Ambiente & Energia

1. Ambiente & Energia Efeitos Ambientais Valentim M B Nunes Unidade Departamental de Engenharias Instituto Politécnico de Tomar, Março, 2012

2. Introdução A produção e consumo de praticamente todos os tipos de energia tem impactos ambientais. A utilização de combustíveis fósseis contribui para a acumulação de CO2 o principal gás com efeito de estufa. A desflorestação contribui igualmente para este efeito pois a floresta é um sumidouro de Carbono. A industrialização acelerada no Séc XX (mais ainda que o crescimento populacional) vieram trazer à humanidade novos problemas e desafios: por um lado o crescente consumo de energia é uma realidade, por outro os impactos são importantes, tais como o aquecimento global, a depleção da camada de ozono ou o problema das chuvas ácidas… Grande desafio do Séc. XXI QUESTÃO ENERGÉTICA vs AMBIENTE!

3. Tipos de produção e impactos Central hidroeléctrica: provoca o alagamento de grandes regiões, com consequente modificação da fauna e da flora, e a inundação de cidades, ocasionando o deslocamento de populações. Acresce-se a isso o eventual mau uso da água, que é um bem de múltipla utilização, e a possibilidade de emissão de gás metano, pela decomposição orgânica gerada pelos alagamentos. Central termoeléctrica: a queima de combustíveis fósseis na produção de energia eléctrica origina CO2, agravando o efeito estufa e o aquecimento global. Também provoca a contaminação da atmosfera, do solo e da água pelas cinzas arrastadas pelo fluxo de gás. Além disso, os óxidos de nitrogénio e enxofre podem causar problemas pulmonares, cardiovasculares e renais das populações residentes nas imediações e contribuem para a chuva ácida. Central nuclear: além de envolver as questões vitais da segurança e do tratamento de resíduos nucleares, tem como importante factor negativo o aumento da temperatura dos cursos de água empregados na refrigeração, prejudicando a biodiversidade local. Eólica: produz nível elevado de poluição sonora, podendo provocar alterações auditivas na população das proximidades. Oceânica/Geotérmica: pode mudar as cadeias alimentares locais, prejudicando a fauna e a flora.

4. Aquecimento Global Aquecimento global é o aumento da temperatura média dos oceanos e do ar perto da superfície da Terra que ocorre desde meados do século XX e que deverá continuar no século XXI. Segundo o Quarto Relatório de Avaliação do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (2007), a temperatura na superfície terrestre aumentou 0,74 ± 0,18 °C durante o século XX.A maior parte do aumento de temperatura observado desde meados do século XX foi causada por concentrações crescentes de gases do efeito estufa, como resultado de actividades humanas como a queima de combustíveis fósseis e a desflorestação. O dióxido de carbono e outros gases com efeito de estufa aquecem a atmosfera impedindo a transferência de calor por radiação a partir da Terra para o espaço exterior. Limitar o crescimento da quantidade de CO2 na atmosfera da Terra requer: (a) a redução da quantidade de combustíveis fósseis queimados; (b) a sequestração do CO2 abaixo da superfície da Terra ou dos oceanos.

5. Camada de ozono PRINCIPAIS RESPONSÁVEIS PELA REDUÇÃO DA CAMADA DO OZONO Fontes Poluidoras A nível nacional destacam-se, pelas suas emissões, as unidades industriais e de produção de energia como a geração de energia eléctrica, as refinarias, fábricas de pasta de papel, siderurgia, cimenteiras e indústria química em geral. A utilização de combustíveis para a produção de energia é um dos factores principais. Esta camada é fundamental para assegurar a vida na Terra, uma vez que o ozono estratosférico tem a capacidade de absorver grande parte da radiação ultravioleta, que pode provocar efeitos nocivos (ou até mesmo letais) nos seres vivos.

6. Chuvas ácidas A queima de carvão e de combustíveis fósseis e os poluentes industriais lançam dióxido de enxofre e de nitrogénio na atmosfera. Esses gases combinam-se com o hidrogénio presente na atmosfera sob a forma de vapor de água. O resultado é as chuvas ácidas. A principal causa daquela acidificação é a presença na atmosfera terrestre de gases e partículas ricos em enxofre e azoto reactivo cuja hidrólise no meio atmosférico produz ácidos fortes. Assumem particular importância os compostos azotados (NOx) gerados pelas altas temperaturas de queima dos combustíveis fósseis e os compostos de enxofre (SOx) produzidos pela oxidação das impurezas sulfurosas existentes na maior parte dos carvões e petróleos.

