Capítulo 1 Energia

1.1 Geração hidroelétrica

Considerada uma fonte renovável, a hidroeletricidade é o tipo de energia mais eficiente e consiste em aproveitar a energia potencial ou cinética da água, transformando-a em energia mecânica e posteriormente em eletricidade. Neste tópico, discutiremos os aspectos da geração de energia elétrica pelo uso da água, os problemas ambientais e suas relações socioeconômicas.

Segundo dados do Ministério de Minas e Energia (MME), o Brasil possui cerca de 560 usinas e subestações e 1079 linhas de transmissão que formam a rede do Operador Nacional do Sistema Elétrico. Até 2005 a capacidade instalada dessas usinas alcançou a potência total de 84.177 MW (megawatts), dos quais 70.014 MW em usinas hidrelétricas e o restante em usinas termelétricas (14.163 MW). Atualmente, o Brasil possui uma rede básica de transmissão de energia que se estende a mais de 104 mil km, levando energia com tensões de 230 kV a 750 kV (quilovolt).

A Figura 1.1 apresenta a Energia Natural Afluente, ENA, dos recursos hídricos da região Sudeste/Centro-Oeste. Segundo o Boletim de Monitoramento do Sistema Elétrico do Brasil no mês de novembro de 2012, com o início da estação chuvosa, houve uma elevação do volume de precipitação nas principais bacias da região Sudeste/Centro-Oeste, contudo, não se observou um aumento significativo das vazões em virtude do longo período sem chuvas. Como podemos ver na Figura 1.1, a ENA bruta teve o valor médio de 22.841 MW, ou seja, de 84% MLT (vazão média de longo termo). Considerando o ranking histórico de 82 anos, esse valor corresponde somente à 58ª posição.

A Figura 1.2 apresenta dados da Energia Armazenada em Reservatório, EAR, em função do mês em diferentes anos. Segundo os dados do Boletim de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro, o intercâmbio das regiões Sul e Sudeste/Centro-Oeste no mês de novembro de 2012 provocou uma elevação nos reservatórios na região Sul, com um decréscimo de 5,1% na região Sudeste/Centro-Oeste. Além disso, observa-se que o armazenamento atingiu o menor valor para o mês desde 2001 (31,9 pontos percentuais de EAR). Ademais, a depreciação dos reservatórios na região Sudeste/Centro-Oeste foi agravada em virtude dos intercâmbios com as regiões Nordeste e Norte.

A Tabela 1.1 apresenta dados da Energia Armazenada em Reservatório no final do mês de novembro de 2012 e capacidade total dos reservatórios brasileiros. Os dados da Tabela 1.1 mostram que a região Sudeste/Centro-Oeste apresenta uma capacidade máxima em megawatts mês de 201.265 MW/mês, o que corresponde a 70,1% da capacidade total brasileira, isso indica a sua grande importância para o sistema elétrico brasileiro.

Tabela 1.1. Energia Armazenada em Reservatório, EAR.

Como podemos observar na Figura 1.3, que mostra a matriz de energia elétrica no Brasil, 69,73% de toda a energia produzida no país vem das hidrelétricas e os demais 30,27% estão distribuídos nas demais fontes, das quais 18,92% são atribuídos ao petróleo, ao gás natural e ao carvão mineral. Fontes essas sobre as quais discutiremos na próxima seção.

Como, então, é gerada energia elétrica nas usinas hidrelétricas? O Brasil possui grandes quantidades de rios com desníveis acentuados, o que possibilita a sua utilização de forma econômica e mais eficiente. O processo consiste em aproveitar a energia potencial ou cinética da água, transformando-a em energia mecânica pelas turbinas e finalmente em eletricidade pelo gerador. A função basicamente da força das águas é gerar energia elétrica nas usinas, o que as fazem ser denominadas hidrelétricas. As usinas hidrelétricas possuem uma barragem ou represa para conter um volume grande de água do rio e também para controlar o fluxo (vazão) dessas águas. Por ser um dos sistemas mais baratos de produção de energia, são inúmeras as suas vantagens, entretanto as hidrelétricas provocam impactos ambientais, tanto na fase de construção como na fase de operação.

A região próxima da usina pode sofrer severo impacto ambiental, gerando situação danosa aos ecossistemas existentes na região. No Brasil, por exemplo, a usina de Belo Monte, que está sendo construída na Bacia do Rio Xingu, em sua parte paraense, está envolvida em uma polêmica há mais de 20 anos, mesmo após o Ministério do Meio Ambiente (MMA), conceder a licença ambiental para sua construção em fevereiro de 2010. Muitos ambientalistas e indígenas da região envolveram-se em conflitos com a Empresa Norte Energia, responsável pela construção da usina. Durante a conferência Rio +20, realizada na cidade do Rio de Janeiro em junho de 2012, o cacique Raoni Metuktire realizou muitas manifestações contra a construção da usina de Belo Monte, solicitando a sua suspensão devido ao descumprimento das condicionantes.

No interior da represa, aquedutos inclinados são instalados para levar a água para as turbinas. Durante o seu funcionamento, a água desce pelos tubos e faz girar o sistema de hélices, movimentando o eixo dos geradores que produzem a energia elétrica. Perto dos geradores, são instalados os transformadores, equipamentos que acumulam e enviam a energia elétrica para os cabos das linhas de transmissão. A Figura 1.4 representa o esquema do funcionamento de uma usina hidrelétrica. Após passar pelas turbinas e as movimentar, as águas represadas voltam para o rio.

