Exercícios: Os recursos energéticos e minerais

Classifica estes recursos energéticos em renováveis e não renováveis: carvão, energia solar, gás natural, energia eólica, urânio e energia hídrica.

O esquema mostra uma armadilha petrolífera em anticlinal, com três elementos geológicos numerados (1–3) e os fluidos separados por densidade. Nomeia os três elementos (rocha-mãe, rocha-armazém e rocha-cobertura), explica por que razão o petróleo e o gás ficam retidos nessa posição e resume como se forma o petróleo.

O que é a biomassa como recurso energético e por que razão só é considerada renovável se for gerida de forma sustentável?

O que é um combustível fóssil e quais são as suas três formas principais? O que têm em comum a sua origem e o seu impacto atmosférico?

Que processo físico é aproveitado por uma central nuclear e em que se distingue da combustão do carvão no que diz respeito a emissões atmosféricas e resíduos gerados?

Que diferença existe entre energia primária, como o carvão, o urânio ou o sol, e energia final, como a eletricidade ou a gasolina? Por que razão ocorrem perdas entre ambas?

O que é o poder calorífico de um combustível e por que razão a antracite o tem superior ao da turfa? Relaciona-o com o grau de carbonização.

O que é uma central hidroelétrica de bombagem e que função de armazenamento desempenha num sistema elétrico com muita energia solar e eólica?

O carvão provém de antigas florestas soterradas e transformadas. Ordena a série de grau crescente: hulha, turfa, antracite e lenhite, e explica como variam o teor de carbono e a humidade ao longo da série.

Uma central hidroelétrica e um parque eólico são instalações renováveis, mas não inócuas. Compara os seus impactos ambientais (território, fauna, paisagem) e a sua capacidade de resposta à procura elétrica.

A exploração de carvão a céu aberto deixa grandes escavações e escombreiras. Descreve o seu impacto sobre o relevo, as águas e o solo, e explica o que deve incluir um plano de recuperação da mina.

O petróleo forma-se a partir de matéria orgânica soterrada. Explica o papel do querogénio e da «janela do petróleo» (intervalo de temperatura de formação), e o que acontece se o soterramento ultrapassar essas temperaturas.

Compara o gás natural e o petróleo: origem comum, estado físico e composição, transporte (gasodutos e gás liquefeito face a oleodutos) e principais utilizações.

A fraturação hidráulica (fracking) extrai gás de folhelhos ou xistos betuminosos. Explica em que consiste a técnica e analisa duas vantagens (novos recursos, independência energética) e dois riscos (sismicidade induzida, contaminação de aquíferos).

Que energias aproveitam as centrais maremotrizes e das ondas, e em que diferem? Avalia o seu desenvolvimento atual face à energia solar e à eólica.

O que é o fator de capacidade de uma fonte renovável? Explica por que razão a intermitência da energia solar e da eólica exige sistemas de reserva ou apoio (bombagem, baterias, interligações) e como são geridos.

Imagina que um relatório divulgado na imprensa afirma: «Dado que a Espanha gera já mais de 50 % da sua eletricidade com fontes renováveis (eólica e solar), a sua dependência energética externa reduziu-se drasticamente e carecer de bacias sedimentares ricas em hidrocarbonetos deixou de condicionar a sua economia».\n\na) Rebate tecnicamente esta afirmação distinguindo entre mix de geração elétrica e mix de energia primária em Espanha, justificando por que razão a geologia peninsular continua a determinar a vulnerabilidade estratégica e a fatura energética externa.\nb) Desenha duas propostas setoriais para desacoplar o transporte pesado e a indústria térmica dos combustíveis fósseis importados, avaliando os estrangulamentos geológicos ou de materiais críticos associados a cada uma.

