Por que o carvão mineral ainda é tão usado se é tão poluente?

Pergunta feita por Calebe

Por ser barato e abundante, o carvão ainda é uma alternativa muito atraente do ponto de vista econômico para as empresas fornecedoras de energia elétrica. 

Obrigado pela pergunta, volte sempre. :)

Carvão vegetal x Carvão mineral

    Diferente do vegetal, o carvão mineral é uma fonte de energia não-renovável, é um combustível fóssil, extraído do solo através da mineração. É muito utilizado por ser uma matéria-prima barata e abundante, principalmente, como fonte de energia elétrica, aquecimento de máquinas em siderúrgicas, indústrias, na fabricação de plásticos, explosivos, inseticidas, fertilizantes etc. 
 
     A emissão de gases extremamente poluentes na atmosfera, como o dióxido de carbono, são resultados de sua queima. Esses gases poluentes contribuem grandemente para o aumento do efeito estufa, aquecimento global e chuva ácida.

     O próprio homem tem destruído o Planeta Terra, pela falta de medidas inteligentes que favoreçam o meio-ambiente. Para tentar reverter essa situação, foi criado um tratado internacional, o Protocolo de Kyoto, que tem como objetivo a redução da emissão de gases poluentes, e a criação de formas de desenvolvimento mais benéficas.

     Para que houvesse uma redução relevante, os países teriam que diminuir de forma drástica a emissão desses gases, e começar a implantar novas formas de energia, porém, isso afetaria grandemente o crescimento econômico. Dessa forma, alguns países não ratificaram o protocolo, e outros não conseguiram alcançar as metas no tempo subestimado.

     Os países em desenvolvimento não são obrigados a cumprir as metas do protocolo, mas já são grandes emissores de gases poluentes. Sendo assim, muitas pretensões foram frustradas, e a mudança que se esperava, ainda não aconteceu. O tratado tocou apenas a superfície do problema, com isso, espera-se que nos próximos anos, de acordo com um novo tratado, ou com uma ementa do Protocolo de Kyoto, haja uma relevante redução.

     Por essas e outras razões, o carvão vegetal se mostra muito mais benéfico para o meio-ambiente, pois além de ajudar na redução de CO2, ajuda também na regeneração do oxigênio, e sua produção emite uma porcentagem de gases poluentes muito inferiores ao da produção do carvão mineral. Além de tudo, é uma ótima oportunidade para novos empregos, pois o número de pequenas e médias plantações de eucalipto cresce a cada ano. 

Diminuição do grau de poluição causado pelo carvão

Algumas tecnologias permitem a redução dessa emissão. Uma delas é a lavagem de carvão, que mistura o carvão triturado a um líquido, separando as impurezas.

Em outras técnicas, o dióxido de enxofre, uma das maiores causas da chuva ácida, é retirado. Também já é possível à redução de óxidos de nitrogênio, uma das causas do ozônio do nível do chão. Outras tecnologias permitem o bombeamento do gás carbônico para o subsolo pelas usinas termelétricas.

Há três alternativas: o lançamento do gás em minas de carvão, expulsando o gás metano (que, por sua vez, pode ser usado como combustível pela usina): em minas de água salgada imprópria para consumo humano ou para reservas de petróleo facilitando na extração do combustível.

Carvão: Produção da eletricidade

Produzindo eletricidade

Quando queimando seu vapor aciona as turbinas instaladas nas usinas. Esse movimento proporciona a gera a eletricidade. Hoje o carvão mineral é bastante usado para produzir energia elétrica em usinas termelétricas e como matéria-prima para fabricar aço nas siderúrgicas. Os grandes produtores mundiais desse recurso são os Estados Unidos, China, Cazaquistão, Rússia, Polônia, Índia, Alemanha, Austrália e África do Sul. Calcula-se que essa reservas carboníferas são suficientes para gerar energia para cerca de 100 anos de consumo. Mas existem os pontos negativos desse recuso, a começar  pela sua extração, que causa sérios impactos ambientais, a poluição causada por sua queima que colabora com o aquecimento global.

Gaseificação (Parte II)

  A Tabela 2 apresenta uma breve comparação entre as três configurações de gaseificadores citadas acima. Já na Figura 3 observam-se exemplos dos gaseificadores discutidos.

  A mais avançada tecnologia utilizando carvão para geração de eletricidade de forma limpa é chamada de Gaseificação integrada com ciclos combinados (Integrated gasification combined cycle – IGCC). Este tipo de processo apresenta maior eficiência energética que aquela conseguida pelas plantas convencionais de carvão pulverizado. A IGCC promove uma significativa redução na emissão de poluentes quando comparado com tecnologias convencionais, reduzindo 33% do NOx, 75% do SOx, com praticamente ausência de emissão de particulados. Uma planta IGCC usa de 30 a 40% menos água do que outras plantas de geração de energia convencional.

Tabela 2 – Comparação entre os tipos de gaseificadores.