Com 14 mil MW de capacidade de geração, Itaipu é a segunda maior usina hidrelétrica do mundo em potência instalada, atrás somente de uma usina na China, conhecida como Três Gargantas. A hidroelétrica de Itaipu está situada na Bacia do rio Paraná, na “tríplice fronteira” formada pelos limites territoriais entre o Brasil, Paraguai e Argentina sendo construída pelo Brasil e Paraguai. Sua administração continua com os dois países, e parte da energia destinada ao Paraguai é vendida para o Brasil, devido ao seu maior consumo.

1.2 Combustível fóssil

Os combustíveis fósseis são considerados fontes não renováveis de energia, pois não podem, em curto prazo, ser repostos ao planeta. Eles são constituídos por depósitos naturais de petróleo, gás natural e carvão. Os depósitos naturais de petróleo, por exemplo, se formaram há milhões de anos pela decomposição de matéria orgânica de origem animal e vegetal, os quais foram submetidos a altas temperaturas e pressões na nossa crosta terrestre.

O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos, que contém centenas de substâncias sólidas, líquidas e gasosas, cuja composição apresenta certas variações conforme as condições de formação. Os campos petrolíferos se localizam tanto em terra quanto em mar, em águas rasas, profundas e ultraprofundas. O Espírito Santo foi destaque na produção de petróleo e gás natural no Brasil por sua cadeia produtiva de petróleo nas áreas de pré e pós-sal, formando uma combinação com elevado potencial. Grandes reservatórios de óleo e gás são encontrados acima e abaixo de uma camada de sal, apresentando excelente estado de conservação, ou seja, petróleo não degradado por bactérias, que corresponde a petróleos classificados como leves. Outro produto importante presente nos poços de petróleo ou no óleo bruto (fase líquida) é o chamado gás natural, que é constituído principalmente por metano, CH₄.

O gás natural é dividido em duas subcategorias que são:

Além do metano, o gás natural pode ser constituído por outros hidrocarbonetos, por exemplo, etano (C₂H₆), propano (C₃H₈), butano (C₄H₁₀) e também por outros gases em porcentagens menores da ordem de 0,5% a 15%, tais como: N₂ e CO₂.

A Petrobras foi criada em 1953 em um contexto histórico e político, tornando-se a obra magna do nacionalismo político-econômico do então presidente Getúlio Vargas. Em 1951, Vargas enviou ao congresso um projeto de lei que estabelecia o monopólio estatal sobre a perfuração e o refino do petróleo por meio da empresa Petrobras, uma empresa de capital misto cuja maioria das ações seria controlada pelo Estado. Ocorreram muitos conflitos durante a implementação dessa lei, até que, em 3 de outubro de 1953, ela foi sancionada. A produção de petróleo nos três primeiros anos de funcionamento da Petrobrás foi muito grande, sendo três vezes maior do que a produção desde 1939, quando o primeiro poço foi aberto e explorado no Brasil.

A origem da palavra petróleo é latina e significa petra (pedra) e oleum (óleo), ou seja, óleo de pedra. O petróleo tem como principais componentes substâncias conhecidas como hidrocarbonetos, formados basicamente pelos elementos carbono e hidrogênio. O óleo pode ser classificado por meio do grau API (desenvolvido pela American Petroleum Institute), que relaciona a densidade do óleo em relação à densidade relativa do petróleo, medida a 15,6 °C. É classificado como leve se o grau API for > 31,1; médio se estiver entre 22,3 – 31,1; pesado entre 10,0 – 22,3 e extrapesado < 10,0.

A Figura 1.5 apresenta a evolução do preço do petróleo ao longo das últimas duas décadas, entre os anos de 1995 a 2012. Na década de 90 o preço do barril de petróleo não variava muito, entre 11 a 34 reais, mas no final dessa década o preço do barril começou a subir apresentando picos nos anos de 2003 e 2008. Em 2009, o preço teve uma queda bruta passando de 210 reais para aproximadamente 100 reais, uma variação de mais de 100%. Nos últimos três anos, os valores vêm crescendo e atualmente estão em torno de 400 reais.

A vantagem do uso do petróleo está no fato dele ser um líquido, o que facilita o seu transporte. Isso promoveu o desenvolvimento de veículos movidos por combustível fóssil, tais como: automóveis, aviões, barcos, dentre outros. Os derivados do petróleo, usados atualmente como combustível, apresentam também a vantagem de serem relativamente limpos, pois a maior parte dos resíduos de enxofre e metais fica nos subprodutos, durante o processo de refino do petróleo. Por outro lado, a combustão desses combustíveis no interior dos motores dos veículos libera para a atmosfera uma grande quantidade de poluentes gasosos, tais como: NO_x, CO₂, CO, SO₂. Ademais, durante o processo de extração, o petróleo pode contaminar o solo ou os oceanos quando há derramamento, causando enormes problemas para os ecossistemas marinhos.

