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16.2: Mineração, processamento e geração de eletricidade

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    Os combustíveis fósseis devem ser extraídos ou extraídos antes do uso, e o método específico depende do tipo de combustível fóssil. Carvão e gás natural são usados principalmente para geração de eletricidade, enquanto o petróleo é refinado para produzir combustível para veículos, aviões e aquecimento, bem como outros produtos.

    Carvão

    Mineração

    O carvão é extraído por dois métodos principais, dos quais existem muitas variantes: mineração de superfície ou mineração subterrânea. A mineração de superfície usa grandes máquinas para remover o solo e camadas de rocha conhecidas como sobrecarga para expor camadas de carvão próximas à superfície da Terra (figura\(\PageIndex{a}\)). A mineração em faixa é um tipo de mineração de superfície na qual a sobrecarga é removida sequencialmente de cada trecho (faixa) de terra. Uma vez que a sobrecarga é removida da primeira faixa, o carvão é removido. A sobrecarga da segunda faixa é então depositada na primeira faixa e o carvão é removido da segunda faixa. A sobrecarga da terceira faixa é então colocada na primeira faixa e assim por diante. A remoção do topo da montanha é um tipo mais destrutivo de mineração de superfície, na qual toda a sobrecarga é removida com explosivos, revelando toda a camada de carvão de uma só vez (figura\(\PageIndex{b}\)). A grande massa de sobrecarga (o topo da montanha) é despejada em um vale próximo e o carvão é removido.

    Um grande carvão de máquina amarelo, que aparece como um pó preto com grandes aglomerados pretos nele
    Figura\(\PageIndex{a}\): Mineração superficial de carvão em Wyoming. Imagem do Bureau of Land Management (domínio público).
    O contorno do antigo contorno de uma montanha. A sobrecarga foi despejada em um vale adjacente para revelar uma camada de carvão.A paisagem árida e achatada de um local de remoção no topo de uma montanha
    Figura\(\PageIndex{b}\): Esquerda: A remoção do topo da montanha usa explosivos para aliviar a sobrecarga no topo de uma montanha, que é então deslocada para um vale próximo (preenchimento do vale). A camada de carvão subjacente é então extraída. Um lago de sedimentos coleta o solo que erode do preenchimento do vale. Imagem da EPA (domínio público). À direita: um local de remoção no topo de uma montanha. Imagem de JW Randolph (domínio público)

    A mineração subterrânea (mineração profunda) emprega túneis subterrâneos para acessar depósitos mais profundos (figura\(\PageIndex{c}\)). Algumas minas subterrâneas têm milhares de metros de profundidade e se estendem por quilômetros. Os mineiros usam elevadores em poços profundos de minas e viajam em pequenos trens em longos túneis para chegar ao carvão. Os mineiros usam grandes máquinas que extraem o carvão. Nas minas à deriva, um túnel é cavado horizontalmente na encosta de uma montanha. Em minas de declive, esse túnel é diagonal. Nas minas de poços, os elevadores são usados para mover carvão através de túneis verticais.

    Seção de terreno revelando poços de elevadores e túneis horizontais e diagonais para acesso ao carvão. Instalações e pilhas de carvão extraído estão na superfície.
    Figura\(\PageIndex{c}\): A mineração subterrânea envolve a escavação de túneis para acessar depósitos de carvão que estão no subsolo. Imagem do Projeto Nacional de Desenvolvimento da Educação Energética/EIA (domínio público)

    Processamento de carvão

    Uma vez extraído, o carvão pode ir para uma planta de preparação localizada perto do local de mineração, onde é limpo e processado para remover impurezas, como pedras e sujeira, cinzas, enxofre e outros materiais indesejados. Esse processo aumenta a quantidade de energia que pode ser obtida de uma unidade de carvão, conhecida como seu valor de aquecimento.

    Transporte de carvão

    Finalmente, o carvão extraído e processado deve ser transportado. O transporte pode ser mais caro do que a mineração do carvão. Quase 70% do carvão entregue nos Estados Unidos é transportado, durante pelo menos parte de sua viagem, de trem (figura\(\PageIndex{e}\)). O carvão também pode ser transportado por barcaça, navio ou caminhão. O carvão também pode ser triturado, misturado com água e enviado por uma tubulação de chorume. Às vezes, usinas elétricas movidas a carvão são construídas perto de minas de carvão para reduzir os custos de transporte.

