Combustíveis

Os combustíveis são substâncias capazes de liberar alta quantidade de energia, sob a forma de calor, ao reagir com um material comburente, geralmente o gás oxigênio, em uma reação de combustão. Boa parte dos combustíveis é constituída por átomos de carbono e hidrogênio, sendo o gás carbônico (CO₂) e a água os produtos da combustão.

Os combustíveis derivados de fontes renováveis de energia têm ganhado importância por serem preparados com recursos que se renovam de forma relativamente rápida, podendo dar origem a ciclos sustentáveis. O etanol, o biodiesel e o hidrogênio são exemplos dessa classe.

Os combustíveis derivados de fontes não renováveis são, em sua maioria, provenientes de fontes fósseis, sendo conhecidos como combustíveis fósseis e contribuindo para o desequilíbrio ambiental. Como essas fontes energéticas não se renovam rapidamente, o seu uso não se torna sustentável. São representantes dessa classe os derivados do petróleo, o gás natural e o carvão mineral.

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Resumo sobre combustíveis

• Combustíveis geram energia ao reagir com um comburente, em uma reação de combustão.

• A combustão de hidrocarbonetos gera como produtos CO₂, água e energia.

• Óxidos formados na combustão são poluidores atmosféricos.

• A energia liberada na combustão é aproveitada para inúmeras atividades humanas, como trabalho mecânico, aquecimento, cozimento e processos industriais.

• Os combustíveis podem derivar de fontes renováveis, como a biomassa e óleos vegetais, sendo conhecidos como biocombustíveis.

• Podem derivar de fontes não renováveis de energia, como o petróleo e o gás natural, sendo conhecidos como combustíveis fósseis.

• Combustíveis primários são aqueles encontrados na natureza e usados da forma como são encontrados.

• Combustíveis secundários são aqueles que passam por algum tipo de processamento para serem utilizados.

• De acordo com seu estado físico, os combustíveis podem ser sólidos, líquidos ou gasosos.

• Alguns exemplos de combustíveis são o petróleo, o carvão mineral, o etanol, o biodiesel, o biogás e o hidrogênio.

• Eles podem ser aplicados nos meios de transportes, no setor industrial, na geração de energia elétrica e nos sistemas de aquecimento.

• Surgiu com a descoberta do fogo e a partir disso foi desenvolvendo-se de acordo com as necessidades, como os aspectos relacionados ao contexto industrial, além da grande demanda energética.

• O Brasil possui uma matriz energética bastante diversificada.

• Apesar de fundamentais à sobrevivência humana, é preciso estar atento às questões ambientais relacionadas ao seu uso.

O que são combustíveis?

Combustíveis são substâncias que reagem com um comburente liberando energia na forma de calor, geralmente de modo vigoroso, formando inclusive chamas e gases.

O comburente mais comum é o gás oxigênio (O₂). A reação entre o combustível e o comburente é exotérmica (libera energia) e é chamada de combustão. A maior parte dos combustíveis é formada por hidrocarbonetos, moléculas constituídas basicamente por átomos de carbono e hidrogênio. Assim, os produtos de uma combustão, além de energia, são o dióxido de carbono (CO₂) e a água.

A equação geral da combustão pode ser expressa da seguinte forma:

combustível + \(\mathbf{O}_\mathbf{2}\longrightarrow\) \({\mathbf{CO}}_\mathbf{2}+\ \mathbf{H}_\mathbf{2}\mathbf{O}\) + energia

Algumas substâncias combustíveis podem possuir outros átomos em sua composição, os quais darão origem a outros óxidos, como o dióxido de enxofre (SO₂) quando houver enxofre na composição do material combustível. O CO₂ e o SO₂ são substâncias que contribuem para a poluição atmosférica e intensificam o efeito estufa.

A energia liberada pela combustão de um material combustível deriva de suas ligações químicas. Por isso, a combustão é um processo de conversão da energia química em energia térmica.

Os combustíveis são de extrema importância na sociedade, pois a energia térmica liberada na sua combustão é utilizada na geração de trabalho mecânico, como observamos nos motores à combustão dos automóveis. O calor gerado na combustão também é aproveitado em processos de aquecimento, cozimento e em procedimentos industriais.