A Figura 1.6 demonstra o derramamento de petróleo que ocorreu em 2010, no fundo do mar devido a um problema no poço de extração de petróleo na costa dos Estados Unidos, quando a plataforma Deepwater Horizon da empresa British Petroleum, localizada numa região de intensa exploração de petróleo, a 65 km da costa americana (Estado da Louisiana), explodiu, causando a morte de 11 funcionários. Dois dias depois, a plataforma afundou a aproximadamente 80 quilômetros da costa da Louisiana, sul dos Estados Unidos. Em consequência do acidente, o sistema automático que deveria fechar imediatamente a válvula de segurança do poço no fundo do mar não funcionou. Assim, o poço ficou aberto por vários dias vazando quase 1 milhão de litros de petróleo por dia, provocando o pior acidente deste tipo nos Estados Unidos. O sistema de válvula poderia ser fechado manualmente, contudo, o problema era que a válvula estava a 1,5 km de profundidade, o que se mostrou de difícil resolução. Após várias tentativas mal sucedidas o poço foi fechado, mas o desastre foi inevitável, formando uma enorme mancha de óleo que se aproximou do litoral americano. Desde então, o óleo vem prejudicando a fauna marinha, o turismo e a pesca na região.

No Brasil, o derramamento de petróleo é um problema. Recentemente, em 2012 houve um vazamento na área do pré-sal (profundidade de 2.140 metros), na bacia de Santos, SP (localizada a 300 km da costa brasileira). Os especialistas afirmaram que foram derramados por volta de 160 barris de petróleo na região, contudo o petróleo não chegou à costa brasileira. Outro evento ocorrido no Brasil foi o caso envolvendo a empresa Chevron em novembro de 2011, quando houve o derramamento de cerca de 2.400 barris de petróleo na bacia de Campos, no litoral do Rio de Janeiro. O Ibama (Instituto Brasileiro de Meio Ambiente) na época multou a empresa em 60 milhões de reais, pois o vazamento ocorreu devido à perfuração de um novo poço na mesma região do campo de Frade, onde já se produzia petróleo, o que provocou um excesso de pressão no local.

O carvão mineral é outra fonte de combustível e sua história no Brasil começa no século XVIII em 1795. O Brasil apresenta 8 jazidas de maior destaque e diversas menores, e 88% dos recursos estão localizados no estado do Rio Grande do Sul. O principal uso do carvão no Brasil ocorre em usinas geradoras de eletricidade, as termelétricas, onde esse é queimado de forma eficiente e completa. Os demais consumidores são: indústria de cimento; petroquímica, indústria de celulose e papel; indústria de alimentos e indústria cerâmica. No Brasil, o carvão metalúrgico para uso siderúrgico, desde 1991, é integralmente importado. No caso do carvão energético, inversamente, é quase todo produzido no país. Isso se deve ao fato de que nossas jazidas, de reduzidas dimensões, com camadas carboníferas irregulares, de pequena espessura e pouca continuidade lateral, têm muita dificuldade em produzir em alta escala.

Apesar do petróleo e do gás natural serem ainda mais usados e possuírem um desenvolvimento mais avançado, as reservas mundiais de carvão ocupam a primeira colocação em abundância, superando o petróleo em cerca de quatro vezes. Essas reservas estão distribuídas geograficamente sobre o planeta de forma menos concentrada em relação as reservas de petróleo e gás.

As principais desvantagens do uso do carvão estão no fato de sua extração poder causar sérios danos ao meio ambiente e à saúde humana, apesar das severas leis federais, estaduais e municipais existentes. Devido a sua queima, nas usinas termoelétricas, há a emissão de fuligem, SO₂ e NO, que são os principais responsáveis pela chuva ácida, e de partículas de aerossóis que desempenham um papel importante na regulação do clima global, além de causar impactos aos seres vivos. Assim, como os demais combustíveis fósseis, o CO₂ emitido contribui com o efeito estufa global. Comparativamente, a queima de carvão emite mais CO₂ do que a queima de petróleo ou gás natural por unidade de energia produzida, pois sua relação C/H é baixa.

Um dos assuntos, que atualmente recebe muita atenção, é a descarbonização, processo pelo qual se tenta reduzir a quantidade de CO₂ presente na atmosfera. A descarbonização consiste em isolar o CO₂ e armazená-lo de forma a não ser prejudicial ao ecossistema e ser economicamente viável. Após a queima dos combustíveis fósseis, o CO₂ pode ser separado dos gases de exaustão por absorção em aminas orgânicas, reagindo e formando carbamatos. Em seguida, o carbamato é aquecido e libera novamente a amina e CO₂, que podem ser armazenados em diferentes lugares, por exemplo, no fundo do mar, em aquíferos, em reservatórios de petróleo e gás. A injeção de CO₂ já está sendo realizada em alguns campos petrolíferos para forçar o fluxo do óleo pelo reservatório até o poço, intensificando a sua recuperação.

1.3 Energia eólica

A primeira turbina eólica ligada à rede pública com capacidade para geração de energia elétrica comercial foi instalada na Dinamarca, em 1976. De lá para cá, o potencial eólico só vem crescendo e atualmente estão em funcionamento mais de 40 mil turbinas eólicas em todo o mundo. Como já foi mencionado, o planeta vive um momento único de consciência em torno da importância da adoção de fontes de energia renováveis.

A Tabela 1.2 apresenta a matriz de energia elétrica brasileira em termos da capacidade instalada e disponível em diferentes formas de geração de energia. Como podemos observar, no Brasil atualmente há 82 usinas eólicas com uma capacidade instalada de 1.815 MW e capacidade disponível de 1,51%. Apesar de o Brasil apresentar um percentual de geração de energia elétrica de 70%, oriundos das usinas hidrelétricas, o novo perfil mundial em torno da sustentabilidade não mais permite alagamentos de grandes áreas para a criação de barragens, característicos das grandes hidrelétricas, além dos já mencionados problemas ambientais gerados pela construção desse tipo de usina. Desta forma, a procura de novas fontes de energia de forma sustentável faz-se necessário.

