medida em que se afasta de eixo vertical para a direita. O lado esquerdo, além da área correspondente às reservas, conhecidas cujo custo de exploração é viável (o retângulo da figura), permite, na parte inferior, a representação de reservas conhecidas (de baixa incerteza), cujos custos de extração são altos demais no cenário atual. Às vezes, as reservas são divididas em comprovadas, indicadas e inferidas. As comprovadas são aquelas passíveis de produção em reservatórios conhecidos, sob condições econômicas e tecnológicas existentes. Reservas indicadas são quantidades recuperáveis de jazidas conhecidas por meio do melhoramento das técnicas de recuperação. E as inferidas são os depósitos esperados em jazidas identificadas, porém ainda não quantificadas.
  • 14. 4 O tamanho da caixa das reservas é estabelecido pelas próprias indústrias de energia. Infelizmente, uma parte dos dados pode ser subestimada, já que alguns Estados taxam as reservas conhecidas. Ainda assim, são os melhores números disponíveis. À medida que uma indústria exaure suas reservas, ela procura manter seu inventário pela adição de novas reservas. Entretanto, a adição de novas reservas de petróleo, nos Estados Unidos, historicamente não tem sido capaz de acompanhar o consumo. De 1962 até o presente, em nenhum ano esse país foi capaz de compensar o petróleo consumido com a descoberta de novas reservas. Mas, como sabemos o tamanho da caixa correspondente às reservas totais de petróleo? Um método avalia esse tamanho supondo que a quantidade de petróleo existente em um determinado tipo de estrutura geológica é fixa, e então estima o volume total desse tipo de estrutura que existe nos Estados Unidos ou no mundo. A quantidade presente é, então, o número estimado de barris por metro cúbico multiplicado pelo volume estimado daquele tipo de estrutura geológica. Outro método é a “abordagem comportamental”, em que a história da produção de petróleo é extrapolada para o futuro, a fim de se avaliar a quantidade remanescente no solo. Um exemplo famoso desta abordagem é a previsão feita em 1969 por M. King Hubbert, O princípio por trás dessas curvas de produção em forma de sino é que o uso histórico de combustível começa com o aumento contínuo no tempo. Em dado momento os depósitos de baixo custo ou com pouca exigência de tecnologia são exauridos; o uso do combustível atinge um nível máximo e depois diminui à medida que os preços aumentam e a substituição de combustível cresce. A figura 3 mostra uma dessas curvas para a produção mundial de petróleo (a figura 4 mostra a produção americana). Tal curva sugere que por volta do ano 2050 a produção de petróleo nas reservas mundiais vai estar somente 10% dos níveis atuais.
  • 15. 5 Figura 3 Curva de Hubbert (www.cienciahoje.uol.com.br) Muitos analistas de recursos não acreditam que a abordagem comportamental pudesse ou devesse ser aplicada para se fazer previsões acerca dos recursos totais disponíveis. O argumento é que esta é uma questão geológica e deve ser respondida por meio de dados geológicos. O uso da história, dizem eles, não é relevante para se fazer previsões. Não se pode substituir a exploração geológica. A abordagem comportamental não leva em consideração os avanços tecnológicos na descoberta e na extração da jazida. A produção anual depende da tecnologia, bem como do custo e da demanda. Figura 4 Consumo e produção americana de petróleo (www.oceanica.ufrj.br)
  • 16. 6 A figura 5 apresenta as reservas mundiais, em 2003, de petróleo, gás natural e carvão. Também são mostradas as taxas de consumo mundiais e americanas para cada um desses combustíveis. (Conforme vimos nos parágrafos anteriores, existe um grau muito grande de incerteza nas estimativas dos recursos). A razão entre as reservas e o consumo fornece uma estimativa da longevidade de um combustível sob as condições atuais de consumo. Mas devemos lembrar que as reservas são aumentadas substancialmente pelos recursos à medida que os preços subirem ou novas tecnologias forem descobertas. Mundial Estados Unidos Tempo de vida Petróleo 1.213 x 109 bbl 7,00 x 1018 bbl 23 x 109 bbl 0,12 x 1018 Btu 10 anos Gás natural 5.505 x 1012 ft3 5,4 x 1018 Btu 187 x 1012 ft3 0,19 x 1018 Btu 9 anos Carvão 1,08 x 1012 tons 27 x 1018 Btu 0,27 x 1012 tons 6,5 x 1018 Btu 250 anos Areia betuminosa 272 x 109 bbl 22 x 109 bbl 8 Anos 1,5 x 1018 Btu 0,12 x 1018 Btu Óleo de xisto 2.570 x 109 bbl 20 x 109 bbl 8 Anos 15 x 1018 Btu 0,11 x 1018 bbl Figura 5 Reservas mundiais e americanas em 2003 1.2 Petróleo O apetite mundial por petróleo continua a crescer (figura 6). Em 2003, o consumo diário mundial total era de 82 milhões de barris por dia (MBPD), dos quais 19 MBPD, ou cerca de 25% foram consumidos nos Estados Unidos (aproximadamente 56% desse petróleo foi importado). Além de consumir mais do que qualquer outro país, os Estados Unidos são o terceiro maior produtor, abaixo somente da Arábia Saudita e da Rússia. Entretanto, os Estados Unidos têm apenas menos de 2% das reservas mundiais conhecidas, que seriam suficientes somente para mais quatro anos se utilizadas à taxa atual. Embora esses números possam parecer enganadores, já que novas reservas certamente serão encontradas nesse país, as descobertas não deverão alterar significamente esse tempo de vida.
  • 17. 7 Figura 6 Consumo mundial de petróleo (www.psp-sa.com) A figura 7 mostra as reservas mundiais de petróleo por região e o consumo por região. Observe a não uniformidade da distribuição de petróleo. Os campos petrolíferos do Oriente Médio contêm cerca de 64% do petróleo mundial, em 0,5% da área total do planeta. A figura 8 exibe as reservas mundiais de petróleo por país em 2003. Figura 7 Reservas mundiais por região (www.biodiselbr.com)
  • 18. 8 Figura 8 Reservas mundiais por país Apesar de o primeiro poço de petróleo comercial ter sido perfurado em Titusville, Pensilvânia, em 1859 (figura 9), a utilização do petróleo na medicina, em lâmpadas e em outras aplicações remonta aos tempos bíblicos. O piche de asfalto era empregado no antigo Egito e na Babilônia por volta de 2500 a.C. para impermeabilização e em ruas; os gregos e os romanos o usavam em suas armas. Os chineses perfuravam poços atrás de petróleo e gás antes de 1000 a.C., e os utilizavam para aquecimento e iluminação. O uso do petróleo aumentou bastante a partir de 1859, pois passou a ser usado como substituto do óleo de baleia. O preço do óleo de baleia (utilizado para iluminação) estava aumentando em razão da dizimação desse mamífero.
  • 19. 9 Figura 9 Primeiro poço comercial de petróleo, Titusville, Pensilvânia, EUA (www.blogdoklebers.blogspot.com) Conforme temos discutido ao longo desse capítulo, o petróleo é crucial para a economia mundial, especialmente em aplicações nas quais sua substituição é difícil, como transportes, agricultura e produtos petroquímicos. Dois terços do petróleo consumido nos Estados Unidos são utilizados em transporte (figura 10). Figura 10 Consumo de petróleo nos Estados Unidos Legenda: 1= Geração de eletricida 3% 2= Comercial/ residencial 6% 3= Industrial 24% 4= Transporte 67%
  • 20. 10 O petróleo é uma mistura de óleo cru, gás natural em solução em semissólidos asfálticos espessos e pesados. Todos os depósitos de petróleo contêm gás natural, mas nem todos os depósitos de gás natural contêm óleo. O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos (compostos de hidrogênio e carbono), com uma razão média de hidrogênio para carbono de aproximadamente 1 para 7 em massa. Alguns compostos possuem apenas um átomo de carbono, enquanto uns poucos têm atém cem átomos de carbono. Não se encontrou duas amostras de petróleo com a mesma mistura de componentes. O petróleo também contém pequenas porcentagens de compostos de vanádio, níquel e enxofre. Figura 11 Esquema simplificado de uma refinaria (www.books.google.com.br) O petróleo bruto deve passar por uma série de estágios durante o processo de refinação para que seja convertido em produtos úteis. Na refinação, o primeiro passo é a destilação, que separa as partes do petróleo em função de seus diferentes pontos de ebulição. O petróleo é inicialmente aquecido desde a parte inferior e depois passa por uma torre de fracionamento (com aproximadamente 40 m de altura). Os diversos derivados de petróleo são condensados a diferentes temperaturas na torre e são coletados. As frações (ou produtos) mais pesadas acumulam-se na parte inferior da torre, enquanto a gasolina é condensada no topo (alguns gases não se condensam, por isso são retirados no topo e adicionados ao gás natural). A figura 11 mostra um esquema simplificado de uma refinaria. A maior parte dos produtos que saem da torre sofre um tratamento químico e/ ou térmico posterior para fornecer derivados como gasolina, óleo para aquecimento, combustível de aviação, óleo diesel, parafinas e asfalto. A gasolina é o derivado
  • 21. 11 mais importante do petróleo, representando aproximadamente 45% da produção de uma refinaria. A produção da refinaria pode ser ajustada de acordo com a estação, para produzir mais ou menos gasolina e óleo para aquecimento. Aproximadamente 10% de todo o petróleo utilizado nos Estados Unidos fornece à indústria química insumos como metano, etano, benzeno e tolueno, que são usados na produção de fertilizantes, plásticos, solventes, náilon, borracha sintética e assim por diante. O petróleo tem sua origem na decomposição de matéria orgânica, geralmente a fauna marinha, que é convertida em petróleo ao longo de milhões de anos, sob altas pressões e temperaturas associadas ao soterramento profundo. O petróleo (e o gás natural) formado sob essas condições pode migrar por rochas adjacentes, formando depósitos a partir dos quais pode ser extraído. Esses depósitos são encontrados em rochas-reservatórios, como arenito, xisto e calcário, as quais absorvem o petróleo da mesma forma que uma esponja absorve água. Tais rochas são bastante porosas (têm vazios ou aberturas) e permeáveis, permitindo o movimento dos líquidos ou gases. Para que o petróleo se acumule e não escape, é essencial que o reservatório esteja coberto por uma rocha impermeável ou não porosa que vai atuar como uma barreira que evita a migração do petróleo e dos gases rumo à superfície. O tipo mais comum de barreira ou armadilha é o “anticlino”, causado pelo deslocamento das camadas inferiores da Terra. À medida que o óleo se move para cima no anticlino, fica preso sob uma rocha na forma de domo, tal como o xisto impermeável (figura 12). Outro tipo de barreira é o “domo de sal”, que resulta da intrusão para cima de um tampão de sal, oriundo de grandes profundidades, para dentro do estrato adjacente.
