Energia e Ambiente
Código
3679
Unidade Orgânica
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento
Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial
Créditos
6.0
Professor responsável
Daniel Cardoso Vaz, José Fernando de Almeida Dias
Horas semanais
4
Total de horas
58
Língua de ensino
Português
Objectivos
No final do curso o aluno deve:
Conhecer as estatísticas a nível nacional e de casos notáveis no Mundo do uso de combustíveis fósseis e de energias renováveis, para poder incluir em discussões. Saber discutir a problemática da finitude dos recursos fósseis.
Conhecer os conceitos básicos do processo de conversão de energia mais utilizado:a combustão. Deve ainda conhecer as diferentes técnicas e equipamentos, que têm vindo a ser utilizadas para converter combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Conhecer a problemática da poluição nos diversos meios: ar, água, solos. Conhecer técnicas de melhorar a eficiência energética dos processos energéticos: recuperadores de calor, co-geração.
Compreender os princípios fundamentais e as técnicas inerentes às energias convencionais e alternativas: combustão, nuclear, biomassa, solar, eólica, hídrica, marés, ondas, geotérmica. Saber discutir aplicabilidade e limitações das técnicas de armazenamento de energia.
Saber discutir aspectos económicos da produção de energia e ter noções de análise financeira de investimentos energéticos.
Saber discutir a tricotomia energia-sociedade-ambiente, em particular no que se refere a emissões de CO2.
Pré-requisitos
É pressuposto o domínio das matérias versadas nas disciplinas de:
Física II (1.º ano), Dinâmica dos Fluidos I (3.º ano), Termodinâmica Aplicada (2.º/4.º ano).
Conteúdo
Conceitos fundamentais: Definição de energia. Formas de energia. Potência. Trabalho. Conversão de unidades.
1 - USO DA ENERGIA NA SOCIEDADE TECNOLÓGICA
Tendências globais no consumo de energia. Quotas das fileiras de energia: fóssil, nuclear e renováveis. Casos notáveis de alguns países. Caso português: balanço energético nacional.
As reservas de combustíveis fósseis. A evolução da exploração. A curva de Hubbert. As crises energéticas de 1973 e 1989. Breve referência ao aquecimento global e ao efeito de estufa. Emissões de CO2 de diversas IGNOREes (análise de ciclo de vida). Necessidade de mudar de paradigma energético. Motivação para o programa da cadeira através de breve discussão dos tópicos: finitude dos combustíveis fósseis, aquecimento global, limitações dos recursos renováveis, limitações da energia nuclear.
2 - COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS E COMBUSTÃO
Génese, composição e distribuição geográfica. Estequiometria da combustão. Descarbonização das IGNOREes.
Poluentes: formação, efeitos na saúde. Tecnologia da combustão: equipamentos de queima, tratamento dos gases, técnicas limpas (incluindo gaseificação do carvão).
3 - RECURSOS RENOVÁVEIS
Visão geral dos vários aproveitamentos energéticos. Definição de recursos renováveis.
3.1 - ENERGIA A PARTIR DA BIOMASSA
Caracterização e distribuição geográfica. Uso directo do calor. Aspectos da conversão em electricidade. Gaseificação. Digestão anaeróbia. Conversão em combustíveis líquidos (álcoois e biodiesel).
3.2 - ENERGIA SOLAR
O recurso. Termoeléctrica (torre solar), térmica e passiva.
Aproveitamento da energia solar por via fotovoltaica.
3.3 - ENERGIA EÓLICA
O recurso. Tecnologias. Curva característica das máquinas. Distribuição de Weibull. Produção de electricidade. Resolução de um exercício de aplicação.
Conceitos de aerodinâmica inerentes às modernas turbinas eólicas. Controlo das turbinas por variação do ângulo de passo das pás e por perda aerodinâmica.
3.4 - ENERGIA HÍDRICA
Grandes barragens e mini-hídricas. Turbinas Francis, Kaplan e Pelton. Aproveitamentos hídricos em Portugal.
3.5 - ENERGIA DAS MARÉS, DAS CORRENTES OCEÂNICAS E DAS ONDAS
Energia das marés: o recurso. Particularidades da distribuição geográfica.
Energia das correntes oceânicas: potencial, semelhança tecnológica com a energia eólica. Energia das Ondas: o recurso a nível mundial e a nível nacional. As diversas técnicas de aproveitamento de energia das ondas. Situação portuguesa.