Tabela 1.2

As turbinas utilizadas para geração de energia eólica tiveram várias configurações, dentre essas: turbina de eixo de rotação vertical, turbina de eixo de rotação horizontal, turbinas de mono pá, turbina de di e tri pás, turbina com gerador síncrono, turbina com gerador de indução etc. Entretanto, as pesquisas mostraram que a melhor configuração para o projeto de turbina eólica é o que apresentava o seguinte perfil: eixo de rotação horizontal, hélice com três pás, gerador de indução, alinhamento ativo e estrutura rígida ou não maleável, como ilustrado na Figura 1.7. A potência máxima gerada pode ser obtida ajustando o ângulo de passo das pás da hélice e em alguns casos, esse dispositivo é usado para limitar a potência gerada.

As primeiras turbinas eólicas tinham uma capacidade de geração elétrica entre 10 kW e 50 kW de potência nominal, aquelas desenvolvidas em escala comercial. Já nos primeiros anos da década de 90, essa potência saltou para 100 a 300 kW, ou seja, um aumento de 100 - 500% e em 1995, a potência já era de 300 a 750 kW. Dois anos depois, em 1997, as turbinas comercializadas tinham potência de 1 a 1,5 MW. Atualmente, alguns países da Europa já possuem protótipos em operação com potência da ordem de 5 MW.

A Figura 1.8 representa a energia elétrica gerada em usinas eólicas nas regiões Nordeste e Sul do Brasil, nos anos 2011 e 2012. Como podemos observar, nesses anos, a região Nordeste apresentou sempre valores maiores em relação à produção de energia da região Sul, além disso, a capacidade instalada na região Nordeste foi em média 350 MW superior, nos dois últimos anos. Isso acontece porque as “jazidas” de vento do Brasil estão entre as melhores do mundo, pois são compostas por ventos ditos “bem comportados e elegantes” e porque 90% do potencial eólico do Brasil está localizado na região Nordeste (litoral dos estados do Ceará e Rio Grande do Norte e em algumas partes do semiárido nordestino).

1.4 Energia Nuclear

O mundo tomou conhecimento da energia nuclear em meados 1945, quando do lançamento e detonação da bomba atômica na cidade de Hiroshima no Japão, a primeira explosão de uma bomba atômica na história da humanidade. Nagasaki, outra cidade japonesa, foi atingida três dias depois, em 9 de agosto. Mas, o primeiro teste nuclear da história foi realizado pelos Estados Unidos, no dia 16 de julho de 1945.

Para compreendermos melhor os fatos que levaram a criação dos artefatos nucleares devemos voltar a 1895, quando uma descoberta acidental provocou uma mudança de paradigma com respeito à estrutura atômica. Nesse ano, o físico Wilhelm Conrad Röntgen (1845 - 1923) trabalhando na Universidade de Wurzburga, Alemanha, teve sua atenção desviada pela presença de um extravagante brilho em uma tela fluorescente disposta a alguns metros do equipamento de descargas de gases rarefeitos que ele estava usando, a qual estava coberta com um manto de cor negra, também percebeu que a luminosidade desaparecia se o equipamento era desligado. Esse comportamento sugere que alguma coisa estava atravessando a proteção de seu equipamento e atingindo a placa fluorescente. Entretanto, como desconhecia a natureza física do fenômeno observado, Röntgen os denominou raios X.

Fascinado com a descoberta de Röntgen o também físico francês Antoine-Henri Becquerel (1852 - 1908) passou a investigar a natureza da possível fluorescência provocada pelo composto sulfato de potássio e uranilo, K₂UO₂(SO₄)₂ e observou que o composto conseguia emitir espontaneamente uma radiação que impressionava filmes fotográficos. A comunidade científica ficou muito intrigada com as descobertas dos dois físicos e assim, vários cientistas da época começaram a investigar essas misteriosas radiações. Dentre esses estavam Joseph John Thomson (1856 - 1940), Ernest Rutherford (1871 - 1937) e Marie Curie (1867 - 1934). Contudo, a relação entre a radioatividade (termo esse, primeiramente mencionado por Marie Curie) e o núcleo atômico só foi feita no século XX, pois a existência do núcleo atômico ainda não tinha sido prevista, o que somente foi feito em 1911, por meio da famosa experiência de Ernest Rutherford do bombardeamento de uma fina folha de ouro com partículas alfa.

Exceto para o átomo de hidrogênio, todos os núcleos atômicos têm mais de um próton no núcleo, sendo que cada um dos prótons possuem carga positiva, a pergunta que se faz é como um núcleo com mais de um próton pode ser estável já que cargas semelhantes se repelem? Para responder tal pergunta, precisamos considerar duas forças atuando no núcleo de um átomo: a força de repulsão e a atração eletrostática, tais como aquelas presentes entre os íons em um cristal de cloreto de potássio. Existe outra força denominada força nuclear forte, a qual supera a força eletrostática de repulsão dos prótons e mantém os prótons e os nêutrons confinados no núcleo, além disso, os nêutrons ajudam a manter os prótons mais afastados uns dos outros, diminuindo a repulsão entre eles.

Por haver uma diferença entre a força nuclear forte e eletrostática, alguns núcleos com grande quantidade de prótons podem ser instáveis devido à presença de poucos nêutrons para diluir as repulsões eletrostáticas entre os prótons. Além disso, esses núcleos carregam muita energia comparativamente a outras distribuições dos mesmos núcleos. Para alcançar uma energia menor e assim mais estabilidade, os núcleos instáveis têm uma tendência a ejetar pequenos fragmentos nucleares e liberar simultaneamente muita radiação eletromagnética de alta energia.