7. O protocolo de Quioto Este protocolo foi adoptado em 1998 em Kyoto, Japan. Requer aos países participantes a redução da emissão antropogénica de gases com efeito de estufa (CO2, CH4, N2O, HFCs, PFCs, and SF6) para valores pelo menos 5% abaixo dos níveis de 1990, durante o período de 2008 to 2012. • O protocolo estimula os países signatários a cooperarem entre si, através de algumas acções básicas: • Reformar os sectores de energia e transportes; • Promover o uso de fontes energéticas renováveis; • Eliminar mecanismos financeiros e de mercado inapropriados aos fins da Convenção; • Limitar as emissões de metano na gestão de resíduos e dos sistemas energéticos; • Proteger florestas e outros sumidouros de carbono

9. Global warming is an enhancement of the greenhouse effect of the earth’s atmosphere, resulting in an increase of the annual average surface temperature of the earth on the order of 0.5–1 ◦C since the middle of the nineteenth century. While yet small, this temperature rise might reach 2–3 ◦C by the end of the twenty-first century, an amount believed almost certain to cause global climate changes affecting all biological life on the planet with uncertain consequences.

10. A maioria das emissões de gases com efeito de estufa e aerossóis são uma consequência da utilização de combustíveis fósseis, para satisfazer as necessidades crescentes de energia. A queima de 1kg de carvão liberta cerca de 3.4 kg de CO2; a queima de petróleo cerca de 3.1 kg; e de gás natural cerca de 2.75 kg. Em 1996 a emissão antropogénica global de CO2 atingia 25 Gton por ano!

11. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Based on the IPCC recommendations, the Framework Convention on Climate Change convened in Kyoto in late 1997 to discuss international efforts on curbing greenhouse gas emissions. The developed countries and the so-called “transition countries” (mainly the former USSR and eastern European countries) agreed that by 2010 they would reduce their CO2 emissions to an average of 6–8% below 1990 emission levels. (Because CO2 emissions in the developed countries are increasing on average by 1.5–2% per year, the emission reduction target in 2010 would be much greater than 6–8% below unconstrained 2010 levels.) Unfortunately, the lesser developed countries, including China, India, Indonesia, Mexico, and Brazil, did not sign the Kyoto agreement. Also, some developed countries, notably the United States, had not ratified the agreement by 2003.

12. WHAT IS THE GREENHOUSE EFFECT? The term greenhouse effect is derived by analogy to a garden greenhouse. There, a glass covered structure lets in the sun’s radiation, warming the soil and plants that grow in it, while the glass cover restricts the escape of heat into the ambient surroundings by convection and radiation. Similarly, the earth’s atmosphere lets through most of the sun’s radiation, which warms the earth’s surface, but certain gases, called greenhouse gases (GHG), trap outgoing radiative heat near the surface, causing elevated surface temperatures. The warming effect on the earth’s surface by certain gases in the atmosphere was first recognized in 1827 by Jean-Baptiste Fourier, the famous French mathematician. Around 1860, the British scientist John Tyndall measured the absorption of infrared radiation by CO2 and water vapor, and he suggested that the cause of the ice ages may be due to a decrease of atmospheric concentrations of CO2. In 1896, the Swedish scientist Svante Arrhenius estimated that doubling the concentration of CO2 in the atmosphere may lead to an increase of the earth’s surface temperature by 5–6 ◦C.

13. 500 nm Na zona do UV, o oxigénio e o ozono na estratosfera são a maioria dos gases absorventes. Na parte do visível, flutuações na densidade de moléculas na atmosfera reflectem a luz solar. No infravermelho as moléculas poliatómicas presentes nas partes mais baixas da atmosfera (troposfera) como o H2O, CO2, O3, CH4, N2O, e outras, absorvem a radiação solar.

