Quanto combustível é necessário para alimentar o mundo?
As luzes artificiais se sobrepõem fortemente às concentrações da população da Terra, mostrando os locais da poluição luminosa, mas também mostrando o quão difundido é o nosso uso de energia. Crédito da imagem: Dados cortesia de Marc Imhoff da NASA GSFC e Christopher Elvidge da NOAA NGDC. Imagem por Craig Mayhew e Robert Simmon, NASA GSFC.
Atualmente, são bilhões de toneladas de combustíveis fósseis todos os anos. Com tecnologias novas (ou existentes!), poderíamos literalmente mudar o mundo.
Em termos de armas, a melhor ferramenta de desarmamento até agora é a energia nuclear. Estamos derrubando as ogivas russas, transformando-as em eletricidade. 10% da eletricidade americana vem de ogivas desativadas.
– Marca Stewart
Ao longo dos últimos séculos, a qualidade de vida da grande maioria do mundo aumentou vertiginosamente. Amenidades trazidas pela ampla disponibilidade e distribuição de eletricidade nos trouxeram para a era industrial e depois para a era da informação. Todos os dias, bilhões de pessoas acessam computadores, iluminação, transporte rápido, telefones e inúmeras outras tecnologias e conveniências possibilitadas apenas pelo uso de energia. No entanto, em sua essência, a energia que acessamos e usamos simplesmente surge da conversão de algum tipo de energia potencial. Embora existam fontes renováveis, como hidrelétricas, eólicas e solares, a maior parte de nossa energia vem da queima de combustível. Existem muitas fontes diferentes disponíveis para isso – algumas práticas, algumas possíveis, algumas apenas teóricas – que ilustram o quanto, ou quão pouco, o mundo realmente precisa.
Consumo mundial de energia por combustível, com base no BP Statistical Review of World Energy 2015. Crédito da imagem: Gail Tverberg / Our Finite World.
De acordo com a Administração de Informações sobre Energia dos Estados Unidos, uma das principais fontes mundiais que reúne informações sobre o uso mundial de energia, a quantidade de energia fornecida por todas as fontes de energia em todo o mundo é enorme: 155.481 TeraWatt-horas em 2014, o último ano registrado. Diferentes fontes de combustível têm eficiências diferentes para conversão em energia e para transporte de longo e curto alcance, então a quantidade total de energia consumida por residências, indústrias e empresas é um pouco menor: apenas cerca de 70% disso. Mas a quantidade de energia que o mundo precisa gerar – o equivalente a 5,60 × 10²⁰ Joules – é bem difícil de entender. Então, vamos dividir um pouco diferente e ver a quantidade de combustível necessária para fornecer tanta potência.
Usina de carvão em Datteln (Alemanha) em Dortmund-Ems-Kanal. A energia do carvão está entre as mais sujas do mundo para a produção de energia. Crédito da imagem: Arnold Paul / Gralo do Wikimedia Commons.
Carvão : Usado pela primeira vez como fonte de calor devido à sua natureza compacta, o carvão é uma forma de carbono que pode ser queimada, na presença de oxigênio, para liberar energia. É assim que todos os combustíveis fósseis, ou qualquer combustível baseado em carbono, funcionam na Terra, onde o oxigênio é abundante em nossa atmosfera. Para cada quilo de carvão queimado, um total de 2,312 × 10⁷ Joules de energia é liberado, o que significa que precisamos queimar um total de 24 bilhões de toneladas de carvão para atender às necessidades energéticas da Terra. Do jeito que está, o carvão é responsável por cerca de um terço da produção atual de energia do mundo, o que significa que 8 bilhões de toneladas de carvão altamente poluente são queimadas todos os anos.
A usina termelétrica a óleo KEPCO Tanagawa No2, uma das muitas usinas a óleo do mundo. Grande parte do óleo usado, no entanto, vai para fontes móveis em vez de estacionárias, como descrito aqui. Crédito da imagem: Kyoyaku / Wikimedia Commons.
Óleo : Isso inclui diesel, gasolina, óleo combustível pesado e petróleo liquefeito, entre outros. Enquanto o carvão era o combustível dominante nos séculos 18 e 19, o petróleo ganhou destaque no século 20 com o advento do automóvel e do avião. Como o carvão, o petróleo depende da combustão; ao contrário do carvão, o petróleo renderá mais energia para a mesma massa de combustível. Para cada quilograma de óleo (na forma de gasolina) que é queimado, um total de 4,64 × 10⁷ Joules de energia é liberado, o que significaria 12 bilhões de toneladas de petróleo são necessários para abastecer o planeta em um determinado ano. Desde que o petróleo entrou em uso generalizado na década de 1850, estima-se que queimamos algo entre 100 e 135 bilhões de toneladas de petróleo, com outros 4 bilhões de toneladas queimadas todos os anos na taxa atual.
Tanques de GNL do cruzeiro MS Viking Grace de propriedade e operado pela empresa de navegação finlandesa Viking Line Abp. Os tanques de GNL estão localizados ao ar livre no convés traseiro. O Viking Grace é o primeiro grande navio de passageiros do mundo que usa gás natural liquefeito (GNL) como combustível. Crédito da imagem: Markus Rantala (Makele-90) / Wikimedia Commons.
