Eficiência Energética Fundação Santo André - Professor Mario Pagliaricci

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1 Fundação Santo André - Professor Mario Pagliaricci

2 FONTES DE ENERGIA 1 Um pouco de Física (I, II, III e IV) 2 O Problema dos Transportes 3 Fontes de Energia de Grande Porte 4 Fontes Alternativas 5 E o futuro?

3 1- UM POUCO DE FÍSICA I Quantos litros de gasolina devem ser queimados para fazer um carro subir a serra de Santos? Qual seu preço? ADMITIR: Perdas Nulas Massa do Carro = 800 kg Desnível: 800m Gravidade: 9,8 m/seg kcal/kg 0,75 kg/litro 2,40 R$/litro

4 1- UM POUCO DE FÍSICA I Quantos litros de gasolina devem ser queimados para fazer um carro subir a serra de Santos? Qual seu preço? 0,182 litros e 0,44 R$

5 1- UM POUCO DE FÍSICA II Quanta água precisa ser turbinada na Usina Itaipu para gerar a mesma quantidade de energia produzida pela queima de 1 kg de gasolina? ADMITIR: Perdas Nulas Gravidade: 9,8 m/seg 2 Altura da coluna d água: 100m Poder calorífico da gasolina: kcal/kg

6 1- UM POUCO DE FÍSICA II Quanta água precisa ser turbinada na Usina Itaipu para gerar a mesma quantidade de energia produzida pela queima de 1 kg de gasolina? kg!!!!

7 1- UM POUCO DE FÍSICA III Que conclusão podemos tirar?

8 1- UM POUCO DE FÍSICA III Que conclusão podemos tirar? O Petróleo é uma Fonte de Energia ESPETACULAR!!!!!!!!!!!!!!

9 1- UM POUCO DE FÍSICA III A queima de combustíveis é uma excelente fonte de energia Material PCS kcal/kg Gasolina Diesel Butano GLP Metano Propano Gás Natural Hidrogênio Alcool Etílico Biodiesel Lenha Carvão Nacional Carvão Importado 7.500

10 1- UM POUCO DE FÍSICA IV 1- A energia solar incidente no solo ao nível do mar é de 1,0 kw/ m 2 (em condições ótimas). 2- A capacidade de geração de energia no Brasil é de 75 GW. Isto corresponde a que área?

11 1- UM POUCO DE FÍSICA IV 1- A energia solar incidente no solo ao nível do mar é de 1,0 kw/ m 2 (em condições ótimas). 2- A capacidade de geração de energia no Brasil é de 75 GW. Isto corresponde a que área? 8,7 km 8,7 km

12 1- UM POUCO DE FÍSICA IV Que conclusão podemos tirar?

13 1- UM POUCO DE FÍSICA IV Que conclusão podemos tirar? A energia existe, nós é que não sabemos aproveitá-la

14 2- O PROBLEMA DOS TRANSPORTES 20% da energia gerada no mundo é usada para os transportes. Portanto, sempre que tratarmos de EFICIÊNCIA ENERGÉTICA devemos tratar de transportes. Qual o melhor tipo de transporte? PREMISSA: Os custos sempre são repassados à sociedade. Portanto será sempre necessário analisar o custo global.

15 2- O PROBLEMA DOS TRANSPORTES Qual o melhor tipo de transporte? $ Global Helicóptero Avião Rodovia Ferrovia Volume transportado

16 2- O PROBLEMA DOS TRANSPORTES Qual o melhor tipo de transporte? $ Global Helicóptero Avião Veículo sobre pneu Trem Volume transportado

17 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE 1 Hidroelétrica 2 Termoelétrica a: Carvão Óleo Combustível Gás Nuclear

18 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Esquema de Funcionamento de Usina Hidroelétrica água em alta velociadade Turbina ENERGIA MECÂNICA Alternador ENERGIA ELÉTRICA água em baixa velociadade ENERGIA ELÉTRICA em CC (15%)

19 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Esquema de Funcionamento de Usina Termoelétrica Fonte de calor Caldeira ou Trocador de calor vapor em alta temperatura Turbina ENERGIA MECÂNICA Alternador ENERGIA ELÉTRICA Bomba vapor em baixa Temperatura (condensado) ENERGIA ELÉTRICA em CC (15%)

20 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Esquema de Funcionamento de Usina Hidrelétrica COLOCAR DESENHO DO ARQUIVO!!!!!