15. So = média anual de energia solar que atinge o topo da atmosfera,designada por constante solar, 1367 W m−2 RE = raio da Terra, 6371 km α = valor médio actual do albedo terrestre, 0.3 ± 0.03 σ = constante de Stefan–Boltzmann 5.67  10−8 W m−2 K−4 TE = temperatura radiativa equivalente de corpo negro da Terra, K

16. Presentemente, a temperatura média da superfície da Terra é TS = 288 K (15 ◦C). A diferença TS−TE = 33 K é uma consequência do efeito de estufa. A temperatura média da superfície da Terra variou ao longo das época geológicas, tal como é evidenciado pelos períodos glaciais e interglaciais. Em parte, estas variações de temperatura podem ter sido causadas pela variação da concentração de GHG na atmosfera. Outros factores para as alterações climáticas globais podem ter estado relacionadas com variações da órbita da Terra em volta do Sol e a inclinação do seu eixo. Em primeiro, a excentricidade da órbita elíptica da Terra varia num período de cerca de 100 000 anos. Isto faz variar a insolação média da Terra. Segundo, o eixo de rotação da Terra em relação à órbita elíptica varia entre os 21.6 ◦ e 24.5 ◦ (presentemente 23.5 ◦) num período de cerca de 41 000 anos. Isto altera a quantidade de insolação nos hemisférios. Uma terceira possibilidade é uma alteração na constante solar.

17. As moléculas de GHG podem reduzir a radiação terrestre que sai da Terra apenas se estiverem a uma temperatura mais baixa que a própria Terra. Vimos atrás que a temperatura radiativa da Terra corresponde a uma temperatura de corpo negro de TE = 255 K. Com uma temperatura da superfície média de TS = 288 K e um gradiente de temperatura médio na troposfera de cerca de −6 K/km, a altura aparente (mean radiating height),à qual se origina uma temperatura de 255 K é 5.5 km. Uma vez que a temperatura radiativa efectiva permanece cerca de TE = 255 K, a adição de GHG à atmosfera vai alterar a temperatura da superfície, TS, o perfil de temperaturas e a altitude radiativa média.

18. Adicionalmente ao efeito radiativo devido ao aumento da concentração de GHG, a modelação do aquecimento global é mais complicado pois um aumento da temperatura da superfície inevitavelmente vai causar efeitos secundários, designados por efeitos de feedback. Isto pode ser expresso pela proporcionalidade: onde TS é o incremento na temperatura da superfície, Q é o efeito radiativo devido simplesmente aos GHG, e β é um factor dando conta do efeito de feedback. Se β <1, o feedback é positivo, o que faz com que o aumento da temperatura de superfície seja ainda maior que o devido apenas ao aumento da concentração dos gases com efeito de estufa. Seβ > 1, o feedback é negativo, o que atenua a subida da temperatura da superfície. Existem vários efeitos de feedback possíveis: vapor de água, nuvens, aerossóis, albedo do gelo, circulação dos oceanos.

19. Feedback do vapor de água Este mecanismo é talvez o mais importante em termos de efeitos de feedback. O vapor de água é um gás que absorve fortemente radiação no infravermelho a comprimentos de onda entre 5 e 7 μm e acima de10 μm. Uma vez que a temperatura média da superfície da Terra sobe devido ao aumento das concentrações de gases com efeito de estufa, mais evaporação vai ocorrer a partir das vastas superfícies dos oceanos, logo a atmosfera vai ficar mais saturada em vapor de água ou seja a humidade vai aumentar. Isto vai causar num aumento da absorção da radiação Infravermelha que deixa a Terra, e logo causar um efeito de feedback positivo. Os modelos radiativos prevêem que o . feedback da água podem causar um incremento no aquecimento global em cerca de 60% (β ≈ 0.6).

20. Cloud-Radiation Feedback O efeito de feedback das nuvens é muito difícil de quantificar. As nuvens podem ter um efeito negativo ou positivo. O efeito negativo é devido à reflexão pelas nuvens da radiação solar que chega à Terra, contribuindo para um aumento do albedo terrestre e logo reduzindo a temperatura da superfície. O efeito positivo é devido á reflexão da radiação térmica que abandona a Terra. O balanço destes dois efeitos depende das características das nuvens, da sua altitude e tamanho das gotas ou cristais de gelo. A modelação destes efeitos contem um grau elevado de incerteza. Actualmente as melhores estimativas apontam para um efeito positivo (formação de nuvens a maior altitude), de tal forma que o valor de β ≈ 0.8 é utilizado para calcular o incremento da temperatura de superfície devido ao aumento das concentrações de GHG.