REGIME DE FLUXO	LEITO FIXO OU MÓVEL	LEITO FLUIDIZADO	LEITO ARRASTADO
Analogia a combustão	Combustor por grade	Combustor por leito fluidizado	Combustor de carvão pulverizado
Tipo de Combustível	Somente sólido	Somente sólido	Sólidos ou Líquidos
Tamanho do combustível	5 – 50 mm	0,5 – 5 mm	< 500 microns
Tempo de Residência	15 – 30 minutos	5 – 50 segundos	1 – 10 segundos
Oxidante	Ar ou oxigênio	Ar ou oxigênio	Quase sempre oxigênio
Temp. do gás de saída	400 – 500 ºC	700 – 900 ºC	900 – 1400 ºC
Exemplos comerciais	Lurgi dry-ash (non-slagging),  BGL (slagging).	IGT U-Gas, HT Winkler,  KRW	GE (Texaco), Shell, Prenflo,  E-Gas, Noell
Comentários	Leito móvel é mecanicamente agitado, o leito fixo não.	Temperatura do leito está abaixo do ponto de fusão da escória, prevenindo aglomeração das partículas.	Não recomendável para carvão com elevada quantidade de cinzas, devido à elevada temperatura que promove a fusão da escória.
	Para o gaseificador em leito móvel o fluxo é sempre em contra-corrente	Sugerido para carvão com elevada quantidade de cinzas e também para gaseificação de rejeitos em geral.	Não recomendável para combustíveis de difícil atomização e pulverização.

Figura 2 – Representação de um gaseificador de leito fixo (a), leito fluidizado (b) e leito arrastado (c).
Fonte: National Energy Technology Laboratory (NETL).

  A Figura 3 mostra o conceito da gaseificação do carvão com ciclo combinado (IGCC). O processo começa no gaseificador onde o combustível (carvão, biomassa e outros) é colocado em contato com o oxigênio (ou ar) e vapor iniciando o processo de gaseificação, produzindo, dessa forma, o gás de síntese. Este gás de síntese é esfriado em refrigeradores radiantes de gás, gerando, assim, vapor de alta pressão, este torna-se limpo após remoção de particulados, enxofre e outras impurezas. Após processo de purificação o gás é queimado em turbinas a gás para produzir energia elétrica. O calor residual da combustão do gás existente nas turbinas a gás é também usado para produzir vapor que moverá uma turbina a vapor gerando energia elétrica adicional. Aproximadamente 2/3 da energia produzida numa planta IGCC provém da turbina a gás. Depois de abastecer de energia as instalações da planta, a produção líquida de energia elétrica é enviada ao sistema de transmissão e distribuição.

  Além de energia elétrica, esta planta pode co-produzir valiosas substâncias químicas e combustíveis limpos para transportes. Neste caso, o gás de carvão de síntese limpo, ao invés de ser queimado diretamente nas turbinas a gás, passa por um reator de síntese onde o monóxido de carbono e o hidrogênio são cataliticamente combinados para formar substâncias químicas de alto valor e combustíveis para com emissões extremamente baixas. Depois da produção de combustíveis e recuperação de substâncias químicas, o gás de síntese não convertido é enviado para planta de ciclo combinado para produzir energia elétrica.

  Um grande volume do gás de síntese, que antes era usado para produzir energia elétrica, agora passa a produzir combustíveis e produtos químicos. Assim, nas instalações de IGCC, para gerar a mesma quantidade de energia elétrica, injetada na linha de transmissão, utiliza-se gás natural que é queimado nas turbinas a gás, compensando o gás de síntese usado para produzir combustíveis e substâncias químicas. Deste modo, a produção de energia elétrica total na saída da planta pode ser mantida igual na linha de transmissão com as instalações do IGCC.

  O carvão é o único combustível fóssil cujo suprimento permanecerá, durante uma parte do século XXI, existindo em grande quantidade e a custos relativamente baixos. Trata-se, portanto, de um dos principais combustíveis substitutos disponíveis para atenuar a transição da era atual de petróleo e gás natural abundantes para uma fase futura de recursos energéticos renováveis.

  A ciência e tecnologia da gaseificação de carvão e de outros combustíveis sólidos têm avançado significativamente. Este progresso é resultado de uma considerável expansão nos trabalhos de pesquisa e desenvolvimento relacionados aos aspectos físicos e químicos das reações presentes na gaseificação e também nos processos de purificação dos gases e líquidos provenientes do processo, assim tornando a gaseificação um processo limpo e ambientalmente correto para geração de energia e outros produtos químicos. Destacam-se, neste caso, pesquisas dos mecanismos cinéticos das reações, termodinâmica, transferência de massa e calor e fluidodinâmica. Com o uso de todas estas informações, o entendimento e modelagem dos mecanismos envolvidos no processo de gaseificação tornam-se mais favoráveis, possibilitando o projeto de gaseificadores e processos com mais confiabilidade, economia, segurança e ambientalmente corretos. É importante salientar que as propriedades termodinâmicas do carvão são difíceis de serem mensuradas devido à natureza heterogênea e complexa deste material, o que torna o trabalho ainda mais difícil. Diante do avanço nessa área, acredita-se que o futuro do carvão mineral está na gaseificação.