21 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE PELTON Acima de 350 metros FRANCIS De 40 a 400 metros PRINCIPAIS TIPOS DE TURBINA HIDRÁULICA KAPLAN De 20 a 50 metros

22 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Detalhes da Turbina Pelton Cubatão: 684 m 450 rpm 65 MW 12,7 m 3 /seg

23 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Detalhes da Turbina Pelton

24 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Detalhes da Turbina Francis Itaipu: 118 m 91,6 rpm 715 MW 680 m 3 /seg

25 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Detalhes da Turbina Francis

26 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Detalhes da Turbina Kaplan Taquaruçu: 21,9 m 85,7 rpm 103 MW 511 m 3 /seg

27 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Detalhes da Turbina Kaplan

28 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Quanto CO 2 o petróleo gera? A queima de um átomo-grama de carbono gera 44 g de CO 2. 1 kg de carbono gera 3,67 kg de CO 2. Podemos afirmar que o petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que, em média, se comporta como C 10 H 22. A massa molecular do C 10 H 22 é 142 g e contém 120 g de carbono. O petróleo contém em média 84,5 % de carbono. 1 kg de petróleo contem 0,845 kg de carbono. O petróleo contém 84,5 % de carbono. 1 kg de petróleo gera 3,10 kg de CO 2.

29 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Quanto CO 2 o petróleo gera? A queima de um átomo-grama de carbono gera 44 g de CO 2. 1 kg de carbono gera 3,67 kg de CO 2. Podemos afirmar que o petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que, em média, se comporta como C 10 H 22. A massa molecular do C 10 H 22 é 142 g e contém 120 g de carbono. O petróleo contém em média 84,5 % de carbono. 1 kg de petróleo contem 0,845 kg de carbono. O petróleo contém 84,5 % de carbono. 1 kg de petróleo gera 3,10 kg de CO 2.

30 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Itaipu evita a emissão de quantas toneladas de CO 2 por dia? Itaipu evita a queima de barris de petróleo por dia. O consumo brasileiro é de de barris por dia. Se a Usina de Itaipu fosse substituída por termoelétricas, para manter o mesmo consumo de energia elétrica o consumo de petróleo deveria aumentar 21,7 %. A densidade do petróleo é 0,75 kg/litro. Um barril de petróleo corresponde a 159 litros. O consumo diário de petróleo é de toneladas. Lembrando que 1 kg de petróleo gera 3,10 kg de CO 2. Se não existisse Itaipu, as termoelétricas utilizadas em sua substituição lançariam na atmosfera toneladas de CO 2 por dia. Além disso, para adquirir barris de petróleo a 60 US$/barril seriam gastos 26,0 MUS$ por dia ou 780 MUS$ por mês.

31 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Itaipu evita a emissão de quantas toneladas de CO 2 por dia? Itaipu evita a queima de barris de petróleo por dia. O consumo brasileiro é de de barris por dia. Se a Usina de Itaipu fosse substituída por termoelétricas, para manter o mesmo consumo de energia elétrica o consumo de petróleo deveria aumentar 21,7 %. A densidade do petróleo é 0,75 kg/litro. Um barril de petróleo corresponde a 159 litros. O consumo diário de petróleo é de toneladas. Lembrando que 1 kg de petróleo gera 3,10 kg de CO 2. Se não existisse Itaipu, as termoelétricas utilizadas em sua substituição lançariam na atmosfera toneladas de CO 2 por dia. Além disso, para adquirir barris de petróleo a 60 US$/barril seriam gastos 26,0 MUS$ por dia ou 780 MUS$ por mês.

32 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Curiosidades da Usina de Itaipu 1. O volume total de concreto utilizado na construção de Itaipu seria suficiente para construir 210 estádios de futebol como o do Maracanã, no Rio de Janeiro. 2. O ferro e aço utilizados permitiriam a construção de 380 Torres Eiffel. 3. A vazão máxima do vertedouro de Itaipu (62,2 mil metros cúbicos por segundo) correspondente a 40 vezes a vazão média das Cataratas do Iguaçu. 4. A vazão de duas turbinas de Itaipu (700 metros cúbicos de água por segundo cada), corresponde à vazão média das Cataratas Niagara (1500 metros cúbicos por segundo. 5. A altura da barragem principal (196 metros) equivale à altura de um prédio de 65 andares. 6. O Brasil teria que queimar 434 mil barris de petróleo por dia para obter com usinas Termoelétricas a mesma produção de energia de Itaipu. 7. O volume de escavações de terra e rocha em Itaipu é 8,5 vezes superior ao do Eurotúnel e o volume de concreto é 15 vezes maior.

