Post on 05-Jul-2015
Nanotecnologia aplicada à Energia
Inovações e soluções que podem fazer a diferença no futuro
Kleydson Stênio
Marcos Vinícius
UFSCar – 2011 – Engenharia de Dispositivos e Materiais Avançados
Conceitos Básicos
O que se define por “nano”?
O que se define por “nanotecnologia”?
O prefixo “nano” tem origem grega e significa “anão”. Assim, utilizamos esse nome para indicar tudo que seja relacionado à escala nanométrica, geralmente entre 0,1 e 100 nanômetros.
Um nanômetro equivale a um milionésimo de um milímetro ou a um bilionésimo de um metro. (10-9m)
A nanotecnologia descreve a criação, análise e aplicação de estrutuas, materiais moleculares, interfaces internas e superfícies com pelo menos uma dimensão crítica, da ordem de tipicamente 100 nanômetros.
A grande diferença é que, para essas estruturas, as novas funcionalidades(efeitos quânticos) decorrentes da escala nanométrica são usadas para melhoramentos das tecnologias já existentes e desenvolvimento de novos produtos.
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Cenário Energético Mundial
Todos têm acesso à energia?
Isso ocorre exclusivamente por falta de estrutura?
Infelizmente, não. Estima-se que 1/3 da população mundial ainda não têm acesso à energia elétrica, por exemplo.
Apesar da estrutura de transporte de energia não ser eficiente em alguns lugares do globo, não é o único problema. Mesmo nos dias de hoje, 86,2% de nossas fontes de energia são não renováveis.
E quanto às nossas reservas?
• As reservas ativas de petróleo devem durar apenas mais 75 anos(mundo);
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• As de gás natural, um pouco mais de 100 anos;
• As reservas de carvão, aproximadamente 200 anos.
Para o caso do Brasil, estima-se somente 14,6 anos!
Cenário Energético Mundial
Uma visão geral sobre a produção de Energia no mundo
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Fonte: International Energy Agency
Solução?
Fontes renováveis de energia
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O problema é que essa é uma solução à longo prazo, e muitas das nossas necessidades são imediatas.
É preciso “sobreviver” durante o período de transição, e para tal, precisamos desenvolver métodos que visam tornar mais eficiente (e menos poluente) o uso dos combustíveis fósseis.
Ai que entra a nanotecnologia!
Nanoenergia
Definição
UFSCar – 2011 – Engenharia de Dispositivos e Materiais Avançados
De forma simples, a nanoenergia pode ser definida como uma aplicação da nanotecnologia às fontes energéticas.
Seu desenvolvimento pode propiciar soluções/inovações em todas as áreas relacionadas
com energia
Nanoenergia
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Fontes de Energia
Renováveis
Fósseis
Nucleares
Transformação de Energia
Turbinas de gás
Termoelétricas
Células de combustível
Motores a combustão
Motores elétricos
Distribuição de Energia
Distribuição elétrica
Redes inteligentes
Transferência de calor
Armazenamento de Energia
Energia elétrica
Energia química
Energia térmica
Uso da Energia
Isolamento térmico
Ar condicionado
Construções leves
Processos industriais
Iluminação
Setores energéticos:
Alguns exemplos
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Camadas nano estruturadas para proteção térmica em turbinas a gás
Supercondutores de alta temperatura para motores e geradores em navios
Células de combustíveis nano-otimizadas para automóveis e veículos de transporte
Camadas de proteção nano estruturadas, contra desgaste em máquinas com alta carga mecânica (exemplo: motores, rolamentos e equipamentos de perfuração)
Algumas aplicações com potencial
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Desenvolvimento mais eficiente da Energia
Células Solares
Células solares de filmes finos
Energia Eólica
Conversão de energia eficiente
Nanomateriais para conversão de Energia Termoelétrica
Nanocatalizadores para a produção de combustíveis à base de Hidrocarbonetos
Armazenamento de Energia
Baterias de íons de lítio
Células Solares
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A aplicação de nanotecnologia é considerada como um fator chave para a energia fotovoltaica.
Pontos quânticos são utilizados para o ajuste do espaçamento entre as bandas de semicondutores, além do uso no aumento da “armadilha de luz”.
A eficiência de conversão teoricamente viável é superior a 60% .