3.6 - OUTRAS MANIFESTAÇÕES DA ENERGIA SOLAR
Aquecimento da superfície dos oceanos (OTEC) e terrestre (bomba de calor).
3.7 - ENERGIA GEOTÉRMICA
Produção de electricidade e uso directo. Casos notáveis no Mundo e em Portugal.
4 - ENERGIA NUCLEAR
Visão geral a nível mundial. Energia de ligação, estabilidade dos núcleos. Carta de isótopos. O gráfico da energia de ligação por nucleão. Conceito de fissão e fusão nucleares. A fissão induzida por bombardeamento de neutrões. U-235 e U-238. Moderadores. Reacção em cadeia. Enriquecimento de urânio.
Tipos de reactores térmicos: o PWR como caso de estudo. O reactor, seu controlo, estabilidade e potência. Produtos da fissão. Fim de vida do combustível nuclear em reactores térmicos. Finitude das reservas de urânio e os reactores regeneradores de neutrões rápidos. Princípio de funcionamento.
Outros aspectos da energia nuclear: segurança, economia e impacto ambiental.
5 - ASPECTOS ECONÓMICOS DA PRODUÇÃO DE ENERGIA
Determinação do custo da energia. Breve introdução à análise financeira de investimentos energéticos (“Discounted Cash Flow Analysis”). Curva de aprendizagem. Análise de ciclo de vida. Externalidades. Aspectos introdutórios de análise de custo-benefício e de avaliação de risco.
6 - ENERGIA, SOCIEDADE E AMBIENTE
6.1 - AQUECIMENTO GLOBAL
Estudo mais aprofundado do aquecimento global e do impacto de mais CO2 na atmosfera.
6.2 - POLÍTICAS DE MITIGAÇÃO DAS EMISSÕES DE CARBONO
Protocolo de Quioto e outra regulamentação.
6.3 - ESTRATÉGIAS PARA ESTABILIZAR EMISSÕES DE CO2
Eficiência energética e conservação de energia. A qualidade da energia. Co-geração. Redução e sequestro das emissões de CO2. Recurso a estratégias de geração de energia livres ou neutras em emissões de CO2. Aumento dos poços naturais de CO2.
7 - ARMAZENAMENTO DE ENERGIA
No contexto do aproveitamento da energia hídrica (“pumped storage”). Associação com energia eólica. Ar comprimido. Volantes de inércia.
Produção de hidrogénio. O hidrogénio como transportador de energia. Pilhas de combustível.
Bibliografia
1. "Energy Science - Principles, Technologies, and Impacts", John Andrews e Nick Jelly, Oxford University Press, 2007.
2. "Energia e Ambiente - apontamentos do docente" e "Energia e Ambiente - exercícios de aplicação", Daniel C. Vaz, DEMI/FCT, 2011. -- disponibilizados na página do CLIP ao longo do semestre, com acesso reservado aos alunos da cadeira.
3. Capítulos 11 a 13 de "Mechanical Engineer’s Reference Book", 12th ed., Edited by Edward H. Smith, Butterworth-Heinmann, 1994. -- acessível a partir das bases de dados electrónicas subscritas pela faculdade.
4. "Energy and Problems of a Technical Society", Jack J. Kraushaar e Robert A. Ristinen, John Wiley & Sons, 2ª Ed., 1993. (excepto os capítulos 12, 15 e 16 e alguns supcapítulos) -- efectuado o pedido de aquisição para a biblioteca em 2009.
Obras de Consulta:
A. "Renewable Energy Resources", John Twidell e Tony Weir, Taylor and Francis, 2.ª ed., 2006 -- efectuado o pedido de aquisição para a biblioteca em 2010.
B. "Energias Renováveis, a Opção Inadiável", M. Collares Pereira , SPES, Lisboa 2000. -- disponível na Biblioteca e junto do Prof. para consulta.
C. "Encyclopedia of Energy Technology and the Environment", Bisio and Boots, John Wiley & Sons, 1995. -- disponível na Biblioteca.
Método de ensino
(Se necessário as aulas poderão ser dadas em inglês.)
Nas aulas teóricas faz-se a exposição da matéria, sendo incentivada a participação dos alunos.