33 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Usinas Hidroelétricas VANTAGENS: Baixo Custo Global Duração praticamente ilimitada DESVANTAGENS: Alto Risco Alto Custo de Instalação Ocupa grande área Construção demorada Depende da orografia Depende da hidrografia Depende do regime de chuvas Afeta o meio ambiente mais para o bem que para o mal É a fonte de grande porte com menor impacto ambiental! Quem tem usa antes das outras.

34 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Usinas Termoelétricas a Combustível Fóssil VANTAGENS: Risco muito baixo Baixo custo de instalação Ocupa pouco espaço Pode ser construído em qualquer lugar É a mais usada É a mais abundante DESVANTAGENS: Utiliza recursos não renováveis Provoca efeito estufa Custo de operação elevado Custo global elevado Polui o meio ambiente Atualmente é a alternativa mais usada

35 3- FONTES DE ENERGIA DE GRANDE PORTE Usinas Termo Nucleares VANTAGENS: Ocupa pouco espaço Pode ser construído em qualquer lugar Se usada criteriosamente não polui, não causa efeito estufa e não contamina o ar DESVANTAGENS: RISCO Alto custo de instalação e operação Parece ser a única saída a médio prazo

36 4- FONTES ALTERNATIVAS As fontes alternativas mais citadas: 1. Solar 2. Eólica 3. Hidrogênio 4. Veículo elétrico 5. Veículo a ar comprimido

37 4- FONTES ALTERNATIVAS SOLAR Coletores solares para aquecer água e cozinhar alimentos Em uso com muito sucesso Coletores solares para gerar vapor e energia elétrica (em desenvolvimento) Células solares Por enquanto, só serve para satélites e para índio assistir novela

38 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Comparação entre turbina eólica e turbina hidráulica Densidade do ar a 0ºC 1,293 kg/m 3 Densidade da água a 0ºC kg/m 3 Relação entre as densidades: 773 x CONCLUSÃO Duas máquinas de mesmas dimensões, uma a água outra a ar, apresentarão relação entre as potências disponíveis igual à relação entre as densidades, ou seja 773 x

39 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Aerogerador com acumulação em bateria Hélice Gerador DC Cargas DC Baterias DC Tensão de Trabalho = 12 ou 24V

40 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Aerogerador Grid Tie ou Grid Connected Linha da Concessionária Hélice Gerador DC Inversor Cargas AC Tensão de Trabalho = 220V

41 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Um pouco mais de Física (1) P = E t (4) em (3) m = A L (6) (2) (3) (4) E m v = 2 2 m = V V = A L (6) em (2) (7) em (1) E = P = A L v 2 2 A L v 2 2 t (7) (5) v = L t P = A v 3 2

42 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Capacidade Aerogerador Grandeza Unidade Mar do Norte Ceará Velocidade km/hora Velocidade m/seg 13,89 2,78 Temperatura ºC densidade kg/m 3 1,343 1,124 Raio m Área m , ,6 P teórica kw 2.261,4 15,1 Rendimento % 5 5 P útil kw 113,1 0,76

43 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Capacidade Aerogerador Grandeza Unidade Mar do Norte Ceará Velocidade km/hora Velocidade m/seg 13,89 2,78 Temperatura ºC densidade kg/m 3 1,343 1,124 Raio m Área m , ,6 P teórica kw 2.261,4 15,1 Rendimento % 5 5 P útil kw 113,1 0,76

44 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Navegando na internet...há um site bem elaborado que informa: A Enersud empresa que comercializa aerogeradores com acumulação em bateria, assinou um convênio com a Universidade Federal do Ceará e a Fine para desenvolver um sistema eletrônico que permita enviar/receber em tempo real a diferença entre a energia gerada e a consumida no local. A idéia é válida mas, os rendimentos não são os indicados e a análise econômica não nos parece correta.

45 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Principais pontos citados no site são: 1. O sistema é capaz de retirar 45% da potência contida no vento. 2. Faixa de trabalho: entre 4 e 30 m/seg (14 a 108 km/hora). 3. As características do sistema são aferidas a 12 m/seg (43 km/h). 4. Num ponto o site afirma que o sistema Gerar246 apresenta potência 250 W e gera 180 kwh/mês enquanto num outro ponto, afirma que a potência é de 200 W e gera 144 kwh/mês. 5. A bateria necessária para operar o Gerar146 custa R$ 8.000,00 e dura 3 anos. 6. Além do sistema Gerar246, a empresa produz outras unidades de maior potência e custos proporcionais. 7. Afirma que o sistema se amortiza em 6 a 7 anos.