    Carros de um trem cheio de carvão na forma de pedaços pretos
    Figura\(\PageIndex{e}\): Um trem de carga carregado com briquetes de carvão, formado a partir de pó de carvão comprimido, em Morwell, Victoria, Austrália. Imagem e legenda (modificadas) por CSIRO (CC-BY).

    Gerando eletricidade a partir do carvão

    Uma vez na usina, o carvão é primeiro pulverizado em um pó fino e depois misturado com ar quente e levado para uma fornalha (figura\(\PageIndex{f}\)). Isso permite a combustão (queima) mais completa e a máxima liberação de calor. A água purificada, bombeada através de canos dentro de uma caldeira, é transformada em vapor pelo calor da combustão do carvão. A alta pressão do vapor empurrando contra uma série de pás gigantes da turbina gira o eixo da turbina. O eixo da turbina é conectado ao eixo do gerador, onde os ímãs giram dentro de bobinas de arame para produzir eletricidade. Depois de fazer seu trabalho na turbina, o vapor é aspirado para um condensador, uma grande câmara no porão da usina. Nesta etapa importante, milhões de galões de água fria de uma fonte próxima (como um rio ou lago) são bombeados por uma rede de tubos que passa pelo condensador. A água fria nos tubos converte o vapor de volta em água que pode ser usada repetidamente na planta. A água de resfriamento é devolvida à sua fonte sem qualquer contaminação, exceto a uma temperatura mais alta do que quando extraída pela primeira vez do rio ou lago.

    Fumaça liberada de uma usina de carvão de metal marrom em uma colinaA seção de passagem de uma usina a carvão mostra a combustão do carvão em um forno, produzindo vapor, que gira uma turbina para gerar eletricidade.
    Figura\(\PageIndex{f}\): Esquerda: Usina a carvão em Helper, Utah. Direita: Diagrama de uma típica usina a carvão com ciclo a vapor (da esquerda para a direita). O carvão entra na caldeira (forno), onde é queimado. Isso ferve a água, produzindo vapor. O vapor gira uma turbina, alimentando um gerador. A eletricidade resultante passa por um transformador (que altera a voltagem) e é então enviada pelas linhas de transmissão. O vapor esfria e se condensa novamente em água líquida no condensador. Isso é facilitado pelo resfriamento da água de um rio próximo. Imagem à direita da Tennessee Valley Authority (domínio público).

    Este vídeo mostra como a energia térmica pode ser usada para gerar eletricidade.

     

    Petróleo e gás natural

    Extração de petróleo convencional e gás natural

    O petróleo convencional e o gás natural estão contidos sob uma armadilha (rocha de cobertura). Como o gás natural consiste em moléculas mais leves que estão na forma gasosa a temperaturas moderadas, ele é encontrado no topo do óleo, que pode estar flutuando nas águas subterrâneas. Para acessar o petróleo convencional e o gás natural, a armadilha é perfurada primeiro. Inicialmente, eles estão sob pressão alta o suficiente, e isso os expulsa do poço (recuperação primária). Em seguida, água (ou gás) é injetada para forçar a saída de mais combustíveis fósseis (recuperação secundária). Finalmente, a recuperação aprimorada de óleo (recuperação terciária) pode ser usada para extrair mais óleo aplicando calor (injeção de vapor) ou injetando dióxido de carbono, outros gases ou moléculas maiores. Por exemplo, o dióxido de carbono faz com que o óleo se dilua e se expanda, facilitando a remoção das rochas. Observe que a recuperação secundária simplesmente aumenta a pressão dentro do reservatório, enquanto a recuperação terciária altera as propriedades do óleo, facilitando a extração (figura\(\PageIndex{g}\)). Cada estágio de recuperação é cada vez mais caro e a extração de um poço continua enquanto permanece lucrativa.

    Poços de injeção para descarte de água e para melhorar a recuperação de óleo. O petróleo sobe através de um poço de produção.
    Figura\(\PageIndex{g}\): Os poços de injeção transferem água, dióxido de carbono ou outras substâncias para um depósito de óleo, aumentam a pressão ou alteram as propriedades do óleo, facilitando a extração. À direita está o poço de produção, através do qual o petróleo extraído flui. Isso é facilitado por um poço de injeção para maior recuperação. À esquerda está um poço de injeção para descarte através da água residual (água produzida) que é armazenada no subsolo. Várias formações confinantes capturam substâncias no subsolo. Mais perto do topo está a base de fontes subterrâneas de água potável, o que significa que toda a água potável é extraída de cima desse ponto. Imagem do Government Accountability Office (domínio público).