Características dos combustíveis

Os combustíveis podem ser caracterizados de acordo com o modo como são classificados em função de seu tempo de formação, de sua origem e de seu estado físico.

→ Classificação dos combustíveis de acordo com o tempo de formação

Em relação ao tempo de formação, os combustíveis podem ser renováveis ou não renováveis.

• Combustíveis renováveis ou não fósseis

Combustíveis renováveis ou não fósseis são aqueles formados por recursos naturais que se renovam em intervalos de tempo relativamente curtos. Bons exemplos de fontes renováveis de energia são o biodiesel, o etanol e a madeira.

• Combustíveis não renováveis ou fósseis

Combustíveis não renováveis ou fósseis são aqueles derivados de matéria orgânica vegetal e animal fossilizada, como o petróleo, o gás natural, o xisto e o carvão mineral. O termo não renovável se deve ao fato de que essas substâncias levam milhões de anos para serem formadas, sob circunstâncias particulares de pressão e temperatura.

Considerando o consumo atual, todo o petróleo disponível no planeta será consumido pelo homem em menor tempo do que natureza necessita para formá-lo novamente. Daí a necessidade urgente de substituição das fontes não renováveis de energia por outras, de caráter renovável.

→ Classificação dos combustíveis de acordo com a origem

Quando se trata da origem, os combustíveis são classificados como primários e secundários.

• Combustíveis primários

Combustíveis primários são aqueles encontrados diretamente na natureza, sob a forma de recursos naturais. Não precisam de nenhum tipo de tratamento para que sejam utilizados na geração de energia. A maioria das fontes primárias de energia são de caráter não renovável, com exceção da biomassa, que é de caráter renovável.

Outras fontes primárias de energia são o carvão mineral, o petróleo, o gás natural e o xisto betuminoso. Elementos químicos metálicos como o urânio e o tório podem ser considerados combustíveis primários, uma vez que armazenam energia. Contudo, esses elementos têm sua energia aproveitada via processos nucleares, e não por reações de combustão.

• Combustíveis secundários

Combustíveis secundários são obtidos de fontes primárias de energia, por meio de algum processo de transformação prévia à sua utilização. Ou seja, não são encontrados na natureza.

A gasolina é um bom exemplo de combustível secundário, sendo obtida pela destilação fracionada do petróleo. Há também o carvão vegetal, derivado da queima incompleta da madeira.

Os processos de transformação de fontes primárias em secundárias objetivam o melhor aproveitamento energético das substâncias, como é o caso do próprio petróleo, que em estado bruto praticamente não possui utilidade. No entanto, após seu refinamento é separado em diferentes compostos de grande importância industrial e econômica, como a gasolina, o gás liquefeito de petróleo (GLP), óleo diesel, nafta, querosene, entre outros.

O gás hidrogênio é outro exemplo de combustível secundário, obtido como produto em reações químicas de combustíveis fósseis ou por meio da eletrólise da água. O gás metano, também empregado na geração de energia, é obtido pelo refino do petróleo ou pela decomposição aeróbica de resíduos de aterros sanitários ou dos excrementos (fezes) de animais, sendo então conhecido como biogás.

→ Classificação dos combustíveis de acordo com o estado físico

Por fim, os combustíveis ainda são classificados de acordo com seu estado físico em sólidos, líquidos ou gasosos.

• Combustíveis sólidos

Os combustíveis sólidos são combustíveis encontrados em estado sólido e são extensamente utilizados na indústria e em alguns meios de transporte, como locomotivas. A madeira se destaca como o combustível sólido mais utilizado em toda a história.

Outros exemplos são o carvão mineral (derivado da decomposição de matéria orgânica de milhões de anos atrás) e a biomassa, que pode ser derivada de resíduos industriais e agrícolas. Recentemente, a Nasa desenvolveu um combustível sólido para as suas aeronaves baseado em parafinas, um dos subprodutos do petróleo.

• Combustíveis líquidos

Combustíveis líquidos são combustíveis encontrados em estado líquido e são os mais utilizados em razão da facilidade de armazenamento e transporte. O combustível líquido em si não é inflamável, mas sim os seus vapores.