  • 22. 12 Figura 12 Típica barreira de petróleo (www.books.google.com.br) A procura por petróleo tem se encontrado na busca de tais domos de sal ou anticlinos. Os primeiros geólogos concentravam-se na observação de feições de superfície e na anotação, em um mapa, da inclinação de camadas ou bacias sedimentares. Tais estudos da superfície têm sido expandidos mais recentemente pelo uso da sismologia para se “ver” a estrutura da Terra sob a superfície. Na medida em que a busca por novos depósitos de petróleo continua, torna- se cada vez mais difícil obter sucesso com as técnicas convencionais de perfuração. Uma vez que o petróleo e o gás natural são frequentemente encontrados juntos, seus métodos de recuperação são semelhantes. Ambos estão geralmente presos na rocha porosa que atua como reservatório. O reservatório tem um teto de rocha impermeável, que impede a migração dos combustíveis rumo à superfície. A água é mais densa do que o petróleo, portanto encontra-se no fundo da barreira, abaixo do petróleo e do gás natural. Um poço de perfuração que atinge um reservatório produz inicialmente resultados graças ao escoamento natural, já que as pressões no subsolo forçam o petróleo para cima – resultando, em alguns casos, em um pólo jorrante. Para aumentar e sustentar a remoção, uma unidade de bombeamento é normalmente empregada, mantendo uma pressão mais baixa no topo do poço, como um canudo num copo de refrigerante. Uma recuperação adicional (secundária) é feita por meio da injeção de água no reservatório, aumentando, assim, sua pressão. Mesmo com a recuperação secundária, menos de um terço do petróleo é extraído (figura 13). Para aumentar ainda mais a recuperação do petróleo, métodos aperfeiçoados ou terciários são utilizados. O mais comum é a injeção de vapor no
  • 23. 13 solo. O calor do vapor torna o petróleo menos viscoso, e permite que ele escoa mais facilmente para fora da rocha porosa e do poço, a fim de que possa ser bombeado para a superfície. Outro método envolve a injeção de CO₂ ou nitrogênio diretamente no petróleo, para aumentar a pressão no reservatório e liberar o petróleo da rocha. Um terceiro método utiliza produtos químicos, como polímeros em vez de gases, para forçar as moléculas dos componentes do petróleo para fora das rochas do reservatório. Estima-se que o uso de métodos de recuperação aperfeiçoados pode aumentar a produção de petróleo de um reservatório em 10% a 30%. Figura 13 Método aperfeiçoado de recuperação (thalescastroblog.blogspot.com) Os Estados Unidos possuem mais poços perfurados por milha quadrada do que qualquer outro país do mundo. À medida que a extração de petróleo se torna mais difícil, o petróleo descoberto por pé (ft) perfurado tem caído de forma quase linear desde os anos 1940. A profundidade média de um poço nos Estados Unidos hoje em dia chega a 8 mil pés, e somente 30% dos poços perfurados têm sucesso. Com o avanço da tecnologia de extração de petróleo, a energia gasta por pé perfurado aumenta. Alguns analistas de recursos sugerem que eventualmente será atingido um ponto em que a energia que pode ser obtida de um poço será igual à energia nele aplicada. Os maiores aumentos nas reservas dos Estados Unidos são esperados na perfuração de poços de grande profundidade em alto-mar. Aproximadamente 33% do petróleo bruto e 21% do gás natural dos Estados Unidos são provenientes da reservas marinhas atualmente. Exceto por uma faixa de 3 milhas de águas
  • 24. 14 estaduais, o governo federal americano é dono dos recursos minerais submersos em águas internacionais, e fornece concessões para a exploração e a produção em uma determinada região. Algumas estimativas dão conta de que metade das reservas americanas esteja em tais águas. Entretanto, a exploração em meados dos anos 1980 ao largo da costa leste (no Baltimore Canyon, ao largo de Nova Jersey e Maryland) mostrou-se bastante decepcionante. Ademais, a preocupação ambiental com derramamentos de petróleo fez com que milhões de acres de áreas marinhas fossem retirados das áreas passíveis de concessão. 1.3 Gás Natural O gás natural é uma mistura de hidrocarbonetos leves, principalmente metano (CH₄). Assim como o petróleo bruto, é formado a partir da decomposição de matéria orgânica. Ele pode estar misturado com petróleo (sob as pressões existentes no reservatório), ou preso em regiões nas quais o petróleo bruto não é abundante. O gás natural encontrado sozinho em reservatórios é chamado de gás não associado. Algumas teorias sugerem que a formação do gás natural não é de origem biológica, e que ele é oriundo das profundezas da terra. (As ramificações dessas teorias levariam a diferentes métodos e locais de prospecção). O primeiro poço perfurado nos Estados Unidos em busca de gás natural, em 1821, ficava próximo às margens do lago Erie em Freedonia, Nova Iorque. Porém, antes que a indústria pudesse se expandir, era necessário que gasodutos fossem desenvolvidos para que o combustível chegasse ao consumidor. Depois da Segunda Guerra Mundial, uma rede de gasodutos de alta pressão foi construída para atender a todo o território continental americano. Vermont foi o último Estado concluído na rede, em 1966. Hoje, os Estados Unidos têm mais de 1 milhão de milhas de gasodutos. Do fim da Segunda Guerra até a década de 1970, o uso do gás natural nos Estados Unidos teve um crescimento fenomenal. O consumo quadruplicou entre 1950 e 1970, o que representa o dobro da taxa de crescimento do consumo de petróleo. O consumo de gás diminuiu nas décadas de 1970 e 1980, já que houve um decréscimo de fornecimento, mas atualmente está estabilizado em torno de 22 trilhões de pés cúbicos ao ano. Um dos entraves à produção de gás na década de 1970 era a imposição do controle dos preços nas vendas interestaduais, muito abaixo de preço de uma quantidade equivalente de energia sob outras formas. A desregulamentação ocorreu em 1985, levando a um aumento na produção americana de gás.