A radiação nuclear ou radiação atômica é evidenciada pela presença de um feixe de partículas (fótons), vindo de uma amostra e a esse fenômeno é dado o nome de radioatividade, em que os elementos químicos que apresentam tal propriedade são conhecidos com materiais radioativos. Atualmente, reconhece-se a existência de aproximadamente 350 isótopos naturais, e 17% deles apresentam o fenômeno da radioatividade.

O núcleo do átomo em certas condições pode emitir vários tipos de radiações, dentre elas podemos citar:

A radiação alfa ocorre quando um núcleo emite um feixe de partículas alfa, constituído por núcleos de hélio (denominado, partículas alfa). As partículas alfa são as partículas com maior massa dentre aquelas comumente emitidas pelos radionuclídeos. As partículas alfa são simbolizadas como ⁴₂He, em que 4 representa número de massa e o 2 representa o número atômico. Apesar de apresentar também carga (2+), essa é omitida nessa simbologia.

Por ser uma partícula muito grande comparativamente a outras partículas com mesma natureza eletromagnética, as partículas alfa não se afastam muito da fonte emissora. Mesmo quando saem do emissor, geralmente apresentam um décimo da velocidade da luz, assim apresentam uma baixa energia cinética que é rapidamente perdida em poucos centímetros de deslocamento no ar atmosférico, devido às colisões com as moléculas de outras substâncias presentes no ar. Finalmente, essas acabam capturando elétrons do meio e passam a ser átomos de hélio. Por apresentarem baixa energia, não têm muito poder de penetração, não ultrapassando uma folha de papel.

No caso da radiação beta o que temos é um feixe de elétrons os quais são chamados de partículas beta. Por exemplo, um nêutron presente em um núcleo de um isótopo do elemento hidrogênio, o trítio (³₁H) pode sofrer decaimento e, emitir uma partícula beta, um próton e um antineutrino (sendo a antipartícula do neutrino), a equação 1.1 representa esse processo:

Em que podemos observar que o nêutron é representado por ¹₀n, o próton por ¹₁p, a partícula beta por ⁰_-1 e e a partícula de antineutrino por: ^-v.

Entretanto, em oposição ao que é observado durante a emissão de partículas alfa, a qual ocorre com a mesma energia discreta a partir de um determinado radionuclídeo, um espectro contínuo de energia é obtido durante a emissão de partículas beta. Esse comportamento violava o princípio da conservação de energia e os cientistas da época tiveram muitas dificuldades em explicar esse resultado, mas em 1927, Wolfgang Pauli propôs que durante o processo de emissão de partículas beta, esse era acompanhado pela emissão de outra partícula, com massa quase zero e eletricamente neutra. Por não apresentarem carga elétrica, essas partículas foram nomeadas primeiramente com "nêutrons". Contudo, com a descoberta de James Chadwick, em 1932, do que conhecemos hoje por nêutrons, essas tiveram o nome alterado para neutrino, que significa pequeno nêutron, em italiano por sugestão do físico italiano Enrico Fermi. Finalmente, os pesquisadores devido à natureza da sua origem passaram a chamá-la antineutrino, v.

Sabe-se que somente a partícula beta com alta energia tem poder de penetração na pele, mas dependendo da sua energia cinética inicial. Essa pode mover-se no ar atmosférico seco em aproximadamente 3 metros, indo muito mais longe do que as partículas alfa. Isso ocorre porque o elétron é muito pequeno comparativamente ao próton (partícula presente na emissão alfa), assim a probabilidade de colidir com outras partículas ou moléculas presentes no ar é muito menor.

O terceiro tipo de radiação que vamos mencionar é a radiação gama. O processo de emissão de radiação gama está diretamente associado às transições entre níveis de energia no núcleo. Assim como os átomos possuem níveis de energia dos orbitais, os núcleos atômicos também têm seus próprios níveis de energia. A radiação gama consiste em partículas de fótons com alta energia e, em geral, pode ser representada por meio do símbolo ⁰₀γ. Diferente das radiações mencionadas nos parágrafos anteriores, a radiação gama por ter alta energia, tem poder penetrante muito maior e pode causar modificações do DNA, nos tecidos e órgãos dos seres vivos, o que pode provocar o surgimento de câncer na região atingida. Em geral, para se bloquear esse tipo de radiação penetrante, o material mais usado é o elemento chumbo, sendo necessário para tal uma placa de chumbo bem espessa.

A equação 1.2 representa a preparação de alumínio por meio da transmutação, ou seja, a transformação de um isótopo em outro. Esse processo pode ocorrer pelo decaimento radioativo ou forçado, pelo bombardeio do núcleo com partículas alfa de alta energia em aceleradores de partículas em campo elétrico (Figura 1.9).

Inicialmente, um próton atinge um átomo de magnésio, Mg, transmutando em um núcleo composto de alumínio-27*, ²⁷₁₃ Al*que pode sofrer decaimento de várias formas, e uma delas é a formação do alumínio-27, ²⁷₁₃ Al estável pela liberação de radiação gama, ⁰₀ γ.

Finalmente, vamos discutir um pouco sobre os raios X, um tipo de radiação eletromagnética com energia menor do que a da radiação gama, por exemplo.