21. Aerosol Feedback Tal como as nuvens, pequenas partículas suspensas no ar (quer sejam naturais ou produzida pelo Homem), designadas por aerossóis, podem interferir com a radiação solar que atinge a Terra e a radiação terrestre. A composição média dos aerossóis é cerca de 1/3 de pó (proveniente do solo, areia, rochas…), 1/3 de sulfatos (provenientes sobretudo a partir da emissão de enxofre associados aos combustíveis fósseis), e 1/3 de materiais carbonáceos e nitratos (provenientes igualmente dos combustíveis fósseis). O diâmetro médio das partículas de aerossol são inferiores a 1 µm. Este diâmetro é mais efectivo a dispersar a radiação solar que atinge a Terra do que a reflectir a radiação terrestre. Assim, o feedback de aerossol será negativo, reduzindo o efeito de estufa em cerca de 10–15% (β ≈ 1.1). Os aerossóis podem ter ainda um efeito indirecto de feedback, pois servem com o núcleos de condensação para as nuvens. Este efeito é muito difícil de contabilizar, e ainda está sob estudo.

22. Feedback do albedo do gelo À medida que a superfície da Terra se eleva devido ao aumento da concentração dos GHG, as camadas de gelo do Árctico e do Antárctico podem fundir. Também os glaciares, que estão em recessão durante este período interglaciar, podem recuar ainda mais rapidamente. Uma vez que o gelo tem um albedo muito elevado (reflecte mais a luz solar) do que a água e a terra, o desaparecimento do gelo vai ocasionar uma diminuição do albedo total da Terra, α, o que vai causar uma temperatura radiativa da Terra, TE , e também da superfície, TS, ligeiramente superior. Este efeito pode contribuir com mais 20% para o aquecimento global (β ≈ 0.8). Todos juntos, os vários efeitos de feedback podem duplicar o aquecimento global causado por GHG.

23. Feedback de circulação dos oceanos Outro mecanismo possível de feedback é a alteração da circulação dos oceanos e das correntes oceânicas. Genericamente, as água mais frias e mais salinas afundam para grandes profundidades, e águas mais quentes e menos salinas sobem para a superfície. As águas mais frias e mais salinas que a média, são geradas nos pólos árcticos, uma vez que o gelo forma-se à superfície. Estas águas afundam no oceano e movem-se em direcção ao equador. Aí, aguas mais quentes e menos salinas sobem à superfície e movem-se em direcção aos pólos. Com o degelo das calotes polares, e um aumento de precipitação a latitudes mais elevadas, o padrão normal de circulação dos oceanos pode ser alterado, com possíveis consequências na temperatura média global da superfície da Terra. Este efeito é muito difícil de prever, e pode ser positivo, negativo ou neutral. Contudo a alteração das correntes oceânicas pode ter outras consequências como o El Niňo e outras tempestades.

25. Efeitos do aquecimento global Subida do nível médio das águas do mar Com o aumento da temperatura da superfície o nível médio das águas do mar vai subir devido a três factores: degelo das calotes polares, redução dos glaciares, e expansão térmica das águas dos oceanos. Kiribati, um pequeno país formado por 32 atóis e uma ilha - vulcão no Oceano Pacífico, quer mudar-se para as Fiji. O Beretitenti (Presidente) está a negociar a compra de 20km2 nas Fiji para mudar para lá toda a população. in Público, 10 de Março de 2012

26. Emissão de gases com efeito de estufa Uma vez que o carbono constitui a maior parte da massa de todas as criaturas vivas, existe na Terra um enorme reservatório de carbono na biosfera e nos restos fossilizados. O calcário sedimentar, CaCO3, contem cerca de 12% da sua massa como carbono. Este calcário foi originado em parte a partir de conchas e esqueletos de criaturas vivas no passado e em parte por precipitação a partir de soluções aquosas supersaturadas em CaCO3. Existe uma troca contínua de CO2 entre a biosfera e a atmosfera. O dióxido de carbono é absorvido da atmosfera durante a fotossíntese de vegetação na Terra e fitoplâncton que vive nos oceanos e outras água na superfície. O dióxido de carbono volta para a atmosfera durante a respiração dos animais e decomposição (combustão lenta de materiais carbonáceos) de plantas e animais mortos. Para além do CO2 contribuem para o aquecimento global o metano, óxido nitroso, Clorofluorocarbonetos (CFC), que são produtos inteiramente produzidos pelo Homem, que são produzidos em unidades industriais para usos como refrigerantes, propelentes, agentes espumantes, solventes, etc. e o ozono. Concluindo, no ano de 2100, CH4, N2O, e CFC podem contribuir com cerca de 1/3 para o aquecimento global, com os restantes 2/3 a deverem-se ao CO2

27. Carbono Presentemente, cerca de 6.8 Gt y−1 de carbono (25 Gt y−1 de CO2) são emitidos para a atmosfera devido à combustão de combustíveis fósseis. Outros 1.5±1 Gt y−1 são emitidos devido à desflorestação e alteração do uso da terra.