  • 25. 15 O gás natural é de baixo custo, tem queima limpa e alta disponibilidade. Trata-se de um ótimo substituto do petróleo, e ajuda a reduzir a dependência americana do petróleo importado. O gás natural tem muitos usos: calefação, aquecimento de água, como combustível de caldeiras (indústrias e utilitárias), no transporte, e como matéria-prima para a indústria química (para amônia, fertilizantes, plásticos, borracha natural, etc). A figura 14 destaca os usos do gás por setor em 2003. O gás natural é responsável por mais de 50% dos combustíveis fósseis utilizados nos setores residencial, industrial e comercial. Figura 14 Usos do gás natural por setor Legenda: 1= Clientes comerciais 15% 2= Clientes utilitários 18% 3= Clientes residenciais 25% 4= Transporte 3% 5= Clientes industriais 39% As reservas mundiais de gás natural são estimadas em mais de 5.500 trilhões de pés cúbicos (tft³), suficientes para mais 67 anos, à taxa de consumo atual, que é de 82 tft³. As maiores reservas são, de longe, as encontradas na Rússia, com 1.700 tft³. Nos Estados Unidos, 50% do gás é encontrado na região costeira do Golfo do México. A produção anual de gás dos Estados Unidos atingiu seu máximo em 1973, com 24 tft³, e estabilizou-se no fim dos anos 1980 em aproximadamente 20 tft³. Em anos recentes, os aumentos das reservas e da produção têm sido equivalente, levando a maiores estimativas de fornecimento e a um aumento no uso de gás
  • 26. 16 natural em muitas outras áreas, inclusive como combustível em usinas geradoras de eletricidade (figura 15). Figura 15 Consumo de gás de 2008-2011 Reservas adicionais de gás natural não exploradas podem ser encontradas nos Estados Unidos, embora a preços substancialmente mais altos. Tais fontes são: (1) gases presos em jazidas de carvão, (2) xisto devoniano, presente em grande parte no subsolo de leste dos Estados Unidos, e (3) gás nas areias tight-sands das Montanhas Rochosas. De maneira oposta aos depósitos convencionais, em que o gás é extraído pela perfuração de um poço, nessas áreas ele se encontra preso dentro de materiais que apresentam baixa permeabilidade. (baixa taxa de penetração) ao gás natural. Portanto, caso não haja canais naturais pelos quais os gás possa escoar para o poço, o xisto ou o estrato de tight-sand tem de ser perfurado ou fraturado para que se abram canais para estimular seu escoamento. Isto pode ser feito com o uso de explosivos ou injeção de água a alta pressão no poço. A tecnologia necessária para tais procedimentos ainda está em desenvolvimento. O uso do gás natural na geração de eletricidade cresceu cerca de 50% nos anos 1990, e deve continuar a crescer no futuro. Unidades de geração de energia movidas a gás são baratas. Menos danosas ao meio ambiente (elas praticamente não produzem CO₂ emitido em uma usina do mesmo porte movida a carvão) e têm em tempo de construção mais curto. Embora a capacidade de geração de energia dos Estados Unidos esteja atualmente acima da demanda, esse excesso está
  • 27. 17 diminuído, devendo desaparecer logo. As unidades movidas a gás serão menores (100 MW – 200MW) e permitirão que as empresas invistam em aumento da capacidade das empresas, mas parte de um esforço de cogeração empreendido por produtores independentes de energia. (A cogeração envolve tanto a geração de eletricidade por um gerador acionado pela turbina como a utilização produtiva da energia térmica dos gases de exaustão. O vapor ou o calor do processo é vendido a alguma indústria das proximidades). 1.4 Carvão: Um papel em expansão O carvão é o combustível mais abundante da América e do mundo. Tanto, que os Estados Unidos já foram chamados de “a Arábia Saudita do carvão”. A figura 16 mostra as reservas recuperáveis mundiais de carvão; os Estados Unidos têm aproximadamente um quarto delas. O U.S Geoligical Survey estima que as reservas americanas sejam de mais de 3 trilhões de toneladas, sendo que 300 bilhões de toneladas são recuperáveis por meio da tecnologia existente atualmente. As reservas mundiais totais recuperáveis de carvão são estimadas em 1.080 bilhões de toneladas, suficientes para uso durante 210 anos com as taxas atuais de consumo. Das reservas americanas recuperáveis de combustíveis fósseis, 80% são de carvão, comparadas aos menos de 3% de petróleo e aos 4% de gás natural. Ainda assim, o carvão corresponde hoje a apenas 23% do suprimento de energia americano, comparado a 70% de 1925. Figura 16 Reservas de carvão em 2007 (a cor mais escura representa maiores reservas) geoninho.blogspot.com
  • 28. 18 1.5 Exemplo Se todas as necessidades energéticas dos Estados Unidos fossem supridas pelo carvão, as reservas durariam 80 anos com a presente taxa de consumo. Este valor é enganoso, porque (1) o carvão não é capaz de atender a todas as necessidades (algumas aplicações precisam de combustíveis líquidos), (2) não foram incluídas perdas resultantes da segunda lei da termodinâmica, como uma perda de aproximadamente 65% na geração de energia, e (3) foi considerado um crescimento zero do consumo de energia. Um aumento de consumo de 3% ao ano reduziria este número a 50 anos, enquanto um crescimento de 5% levaria 35 anos até a exaustão. O consumo americano de energia que vem do petróleo é o dobro da energia gerada pelo carvão. A substituição generalizada do petróleo por carvão não é uma tarefa simples. Uma grande parte do petróleo é utilizada em transporte. Líquidos obtidos do carvão parecem promissores, mas a pesquisa e o desenvolvimento são lentos e atualmente não são favoráveis comercialmente. Cerca de 90% do carvão usado hoje é queimado por usinas e produtores independentes de energia. Em caldeiras industriais, as restrições ambientais têm dificultado a utilização do carvão. Aparentemente, o aumento do consumo de carvão vem sendo restringido pela demanda, e não pela oferta. 1.6 Tipos de carvão O carvão é formado a partir de material vegetal que se acumulou no fundo de pântanos há milhões de anos. Essa vegetação se decompôs em turfa e, à medida que o terreno se sedimentou, ela foi coberta por lama e areias, que se transformaram no xisto e no arenito encontrados no topo dos veios de carvão atuais. Ao longo de milhares de anos, a turfa foi compactada por pressões geológicas, tornando-se gradualmente veios de carvão. Calcula-se que sejam necessários 20 pés de matéria vegetal para formar 1 pé de carvão. O carvão recebe quatro qualificações, de acordo com a quantidade de carbono nele contida (figura 17). Os carvões mais jovens são chamados de lignitos. Classificação Carbono (%) Conteúdo energético
  • 29. 19 (Btu/ lb) Lignito 30 5.000 – 7000 Sub-betuminoso 40 8.000 – 10.000 Betuminoso 50 – 70 11.000 – 15.000 Antracito 90 14.000 Figura 17 Classificação do carvão As pressões geológicas exercidas pelo solo acima e as temperaturas são mais baixas neste caso; portanto, os lignitos possuem alto teor de água e baixo teor calorífico. Com pressões e temperaturas maiores, forma-se o carvão sub- betuminoso. Embora ainda tenha um elevado teor de água, este carvão vem despertando interesse por possuir pouco enxofre e custos de mineração mais baixos. Com calor e pressão adicionais, forma-se o carvão betuminoso, que é o tipo mais abundante de carvão. Neste tipo, valor calorífero é elevado. Existem imensos depósitos no leste e meio-oeste dos Estados Unidos, porém, o teor de enxofre tende a ser elevado – mais de 2% em massa. Finalmente, temos o antacitro, um carvão muito duro com alto teor calorífero. Durante muitos anos, este carvão teve grande popularidade para uso em aquecimento, já que não apresenta poeira nem fuligem, e queima durante mais tempo do que os outros tipos. Entretanto, as fontes de antracito são muito limitadas e atualmente encontradas principalmente na Pensilvânia. Em cada estágio do seu desenvolvimento, a porcentagem de carbono do carvão aumenta. 1.7 Padrões de produção e consumo de carvão O consumo de carvão nos Estados Unidos permaneceu relativamente constante em cerca de 600 milhões de toneladas por ano durante os 30 anos que se seguiram à Segunda Guerra Mundial. Entretanto, durante esse período, a porcentagem da sua contribuição no consumo total de energia declinou dramaticamente, de cerca de 40% para 18%. Esse declínio foi o resultado principal da disponibilidade de óleo e gás natural baratos e de queima limpa. Os mercados também mudaram drasticamente. Nos anos 1940, as estradas de ferro eram as maiores usuárias de carvão, consumindo 125 milhões de toneladas por ano, mas hoje seu uso de carvão é desprezível, já que locomotivas elétricas e a diesel substituíram as locomotivas a vapor movidas a carvão. Os usos industriais e residenciais também diminuíram bastante os últimos 30 anos. O setor das usinas elétricas foi o único em que a utilização de carvão aumentou: de 50 milhões de toneladas em 1940 para 1.095 milhões de toneladas em 2003. Hoje, usinas elétricas