Como mencionado anteriormente, quem detectou pela primeira vez os raios X foi o físico alemão Wilhelm C. Röntgen. Em virtude do desconhecimento da natureza desta radiação, a comunidade científica da época propôs a denominação de raios X. Essa radiação foi descoberta durante os experimentos que Röentgen fazia em seu laboratório estudando o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos. O equipamento estava recoberto de tal forma que nenhuma luz exterior podia penetrar a câmara escura, a qual tinha em seu interior um pedaço de papel recoberto com o composto platinocianeto de bário, BaPt(CN)₄. Durante a aplicação de certa voltagem, os elétrons eram acelerados com energia cinética suficiente no interior do tubo para produzir radiação capaz de marcar a chapa fotográfica.

A fissão nuclear é um processo pelo qual um núcleo atômico com grande massa se divide produzindo núcleos com massa menores. A fissão nuclear ocorre quando um núcleo instável absorve um nêutron. Como o nêutron não apresenta carga elétrica, atravessa a nuvem eletrônica da eletrosfera do átomo facilmente e, assim consegue penetrar no núcleo atômico provocando sua fissão.

Enrico Fermi (1901 - 1954) realizando experimentos com alvo de urânio descobriu que, ao direcionar nêutrons para um alvo de urânio, núcleos mais leves eram produzidos. Ele ainda não sabia que o que observara era a fissão nuclear dos átomos de urânio-235. A reação de fissão dos átomos de urânio-235 é representada na equação 1.3 a seguir:

Como podemos observar, durante a absorção do nêutron os átomos de urânio-235 se tornam o núcleo composto ²³⁵₉₂U que por sua vez sofre a fissão em dois específicos núcleos menores em massa, em geral, criptônio ⁹⁴₃₆Kr e bário ¹³⁹₅₆Ba. Mas já foram identificados mais de 30 núcleos com número atômico intermediário, por isso a equação 1.3 é representada com as letras A e B, as quais representam esses possíveis núcleos que podem ser formados. Além disso, o coeficiente z representa o número médio de nêutrons que podem ser produzidos durante o processo de fissão, e que, em geral, tem o valor de 2,47. Durante a fissão do átomo de urânio-235, três nêutrons (denominados nêutrons secundários) que apresentam energia maior do que os nêutrons absorvidos inicialmente (denominados nêutrons térmicos, que se movem lentamente) são produzidos. Esses nêutrons podem então ser absorvidos por outros núcleos de forma progressiva provocando o que conhecemos com reação em cadeia de fissão, ou reação nuclear em cadeia que é autossustentada e por meio da qual produto de um evento causa uma ou mais repetições do processo. A Figura 1.10 representa o processo de reação em cadeia dos átomos de urânio-235.

A energia liberada durante tal evento é muito grande e assim, pode-se usar essa energia para produzir energia elétrica pelo movimento de geradores elétricos por meio do calor liberado. Por exemplo, a queima de aproximadamente 3 mil toneladas de carvão pode ser equiparada à energia disponível em 1 kg de urânio-235. A maior vantagem ambiental da geração elétrica por meio de usinas nucleares é a não utilização de combustíveis fósseis, evitando o lançamento na atmosfera dos gases responsáveis pelo aumento do aquecimento global, bem como de outros produtos tóxicos.

Para que a reação nuclear em cadeia ocorra de forma autossuficiente é necessário que haja uma quantidade suficientemente alta de isótopo físsil, ou seja, isótopo capaz de sofrer fissão, no caso urânio-235. O urânio no Brasil é extraído do minério, separado e transformado em diuranato de amônio, um sal amarelo que ficou mais conhecido como yellow cake. Essa forma mineral possui em sua composição 99,28% de urânio-238 e apenas 0,72% de urânio-235. O yellow cake, por meio de processos complexos, é transformado num composto com flúor, conhecido como hexafluoreto de urânio ou UF₆ sólido. Em geral, o urânio-235 usado nos reatores de uma usina de energia nuclear está entre a porcentagem de 2 a 5% em massa, na forma de dióxido de urânio (UO₂) em pastilhas vítreas. A energia criada pela fissão dos átomos é usada para ferver água e o vapor resultante move as turbinas, gerando eletricidade.

Existem atualmente três processos possíveis de enriquecimento do urânio-235 na porcentagem desejada para ser usados em usinas nucleares que são:

No primeiro caso, o enriquecimento gradual do urânio é feito pela passagem forçada do componente gasoso do UF₆ (hexafluoreto de urânio) em sucessivas barreiras porosas de difusão. Durante sua passagem, a razão de massa entre UF₆-238/UF₆-235 é um fator de 1,0064, assim, após n passagens o enriquecimento torna-se (1,0064)ⁿ. Para reatores que usam água pressurizada, o valor mínimo é ~ 3%, ou seja, são necessárias 350 passagens para obter o material desejado. Por ser um processo bastante oneroso, ele vem sendo gradualmente substituído pela centrifugação. Diferente do processo anterior em que a razão de separação das massas dos isótopos é proporcional à raiz quadrada, nesse processo a força centrífuga é diretamente proporcional à massa e assim, há uma rota mais eficiente para separar os isótopos.

Finalmente, já está sendo proposto o enriquecimento isotópico a laser. Nesse processo, um feixe de luz monocromático, com fóton e energia apropriada, é direcionado ao composto de urânio o qual pode excitar moléculas que contenham um isótopo específico, pois se excita somente uma pequena parcela de moléculas com outros isótopos, sendo possível separar os isótopos excitados, enriquecendo grandes quantidades de urânio com um único passo, diminuindo o custo e a complexidade do processo.