Nas aulas práticas são propostos exercícios, que ajudam os alunos: a exercitarem o raciocínio e a capacidade de argumentação, a aplicarem conceitos, a melhor compreenderem a problemática de certos temas, bem como a prepararem-se para uma situação de exame.
A redacção de uma monografia (componente da avaliação) é essencial nesta cadeira para que os alunos enfrentem uma situação mais real e menos académica, no estudo de um tópico na área da energia e ambiente. Estes estudos têm quase sempre como ponto de partida a pesquisa de informação relevante para o trabalho. Os alunos têm assim oportunidade de exercitarem e refinarem os seus métodos de trabalho individual na pesquisa de informação, recorrendo a bibliotecas convencionais ou electrónicas, ou simplesmente através de pesquisas na Internet em páginas de instituições de renome (p. ex. a da Agência Internacional de Energia, www.iea.org/Textbase/stats/index.asp).
Método de avaliação
1 - Modo de avaliação: contínua, tipo B: 2 trabalhos de grupo e 3 minitestes.
2 - Trabalhos de grupo: TG1: pesquisa bibliográfica para escolha do tema de uma monografia, redacção de uma proposta bem fundamentada, e redacção da introdução da monografia; TG2: redacção da monografia completa de acordo com o template disponibilizado e entregue atempadamente e sua apresentação. A apresentação do TG2 terá uma duração de 20 min./grupo e terá lugar entre as datas do MT2 e MT3, numa de duas sessões a agendar com os alunos.
Observações: O texto da monografia deverá ser original e incidir num tópico da área da Energia e Ambiente, terá a extensão máxima de 12 páginas (texto e figuras), mais folha de rosto, e será preparada de acordo com o modelo de documento de processador de texto que será divulgado. A monografia não deverá ser uma mera compilação a partir de IGNOREes bibliográficas, resultando num conteúdo meramente descritivo, mas deverá ter um carácter de estudo de caso e/ou ser uma resposta bem fundamentada a uma questão pertinente no tema. A monografia, completa, terá de ser entregue em papel, até à hora limite que vier a ser especificada no arranque do semestre, ao professor ou numa das secretarias do DEMI. Posteriormente à apresentação, deverá ainda ser enviada para o e-mail do docente uma versão pdf, reflectindo as eventuais correcções que vierem a ser solicitadas.
3 - Minitestes: Têm a duração de 50 minutos cada. Realizar-se-ão: MT1 na semana de 01 Out.; MT2 na semana de 29 Out.; MT3 na semana de 17 Dez.
4 - Obtenção de frequência: obter aprovação nos trabalhos de grupo. A frequência é válida por um ano lectivo, estando pois dispensados de obter frequência os alunos que a tiverem obtido no ano lectivo anterior, conforme previsto no n.º 2, art.º 4.º do Regulamento de Avaliação da FCT.
5 - Nota Final por Avaliação Contínua: NF=20% MT1 + 20% MT2 + 20% MT3 +15% TG1 + 25% TG2. Os valores de MTi e TGj entram nesta expressão arredondados à décima.
6 - Nota Final na Avaliação por Exame: é obtida a partir das notas, arredondadas à décima, do exame (EX) e dos trabalhos de grupo (TGj) de acordo com a fórmula: Se EX < 9,5 então aluno reprova com NF=EX, senão NF=60% EX +15% TG1 + 25% TG2.
7 - Consulta nas provas escritas: Os minitestes e exames são sem consulta e não será permitido o uso de máquina de calcular com memória alfanumérica. Qualquer formulário que se entenda necessário será dado no próprio enunciado da prova.
8 - Qualquer prova escrita pode ser complementada por uma prova oral, para defesa de nota (n.º 3, art.º 6.º do Regulamento de Avaliação da FCT).
9 - Melhoria de classificação. Atendendo ao n.º 2 do art.º 11.º do Regulamento de Avaliação da FCT, faz-se constar o seguinte: se em exame de melhoria o aluno obtiver nota (arredondada ao valor) inferior em dois ou mais valores à nota que vinha melhorar, terá de defender a nota em oral. Nos restantes casos fica com a nota mais elevada (sem prejuízo da eventual aplicação do ponto 8, se os Professores Regente e Responsável assim entenderem necessário).
10 - Atendendo à recente dinâmica e conflitos nos regulamentos de avaliação da FCT/UNL, estes métodos de avaliação poderão ainda sofrer alteração, até às primeiras aulas.