Nanotecnologia aplicada à Energia

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.


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);


• 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


Fonte: International Energy Agency

Solução?

Fontes renováveis de energia


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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!


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

http://www.iea.org/stats/index.asp









https://www.cia.gov/library/publications/the-world-factbook/rankorder/2178rank.html











http://www.anp.gov.br/?pg=48506&m=&t1=&t2=&t3=&t4=&ar=&ps=&cachebust=1306014817715




http://web.mit.edu/newsoffice/2007/techtalk52-10.pdf





http://www.hessen-nanotech.de/mm/NanoEnergy_web.pdf









http://green.autoblog.com/2011/01/13/




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