    O petróleo é obtido principalmente por perfuração em terra (em terra) ou no oceano (no mar). A perfuração offshore precoce era geralmente limitada a áreas onde a água tinha menos de 300 pés de profundidade. As plataformas de perfuração de petróleo e gás natural agora operam em águas de até duas milhas. Plataformas flutuantes são usadas para perfurar em águas mais profundas (figura\(\PageIndex{h}\)). Essas embarcações autopropulsadas são fixadas ao fundo do oceano usando grandes cabos e âncoras. Os poços são perfurados a partir dessas plataformas, que também são usadas para baixar os equipamentos de produção até o fundo do oceano. Algumas plataformas de perfuração estão apoiadas em pernas parecidas com palafitas que estão embutidas no fundo do oceano. Essas plataformas contêm todos os equipamentos de perfuração necessários, bem como áreas de alojamento e armazenamento para as equipes de trabalho. A produção offshore é muito mais cara do que a produção terrestre.

    Quatro pilares vermelhos sustentam uma plataforma que emerge do oceano, apoiando a perfuração offshore
    Figura\(\PageIndex{h}\): Uma plataforma para perfuração de petróleo offshore. Imagem de Pixabay/KeridJackson (licença Pixabay).

    Extração de petróleo e gás natural não convencionais

    O petróleo estanque e o gás natural presos no xisto, bem como o gás natural nas areias apertadas, são extraídos por meio de fraturamento hidráulico, informalmente chamado de “fraturamento”. Esse processo usa explosivos para criar novas fraturas nessas rochas de baixa permeabilidade, bem como aumentar o tamanho, extensão e conectividade das fraturas existentes e, em seguida, aplica fluido de alta pressão. Primeiro, uma broca permeia as camadas de rocha e depois prossegue horizontalmente. Os explosivos então fraturam rochas, liberando petróleo e gás natural. Finalmente, água, areia e produtos químicos são injetados, que liberam óleo e gás natural (figura\(\PageIndex{i}\)).

    Seção da Terra mostrando a relação entre fraturamento, atividade sísmica e água subterrânea em aquíferos rasos e profundos.Seção da Terra com cinco etapas no processo de fraturamento
    Figura\(\PageIndex{i}\): Dois diagramas de fracking. A água é misturada com areia e produtos químicos e, em seguida, injetada no xisto, prendendo óleo e gás natural ou areia apertada. Isso elimina os combustíveis fósseis das fissuras que foram criadas anteriormente por explosivos. Topo: Esta seção mostra quatro camadas subterrâneas. De cima para baixo, eles são o aquífero raso, o aquiclude (camada impermeável), o aquífero profundo e outro aquicludo. O fluido de fraturamento é injetado no subsolo através de um poço cercado por um invólucro na formação portadora de gás. O metano (setas vermelhas) pode escapar das fraturas hidráulicas nessa formação. Além disso, quando as fraturas se cruzam com uma falha pré-existente, a sismicidade induzida (terremotos) é possível. Acima do solo, o fluido de fraturamento é armazenado em tanques de águas residuais. Setas azuis e pontos de interrogação indicam locais onde águas residuais tóxicas podem escapar e contaminar as águas subterrâneas, como recipientes de armazenamento, tanques de águas residuais, invólucros ou falhas. Parte inferior: O tratamento e o descarte adequados das águas residuais são necessários para limitar o impacto ambiental. 1: A água é adquirida. 2: Os produtos químicos são misturados. 3: O fluido de fraturamento é injetado no poço. Aqui, o gás natural flui das fissuras para o poço. 4: O fraturamento resulta em refluxo e água produzida (águas residuais). 5: As águas residuais passam por tratamento e descarte. Imagem inferior do USGS (domínio público).