Por isso, para essas substâncias existe a propriedade de ponto de fulgor, que consiste na menor temperatura em que o combustível libera vapores em quantidade suficiente para estabelecer uma mistura inflamável a uma fonte de ignição externa (como o calor). Exemplos de combustíveis líquidos são a gasolina, o etanol, o querosene e o diesel.

• Combustíveis gasosos

Os combustíveis gasosos são combustíveis encontrados em estado gasoso e são em sua maioria derivados de hidrocarbonetos, como o metano, o propano e o monóxido de carbono.

O gás hidrogênio é uma das apostas como combustível do futuro, por ser isento de emissões de gases poluentes, uma vez que sua reação de combustão com o oxigênio forma apenas vapor d’água.

O maior desafio em relação aos combustíveis gasosos é o seu transporte, em razão do alto volume que ocupam. Por isso, normalmente esses gases são liquefeitos a altas pressões para estabelecer um transporte mais eficiente.

Outra questão de atenção sobre combustíveis gasosos são os riscos de vazamento. Como muitos gases não possuem odor característico, a identificação de vazamentos é difícil. Para contornar isso, é comum a adição de substâncias odorizantes a esses combustíveis, para sinalizar possíveis vazamentos. Essa estratégia é muito utilizada em cilindros de GLP, mais conhecido como gás de cozinha.

A tabela a seguir relaciona os combustíveis sólidos, líquidos e gasosos com as respectivas fontes primárias e secundárias.

Tipos de combustíveis

Muitas substâncias podem ser aproveitadas para geração de energia por meio de sua reação de combustão. A comparação de eficiência energética entre diferentes combustíveis é feita por meio da propriedade de energia específica, entendida como a quantidade de energia gerada por uma massa determinada do combustível. É expressa em unidade de MJ/kg. Na sequência, conheceremos alguns dos combustíveis mais utilizados atualmente.

→ Petróleo

O petróleo é a principal fonte de energia primária para os combustíveis fósseis. Do petróleo derivam a gasolina, o óleo diesel, o gás natural veicular (GNV), o gás de cozinha (GLP) e o querosene, todos de caráter não renovável. Esses combustíveis são muito utilizados mundialmente em razão de sua energia específica relativamente alta, essencial para movimentar com eficiência os automóveis, os caminhões, os ônibus e as aeronaves.

→ Carvão mineral

O carvão mineral é uma rocha e é extensamente utilizado como combustível, sendo utilizado principalmente para alimentar fornos e equipamentos industriais. O carvão mineral é formado por carbono, enxofre, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio, em diferentes proporções. A depender do teor de carbono, o carvão é classificado como turfa, linhito, hulha ou antracito.

→ Etanol

O etanol é um biocombustível obtido de matérias-primas vegetais, como a beterraba, o milho e a batata. No Brasil, o etanol é produzido, principalmente, usando cana-de-açúcar, que é uma planta de alta disponibilidade no país. O etanol é empregado como combustível automotivo, possuindo energia específica pouco inferior aos combustíveis fósseis. Em contrapartida, tem a grande vantagem de ser derivado de fonte renovável.

→ Biodiesel

O biodiesel é um biocombustível obtido de óleos e gorduras de fontes animal ou vegetal, portanto, é uma fonte energética renovável. O biodiesel possui capacidade de gerar energia próxima ao diesel derivado do petróleo e já vem sendo utilizado no Brasil para o abastecimento de caminhões e ônibus.

→ Biogás

O biogás é a mistura gasosa derivada da decomposição da matéria orgânica (biomassa), por isso também é conhecido como gás de aterro sanitário. O biogás é formado por diferentes proporções de gás metano (CH₄), dióxido de carbono (CO₂), sulfeto de hidrogênio (H₂S), amônia (NH₃) e vapor d’água. Geralmente, o metano é o gás presente em maior quantidade e a energia específica do biogás depende da composição da mistura gasosa.

Fonte secundária e renovável de energia, o biogás pode ser empregado na geração de energia elétrica, para aquecimento e como combustível veicular. Os projetos de aterros sanitários mais modernos já constam com tubulações para remover o biogás gerado nos processos de decomposição, utilizando-o como fonte energética. Usinas de biogás podem ser implementadas em fazendas para aproveitar a decomposição natural de excrementos de animais para a geração de energia.