Novas combinações de materiais são usadas por oferecerem boa eficiência de conversão.
Procedimentos auxiliados com plasma e com o design de superfícies e estruturas de camada no nível nano permitem a otimização de estruturas celulares.
Células solares de filmes finos
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Contraste com a tecnologia da lâmina de silício.
Utilização de substratos flexiveis possibilitando novos campos de aplicações.
Camadas de óxidos condutores transparentes são utilizados como eletrodos frontais.
Melhoria dos refletores pela aplicação de cristais fotônicos e sistemas de nanocamadas.
Energia Eólica
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Aplicação da nanotecnologia pode contribuir para a melhora da capacidade de carga mecânica dos materiais e componentes.
Processos nanoestruturados na neutralização do desenvolvimento de
vórtices em palhetas do rotor. Compósitos CNT podem contribuir na proteção contra danos pela queda de raios e na condutividade elétrica. Revestimentos em nanoescala poderão
ser aplicados para proteçao contra o desgaste de engrenagens e rolamentos.
Expansão do geramento de energia eólica para residências, empresas e locais públicos.
Baterias de íon de lítio
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É considerada uma variante promissora de armazenamento de energia.
Nanotecnologias seriam capazes de reforçar a capacidade e segurança de
baterias de íons de lítio.
Uso do ânodo e cátodo com maior capacidade de carga e descarga, através
de materiais de carbono com nanoporos.
Maiores densidades de energia poderiam ser obtidas através de tensão mais
elevada de células.
Substituição de eletrólitos orgânicos líquidos pelos eletrólitos de polímero e aplicação de filmes cerâmicos sobre a base de nano materiais para melhorar a segurança das baterias.
Possível melhora no funcionamento e estabilidade de temperatura de outros tipos de pilhas.
Nanocatalizadores para combustíveis
à base de hidrocarbonetos
UFSCar – 2011 – Engenharia de Dispositivos e Materiais Avançados
Nanomateriais têm sido aplicados em escala industrial para a decomposição da cadeia de hidrocarbonetos na refinação do petróleo bruto. Importância do carvão como fonte de combustível líquido e matérias-primas quimicas no futuro, devido à escassez de petróleo. Domínio de catalisadores nanoestruturados podem ajudar a aumentar a eficiência de hidrogenação do carvão.
Nanomateriais para conversão de
Energia Termoelétrica
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Utilização das propriedades dos materiais termoelétricos, capazes de transformar calor em energia elétrica (e vice versa).
Alta aplicabilidade no setor de autos elétricos e híbridos, já que os automóveis perdem muita energia em forma de calor; esta, pode ser reaproveitada em parte para recarga das baterias.
Controle do fluxo de elétrons em nanoescala, com uso de nanofios, afim
de interferir com o fluxo de calor e permitir o livre fluxo de eletricidade.
Audi A6 Híbrido (2011) Faz 16,12km/L de gasolina
Velocidade máxima de 238km/h
Conclusões
UFSCar – 2011 – Engenharia de Dispositivos e Materiais Avançados
No contexto de aumento global da demanda de energia, com problemas climáticos devido aos contínuos aumentos das emissões de CO2, e também devido à provável escassez dos combustíveis fósseis, o desenvolvimento de novos métodos para geração de energia é um dos grandes desafios de nossa geração.
Ao se implementar inovações nanotecnologicas no setor de energia, não se pode ignorar nossa economia atual e seu contexto social. O desenvolvimento de sistemas energéticos para o futuro requer investimentos a longo prazo em pesquisa, baseados em potenciais realísticos para uma adaptação segura.
Ao se implementar a substituição de combustíveis fósseis, não somente sua função como fonte de energia deve ser considerada, mas também como armazenamento energético, principalmente para o setor automobilístico.
Obrigado!
UFSCar – 2011 – Engenharia de Dispositivos e Materiais Avançados
Bibliografia
International Energy Agency – World Energy Production Statistics
Central Intelligence Agency – The World Factbook Publications
ANP – Boletim da Produção de Petróleo e Gás Natural
MIT Tech Talk Newspaper – Volume 52, Number 10
Hessen Agentur Gesellschaft mit beschränkter Haftung – Aplication of Nanotechnologies in the Energy Sector
Autoblog Green Website – 13/01/2011