    Conforme mencionado anteriormente, o betume nas areias betuminosas pode ser extraído por injeção de vapor ou pode ser extraído para processamento posterior. As areias betuminosas podem ser extraídas por meio de mineração em tiras ou mineração a céu aberto, um tipo de mineração de superfície que envolve a formação de um buraco progressivamente mais profundo. As paredes do poço são tão íngremes quanto podem ser gerenciadas com segurança. Uma parede íngreme significa que há menos sobrecarga de resíduos para remover e é um equilíbrio de engenharia entre mineração eficiente e desperdício em massa. O xisto betuminoso é extraído por mineração em tiras, criação de minas subterrâneas ou mineração a céu aberto. O xisto betuminoso pode ser queimado diretamente como o carvão ou cozido na presença de hidrogênio para extrair petróleo líquido (figura\(\PageIndex{j}\)).

    Equipamentos subterrâneos amarelos coletam xisto betuminoso. As camadas de rocha no fundo estão em camadas.
    Figura\(\PageIndex{j}\): Mineração subterrânea de xisto betuminoso na Estônia.

    Refinação de petróleo bruto

    O resultado da recuperação do petróleo é o petróleo bruto (petróleo), que contém muitos tipos de hidrocarbonetos, bem como algumas substâncias indesejadas, como enxofre, nitrogênio, oxigênio, metais dissolvidos e água, todos misturados. Portanto, o petróleo bruto não processado geralmente não é útil em aplicações industriais e deve primeiro ser separado em diferentes produtos utilizáveis (petroquímicos) em uma refinaria. Gasolina (gasolina), diesel, alcatrão e asfalto são exemplos de petroquímicos.

    A destilação fracionada é o principal processo usado nas refinarias de petróleo para separar os componentes do petróleo bruto. Durante a destilação fracionada, o óleo bruto é aquecido e depois deixado esfriar. Os compostos mais pesados afundam no fundo como resíduos. Os componentes do petróleo bruto vaporizado se condensam em diferentes níveis na coluna de destilação, dependendo de seus pontos de ebulição, o que se deve principalmente aos seus tamanhos moleculares. Os compostos mais pesados (condensam) perto da parte inferior da coluna, onde a temperatura ainda está alta. Compostos mais leves condensam em temperaturas mais baixas mais altas na coluna. Alguns compostos permanecem como gases na parte superior da coluna (figura\(\PageIndex{k}\)).

    Uma coluna de destilação mostra produtos petroquímicos separados por ponto de ebulição
    Figura\(\PageIndex{k}\): O processo de destilação fracionada envolve aquecer o petróleo bruto e permitir que os componentes esfriem. À medida que sobem na coluna de destilação, eles se condensam em níveis diferentes com base em seus pontos de ebulição. Os compostos mais pesados têm os pontos de ebulição mais altos e condensam na parte inferior da coluna, enquanto os compostos mais leves (baixo ponto de ebulição) condensam na parte superior. Do ponto de ebulição mais baixo ao mais alto, os petroquímicos produzidos são óleo combustível residual (1050° F), gasóleo pesado (650-1050° F), diesel e óleo para aquecimento (450-650° F), querosene e combustível de aviação (350-450° F), nafta (usada para fazer gasolina, solventes, soluções de limpeza, etc.; 185-350° F), componentes de mistura de gasolina (85- 185 °F) e butano e produtos mais leves (< 85 °F). Imagem da Administração de Informações Energéticas dos EUA (domínio público).

    O vídeo abaixo explica o processo de destilação fracionada. A coluna de destilação rotulada às 3:00 mostra óleo bruto aquecido (400° C) se separando em vários produtos petroquímicos. De baixo para cima, eles são betume (> 350° C), diesel (250-350° C), querosene (160-250° C), nafta (70-160° C), gasolina (20-70° C) e gás (< 20° C).

    A conversão é o processamento químico no qual algumas das frações (produzidas a partir da destilação fracionada) são transformadas em outros produtos. Por exemplo, uma refinaria pode transformar diesel em gasolina, dependendo da demanda por gasolina. A conversão pode envolver quebrar cadeias maiores de hidrocarbonetos em cadeias menores (rachaduras), combinar cadeias menores em cadeias maiores (unificação) ou reorganizar as moléculas para criar os produtos desejados (alteração).

    O tratamento é feito nas frações para remover impurezas como enxofre, nitrogênio e água, entre outras. As refinarias também combinam as várias frações (processadas e não processadas) em misturas para produzir os produtos desejados. Por exemplo, diferentes misturas de cadeias de hidrocarbonetos podem criar gasolinas com diferentes níveis de octanagem, com e sem aditivos, óleos lubrificantes de vários pesos e graus (WD-40, 10W-40, 5W-30, etc.), óleo para aquecimento e muitos outros. Os produtos são armazenados no local até que possam ser entregues em vários mercados, como postos de gasolina, aeroportos e fábricas de produtos químicos.