Uma empresa pondera duas localizações em Portugal para instalar uma central geotérmica de ciclo binário ou vapor que requer pelo menos 150 °C a menos de 2 km de profundidade para ser economicamente viável:\n- Sondagem A (bacia sedimentar terciária em crosta continental estável): temperatura superficial média de 14 °C e gradiente geotérmico médio de 3,0 °C por cada 100 m.\n- Sondagem B (terreno vulcânico nos Açores sobre anomalia térmica superficial): temperatura superficial média de 20 °C e gradiente geotérmico local de 8,5 °C por cada 100 m.\n\na) Calcula a profundidade exata à qual se atingem os 150 °C em cada sondagem e justifica a viabilidade técnica e económica da perfuração em ambos os casos.\nb) Descreve os quatro elementos indispensáveis de um reservatório geotérmico de alta entalpia (fonte de calor, aquífero permeável, rocha de cobertura e mecanismo de recarga) e prevê que problemas hidrogeológicos ou de sismicidade induzida poderiam surgir se se sobre-explorasse o reservatório da sondagem viável sem reinjeção do fluido.

Avalia-se um projeto de Captura e Armazenamento Geológico de Carbono (CAC) para confinar 1,5 milhões de toneladas anuais de $\text{CO}_2$ provenientes de uma siderurgia. Dispõe-se de duas formações:

• Formação A: arenito muito permeável a 450 m de profundidade, saturado em salmoura, selado por 60 m de siltitos maciços sem fraturas.

• Formação B: arenito poroso a 1100 m de profundidade, saturado em salmoura, coberto por 150 m de anidrites e argilas impermeáveis, atravessado numa extremidade por uma falha inativa desde o Miocénico.

1. a) A partir do gradiente geotérmico médio (3,0 °C/100 m, $T_{\text{sup}} = 15\ \text{°C}$), do gradiente hidrostático normal (~1,0 MPa por cada 100 m) e sabendo que o ponto crítico do $\text{CO}_2$ se situa em $T_{\text{c}} = 31,1\ \text{°C}$ e $P_{\text{c}} = 7,38\ \text{MPa}$, determina em qual das duas formações o $\text{CO}_2$ se manterá em estado supercrítico e justifica por que razão esta condição de densidade é imprescindível para a viabilidade volumétrica do armazenamento.
2. b) Avalia os riscos de fuga e de sismicidade induzida em ambas as formações e concebe um programa de monitorização (sísmica de reflexão e piezometria geoquímica) para detetar precocemente fugas para aquíferos potáveis sobrejacentes.

Projeta-se um parque eólico com 20 aerogeradores numa crista montanhosa calcária a 1300 m de altitude, com ventos médios de 7,5 m/s. A crista apresenta dolinas e lapiás cársticos que alimentam as nascentes de abastecimento de dois vales, e constitui o corredor de voo diário de uma colónia de grifo (Gyps fulvus) e de abutre-do-egito (Neophron percnopterus).\n\na) Analisa os impactos geológicos e hidrogeológicos específicos decorrentes da abertura de acessos e da escavação de sapatas num maciço cárstico, prevendo como podem alterar a infiltração e a turvação da água nas nascentes.\nb) Desenha um plano de medidas preventivas e corretoras hierarquizadas para compatibilizar a instalação com a conservação: determina que condicionantes técnicos exigirias para a localização das turbinas, que sistemas de deteção e paragem automática para a avifauna implementarias e como resolverias a evacuação elétrica para minimizar a fragmentação da paisagem.

Após o encerramento definitivo dos reatores de cisão, coloca-se o dilema da gestão dos resíduos de alta atividade (combustível irradiado): mantê-los em Armazéns Temporários Individualizados (ATI) à superfície durante 80 anos ou confiná-los num Armazenamento Geológico Profundo (AGP) a mais de 500 m numa formação de argilas compactas ou granitos.\n\na) Justifica geologicamente a superioridade de um AGP como solução passiva multibarreira à escala de milhares de anos face ao ATI à superfície, comparando a sua resistência perante crises climáticas, sismos e conflitos bélicos.\nb) Avalia as vantagens e desvantagens petrofísicas de implantar o AGP numa formação de argilas profundas face a um batólito granítico (considera a permeabilidade, a plasticidade/autocicatrização e a fraturação hidráulica).\nc) Rebate a proposta de substituir a energia nuclear aumentando a queima de carvão ou gás para «evitar o problema dos resíduos», contrastando a toxicidade temporal, o volume por GWh gerado e a mortalidade atribuível às emissões atmosféricas de ambos os ciclos.

Um veículo elétrico médio requer multiplicar por seis a massa de minerais críticos (lítio, cobalto, níquel, manganês e terras raras) em comparação com um veículo de combustão. 70 % do cobalto provém da República Democrática do Congo e mais de 65 % da refinação de lítio e terras raras está concentrada geograficamente na China. Em Portugal, os projetos de exploração de lítio em rocha (Guarda) e terras raras (Viseu) enfrentam uma forte oposição social e ambiental.\n\na) Analisa a incoerência territorial e ambiental que supõe adotar políticas de eletrificação maciça enquanto se externaliza a pegada ecológica e social da mineração extrativa para países com quadros ambientais ou laborais laxistas.\nb) Delineia um conjunto de três medidas estratégicas (técnicas e regulamentares) para a União Europeia que permitam reduzir a vulnerabilidade do fornecimento destes metais sem deteriorar os ecossistemas locais, avaliando com sentido crítico até que ponto a reciclagem em circuito fechado pode substituir a mineração primária nos próximos 15 anos, considerando o crescimento do parque de baterias.

Observa os seguintes valores típicos de Taxa de Retorno Energético (TRE = Energia obtida / Energia investida):\n- Petróleo convencional extraído em 1930: ~100:1\n- Petróleo convencional atual: ~15:1\n- Petróleo de areias betuminosas e xistos (fracking): ~4:1\n- Eólica terrestre moderna: ~18:1\n- Solar fotovoltaica com armazenamento em baterias químicas: ~4:1 (face a ~10:1 sem baterias)\n\na) Interpreta a queda histórica da TRE do petróleo convencional a partir da lei dos rendimentos decrescentes e dos condicionantes geológicos de exploração.\nb) Diversos bioeconomistas sustentam que uma sociedade com saúde pública, educação e investigação avançada exige uma TRE média do sistema de pelo menos 10:1. Avalia criticamente o risco de a eletrificação renovável provocar uma «falésia energética» se o armazenamento eletroquímico for sobredimensionado para suprir a intermitência.\nc) Prevê que adaptações estruturais (na procura de energia, consumo per capita e padrões territoriais) deverá encetar um país se a TRE líquida do seu cabaz cair para valores abaixo de 5:1.

Um projeto industrial prevê abastecer uma central siderúrgica com hidrogénio verde produzido através da eletrólise de água alimentada por um parque solar fotovoltaico (rendimento do eletrolisador: 65 %). Como a radiação é sazonal, planeia-se armazenar o hidrogénio sob pressão no subsolo e reeletrificar uma fração em pilhas de combustível (rendimento da pilha: 55 %; perdas de compressão e transporte: 10 %).\n\na) Calcula o rendimento energético global da cadeia completa fotovoltaica-hidrogénio-eletricidade e justifica por que razão o hidrogénio é classificado como vetor energético e não como fonte primária. A partir dos resultados, refuta tecnicamente o uso de hidrogénio verde para aquecimento doméstico face à bomba de calor geotérmica/aerotérmica.\nb) Justifica por que razão, para o armazenamento maciço sazonal, se descartam os reservatórios metálicos de superfície e se escolhem cavernas escavadas por dissolução em formações salinas (halite profunda), comparando a estanqueidade e a reatividade do sal com o armazenamento em antigos jazigos de gás em arenitos porosos (avalia porosidade, fugas moleculares por difusão e atividade de bactérias metanogénicas ou sulfato-redutoras).