29. Redução da Emissões A redução das emissões de CO2 podem ser alcançadas pela combinação de várias abordagens: • Melhorias de eficiência no uso final da energia. • Melhorias de eficiência do lado da produção de energia. • Captura e sequestração do CO2 em reservatórios subterrâneos ou no fundo dos oceanos. • Utilização do CO2 para aumentar a recolha de petróleo e gás natural e aumentar a produção (fotossíntese) • Mudança para fontes de energia não fósseis (renováveis)

30. A captura de CO2 é viável apenas em grandes instalações termoeléctricas, especialmente as que queima carvão (porque o carvão emite mais CO2 que o petróleo ou gás). Uma central de 1000-MW a carvão emite entre 6 a 8 Mt y−1 de CO2. A captura do CO2 a partir de todas as grande centrais a carvão do mundo inteiro representaria um redução significativa das emissões globais. As seguintes tecnologias para captura de CO2 estão em desenvolvimento: • Separação a partir do ar, e reciclagem do CO2 • Absorção por solventes • Separação por membranas Após a captura, o CO2 tem de ser sequestrado em reservatórios por um período indefinido, de forma a não reemergir para a atmosfera. Os seguintes reservatórios estão a ser investigados, e nalguns casos já são utilizados para sequestrar CO2: • Reservatórios de petróleo e gás esgotados. • Fundos oceânicos. • Fundos de aquíferos.

31. O contributo da natureza A Natureza utiliza o CO2 como matéria prima para poduzir biomassa através da fotossíntese: nCO2 + mH2O hν→ Cn(H2O)m + O2 + 570.5 kJ mol−1 Onde hν representa um fotão, e Cn(H2O)m é um precursor básico da biomassa. A reacção é endotérmica. Essa energia provém do Sol. Toda a vegetação e fitoplâncton do mundo baseia-se naquela reacção. Uma vez que as plantas e o plâncton estão na base da cadeia alimentar toda a vida na Terra depende daquela reacção. De facto, todos os combustíveis fósseis foram criados por conversão geoquímica de biomassa em carvão, petróleo ou gás natural. A utilização de biomassa como combustível em motores térmicos é neutral em termos de CO2. A utilização de biomassa como energia renovável será discutida mais tarde neste Curso.

32. Problema 1 Calcular a temperatura radiativa da Terra (K) para albedos terrestres de α = 0.27, α = 0.3 e α = 0.33, admitindo que a constante solar não varia.

33. Problema2 Utilizando os dados do National Aeronautics and Space Administration Goddard Institute for Space Studies, disponíveis em http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs_v3/Fig.A2.txt , faça um estimativa de quanto aumentou a temperatura da Terra desde 1950 até aos nossos dias.

34. Problema 3 A fracção em volume de CO2 na atmosfera é 370 ppm. Qual o conteúdo de carbono (Gt) na atmosfera se o CO2 for o único portador? O raio da Terra é 6371 km, e a massa da atmosfera por unidade de superfície é 1.033×104 kg.m-2

35. Problema4 As concentrações actuais de CO2 e CH4 são 370 e 1.7 ppm, respectivamente. O primeiro cresce a uma taxa de 0.4%/y e o último 0.6%/y. Quais serão as concentrações destes gases em 2100. Utilize um crescimento exponencial e não linear. ,

36. Problema 5 Uma central termoeléctrica de 1000-MW com uma eficiência térmica de 35%, durante 100% do tempo, usa carvão com a fórmula CH e um poder calorífico de 30 MJ/kg. Quanto CO2 emite esta unidade em toneladas/ano?

37. Bibliografia Fay, J., Golomb, D.S., Energy and the Environment, Oxford University Press and Open University, Oxford, UK, 2004 http://www.mocho.pt/Ciencias/ambiente/chuva_acida/ G. Aubrecht, Energy, 2nd ed., Prentice Hall, New Jersey, 1994 Harold H, Schobert, Energy and Society, Taylor&Francis, New York, 2002