    Um barril americano de 42 galões de petróleo bruto produz cerca de 45 galões de produtos petrolíferos devido ao ganho de processamento da refinaria (figura\(\PageIndex{l}\)). Esse aumento no volume é semelhante ao que acontece com a pipoca quando ela é estourada. A gasolina constitui a maior fração de todos os produtos petrolíferos obtidos. Outros produtos incluem óleo diesel e óleo para aquecimento, combustível para aviação, matérias-primas petroquímicas (para fabricar plásticos, borracha sintética ou outros produtos químicos), ceras, óleos lubrificantes e asfalto.

    Faixas coloridas que enchem um barril de óleo são dimensionadas para representar galões de cada produto feito com ele.
    Figura\(\PageIndex{l}\): Principais produtos (medidos em galões) feitos a partir de um barril de petróleo bruto em 2019. Isso inclui óleo combustível residual (0,9 galões), gás hidrocarboneto (1,5), outros produtos (6,0), combustível de aviação (4,4), destilado (12,5) e gasolina (19,4). Nota: Um barril de 42 galões (EUA) de petróleo bruto produz cerca de 45 galões de produtos petrolíferos devido ao ganho de processamento da refinaria. A soma das quantidades do produto na imagem pode não ser igual a 45 devido ao arredondamento independente. Imagem da EIA (domínio público).

    Transporte de petróleo e gás natural

    Depois da refinaria, a gasolina e outros combustíveis criados estão prontos para serem distribuídos para uso. Um sistema de oleodutos percorre os Estados Unidos para transportar petróleo e combustíveis de um local para outro. Existem oleodutos que transportam petróleo bruto do poço de petróleo para a refinaria. Na refinaria, existem tubulações adicionais que transportam o produto acabado para vários terminais de armazenamento, onde ele pode ser carregado em caminhões para entrega, como em um posto de gasolina.

    Uma vez que o gás natural é produzido a partir de formações rochosas subterrâneas, ele é enviado por tubulações para instalações de armazenamento e depois para o usuário final. Os Estados Unidos têm uma vasta rede de gasodutos que transporta gás de e para praticamente qualquer local nos 48 estados inferiores. Existem mais de 210 sistemas de gasodutos de gás natural, usando mais de 300.000 milhas de dutos de transmissão interestaduais e intraestaduais (figura\(\PageIndex{m}\)). Estações de compressão que mantêm a pressão sobre o gás natural para mantê-lo em movimento pelo sistema. Existem mais de 400 instalações subterrâneas de armazenamento de gás natural que podem reter o gás até que seja necessário voltar ao sistema para entrega.

    O solo é deslocado e um tubo grosso azul claro (o Dakota Access Pipeline) é montado.
    Figura\(\PageIndex{m}\): Construção do polêmico Dakota Access Pipeline, que se estende de Dakota do Norte a Illinois. A parte ilustrada do oleoduto está no centro de Iowa. Saiba mais sobre os protestos de 2016 contra esse oleoduto aqui. Imagem da Dakota Access Pipe Line (CC-BY).

    Geração de eletricidade a partir de petróleo ou gás natural

    O gás natural é queimado para produzir eletricidade seguindo o mesmo processo geral usado em uma usina a carvão (figura\(\PageIndex{n}\)). O petróleo também é usado ocasionalmente para gerar eletricidade.

    Uma câmara de combustão e uma turbina. As linhas de óleo e gás natural alimentam a câmara de combustão.
    Figura\(\PageIndex{n}\): Esta câmara de combustão queima gás natural ou óleo. O combustível flui através de uma linha de gás natural ou do armazenamento de óleo para a câmara de combustão. O ar passa pela entrada de ar e é comprimido no compressor. O gás natural e o ar comprimido são misturados com ar comprimido na câmara de combustão e queimados. Gases de combustão de alta pressão giram a turbina, que aciona o gerador. A corrente elétrica resultante é então passada por um transformador, que altera a tensão. Imagem e legenda (modificadas) pela Autoridade do Vale do Tennessee (domínio público).

    Atribuições

    Modificado por Melissa Ha a partir das seguintes fontes: