Biblioteca

Uso de eletrodiálise para geração de energia elétrica e/ou dessanilização

Publicado em 06/04/2017 às 13:23:18

Resumo

Em todas as épocas e em inúmeras culturas a água é definida como um elemento vital e purificador, um recurso natural renovável, como a própria razão da existência da vida. A água, que permite a vida e dessedenta os organismos também guarda em si um enorme potencial energético. Com 97,5% das águas mundiais consideradas salinas, o desenvolvimento tecnológico nos trouxe, na metade do século XX, uma nova maneira de aproveitarmos esse recurso. O processo eletroquímico chamado eletrodiálise nos permite extrair da água salgada o recurso mais importante para a manutenção da vida humana, a água potável. Além disso, esse mesmo processo também nos fornece uma poderosa fonte de energia, que está contida na própria composição iônica da água. No atual cenário de crise hídrica brasileira e crescente demanda energética mundial, a proposta de utilização da eletrodiálise como meio ecologicamente correto de se obter energia elétrica e água potável se mostra promissora. O presente trabalho consiste no estudo da utilização desse processo eletroquímico, assim como no detalhamento de sua viabilidade explorando os próprios caminhos para o aprimoramento dessa tecnologia. Assim, observando a importância do avanço tecnológico para o combate à escassez hídrica e ao aquecimento global, este projeto visa analisar e organizar os conhecimentos já obtidos por uma vasta revisão de teses, publicações e projetos técnicos, propondo uma análise crítica e identificando possíveis progressos e desenvolvimentos futuros. Como um dos produtos do presente trabalho, foi realizado um projeto teórico de dessalinizador com aplicação em uma cidade brasileira de pequeno porte. Dentre as principais conclusões, tem-se que a tecnologia de eletrodiálise para dessalinização prova ser mais custo-eficiente que sua principal concorrente, a osmose reversa, em determinados níveis de salinidades. Atualmente encontramos terreno fértil para investir em tecnologias de dessalinização, principalmente as com eficiência já comprovada e com demanda de mercado. Esses indicativos apontam para que o mercado de usinas de dessalinização de pequeno e médio porte, que atualmente estão especializadas na tecnologia de osmose reversa, possam englobar também as plantas com a tecnologia da eletrodiálise.

Introdução

A água é certamente o único recurso natural presente em todos os aspectos da civilização humana, desde os valores culturais e religiosos arraigados em nossa sociedade até o nosso desenvolvimento agrícola, tecnológico e industrial. É um recurso natural essencial, seja como componente bioquímico de seres vivos, como meio de vida de várias espécies de nossa fauna e flora, como elemento representativo de valores sociais e culturais ou como fator de produção de vários bens de consumo.

A importância da água como insumo básico para vida é corroborada nos mais avançados centros de informação e tecnologia. A Administração Nacional de Aeronáutica e do Espaço (NASA), por exemplo, em sua incessante e admirável busca pelo conhecimento do espaço e por vida em outros planetas, procura por planetas que tenham condições de ter água líquida antes de supor qualquer possibilidade de vida inteligente. No atual cenário de crise hídrica brasileira e crescente demanda energética mundial, a proposta de utilização da eletrodiálise como meio ecologicamente correto de se obter energia elétrica e água potável se mostra promissora. O presente trabalho apresenta análise e estudo da utilização desse processo eletroquímico, assim como um detalhamento de sua viabilidade técnica explorando o aprimoramento dessa tecnologia.

A motivação para a escolha deste tema é o fato de que com um único processo eletroquímico é possível obter dois produtos essenciais. Com o estudo do processo, o entendimento e aprimoramento de suas etapas, podemos gerar melhores rendimentos e tornar cada vez mais viável a aplicação prática dessas tecnologias. Outro fator motivador da escolha deste tema, é o fato de que comparativamente a eletrodiálise está entre as melhores relações custo-benefício para dessalinização. Inclusive, a eletrodiálise, diferente de sua principal tecnologia concorrente, a osmose reversa, possibilita a adequação de sistemas fotovoltaicos por ser energicamente menos dispendiosa (KARAGHOULI, 2010).

Assim, escolheu-se abranger as duas utilizações da eletrodiálise, tendo em mente tanto a importância de ambos os produtos, quanto o aproveitamento duplo que temos para quaisquer avanços nas etapas dos processos de ambas utilizações.

No entanto, vale observar que a dessalinização de água potável é uma necessidade um tanto mais urgente que a geração de energia. Isso se deve ao fato de que a falta de acesso à água potável pode matar, e que em muitas regiões em nosso globo, assim como no nordeste de nosso país, a escassez pode estar relacionada à dificuldade de aproveitamento da água salobra, ocasionada pelo difícil e oneroso acesso às atuais tecnologias de dessalinização.

Segundo à OMS, em 2009, anualmente 2,2 milhões de pessoas falecem ou adoecem pelo consumo de água imprópria. Além disso, em 2005, a ONU pelo seu programa de desenvolvimento definiu em seu sétimo objetivo para o desenvolvimento do milênio que devemos reduzir pela metade a porcentagem de pessoas que não tem acesso a água potável (PNUD, 2005).

A primeira parte desse trabalho trata do produto mais comum da eletrodiálise, a dessalinização de águas para fins de consumo humano. De acordo com REBOUÇAS, (1997) (um dos fundadores da Associação Brasileira de Águas Subterrâneas) em todas as épocas e em inúmeras culturas, a água é definida como um elemento vital e purificador, um recurso natural renovável, como a própria razão da existência da vida em si.

Vista do espaço a terra se mostra um planeta azul, seus vastos oceanos e mares dão a sensação de abundância hídrica. Porém, os dados sobre a disponibilidade de água indicam uma realidade muito diferente, somente 2,5% do volume total de água no planeta é doce, e cerca de 70% da água doce mundial se encontra em geleiras (PNUD, 2005). Diante desses números e dos incessantes efeitos antrópicos sobre o meio natural, a disponibilidade de água encontra-se cada vez mais reduzida em várias partes do mundo, o que faz com que áreas inteiras enfrentem a escassez total ou parcial desses recursos.

Outro dado alarmante é que seguindo nosso padrão atual de consumo e manejo, até 2050 dois terços da população mundial será afetada com a escassez desse recurso. A principal fonte de consumo é a agricultura, o que necessariamente levará os agricultores a procurarem novos caminhos por meio de tecnologias e práticas a fim de aumentar a produção para suprir as crescentes demandas de alimentos, se adequando a diminuição dos recursos hídricos (PNUD, 2005).

A segunda parte deste trabalho versa sobre a produção de energia de uma maneira sustentável, uma necessidade urgente para nosso planeta que atualmente baseia sua produção em fontes não renováveis e poluentes gerando severos danos ao meio ambiente. Por essa razão várias fontes alternativas estão sendo estudadas, como por exemplo a energia solar, a eólica, a energia das marés e a eletrodiálise inversa.

Em 2006, o consumo de energia percentual era: fontes baseadas em petróleo líquido (35,8%), carvão (26,7%), gás natural (23,5%), hidroelétricas (6,5%) e energias renováveis (1%). Apesar desses índices negativos, hoje já pode ser visto um movimento maior para a utilização de fontes renováveis. Nesse sentido, o governo da Alemanha implementou políticas para abolir veículos a combustão até 2030 (FAY, 2012).

Diferente do uso do processo de eletrodiálise para dessalinização, que já é amplamente utilizado e estudado, o conceito de geração de energia pela eletrodiálise data da segunda metade do século XX e até hoje não tem aplicações práticas, apenas protótipos laboratoriais. Essa é uma tecnologia pouco pesquisada no Brasil, sendo seus principais focos de estudos em universidades dos Estados Unidos e Holanda (GILSTRAP, 2013).

Pattle et al (1954) foram os primeiros a escrever sobre a imensa perda energética que ocorre quando a água dos rios encontra o oceano. A pressão osmótica da água salina gira em torno de 20 atmosferas. Este “poder salino” é a princípio uma fonte limpa que não polui termicamente e nem emite 2. Estima-se que possam ser extraídos 2.6 TW, o que corresponde a 15% da energia consumida mundialmente.

Assim, observando a importância do avanço tecnológico para o combate à escassez hídrica e ao aquecimento global, neste projeto procurou-se analisar e organizar os conhecimentos obtidos em uma revisão de teses, publicações e projetos técnicos. Durante o período de construção deste trabalho não foi encontrado nenhum estudo que tratasse simultaneamente dos dois usos da eletrodiálise. A partir de trabalhos extremamente técnicos, foi feita uma revisão com cada etapa do processo para assim promover uma melhor compreensão da tecnologia e incentivar futuros investimentos econômicos e acadêmicos na mesma. Como um dos produtos do presente estudo também foi realizado um pequeno projeto teórico de dessalinizador movido com energia solar para ser aplicado em uma cidade brasileira.

Enquanto hoje já temos diversas usinas de dessalinização funcionando com a tecnologia da eletrodiálise, existiam, até 2006, apenas 8 trabalhos publicados e poucos protótipos laboratoriais com o objetivo de utilizar a tecnologia para gerar energia citar a fonte corretamente. Deste modo, a parte do trabalho concernente à dessalinização foi tratada de maneira mais prática, com exemplos de componentes mais utilizados, revisões de projetos executados e a proposição de uma planta para uma pequena cidade brasileira.

A inexistência de projetos completos e a pequena gama de estudos a respeito da geração de energia levou a uma abordagem mais teórica na segunda parte do trabalho.

O objetivo é apresentar as origens das formulações que levaram aos modelos matemáticos, trazendo assim um arcabouço básico de conhecimento científico que possibilita a compreensão das discussões teóricas atuais.

De maneira mais direta, os objetivos do trabalho podem ser enumerados da seguinte forma: Abordar ambas utilizações da eletrodiálise, relacionando-as. Explorar caminhos e identificar desafios para o aprimoramento dessa tecnologia, como por exemplo, aferir a viabilidade da aplicação de sistemas fotovoltaicos. Realizar uma análise crítica de projetos já existentes. Detalhar a viabilidade técnica e econômica para implantação da tecnologia em solo nacional por meio da realização de um projeto teórico. E por último, divulgar a eletrodiálise como maneira de produção de energia.

O texto está organizado da seguinte forma: após esta introdução, o próximo capítulo trata uma conceituação básica do processo. O terceiro capítulo tratará da utilização da tecnologia para dessalinizar a água. Neste capítulo cada etapa do processo é explicada individualmente e no final dele serão revisados alguns exemplos práticos da utilização desta tecnologia. O quarto capítulo consiste na utilização da tecnologia para gerar energia, trazendo desta vez uma visão mais técnica das etapas do processo e discorrendo sobre a origem cientifica das formulações que levaram aos modelos matemáticos atuais. O quinto capítulo propõe um projeto teórico de dessalinizador alimentado por energia solar, este projeto é direcionado para a cidade de Parazinho, que se situa no estado do Rio Grande do Norte. Então, o sexto capitulo trará finalmente a conclusão deste trabalho.

Autor: Guilherme Arruda Alves.

eletrodialise