  • 30. 20 consomem aproximadamente 90% do carvão total produzido. A contribuição do carvão no consumo doméstico de energia elétrica vem aumentando cerca de 3% ao ano desde meados dos anos 1970. A produção de carvão nos Estados Unidos atingiu 1.300 milhões de toneladas em 2003, e espera-se que cresça. A produção de carvão tem sofrido deslocamentos geográficos significativos desde os anos 1940. Em geral, a produção tem se deslocado para o oeste dos Estados Unidos, e do subsolo para minas na superfície. A figura 18 mostra as regiões de suprimento de carvão desse país por tipo de carvão. Embora mais da metade da produção anual venha da região dos Apalaches, o carvão de baixo teor de enxofre do meio-oeste e oeste terá mais impacto no futuro por causa das limitações na emissão de enxofre impostas pela lei do Ar Limpo. Figura 18 Depósitos de carvão nos Estados Unidos 1.8 Mineração de superfície O carvão ocorre na forma de veios ou leitos, que variam em espessura de algumas polegadas até mais de 100 pés. Ele é extraído no subsolo e em minas de superfície. Cerca de 60% do carvão produzido atualmente vem de minas de superfície, de veios muito próximos à superfície da Terra (figura 19). Na mineração de superfície, a terra e as rochas que estão acima do veio – chamadas “sobrecarga” – são removidas e colocadas de lado. O carvão exposto é então é quebrado e transportado em caminhões. Sob condições ideais, a sobrecarga é então reposta e o
  • 31. 21 terreno é preparado para o posterior plantio. As máquinas escavadeiras utilizadas na remoção da sobrecarga são gigantescas. Suas hastes podem ser maiores que um campo de futebol americano e suas barras são capazes de remover 180 yd³ (aproximadamente a metade do volume de uma casa) em apenas ema “mordida”. Figura 19 Vista aérea de uma mina de superfície (cprm.gov.br) A mineração de superfície de carvão apresenta uma série de problemas ambientais, cuja solução é essencial para a expansão da produção. A mineração de superfície no leste dos Estados Unidos causou problemas ambientais catastróficos no passado. Grandes extensões de terra foram deixadas na forma de buracos de lama gigantescos. A remoção do solo superficial e sua vegetação, sem a reposição, leva á erosão. A terra exposta não é capaz de sustentar a vegetação e, consequentemente, a vida selvagem. Hoje em dia, uma legislação federal (Ato de Controlo e Recuperação da Mineração de Superfície, de 1997) determina que as áreas de mineração de superfície sejam recuperadas, devolvendo-se à terra sua produtividade original. A recuperação é feita por meio da reposição cuidadosa do solo superficial, seguida de reflorestamento. Porém, ainda não está claro se a perturbação causada à terra pode ser totalmente remediada. Um problema é a quantidade de água disponível o reflorestamento. Em áreas secas (com um índice pluviométrico anual abaixo de dez polegadas), o reflorestamento pode se revelar impossível. A mineração também pode alterar o suprimento local de água, assim como sua drenagem. Outro problema difícil é a “drenagem ácida da mineração”. Nesta situação, o carvão se combina com o oxigênio e o vapor de água para formar
  • 32. 22 o ácido sulfúrico, H₂SO₄. A água ácida é nociva à vegetação e à vida aquática das redondezas. A mineração de superfície no oeste americano vai crescer dramaticamente nos próximos anos. As minas de superfície do oeste possuem veios que têm de 50 pés a 100 pés de espessura (comparados aos veios de 5 pés a 10 pés no leste), a sobrecarga tem profundidade de apenas 30 pés a 40 pés, o teor de enxofre é baixo, e a mineração de superfície é mais segura e envolve menos mão de obra do que a no subsolo. A produção de uma mina de superfície em toneladas por hora é aproximadamente oito vezes maior do que a de uma mina no subsolo. Mesmo com as dificuldades ambientais associadas à mineração de superfície do carvão do oeste, parece claro que o papel do carvão na matriz energética americana terá importância crescente nos anos que virão. Quais serão as outras restrições à expansão desse papel? 1.9 Restrições à demanda e suprimento de carvão O aumento no uso do carvão pode ser dificultado pelo lado da demanda, pelo lado do suprimento, ou por ambos. Vamos mencionar apenas brevemente tais restrições para demonstrar as complexidades envolvidas no aumento do uso do carvão. Restrições ao suprimento de carvão vêm de várias áreas. Uma delas já foi discutida: a solução dos impactos ambientais associados à mineração de superfície. A velocidade do desenvolvimento da mineração de carvão na parte ocidental dos Estados Unidos vai depender do sucesso na reabilitação dessas terras. Problemas sociais também surgirão como resultado do desenvolvimento rápido do carvão no oeste americano. Cidades vão se desenvolver muito rapidamente, como resultado do alto influxo de mineradores e trabalhadores da construção civil. Em muitos casos, isso levará a uma sobrecarga nas escolas e nos serviços públicos de abastecimento de energia. Um impedimento à mineração no subsolo é a disponibilidade de mineiros de carvão. A mineração de carvão no subsolo é a profissão mais perigosa dos dias de hoje, de maneira que poderá ser difícil atrair os novos trabalhadores necessários ao aumento projetado da mão de obra. Como nas grandes empreitadas, as coisas não podem ser mudadas da noite para o dia. O tempo necessário para se abrir uma nova mina de carvão é de três a sete anos, e mesmo esse tempo tem sido alongado em virtude do atraso nos pedidos de equipamento novo de mineração. Uma vez extraído o carvão, deve haver
  • 33. 23 meios de transporte suficientes para levá-lo às populações do leste. Atualmente, 65% de todo o carvão extraído é transportado por via férrea. Portanto, serão precisos milhares de novos vagões de carga e locomotivas. O aumento a curto prazo na demanda por carvão virá de seu uso crescente na geração de eletricidade. Hoje, cerca de 72% da eletricidade gerada a partir de combustíveis fósseis vem do carvão. Porém, fortes restrições têm sido impostas ao aumento de sua utilização por causa dos padrões de qualidade do ar, especialmente os de emissão SO₂. A chuva ácida (resultante de reações químicas entre óxidos de nitrogênio e de enxofre e o vapor de água na atmosfera) é um assunto muito importante hoje em dia, especialmente no leste dos Estados Unidos, no Canadá e na Europa Ocidental. Efeitos nocivos aos peixes e às florestas já foram comprovados. Entretanto, as emissões de dióxido de enxofre têm diminuindo nos últimos 15 anos, como resultado de novos dispositivos de controle de poluição, do uso de carvão de queima mais limpa e de técnicas de combustão do carvão (como a combustão em leito fluidizado). Dispositivos confiáveis de controle de SO₂, chamados scrubbers, ou unidades de dessulfurização dos gases das chaminés podem reduzir a emissão em até 90%. Outra preocupação causada pelo uso do carvão (assim como de petróleo e gás) são os efeitos climáticos resultantes da emissão de CO₂. 2.0 Gasolina Podemos descrever a gasolina conforme sua composição química ou as suas propriedades: a) Composição química: a gasolina é uma complexa mistura de centenas de hidrocarbonetos, que variam conforme sua classe, em cada classe por tamanho, podendo ser parafinas, olefinas, compostos cíclicos e aromáticos. Esta mistura de hidrocarbonetos e oxigenados na gasolina determina suas propriedades físicas e características de desempenho do motor. b) Propriedades: a gasolina é produzida para atender os limites das especificações e regulamentação local, e não para alcançar uma distribuição especifica de hidrocarbonetos por classe e tamanho em sua composição. Entretanto, em graus de variação estes limites definem a sua composição química. Considere, por exemplo, a volatilidade da gasolina. A gasolina evapora dentro de uma faixa de temperatura, de acordo com o perfil de destilação, conferindo ás especificações do
  • 34. 24 combustível o papel de limitante para a de amplitude desta faixa. Cada hidrocarboneto evapora a uma temperatura especifica, denominada ponto de ebulição e, geralmente, este ponto cresce com o peso molecular. Conseqüentemente, requerer um perfil de destilação à gasolina é equivalente a exigir uma mistura de hidrocarbonetos em uma certa gama de pesos moleculares. Os limites de temperatura do perfil de destilação excluem hidrocarbonetos menores com pontos de ebulição inferiores e maiores hidrocarbonetos com pontos de ebulição superiores. 2.1 Blend e pool Uma refinaria no seu primeiro estágio, destilação atmosférica, produz a gasolina straight – run. Em estágios mais complexos, subseqüentes, produzem-se outros componentes do pool da gasolina tanto para aumentar sua quantidade quanto para elevar a sua qualidade. A gasolina comercial é feita de diferentes frações, originarias da reforma catalítica, isomerização e unidades de FCC (craqueamento catalítico). Aquelas frações que vem de reforma e de isomerização são produzidas de cortes de destilação e, conseqüentemente, contêm pouco ou nenhum enxofre, já os compostos sulfurosos estão presente em petróleos com altos pontos de ebulição e as cargas utilizadas na isomerização e na reforma são hidrotratadas. Por outro lado os resíduos atmosféricos ou os destilados de vácuo que constituem as cargas do FCC contêm quantidades significativas de enxofre 0,5 - 1,5% em peso. Para o processo de blending, o pool da gasolina tem mais componentes adicionais e que o pool do diesel. Não obstante, como normalmente a nafta craqueada de FCC representa 30 – 40% do pool total da gasolina, sendo de longe o mais importante contribuinte de enxofre na gasolina, até 85 - 95%, apenas a alteração da mistura no pool da gasolina não resolveria o problema da remoção profunda de enxofre. 2.2 Características especificas da gasolina a) Volatilidade. b) Características de detonação e pré-ignição. c) Calor de combustão por unidade de massa e volume. d) Calor latente da vaporização. e) Estabilidade química. f) Segurança.
  • 35. 25 2.3 Volatilidade É a tendência de um liquido evaporar-se. A volatilidade é importante porque líquidos e sólidos não queimam; somente vapores queimam. Quando um líquido aparentemente está queimando, na realidade é o vapor invisível acima da sua superfície que está queimando. A volatilidade da gasolina é ajustada sazonalmente, conforme as condições de operação dos motores que a consomem e a localidade onde operam estes motores:  No inverno do hemisfério norte, o blend da gasolina busca rápida evaporação, de forma a facilitar a partida do motor e sua operação ainda a frio.  Em climas quentes e no verão do hemisfério norte, o blend da gasolina deve evaporar-se menos facilmente para prevenir a evaporação e o chamado vapor lock do motor (fenômeno que ocorre quando a gasolina evaporada acumula no sistema de combustível, interrompendo ou reduzindo o fornecimento de combustível do motor). Duas propriedades são particularmente uteis para medir a volatilidade da gasolina: pressão de vapor e perfil de destilação. A pressão pode ser entendida como a pressão exercida pelo vapor quando o mesmo se encontra em equilíbrio com o líquido. A pressão de vapor é medida a 37,8ºC e 1 atm, e á expressa em kPA ou psi. Quando a PRV (pressão de vapor Reid) da gasolina é baixa, o motor pode ter dificuldades de partida; quando a PRV da gasolina é alta, o motor tem partida a frio mais fácil. A faixa típica de PVR da gasolina está entre 48,2 e 103,0 kPa ( ou 7,0 e 15,0 psi). 2.4 Resistência á detonação e octanagem A combustão de um motor é iniciada por um centelhamento elétrico. Quando a combustão é anormal, ocorre uma auto-ignição espontânea do combustível, que causa um aumento súbito de pressão do cilindro do motor, podendo resultar em:  Ruído  Perda de potência  Sobreaquecimento  Dano ao equipamento Assim, por definição, a detonação é a explosão da mistura por efeitos da pressão. A resistência a detonação é uma característica crucial dos combustíveis de motores de ignição por centelha. Esta propriedade antidetonante do combustível
  • 36. 26 depende basicamente de sua composição química. Os efeitos da detonação são nocivos para o motor. Repetidas detonações provocarão superaquecimento e a perfuração da cabeça dos êmbolos. O índice de octano (IO) é uma propriedade da gasolina que indica a qual limite máximo a mistura vapor de combustível-ar pode ser comprimida dentro da câmara de combustão, sem que haja detonação espontânea, ou seja, sem que a mistura entre em combustão antes da centelha da vela de ignição (mede a resistência de um combustível a inflamar-se espontaneamente).  Quanto maior seu índice de octanas, maior temperatura e pressão o combustível poderá suportar e será maior sua resistência à detonação.  Motores com taxas de compressão elevadas requerem gasolina de maior octanagem, para apresentar rendimento termodinâmico mais elevado e maior desempenho. No caso de motor com alta taxa de compressão recebe combustível de octanagem insuficiente, seu sistema de monitoramento eletrônico reduzirá automaticamente a taxa de compressão, a fim de evitar a batida de pino. Isto resulta, em perda de potencia. No caso da gasolina, este combustível possui um componente chamado heptano (C7H16), que tem baixa resistência à compressão, e o iso-octano (C8H18), que tem grande resistência à compressão. Assim, em termos simplificados e comparativos, quando uma gasolina tem 80 octanos, ela se comporta em relação à detonação por compressão da mesma forma que uma gasolina que tivesse 80% de iso-octanos (2,2,4 tri-metil-pentano) e 20% de heptano em sua composição. Ou ainda, o índice de octanos foi convencionado como igual a 100 para o iso-octano e “0” para o heptano. As especificações da gasolina, em termos de octanagem, evoluíram em passo com a evolução dos motores, em termos de taxa de compressão. Logo, o IO é uma representação numérica do padre antidetonante de um combustível. O método de ensaio consiste em operar o motor com uma mistura de referência (isoctano mais heptano) e com o combustível a ser testado, nas condições padrão, e ajustar a razão de compressão, para fornecer uma intensidade padrão de batida. A proporção de isoctana na mistura de referência, que fornece as mesmas características de detonação do combustível utilizado, é indicada como índice de octano.
  • 37. 27 O IO tem grande importância nos motores de gasolina, pois um motor só opera adequadamente quando a inflamação se produz no momento azado – quando salta a faísca da vela – e não de modo incontrolado. Existem dois índices de medição do OI – RON e MON -, segundo o procedimento empregado no ensaio do combustível. a) Método MON (Motor Octane ou método motor – ASTM D2700) Avalia a resistência à detonação da gasolina na situação em que o motor está em plena carga e em alta rotação. b) Método RON (Research Octane Number) ou método pesquisa – ASTM D- 2699 Avalia a resistência à detonação da gasolina na situação em que o motor ETA carregado e em baixa rotação (até 3 000 rpm). Para uma mesma gasolina, o RON tem um valor típico superior ao MON de ate 10 octanas. No Brasil, a princípio, usa-se ao índice MON. Alguns países utilizam a octanagem RON, e outros – por exemplos, os EUA – o índice de octanagem AKI6 = (MON+RON) / 2. Finalmente, existem os componentes da gasolina com alto índice de octanagem (aromáticos, olefinas, isômeros, alquilados) e os aditivos (produtos finais) para aumento da octanagem da gasolina. Entre os aditivos, destacam-se: CTE (Chumbo Tetra Etila – Pb (CH3)4): Foi suprimido totalmente da formulação da gasolina pela Petrobras em 1989, devido à sua toxidade: produz formação de depósito de óxidos de chumbo, ocasionando corrosão nas paredes dos cilindros; é toxico e não pode ser utilizado nos combustíveis empregados para alimentar motores com catalisadores no tubo de descarga. A percentagem adicionada destes aditivos no combustível, com finalidade de aumentar o IO, variava na ordem de 0,08 a 0,9 cm3 / litros. Oxigenados: A gasolina oxigenada inclui tanto a complexa mistura de hidrocarbonetos da gasolina-base, quanto a adição de um ou mais oxigenados, que contem não apenas carbono e hidrogênio, mas também oxigênio. Os oxigenados são alcoóis ou éteres. 2.5 Poder calorífico e eficiência energética Energética dos motores depende de uma serie de variáveis que não além das simples propriedades do combustível; tamanho do veiculo, aerodinâmica, características do motor, da transmissão etc. Também importam as condições
  • 38. 28 ambientais de operação do motor, as condições da estrada, o estilo de direção do motorista, o congestionamento da via. Pequenas viagens tendem a apresentar maiores consumos específicos do que viagens mais longas, na medida em que motores mais frios usam mais energia para vaporizar o combustível e vencer a resistência de lubrificantes mais frios. Vale ressaltar que três características básicas do combustível afetarão o uso final de energia do motor: a) Calor de combustão: É a quantidade de calor liberada na combustão completa de uma molécula-grama de uma substância. Em geral, refere-se a valores, a volume ou a pressão constante. Independentemente da velocidade com que se procede à combustão. A formulação da gasolina afeta bastante esta propriedade. Por exemplo, compostos aromáticos tendem a aumentar o poder calorífico gasolina (são normalmente tóxicos e cancerígenos). Por sua vez, os oxigenados reduzem o poder calorífico da gasolina. A redução percentual, neste caso, é próxima do percentual de massa de oxigênio adicionada á gasolina. Por exemplo, uma gasolina oxigenada com 2,7% em massas de oxigênio tem um poder calorífico cerca de 2,7% menor do que a gasolina convencional. b) Calor latente de vaporização: É a quantidade de calor que deve ser fornecida ao liquido para vaporizá-lo, a uma dada temperatura. Por exemplo, a gasolina oxigenada com etanol necessita de calor adicional para vaporizar o combustível final. c) Ponto de ignição: Temperatura a que se deve aquecer (ou pressão a que se deve comprimir) uma substância para ocorrer a sua combustão. Depende da atmosfera em que está inserida a substancia. 3.0 Diesel Assim como a gasolina, na verdade, é uma mistura (pool) de centenas de compostos químicos, com número de carbono variando entre 10 e 22. Estes compostos podem ser parafínicos, naftênicos ou aromáticos. As proporções destas diferentes classes de hidrocarbonetos no diesel definirão a sua qualidade. Enquanto na gasolina, uma propriedade fundamental era a sua capacidade de resistir à detonação (medida pela sua octanagem), no diesel, o que vale é a sua capacidade de sofrer combustão por pressão (o que é medido pelo seu número de cetanas). Na gasolina, a octanagem decresce com a proporção de compostos parafínicos. No diesel, a cetanagem aumenta com a proporção de compostos parafínicos. De certo modo o que se espera no diesel é o contrário do que se pretende na gasolina.
  • 39. 29 3.1 Blend e pool Existe um certo compromisso entre qualidade (rendimento) de um produto prêmio em uma refinaria. Um pool mais especificado é composto por menos correntes: Por exemplo, se o refinador pretende produzir diesel de baixa qualidade (em grandes quantidades), o pool deste derivado deve ser igual à soma das seguintes correntes intermediárias: diesel de destilação direta (straight-run), diesel de HCC (se há HCC), diesel de HDT diesel (brando ou severo), óleo leve de reciclo de FCC (LCO) e uma fração do corte de querosene. Já para o diesel ultra-especificado, conhecido como ultra low sulfur diesel (ULSD), o pool será composto por diesel de HCC, diesel de HDT severo e uma fração do corte de querosene hidrotratada. 3.2 Características específicas do diesel Segue nãos próximos parágrafos as características específicas do diesel. 3.3 Temperatura de ebulição e perfil de destilação Para compostos orgânicos de uma mesma classe, o ponto de ebulição cresce com o número de carbonos. Para compostos com mesmo número de carbonos, o ponto de ebulição tende a crescer da classe isoparafínica para normal-parafínica, naftênica e aromática. 3.4 Temperatura de fusão A temperatura de fusão tende a crescer com o peso molecular, porém é fortemente influenciada pela estrutura da molécula. Parafinas e aromáticos têm pontos de fusão mais elevados do que isoprafinas e compostos alifáticos, com o mesmo número de carbonos. 3.5 Poder calorífico Para compostos com o mesmo número de carbonos, o poder calorífico cresce dos compostos aromáticos para os naftênicos e parafínicos. A ordem é a inversa, quando fazemos a comparação em base volumétrica, porém aromático é o maior, e parafínico o menor. 3.6 Viscosidade A viscosidade está relacionada ao peso molecular e o ideal é que ela esteja entre 2,0 e 4,5 cST a 40ºC. Os limites de viscosidade do diesel são importantes para:  Garantir a fluidez do combustível durante a partida a frio.  Prevenir perda de potência ou abrasividade a elevadas temperaturas.
  • 40. 30 3.7 Instabilidade química A instabilidade envolve a conversão química de precursores em espécies de alto peso molecular e limitada solubilidade. Os precursores são usualmente compostos com enxofre ou nitrogênio, ácidos orgânicos e olefinas reativas. A conversão é basicamente a oxidação dos precursores. Certos metais dissolvidos, especialmente o cobre, podem ainda catalisar esta reação de oxidação. Muito importante é o fato de que, contrariamente à intuição, dois combustíveis estáveis, ao serem misturados, podem formar uma mistura instável. A instabilidade oxidativa é uma prioridade química, e não física, do combustível. 3.8 Números de cetanas (NC) O número de cetanas do diesel e o índice de octanagem da gasolina medem ambos, a tendência de o combustível entrar em ignição espontaneamente. Como suas escalas de referências foram elaboradas de forma a que o maior medisse a maior qualidade do respectivo combustível, um combustível com alto teor de cetanas tem baixa octanagem, e vice-versa. a) No número de cetanas, o maior valor representa o combustível que sofre combustão rapidamente e, portanto, se presta adequadamente ao motor diesel. b) Na octanagem, o maior valor representa o combustível que resiste melhor à detonação e, portanto, se presta bem ao motor à gasolina. Assim os combustíveis destinados aos motores diesel devem ser facilmente inflamáveis ao contato com o ar superaquecido. Esta facilidade de inflamação é favorável ao arranque do motor e assegura uma combustão mais completa, diminuindo a produção de fumaças no escape.  Um combustível com alto NC queima quase instantaneamente após ser injetado no cilindro ou tem curto atraso de ignição.  Por sua vez, um combustível de baixa NC resiste à autodetonação e tem grande atraso para ignição. Os combustíveis para motores a diesel devem possuir um índice compreendido entre 30 e 60 cetanos. Os combustíveis mais favoráveis aos motores diesel atuais são aqueles cujo índice se situa entre 45 e 50 cetanos. O melhor óleo diesel é encontrado nas frações perto do querosene.
  • 41. 31  Abaixo de 30 cetanos, o combustível apresenta grandes dificuldades de inflamação; não permite bom arranque a frio e provoca grande quantidade de fumaça no escape.  Acima de 60 cetanos, a inflamação demasiado fácil do combustível favorece a detonação do motor, seguindo-se uma diminuição da potência e uma fadiga exagerada dos elementos mecânicos: pistão, bielas e cabeçotes. O número de cetanas varia sistematicamente com a classe dos hidrocarbonetos:  Parafinas normais têm alto NC, que aumenta com o peso molecular.  Isoparafinas têm larga faixa de NC, entre 10 e 80.  Naftenos têm NC entre 40 e 70.  Aromáticos têm NC entre 0 e 60. Quanto menor o número de anéis aromáticos e maiores as ramificações alquiladas, maior o NC. Moléculas com mais de um anel aromático têm NC abaixo de 20. Assim dois compostos definem o padrão do NC: a) 1-metil-naftaleno, que tem baixo desempenho no motor diesel. A este composto é conferido o NC igual a zero (0). Devido a sua toxidez, o alfa- metil- naftaleno foi substituído pelo Heptametilnonano, que assume valor 15 para o número. b) N-hexadecano (cetana), que tem ótimo desempenho no motor diesel. Este composto é referido n padrão igual a 100. Estes hidrocarbonetos são, portanto, a referência primária para medição por comparação de cetanagem dos combustíveis. 3.9 Qualidades do combustível e desempenho do motor Entre as propriedades do motor diesel que devem ser atendida, merecem destaque, por sua relação com a qualidade do diesel, as seguintes:  Partida: busca-se alto número de cetanas (NC).  Ruído: busca-se alto NC.  Atrito: buscam-se lubricidade dinâmica e lubricidade estática: alta viscosidade cinemática melhora a lubricidade.  Potência: alta viscosidade afeta negativamente a combustão e a potência.  Operação a baixa temperatura: busca-se um menor teor de parafinas de alto peso molecular e de ceras.
  • 42. 32  Estabilidade do combustível (formação de gomas ou hidrocarbonetos de alto peso molecular e baixa solubilidade): é um problema crítico do motor de motores diesel, até porque a redução do teor do enxofre do diesel, através de unidade de HDS sem refinarias, diminui também o teor de antioxidantes. Colocam-se aditivos no diesel. Porém, o que é sobremodo importante para o caso da formulação com o biodiesel ou diesel de detergentes origens, dois combustíveis quimicamente estáveis não formam necessariamente uma mistura estável. O problema é sobre tudo de base química. Da mesma forma aditivos válidos para um combustível não valem para outro ou para mistura.  Consumo: associado ao poder calorífico do combustível e, sobretudo, as características do motor (razão de compressão e características da injeção do combustível).  Emissões: especialmente NOx e material particulado (as emissões de CO e de compostos orgânicos voláteis não são importantes, porque, a queima é pobre e o diesel é menos volátil do que a gasolina). 3.10 Partida Quando se dá a partida no motor diesel, o calor da compressão é a única fonte de energia para aquecer o gás na câmara de combustão ate a temperatura em que se inicia ignição do combustível (cerca de 400ºC). É importante notar que:  Como as paredes da câmara de combustão estão inicialmente à temperatura ambiente, elas representam um sumidouro de calor e não uma fonte.  Durante a partida, a compressão ocorre mais lentamente do que nas condições de operação normais do motor, o que também leva as maiores perda de calor e ar comprimido para as paredes do cilindro. Ainda assim, dependendo das condições ambientes, o motor pode ter dificuldade de, durante a sua partida, induzir a completa combustão do combustível injetado no topo do cilindro. Este diesel não - combusto sairá como exausto do motor, usualmente forma pequena gotícula. 3.11 Potência Potência do motor é função basicamente do seu projeto. Contudo, se a viscosidade do combustível estiver fora da faixa adequada, a combustão pode ficar excessivamente podre, resultando na perda de Potência do motor. 3.12 Ruído
  • 43. 33 O ruído produzido pelo motor diesel é a combinação do ruído da combustão com ruídos mecânicos. As propriedades do combustível afetarão o ruído da combustão, na medida em que, no motor diesel, o combustível deverá sofrer ignição espontaneamente logo após a sua injeção no cilindro. No entanto, sempre há certo atraso na ignição, durante o qual o combustível se vaporiza e se mistura com o ar na câmara de combustão. A combustão leva a liberação rápida de calor e aumento drástico da pressão na câmara. Este aumento de pressão é a causa do ruído da combustão, que pode ser reduzido com a elevação da cetanagem (NC) do diesel – que diminui o atraso da ignição. Com um menor atraso da ignição, menos combustível precisa ser injetado para que a combustão se inicie, reduzindo-se também o tempo de mistura do combustível com o ar. 3.13 Consumo de combustível Para o consumo de combustível, o projeto do motor é bem mais relevante do que as propriedades do combustível. O consumo de diesel estará diretamente relacionado ao poder calorífico do combustível. 3.14 Lubricidade No motor diesel, o próprio combustível serve para lubrificar algumas partes moveis do equipamento (bombas de combustíveis e injetores). Para evitar a abrasividade excessiva, o combustível deve apresentar certo grau de lubricidade. Lubricidade é a qualidade de reduzir a fricção entre superfícies sólidas em movimento relativo. a) A lubricidade hidrodinâmica é baseada numa camada de líquido que evita o contato entre superfícies opostas. Neste caso a viscosidade é a propriedade básica do diesel. b) Durante elevada carga ou baixa rotação, apenas áreas relativamente pequenas das superfícies que se opõem estão em contato. Nestes casos alguns compostos presentes no diesel podem formar uma camada protetora antiabrasão, aderindo às superfícies metálicas do motor. Espacialmente importantes são os traços de compostos oxigenados e nitrogenados no diesel, e certas classes de compostos aromáticos. c) Finalmente a redução quase total do teor de enxofre do diesel reduz a sua lubricidade. Assim, aditivos são empregados para a lubricidade do diesel com baixo teor de enxofre, estes aditivos contêm um grupamento polar que, atraído pela superfície do metal, forma uma fina camada lubrificante.
  • 44. 34 3.15 Operações a baixas temperaturas A operação a baixa temperatura é um problema importante para a propriedade do diesel porque este destilado médio contêm compostos parafínico em grande proporção na sua composição, que podem se solidificar a temperaturas reduzidas ( por exemplo, temperaturas do inverno do hemisfério norte e mesmo do inverno de certas áreas do sul do Brasil). Quando isso acontece, a cera formada pode entupir o filtro de combustível, tornando impossível ao sistema de combustível alimentar o motor. O projeto do motor pode minimizar este problema, localizando a bomba do combustível e os filtros em partes da carroceria onde receberão mais calor de exaustão do motor. Contudo, o pool do diesel oriundo da refinaria também deve responder a este problema:  Reduzindo o uso de petróleos muito parafínicos como carga.  Reduzindo a temperatura do corte do diesel (isto excluirá os componentes parafínicos de alto peso molecular propensos a formar ceras).  Diluindo o combustível com um outro com menor conteúdo de cera (por exemplo, querosene).  Adicionando aditivos para operação do diesel a reduzidas temperaturas. 3.16 Estabilidade do combustível O diesel instável forma compostos orgânicos insolúveis ou gomas, ambos se depositam nos injetores e os particulados insolúveis entopem o filtro de combustível. A instabilidade do diesel pode ocorrer durante um período de longo de armazenamento, mas também é verificada na recirculação do combustível. A instabilidade térmica do diesel tem adquirido importância na medida em que fabricantes de motores, para aumentar o desempenho da maquina térmica e reduzir suas emissões atmosféricas, tem elevado as pressões de injetores. Estas modificações do motor diesel expõem o combustível a maiores tempos de resistência nos injetores. O diesel com baixo teor de enxofre é mais estável do que o diesel com elevado teor de enxofre, porquanto o DHT que remove enxofre também destrói precursores de compostos orgânicos insolúveis. 3.17 Qualidade do combustível e emissões  Enxofre: O teor de enxofre do diesel afeta não apenas as emissões de compostos de enxofre, mais também de qualquer material particulado porque o
  • 45. 35 enxofre se converte em aerossol sulfato no exausto do motor. Os filtros de particulados requerem combustível com reduzido teor de enxofre. De fato os óxidos de enxofre competem com os sítios catalíticos requeridos para conversão de NO em NO2 no DPF (diesel particulare filter), aumentando também a temperatura de regeneração do filtro. O enxofre pode também ser oxidado no filtro, entupindo o dispositivo. Os catalisadores de oxidação, que reduzem o material particulado emitido pelo motor diesel, atuando sobre a fração orgânica solúvel deste material, também atuam oxidando o SO2 e SO4, o que por sua vez, aumenta as emissões de particulados. Reduzir o teor de enxofre do diesel significa poder aplicar no motor tecnologias de controle de particulados. O diesel com alto teor de enxofre prejudica não apenas o desempenho de particulados, como pode aumentar a emissão desses poluentes.  Números de cetanas: Aumenta o NC melhora a combustão e, reduz as emissões de NOx e material particulado.  Densidade: A densidade do combustível afeta a quantidade de energia química por volume de combustível. A redução da densidade e diesel tende a diminuir as emissões de NOx.  Aromáticos: A redução do teor de aromáticos diminui as emissões de NOx e material particulado. 4.0 Impactos ambientais Os impactos ambientais da produção de gasolina e diesel seguem nos próximos parágrafos. 4.1 Emissões atmosféricas Poluentes associados a emissões atmosféricas de refinaria incluem: amônia (NH3), dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), acido sulfídrico (H2S), metais, óxidos de nitrogênio (NOx), particulados, ácidos (HF, H2SO4), óxidos de enxofre (SOx), compostos orgânicos voláteis (COVs), e numerosos compostos orgânicos tóxicos. Estas emissões são geradas por varias fontes dentro da refinaria.  Combustão: emissões associadas à queima de combustíveis.  Emissões fugitivas no transporte ou movimentação de produtos: associadas à perda por evaporação de compostos voláteis, através de válvulas, juntas de tubulações, bombas.
  • 46. 36  Emissões evaporativas associadas ao processo: ocorre durante as reações químicas.  Emissões evaporativas associadas ao estoque de produtos voláteis.  Emissões evaporativas associadas à estação de tratamento de água da refinaria. Na comparação entre as emissões atmosféricas de refinaria e diferentes unidades de refino, impende introduzir rapidamente o conceito de complexidade, em termos simplificados, está associado à capacidade de conversão da refinaria relativamente à capacidade de processamento primário (destilação ou separação). Refinarias mais complexas, a principio são capazes de diferentes crus – e crus mais pesados – obtendo rendimento altos em derivas leves através da utilização de fundo de barril. 4.2 Localização de impactos no processo de refino Processos Emissões atmosféricas Efluentes líquidos Resíduos sólidos Consumo de energia Resíduo térmico Ruído Segurança Separação Destilação (atmosférica e a vácuo) X X Y X X Y X Conversão Termo- craqueamento X X Y X X Y X Coqueamento retardado X X X X X X X FCC X X X X X Y X HCC X X X X X Y X Reforma X X X X X Y X Isomerização X X X X X Y X Produção de MTBE X X X X Y Y X Alquilação X Y X X Y Y X Tratamento HDS X X X X X Y X Adoçamento X X X X Y Y X Lavagem de X Y X X Y Y X
  • 47. 37 gases Produção de lubrificantes Extração de solvente Y Y Y X Y Z X Outras unidades Y X Recuperação de S X X Y Y Y Y X Flare Y Y Y Y X X X Torre de refrigeração X X Y Y Y Y Y Estação de tratamento de Água X X X X Y Z Y Unidade de mistura (blending) X X Y Y Y Z X Fonte: EIPCCB, 2004 Legenda: X: alto Y: baixo Z: desprezível 4.3 Fatores médios para emissões de atmosféricos para fontes energéticas consumidas em refinarias (em g/GJ) SOX NOX CO Particulados COVs Destilados médios 69 60 16 4 1 Óleos residuais 731 159 14 34 4 Gás natural 0 60 15 1 3 Gás de refinaria 0 60 15 1 3 GLP 0 89 15 3 3 Coque de petróleo 1075 408 131 310 2 Fonte: EPA, 1995. Energetics, 1998 Comumente a complexidade de uma unidade de refino em uma refinaria como um todo, é mensurada pelo índice de Nelson. Quanto maior é este índice, maior é a complexidade da refinaria ou sua capacidade conversão. As refinarias mais complexas tendem a possuir maior porte e mais unidades intensivas. No entanto, há casos de refinarias de baixa complexidade e pequeno porte, com alta
  • 48. 38 emissão de CO2, porque estas refinarias tendem a operar com processos energeticamente menos eficientes e também menos seletivos, apresentando menor rendimento nos produtos finais almejados, ou consumindo mais energia e emitindo mais CO2 para obter o produto almejado. Em relação às emissões de NOx, cuja principal fonte são os processos de combustão a altas temperaturas como fornos, caldeiras, regeneradores de FCC, incineradores, turbinas a gás entre outros, forman 90% de NO, elas depende basicamente das condições operacionais da queima. Neste sentido não há uma relação explicita entre complexidade e emissões de NOx, ainda que refinarias com FCC tendam a emitir mais NOx (em média, as refinarias européias, a regeneração de catalisadores do FCC emite 16% do NOx total emitido). Em relação aos particulados inclusive os metais pesados, a sua emissão está associada à queima de óleos residuais em caldeiras e fornos, e à queima do coque de FCC em regeneradores. Em relação às emissões de SOx, especialmente SO2, mas também SO3, existe uma relação direta da carga processada com o combustível produzido e consumido na própria refinaria, e com as suas emissões de enxofre. No entanto, não existe uma correlação clara entre emissões de SO2 e a complexidade das refinarias, medida pelo índice de Nelson. Apenas, pode-se inferir que, como o FCC é uma das principais unidades emissoras de SO2, refinarias com maior capacidade de FCC tendem a emitir mais SO2. Finalmente em relação às emissões de compostos orgânicos voláteis, boa parte das mesmas associa-se às emissões fugitivas da refinaria. 4.4 Descargas líquidas O processamento de petróleo requer grandes volumes de água, ainda que bastante variáveis conforme a refinaria: sua complexidade, configuração, capacidade de reciclagem, localização. Deste total, fração considerável se pode reciclar; o restante encontra-se, porém, contaminado e deve passar pelos tratamentos primários e secundários. Estima-se o consumo de água de refinarias entre 250 a 350 litros de água por barril de óleo bruto processado (OGJ 1992). Em geral são quatro as fontes de descargas líquidas de refinarias:  Vazamentos intermitentes de água, por exemplo, durante a lavagem de tanques e reatores, ou devido a falhas em equipamentos.
  • 49. 39  Água de refrigeração: refinarias demandam volumes consideráveis de água de refrigeração. Esta água porem, não entra em contato com óleo e contêm menos contaminantes que as correntes de água empregadas nos processos. Assim quase toda a água de refrigeração pode ser reciclada, através de sistemas fechados com torres de refrigeração, que promovem a troca térmica entre a corrente de água e o ar ambiente. A água de refrigeração deve conter também aditivos antiincrustação.  Água para uso sanitário.  Água de processos: entra em contato diretamente com óleo e está, portanto contaminada. Esta corrente advém principalmente, da dessalgação, das torres de destilação, fracionamento e esgotamento. O seu tratamento envolve a separação do óleo da água e remoção de sais, sólidos, e H2S e NH3. A quantidade de descarga líquida gerada depende dos processos aplicados na refinaria. Todos os processos lidam com vapor para destilação ou fracionamento, o que leva à produção de água ácida. 5.0 Biomassa Biomassa é ainda um termo pouco conhecido fora dos campos da energia e da ecologia, mas já se faz parte do cotidiano brasileiro. Fonte de energia não poluente, a biomassa nada mais é que a matéria orgânica, de origem animal ou vegetal, que pode ser utilizada na produção de energia. Para se ter uma ideia da sua participação na matriz energética brasileira, a biomassa responde por um quarto da energia consumida no país. A utilização como combustível pode ser feita a partir de sua forma bruta, como madeira, produtos e resíduos agrícolas, resíduos florestais, resíduos pecuários, excremento de animais e lixo. Ao contrário das fontes fósseis de energia, como petróleo e o carvão mineral, a biomassa é renovável em curto intervalo de tempo. Além do pequeno tempo necessário a sua produção, a fotossíntese, o processo produtivo da biomassa, capta em geral quantidades superiores aquelas dos gases emitidos na queima para a formação de mais matéria prima. Nesse processo, o ciclo de carbono é de curta duração, limitando-se a superfície terrestre. A questão é que de uns tempos para cá, com o aumento da preocupação relativa ao efeito estufa, o uso da biomassa como forma de obter energia limpa e barata vem representando um enorme atrativo principalmente para as indústrias.
  • 50. 40 Mas, é importante ressaltar que a biomassa não é necessariamente “a mocinha” da história. A combustão de qualquer material de origem orgânica produz material particulado, CO₂ ou CO e outros óxidos dependendo do material combustível. A questão é que ultimamente tem se valorizado a utilização de biomassa proveniente de resíduos urbanos, florestais e industriais com o fim de diminuir a quantidade de resíduos em aterros, além de que, alguns processos de obtenção de energia a partir da biomassa não produzem os gases causadores do efeito estufa, ou produzem uma quantidade bem menor do que os combustíveis fósseis (gás natural). 5.1 Energia de biomassa É aquela derivada de matéria viva como os grãos (milho, trigo), as árvores e as plantas aquáticas. Esta matéria viva também é encontrada nos resíduos agrícolas e florestais (incluindo os restos de colheita e os estrumes) e nos resíduos sólidos municipais. A biomassa pode ser utilizada como combustível em três formas: Combustíveis sólidos, como as lascas de madeira; combustíveis líquidos produzidos a partir da ação química ou biológica sobre a biomassa sólida e da conversão de açúcares vegetais em etanol ou metanol; e combustíveis gasosos produzidos por meio do processamento com alta temperatura e alta pressão. Os recursos de biomassa ocupam uma grande área de terra. Eles têm a possibilidade de fornecer, em qualquer lugar, de 4% a 25% da energia necessária nos Estados Unidos. A biomassa atualmente abastece 3% das necessidades energéticas norte-americanas e pode fornecer várias vezes mais energia que a esperada de fontes eólicas e fotovoltaicas. A Suécia e a Finlândia utilizam a biomassa para 14% de suas demandas energéticas. Além disso, este recurso é de particular utilidade para nações do mundo em desenvolvimento, onde os altos preços do petróleo desaceleram o crescimento econômico. Como uma forma armazenada de energia solar, a biomassa tem a vantagem de os custos com coletores serem menores e o armazenamento de energia já estar incluído. A biomassa pode ser convertida em combustíveis líquidos e gasosos em diversas etapas, enquanto a combustão direta para produção de vapor ou eletricidade também é bastante popular. A Figura 20 ilustra algumas formas por meio das quais a biomassa é convertida em outros combustíveis.
  • 51. 41 Figura 20 Formas por meio das quais a biomassa é convertida em outros combustíveis 5.2 Conversão de biomassa O processo fundamental de conversão nas plantas verdes é a fotossíntese, que é a combinação de CO₂ atmosférico com água e energia luminosa para produzir oxigênio e carboidratos (como açúcares e amidos). O reverso deste processo é chamado respiração, na qual CO₂, H₂O e calor são produzidos pela combustão de carboidratos e oxigênio. Ela ocorre nas folhas e raízes dos vegetais e nos animais, assim como na matéria orgânica em decomposição. A eficiência da fotossíntese é de apenas cerca de 1% para o processo de transformação de energia solar em energia química armazenada. Nas plantas verdes, a fotossíntese ocorre durante o dia, e a respiração, à noite, levando a alterações diárias na concentração de CO₂ atmosférico. A concentração de dióxido de carbono varia de acordo com as estações do ano; mais alta no inicio da primavera e mais baixa no outono, no fim da temporada de crescimento. Vinte por cento da área de terra livre norte-americana (nos 48 Estados contíguos) é dedicada à produção agrícola, e 30% são cobertos com florestas comerciais e nativas. Em valor energético, o milho é a maior cultura, seguido por soja e aveia. A base terrestre americana totaliza 2.260 milhões de acres. Quase metade disso tem potencial para produção de biomassa. Terras com florestas e de agricultura podem suprir 1,3 bilhão de toneladas secas de biomassa
  • 52. 42 por ano, o suficiente para substituir um terço da demanda atual de combustíveis para transporte. Defensores dizem que o uso da biomassa deste modo requer modificações apenas modestas no uso da terra e nas práticas florestais e agrícolas. Tais modificações não teriam impacto nas demandas de alimentos, alimentação e exportações. Os Estados Unidos seriam assim menos dependentes da importação de petróleo, diminuiriam sua emissão de gases estufa e teriam melhorias na economia rural. A produção de etanol em 2004 foi cerca de 3,4 bilhões de galões, e tem crescido em torno de 20% ao ano. Os processos para a conversão de biomassa em outras formas de energia são numerosos, mas podem ser classificados em três tipos: √ Processos bioquímicos – decomposição de resíduos orgânicos em uma atmosfera deficiente em oxigênio – com a produção de gás metano (digestão anaeróbica) ou a fermentação controlada para a produção dos álcoois etanol e metanol. √ Combustão direta – queima de biomassa para produzir calor para o aquecimento de ambientes ou para a produção de eletricidade através de uma turbina de vapor. Qualquer coisa – de resíduos sólidos e sobras de colheitas a madeira – pode servir como combustível para este processo. √ Pirólise – decomposição térmica de resíduos em um gás ou líquido (com um relativamente baixo valor de aquecimento) sob altas temperaturas (500ºC a 900ºC) em uma atmosfera pobre em oxigênio. 6.0 Álcoois São produtos da conversão de biomassa que têm recebido considerável atenção nos últimos anos como substitutos para os líquidos derivados de petróleo. A fermentação de materiais vegetais para a conversão de seus açúcares em álcool data de mais de 4 mil anos: os egípcios faziam cerveja com grãos e uvas. Mais de 100 anos atrás, Louis Pasteur identificou as leveduras como catalisadores do processo de fermentação. Os dois álcoois de maior importância são o etanol e o metanol. O etanol é um líquido transparente com ponto de ebulição de 78ºC. Sua fórmula é C₂H5OH, e também chamado de álcool de grãos ou álcool etílico. Ele pode ser feito de uma série de matérias-primas, porém, as mais comuns são a cana-de-açúcar, o milho e a madeira. Os Estados Unidos usam principalmente milho; o Brasil usa cana-de- açúcar; a França, trigo e beterraba; e a Alemanha, centeio. A Figura 21 é um
  • 53. 43 fluxograma simples para a produção de etanol a partir do milho, iniciando com carboidratos complexos. O etanol produzido com grãos demanda grandes quantidades de energia para plantio, fertilização e colheita. Ele pode melhorar o desempenho dos veículos e produz menos emissões que os veículos a gasolina. O etanol feito de madeira pode reduzir as emissões de gases estufa, pois as plantas absorvem CO₂ enquanto crescem. Sem saber, muitos carros nos Estados Unidos já utilizam etanol – uma mistura (gasohol) com 10% de etanol e 90% de gasolina comum, conhecido como E10. Minnesota exigia E10 em todos os seus veículos e aumentou para E20 em 2005. Muitos postos de combustível no meio-oeste americano fornecem combustíveis E85. Carros flex-fueled (com flexibilidade para uso de combustíveis) usam este combustível E85. Seus motores são aptos a funcionar com diferentes misturas de combustíveis, desde a gasolina comum até E85 e M85, apenas ajustando eletronicamente o tempo de ignição e as relações ar/combustível. A maioria das grandes montadoras fabrica esses carros; há atualmente nos Estados Unidos 4 milhões de carros flex-fueled. Preços menores tornam esses carros especialmente atrativos hoje, embora apresentem maior consumo, com 10% a 15% a menos de mpg. Contudo, o etanol feito de milho não reduz as emissões de gases estufa por causa do petróleo usado para o cultivo e os fertilizantes. O etanol foi utilizado como combustível nos veículos Ford Modelo-T no início do século XX e teve sua utilização aumentada durante a depressão (como uma mistura álcool-gasolina), quando foram empreendidos esforços para estimular a economia agrícola nos Estados Unidos. Durante as crises do petróleo das décadas de 1970 e 1980, uma adição de 5% a 10% de álcool à gasolina foi promovida para substituir parte do petróleo usado como combustível automotivo. Não é necessária nenhuma conversão do motor para utilizar esta mistura. Se etanol puro for queimado, modificações devem ser feitas, porque ele é corrosivo e pode degradar alguns metais e polímeros utilizados nos sistemas a gasolina. Além disso, a baixa densidade de energia do etanol faz com que um carro que o utilize tenha uma autonomia cerca de um terço menor do que se usasse gasolina. O Brasil teve uma longa história relacionada com o uso do etanol de cana-de-açúcar em seus carros. Quase metade da sua frota era movida por etanol puro. O custo de produzir etanol tornou-se mais econômico na medida em que os preços do petróleo subiram. Os Estados Unidos produzem mais de 3 bilhões de