Gás : Você provavelmente já ouviu falar que a substituição de outras fontes de combustível fóssil por gás natural líquido (GNL) trouxe a maior redução da poluição ambiental nos últimos anos. É verdade; O GNL agora fornece mais de 20% das necessidades mundiais de energia, é mais eficiente em termos de combustível do que o carvão e o petróleo e possui menos poluentes tóxicos do que qualquer um deles. Para cada quilograma de GNL que sofre combustão, podem ser ganhos 5,36 × 10⁷ Joules de energia, o que significa que levaria apenas um mero 10,4 bilhões de toneladas de gás para alimentar o mundo. No entanto, esses ainda são números enormes e não há redução em termos de um poluente importante – o dióxido de carbono – a ser obtido pela escolha do gás em vez do carvão ou do petróleo. Para atingir esse objetivo, precisamos desviar o olhar dos combustíveis fósseis baseados em carbono.
Reator nuclear experimental RA-6 (República Argentina 6), en marcha. Contanto que haja o combustível nuclear certo presente, juntamente com as hastes de controle e o tipo adequado de água no interior, a energia pode ser gerada com apenas 1/1.000.000 do combustível dos reatores convencionais de combustível fóssil. Crédito da imagem: Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío.
Nuclear : Em vez de usar combustível baseado em carbono, poderíamos olhar para os elementos pesados e físsil presentes na Terra: elementos como urânio ou tório. Os reatores reprodutores de urânio aproveitam o fato de que quando o U-235, o segundo isótopo mais comum do urânio, é atingido por um nêutron que se move lentamente, ele o absorve e se divide em elementos mais leves, liberando mais nêutrons e permitindo uma cadeia reação a ser desencadeada. Os reatores nucleares controlam com sucesso a taxa de reação, permitindo que a taxa de produção de energia também seja ajustada. Embora o U-235 seja muito menos abundante do que o carvão, petróleo ou gás, e exija refinação pesada para produzir combustível de reator, a energia nuclear é muito mais eficiente, com 8,06 × 10¹³ Joules de energia liberada para cada quilograma de urânio em um reprodutor reator. Para alimentar o mundo, bastaria 7.000 toneladas de combustível de urânio a cada ano. A energia nuclear atualmente fornece apenas alguns por cento da energia do mundo, com 444 reatores atualmente em operação e outros 62 atualmente em construção.
Um dispositivo de fusão baseado em plasma confinado magneticamente. A fusão a quente é cientificamente válida, mas ainda não foi alcançada na prática para atingir o ponto de 'ponto de equilíbrio'. Crédito da imagem: PPPL management, Princeton University, Department of Energy, do projeto FIRE.
Fusão nuclear : No momento, não temos essa tecnologia como uma fonte de energia viável na Terra, mas a fusão nuclear é um dos santos graais do mundo da energia. Elementos leves e abundantes (como hidrogênio e seus isótopos) podem ser fundidos em elementos mais pesados, liberando uma tremenda quantidade de energia no processo. Este é o processo de energia que alimenta o Sol, onde os elementos mais pesados na verdade têm menos massa do que os elementos mais leves que os criaram; a liberação de energia via Einstein E = mc² é de onde vem a energia nuclear. Ainda mais eficiente que a fissão, a fusão nuclear liberaria 6,46 × 10¹⁴ Joules de energia por quilograma de combustível de hidrogênio, o que significa que levaria um mero 867 toneladas de hidrogênio para alimentar o mundo. A abundância de hidrogênio, a falta de poluição atmosférica e a natureza controlável dos produtos radioativos que saem da fusão o tornam a fonte de energia mais promissora do futuro.
A antimatéria neutra, como o anti-hidrogênio, pode ser armazenada e colidida com a matéria para produzir energia pura da maneira mais controlada possível: por partícula. Crédito da imagem: National Science Foundation.
Antimatéria : Por que não sonhar com a melhor fonte de energia: a antimatéria! Se as reações de fissão e fusão nucleares permitem a liberação de uma fração substancial da massa de uma partícula na forma de energia, por que não simplesmente converter a coisa toda? Quando você colide uma partícula de antimatéria com sua contraparte de matéria, é exatamente isso que você obtém. Uma conversão perfeita de antimatéria e matéria em energia libera 8,99 × 10¹⁶ Joules de energia por quilograma de matéria/antimatéria combinada, o que significa que você só precisa 3,1 toneladas de antimatéria (e outras 3,1 toneladas de matéria) para alimentar o mundo inteiro por um ano. Diariamente, seriam meros 8,5 quilos de antimatéria; pena que mesmo as maiores instalações de produção de antimatéria – aceleradores de partículas – possam produzir apenas cerca de um micrograma por ano.
O consumo mundial de energia de uma variedade de fontes, em TeraWatt-horas por ano, de acordo com a BP para 2016. Crédito da imagem: Martinburo / Wikimedia Commons.
Na Terra, atualmente estamos queimando mais de dez bilhões de toneladas de combustíveis fósseis por ano em todo o mundo, fornecendo cerca de 80% de nossas necessidades de energia por meio desses métodos. Infelizmente, a poluição do ar e da água, juntamente com grandes mudanças atmosféricas, surgiram a partir disso. Fontes renováveis de energia são uma solução potencial (embora, sem dúvida, apenas parcial), mas a energia nuclear – se puder ser feita com segurança – poderia resolver nosso problema de combustível fóssil hoje, apenas com a tecnologia atual. Com a quantidade de combustível que atualmente é necessária para abastecer o mundo, o custo de não fazer nada não é apenas muito alto, mas será arcado pela humanidade pelas próximas gerações.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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