46 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Principais críticas: 1. Os ventos considerados são, a nosso ver, muito fortes, extremamente raros e capazes de causar danos aos equipamentos. 2. O rendimento global de um sistema semelhante é de cerca de 5%, muito longe do 45% apregado. 3. A análise econômica apresenta falhas que analisaremos posteriormente.

47 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA O site analisa o desempenho de um produto denominado: Aerogerador Enersud 1000w Modelo Gerar246 Principais características técnicas Diâmetro da hélice = 2,46 m rpm a 12 m/s = 630 rpm Tipo de pás = torcida Tensão de saída = 300 Volts Peso total = 32 kg Potência a 12 m/s = 1000 Watts Número de pás = 3 Sistema elétrico = trifásico Topologia = Fluxo Axial Produção mensal de energia = 180 kwh

48 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Aerogerador Enersud 1000w Modelo Gerar246 Preço Aerogerador 1000W R$ 5.990,00 Inversor 1,8 kw R$ ,00 Kit Torre R$ 900,00 2 Tubos DIN R$ 800,00 Outros R$ 500,00 Frete R$ 300,00 Total R$ ,00

49 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Análise do Retorno I Custo da energia Elétrica Eletropaulo Baixa Tensão B3 (0,26569 R$/kWh + 1,273% PIS + 5,825% COFINS + 33,33% de ICMS) Produção mensal prometida = 0,3794R$ / kwh 180 / kwh Economia Mensal na Conta de Energia Elétrica = 68,29 R$ Valor do investimento = ,00 R$ Se admitirmos que os juros são nulos, o sistema não apresenta desgaste, não necessita de lubrificação, manutenção e não é necessário amortizar, o retorno do investimento se daria após meses ou 27 anos e 5 meses Será que depois de quase 30 anos sem manutenção o sistema continuaria funcionando?????

50 4- FONTES ALTERNATIVAS EÓLICA Análise do Retorno II O cálculo anterior seria válido se o aerogerador fosse instalado na cobertura de um Prédio na Av. Paulista. Se entretanto fosse instalado em área rural servida por uma Cooperativa de eletrificação, o valor pago à Concessionária de energia seria muito menor além de não pagar o ICMS. Teríamos então: Custo da energia Elétrica Eletropaulo CER- B2 (0,16637 R$/kWh + 1,273% PIS + 5,825% COFINS) Produção mensal prometida = 0, R$ / kwh 180 / kwh Economia Mensal na Conta de Energia Elétrica = 32,076 R$ Valor do investimento = ,00 R$ Admitindo, juros nulos, o sistema não apresenta desgaste, não necessita de lubrificação e manutenção, o retorno do investimento se daria após... E AGORA???? 701 meses ou 58 anos e 5 meses

51 5- E O FUTURO? ATUALMENTE 1. Parece existir um movimento que tende a fazer a opinião pública acreditar que o problema de energia será facilmente resolvido com soluções mágicas que não resistem a uma análise fria e bem intencionada. 2. O problema é muito mais grave do que parece, pois qualquer solução agrava o efeito estufa e a poluição. 3. Acreditar que soluções milagrosas possam resolver o problema de energia da humanidade só serve para iludir os incautos e tirar dinheiro de governos bem intencionados mas pouco instruídos. 4. Fontes alternativas, por enquanto, somente são viáveis em condições muito particulares. 5. As únicas alternativas que, até agora, deram certo em grande escala são: 1. Redução inteligente do consumo 2. Etanol 3. Aquecimento solar em baixa temperatura

52 5- E O FUTURO? A MÉDIO PRAZO As soluções mais promissoras para amenizar o problema, mas não resolvê-las são: Aquecimento a alta temperatura/ termoelétrica Veículo híbrido (ainda que a redução de consumo seja pequena) Supercapacitor Por enquanto a única saída é ECONOMIZAR ENERGIA e... Rezar...

53 5- E O FUTURO? A LONGO PRAZO A solução definitiva seria a Fusão Nuclear mas, por enquanto, não apresenta a mínima possibilidade.

54 Professor Mario Pagliaricci

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