A biomassa utilizada como combustível pode ser de origem animal e vegetal, incluindo resíduos de alimentos, agrícolas, de jardinagem, de indústrias alimentícias e de animais. Em razão das grandes áreas agrícolas e da extensa criação de animais, o Brasil possui um amplo campo de exploração para geração de energia por meio de biomassa.

→ Hidrogênio

O hidrogênio é considerado um dos combustíveis do futuro, possuindo uma elevada energia específica, em razão de ser um elemento muito leve. Contudo, seu uso em automóveis ainda é limitado, por causa dos desafios encontrados acerca do volume que ele ocupa, bem como os riscos de explosão, já que é um gás muito inflamável. Em aeronaves espaciais, o uso do gás hidrogênio é empregado pela sua característica de ser muito leve.

Saiba mais: O que é energia limpa?

Aplicação dos combustíveis

Nos meios de transporte, os principais combustíveis empregados são a gasolina, o diesel, o etanol, o GNV e o querosene. Muitas locomotivas ainda são movidas a lenha.

No setor industrial, o carvão mineral é o principal combustível para acionar os fornos e equipamentos industriais. O diesel também é empregado no funcionamento de algumas máquinas, como geradores de energia.

Nas últimas décadas, os países vêm investindo em tecnologias para o desenvolvimento sustentável, o que inclui modernizar sua matriz energética, abarcando fontes renováveis de energia. Daí se destacam os avanços na utilização de biomassas e seus derivados, o bio-óleo e o biogás. O biodiesel é um bio-óleo que já vem sendo utilizado, na sua forma “pura” ou em mistura ao óleo diesel fóssil. O biogás (ou gás de aterro) vem sendo aproveitado para geração de energia elétrica e sistemas de aquecimento.

A tabela abaixo reúne informações sobre alguns tipos de combustíveis, sua classificação de acordo com a origem, eficiência energética e principais aplicações.

*O GNV é fonte secundária se for obtido por meio do refino do petróleo e é fonte primária ser for coletado diretamente na natureza, em rochas.

**O hidrogênio é elemento químico puro, e não originado de outra fonte.

Interessante: Substâncias combustíveis também são utilizadas pelas células dos organismos vivos, no processo de respiração celular, sendo oxidadas para que ocorra a liberação de energia química para uso das células.

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História dos combustíveis

Há milhões de anos, o homem descobriu o fogo, e as primeiras reações de combustão realizadas foram feitas utilizando madeira como combustível. Até hoje, a madeira ainda é utilizada como fonte de energia.

A partir dessa descoberta, os humanos da época conseguiram sobreviver, utilizando o fogo e a madeira no preparo de seus alimentos e para aquecimento. Com a combustão da madeira, é formado o carvão vegetal, material que também possui capacidade de liberar energia. Com a evolução da humanidade, o carvão vegetal foi o combustível utilizado para forjar ferramentas e utensílios usando metais.

Séculos mais tarde, com o advento da era industrial, o carvão vegetal e o carvão mineral passaram a ser combustíveis indispensáveis ao funcionamento dos fornos das indústrias recém-montadas e das máquinas a vapor.

Já no século XX, o setor automobilístico estava em pleno desenvolvimento, e houve um grande aumento da demanda por combustíveis de maior eficiência energética. Em paralelo com os avanços da ciência, agora era possível otimizar a exploração do petróleo, obtendo-se além do querosene a gasolina e o óleo diesel. Naquele momento, os combustíveis fósseis e não renováveis tomaram sua posição de liderança.

Nas décadas mais recentes, as questões ambientais vêm mostrando a necessidade urgente de renovação da matriz energética mundial. Os estudos ambientais apontam como crucial para a manutenção do meio ambiente a substituição dos combustíveis não renováveis por fontes de energia renováveis e sustentáveis.

Baseado nisso, vêm surgindo novas tecnologias de exploração de fontes renováveis, como a biomassa, o biogás, o biodiesel, o etanol e o hidrogênio. Além do uso em maior escala de outros tipos de energia, como a solar, a eólica, a hídrica, a geotérmica e a oceânica.

Importância dos combustíveis

Combustíveis é um tema amplo e interdisciplinar, podendo ser tratado sob o ponto de vista da Química, da Economia, da História e da Geografia, dada a sua relevância.