A Figura 1.11 ilustra uma representação esquemática de uma usina nuclear. Como podemos observar, o reator é composto por um núcleo de reação constituído por uma blindagem, água de aquecimento, varetas de reação (combustível de urânio) e bastões de calor, que têm a função de captar o calor gerado pelas varetas de combustão e transferir sua energia para água do reator, que após aquecida circula no trocador de calor, transformando a água no estado líquido para água no estado de vapor. Na sequência o vapor de água é conduzido para o gerador, em que a turbina é movimentada gerando energia elétrica. Posteriormente, o vapor é condensado no refrigerador e assim retorna ao trocador de calor

Como as varetas de combustão apresentam urânio-235 com porcentagem em torno de 2 a 5%, não existem perigos com respeito à explosão atômica de um reator nuclear, pois para produzir uma bomba atômica a porcentagem mínima de urânio necessária gira em torno de 85%. Contudo, o que pode acontecer é a fusão do núcleo pelo superaquecimento do reator, o qual pode passar pelas paredes do recipiente que contém as varetas de combustão levando à liberação de radiação. Outro problema é a divisão das moléculas de água pela sua decomposição em átomos de hidrogênio e oxigênio, que podem recombinar-se gerando uma explosão. Essa situação aconteceu recentemente nos reatores de Fukushima, no Japão, quando após um terremoto seguido por um tsunami, os reatores ficaram sem refrigeração, o que provocou a liberação de gás hidrogênio, que por sua vez se recombinaram com as moléculas de oxigênio provocando uma grande explosão. A Figura 1.12 é uma fotografia desse incidente ocorrido em 2011.

O rejeito radioativo é todo e qualquer material resultante dos processos que compõem o ciclo do combustível, que vão da mineração; passando por beneficiamento; conversão; enriquecimento; reconversão; produção das pastilhas e elemento combustível; seu uso em usinas nucleares e armazenamento final. As usinas nucleares geram os rejeitos de baixo, médio e alto nível de atividades sendo estocados em locais específicos e apropriados, para futura reciclagem e uso dos energéticos remanescentes. Por exemplo, xenônio tem o tempo de meia vida da ordem de 10 anos, por outro lado, a maioria dos gases apresenta tempo de meia vida relativamente curto. No caso dos sólidos, além dos radionuclídeos, cujo tempo de meia vida é extremamente longo, alguns compostos bastante importantes tais como os radionuclídeos: I-131, Sr-90 (tempo de meia vida de 28 anos), Cs-137 (tempo de meia vida de 30 anos), podem causar sérios problemas aos seres humanos por poderem substituir outros átomos do corpo (Cs no lugar de Sódio, Sr no lugar do cálcio) ou seu isótopo (iodo).

1.5 Célula a combustível

Uma tecnologia alternativa que está ganhando força para a geração de energia de forma sustentável é a tecnologia associada à célula a combustível. A célula a combustível é um dispositivo eletroquímico com inserção externa de reagentes, que por meio da “energia química” contida nas substâncias utilizadas, como combustível e oxidante, convertem tal energia diretamente em energia elétrica e calor. Assim, sua eficiência é muito superior se comparada a métodos tradicionais de geração de energia, visto que se trata de um método químico e não mecânico e, além disso, não apresenta limitações termodinâmicas.

Os automóveis, grandes contribuidores do aquecimento global, passam a ter cada vez mais atenção com relação a essa tecnologia, já que é limpa e segura. A tecnologia de células a combustível em veículos não é nova. Segundo Linardi e colaboradores, veículos que utilizavam esse tipo de tecnologia começaram a ser produzidos na forma de protótipos no final da década de 1960.

Ao contrário da bateria, que é um dispositivo de armazenamento de energia e que é limitada pela quantidade de reagente disponível, a célula a combustível, converte a energia da reação entre seu combustível e um oxidante, num fluxo ordenado de elétrons. De forma teórica, enquanto é fornecido o combustível à célula, ela é capaz de produzir energia. Mas na realidade, a vida operacional das células a combustível é reduzida devido a fatores como atividade eletrocatalítica (envenenamento/degradação) e condutividade protônica dos eletrodos que a compõem. Desta forma, os pesquisadores ao redor do mundo estão constantemente investigando melhores materiais capazes de serem usados nos ânodos/cátodos que apresentam melhor atividade eletrocatalítica e também melhor resistência à corrosão, a fim de melhorar a eficiência da célula. Além é claro, de estudos para encontrar o melhor eletrólito/membranas utilizados no sistema.

A Figura 1.13 representa um esquema de célula a combustível do tipo PEM (membrana trocadora de prótons, do inglês proton exchange membrane). Esse tipo de célula é composto por dois compartimentos, um para o cátodo cujo catalisador geralmente é composto de platina e outro para o ânodo. O cátodo quebra as ligações da molécula de oxigênio em átomos de oxigênios que se ligam aos prótons, H⁺, que passam pela membrana trocadora de prótons, conhecida também como membrana de eletrólito polimérico, por exemplo, Nafion®. Os prótons, por sua vez, vem do ânodo, pela ruptura da ligação H—H, se o combustível for H₂ molecular que é injetado no compartimento anódico (segundo compartimento). Como produto final, desta reação tem-se a H₂O. Isso faz das células a combustíveis fontes limpas de geração de energia (emissão zero).