Do ponto de vista histórico, a descoberta do fogo e da energia gerada pela queima da madeira foi essencial para a sobrevivência dos seres humanos. Hoje em dia, no entanto, muitas guerras e conflitos no mundo são ocasionados pelo controle de regiões ricas em petróleo.

O petróleo e seus produtos derivados dominam as notícias de economia. Afinal, a matriz energética mundial é composta por quase 80% de fontes de energia não renováveis, incluindo, além do petróleo e derivados, o gás natural e o carvão mineral.

Cada vez mais, os países e as empresas são impulsionados a atualizar seu padrão de consumo de combustíveis, diminuindo a dependência pelos combustíveis fósseis e aumentando a demanda e a tecnologia na área de fontes de energia renováveis.

O Brasil, nesse quesito, destaca-se com uma matriz energética composta em quase 50% por fontes renováveis de energia, com ênfase para os derivados de cana-de-açúcar, como o etanol.

A necessidade de ampliar o uso de fontes renováveis de energia é urgente, em razão dos graves impactos ambientais causados ao meio ambiente pelo uso descontrolado de fontes de energia altamente poluidoras. Ou seja, a contribuição dos combustíveis para o desenvolvimento da humanidade é inegável. Contudo, os impactos ambientais causados também são muito sérios. O futuro da humanidade, como se conhece, depende da alteração dos modos de consumo dos combustíveis.

Saiba também: Crise energética no Brasil — quais são os fatores relacionados?

Exercícios resolvidos sobre combustíveis

Questão 1

(Enem) Com o aumento da população de suínos no Brasil, torna-se necessária a adoção de métodos para reduzir o potencial poluidor dos resíduos dessa agroindústria, uma vez que, comparativamente ao esgoto doméstico, os dejetos suínos são 200 vezes mais poluentes. Sendo assim, a utilização desses resíduos como matéria-prima na obtenção de combustíveis é uma alternativa que permite diversificar a matriz energética nacional, ao mesmo tempo em que parte dos recursos hídricos do país é preservada.

BECK, A. M. Resíduos suínos como alternativa energética sustentável. XXVII Encontro Nacional de Engenharia de Produção. Anais Enegep, Foz do Iguaçu, 2007 (adaptado).

O biocombustível a que se refere o texto é o

A) etanol.

B) biogás.

C) butano.

D) metanol.

E) biodiesel.

Resolução:

Alternativa B

Os dejetos suínos tratados no texto podem ser considerados biomassa. A decomposição natural dessa biomassa gera gás metano e gás carbônico. Ao montar sistemas adequados de compostagem ou biodigestão, os gases são recolhidos por um sistema de captação, podendo ser aproveitados para a geração de energia elétrica, energia térmica (para aquecimento) e mecânica (motores a combustão).

Questão 2

(Udesc) A procura por novas fontes renováveis de energia surge como alternativa importante para superar dois problemas atuais: a escassez de fontes não renováveis de energia, principalmente do petróleo, e a poluição ambiental causada por essas fontes (combustíveis fósseis).

Assinale a alternativa que apresenta um tipo de recurso energético não renovável:

A) Biomassa, massa dos seres vivos habitantes de uma região.

B) Hidrogênio, usado como célula combustível.

C) Biogás, utilização das bactérias na transformação de detritos orgânicos em metano.

D) Carvão mineral, extraído da terra pelo processo de mineração.

E) Energia geotérmica, aproveitamento do calor do interior da Terra.

Resolução:

Alternativa D

Fontes de energia não renováveis são aquelas que existem na natureza em quantidade finita, como o petróleo, o carvão mineral, o gás natural. Ou seja, foram formadas durante milhares de anos, e a velocidade de consumo é muito maior do que a velocidade de formação dessas espécies.

Já as fontes renováveis são aquelas formadas em intervalos de tempo relativamente curtos, como as árvores e a cana-de-açúcar, ou aquelas que não são necessariamente consumidas, como o vento e o Sol.

Dentre as alternativas, apenas o carvão mineral é um recurso energético não renovável, pois ele é uma rocha composta ao longo de milhares de anos.

Crédito de imagem

[1] newphotoservice / Shutterstock

[2] Empresa de Pesquisa Energética (reprodução)