As equações químicas, que representam as reações desse processo em meio ácido, podem ser visualizadas a seguir:

O grande problema em se usar hidrogênio está no fato de que poucos lugares no mundo possuem uma infraestrutura instalada para produção e comercialização desse composto. O seu manuseio e a armazenagem são extremamente perigosos. Além disso, se o hidrogênio for produzido pela reforma de algum combustível fóssil, como o metano, esse, em geral, está contaminado com CO, sendo um componente muito eficaz no envenenamento dos catalisadores baseados em platina, fazendo com que a célula perca potência rapidamente e forçando a troca do material do ânodo. Ademais, a produção de hidrogênio por via eletroquímica ainda é relativamente cara.

Em virtude disto e de outros fatores, existe um grande interesse em desenvolver células diretas a álcool, como o metanol e o etanol. Nas últimas décadas, ocorreu um grande desenvolvimento nas células diretas de metanol (veja Figura 1.14), contudo, o metanol apresenta também alguns inconvenientes, tais como menor densidade de energia comparada ao hidrogênio e problemas de manuseio, por se tratar de uma substância tóxica. Dessa forma, o etanol tem se tornado o foco principal das pesquisas no Brasil, pois esse já é largamente produzido no Brasil, onde há uma indústria bem estruturada voltada para sua produção, uma vez que é utilizado como combustível veicular há décadas. Ademais, o etanol possui toxicidade muito menor se comparado ao metanol, além da tecnologia envolvida ser muito parecida à das células a metanol direto.

Outra proposição é o uso de álcoois polihídricos como: etilenoglicol e glicerol, que possuem alto ponto de ebulição e são muito menos voláteis. Esses possuem densidade energética teórica maior que o metanol, além de serem passíveis de eletro-oxidação.

A produção em massa de células a combustíveis tem alguns desafios para serem superados tais como:

As células são atualmente classificadas de acordo com o tipo de eletrólito utilizado. Os principais tipos são: célula a combustível de eletrólito polimérico (PEMFC, do inglês, proton exchange membrane fuel cell), alcalina (AFC, do inglês, alkaline fuel cell), de ácido fosfórico (PAFC, do inglês, phosphoric acid fuel cell), de carbonato fundido (MCFC, do inglês, molten carbonate fuel cell) e de óxido sólido (SOFC, do inglês, solid oxide fuel cell).

A Tabela 1.3 apresenta de forma geral algumas das principais características das células a combustível comerciais e em desenvolvimento no mundo atualmente.

De modo geral, a escolha do eletrólito dita o intervalo de temperatura de funcionamento da célula a combustível. A Tabela 1.3 mostra que a temperatura de operação das células varia de 60 °C a 1.000 °C, dependendo do tipo de célula. Por exemplo, as células que operam a baixa temperatura incluem alcalinas, membrana polimérica e ácido fosfórico, e as que operam em temperaturas elevadas são: carbonato fundido e óxido sólido. A temperatura de operação de uma célula está diretamente relacionada aos materiais e componentes utilizados em cada tipo de célula. Por exemplo, eletrólitos aquosos estão limitados a temperaturas de cerca de 200 °C ou menos, devido à sua elevada pressão de vapor e rápida degradação a temperaturas mais elevadas.

Algumas células do tipo PEM, podem ser classificadas de acordo com o tipo de combustível utilizado, como as células diretas álcool (DAFC, do inglês, direct alcohol fuel cell). A classificação pode ocorrer também especificamente quando se usa como combustível, por exemplo: metanol - DMFC - direct methanol fuel cell; etanol - DEFC - direct ethanol fuel cell; glicerol - DGFC - direct glycerol fuel cell, etc. Esses tipos de células estão sendo desenvolvidas principalmente com o objetivo de uso em aplicações portáteis, tais como: celulares, laptop, notebook, netbook, tablet, iPod, iPhone, etc.

Desenvolvendo e aplicando o conhecimento

1. Sabe-se que o uso humano primário de energia corresponde a 4,3 × 10¹⁷ kJ/ano, o que está associado ao consumo 3,7 × 10¹⁷ kJ/ano de energia oriunda de combustíveis fósseis e 6,0 × 10¹⁶ kJ/ano de outras fontes. Calcule a energia usada pelos seres humanos em um dia e compare com a energia fornecida pelo Sol também em um dia. Dado: energia fornecida pelo Sol por ano = 54,4 × 10²⁰ kJ.

2. Quais são os três tipos de processos utilizados para produzir o U-235 na porcentagem necessária para uma usina nuclear?

3. Quais são as semirreações em uma célula a combustível de hidrogênio/oxigênio?

4. Elabore uma descrição esquemática de uma usina nuclear de água pressurizada.

5. Defina: radiação gama, radiação beta e radiação alfa.

6. A usina de Balbina construída no Rio Uatumã (AM) e inaugurada parcialmente em 1988 é considerada atualmente um dos piores investimentos do Brasil, pois inundou uma área de aproximadamente 2300 km², dos quais 30 mil hectares pertenciam a terra indígena de Waimiri-Atroari, para gerar uma potência instalada de 250 MW e provocar inúmeros problemas ambientais e sociais. Baseado nesse relato, discuta os impactos socioambientais da construção da usina de Belo Monte.

7. Quais são os principais atrativos referentes ao conceito de sustentabilidade para a instalação de usinas eólicas?

8. Qual foi o pior acidente em uma usina nuclear da história da humanidade? Onde esse acidente ocorreu e por quê?

9. Quais são os problemas com respeito às células a combustíveis que utilizam hidrogênio como combustível?

10. Cite cinco tipos de célula combustível existentes e informe suas principais utilizações, vantagens e desvantagens.

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