Álan Cavalcante Maciel. Técnico em Eletroeletrônica. Tecnólogo em Mecatrônica Industrial CREA: A Energia Solar para o Aquecimento de Água

Transcrição

1 Álan Cavalcante Maciel Técnico em Eletroeletrônica Tecnólogo em Mecatrônica Industrial CREA: A Energia Solar para o Aquecimento de Água Guarulhos 2012

2 2 Sumário Introdução...3 Consumo do Setor Residencial e a Geração das Hidrelétricas...5 O Consumo de Energia no Brasil...5 Projeções da Matriz Energética...6 Problemas nas Usinas Hidrelétricas...7 A Crise do Setor Elétrico de 2001 e o Aquecimento Solar...8 Energia Solar, Um Antigo Recurso e Uma Nova Tecnologia...9 Recursos Energéticos Renováveis...9 A Conversão da Energia Solar...10 Custo Benefício do Sistema de Aquecimento Solar...11 Investimentos...12 População de Baixa Renda...13 Considerações Finais...14 Referências Bibliográficas...15

3 3 Introdução Atualmente a energia elétrica ter participação preponderante no desenvolvimento e vida do ser humano. Se tratando de energia, desde a sua produção até seu consumo, envolve transformações de recursos naturais, sendo que muitos destes processos causam impactos sócio-ambientais. Como consequência gera discussões globais por ser um influente ao meio ambiente, e foi a partir destas discussões que se originou a o conceito do desenvolvimento sustentável, que seria a solução deste grande problema, pois, obtendo energia de fontes limpas e renováveis, o impacto causado anteriormente seria bem menor, porém, a implantação da sustentabilidade tem sido um grande desafio para a humanidade, esta ação pode diminuir impactos ambientais, mas também pode causar impactos econômicos. Nos últimos anos, principalmente em razão do problema do aquecimento global, a questão energética tem sido tema central, levando a negociações da convenção do clima como é possível observar no Protocolo de Kyoto. Atualmente, obtêm-se diversas fontes de energia renovável, energia solar, eólica, geotérmica, maremotriz dentre outras, e ainda assim a matriz energética mundial depende de quase 80% de combustíveis fósseis, cuja queima tem grande papel no aumento de gases estufa na atmosfera. O sol é uma fonte de energia abundante e inesgotável, além de fornecer seu produto de forma não comercial. Apesar de necessitar uma tecnologia para seu uso em sistemas de aquecimento, pode ser utilizada por qualquer pessoa, sendo que é impossível se tornar mercadoria de qualquer empresa ou instituição, e assim se tratando de energias limpas e renováveis, se torna uma boa opção de utilização para qualquer que seja seus fins. No Brasil atualmente, cresce muito as aplicações da energia solar para o aquecimento de água, principalmente em projetos para pessoas de baixa renda, como conjuntos habitacionais e casas populares. Esta utilização tem grandes vantagens tanto para o consumidor quanto para o fornecedor de energia, pois se reduz o consumo de energia com chuveiros elétricos e outros tipos de

4 4 aquecedores de água, e assim diminui a demanda em horários de pico, causando menor impacto no sistema de distribuição de energia elétrica. Existem hoje, várias formas de se utilizar energia a partir do sol, as mais utilizadas são por meio de células fotovoltaicas que, recebem os fótons solares e este causa uma movimentação de elétrons positivos e negativos, com essa movimentação é gerado um fluxo de corrente, tendo assim uma circulação de energia elétrica, esta pode ser convertida para ser usada nas mais diversas aplicações. Outra forma muito utilizada para usar a energia solar é a partir de painéis solares que contém uma placa de absorção com uma tubulação para a passagem de fluídos, com a retenção do calor por uma placa de cobertura e uma placa térmica o fluído é aquecido, e este é bombeado até a sua utilização. Figura 1 Aquecedor solar. Fonte: Mundo das tribos (2010) Mesmo tendo ótimas características se tratando de energia limpa e renovável, e levando-se em conta a questão do meio ambiente, a energia solar tem ainda algumas inversões, um dos principais problemas do uso da energia solar em larga escala, é o seu investimento inicial, que é alto para a compra e

5 5 para a implantação dos equipamentos necessários para a sua funcionalidade, o que lhe impede de competir com outras fontes energéticas mais baratas. Consumo do Setor Residencial e a Geração das Hidrelétricas A energia elétrica é hoje de extrema importância para a vida da humanidade, sendo que para sua geração, transmissão e consumo, necessita de certos tratamentos e estes utilizam de recursos que podem ser naturais ou não, muitos dos recursos naturais utilizados se esgotam a cada dia, e os não naturais necessitam da própria energia para sua eficácia. O Consumo de Energia no Brasil Atualmente no Brasil, a utilização de energia solar é mínima se comparada com outros tipos de energia, isso se dá devido a vários fatores, o principal deles é o custo inicial que economicamente falando, inviabiliza o projeto de implantação em larga escala desta tecnologia. No entanto a energia elétrica que utilizamos em nossas residências, têm grande parte gerada em usinas hidrelétricas, segundo a MME (Ministério de Minas e Energia) (2007) cerca de 85% da energia que consumimos é provinda dos rios, e está tendo uma sobrecarga, devido ao crescimento do número de consumidores da rede, de acordo com a EPE (Empresa de Pesquisa Energética) (2011), em julho de 2011, o consumo nacional de energia elétrica na rede somou gigawatts-hora (Gwh), 3,7% acima do número registrado no mesmo período de A EPE (2011) afirma ainda que este aumento se reflete à taxa de crescimento das classes residencial (cerca de 7,9%) e comercial (cerca de 8,3%), já a classe industrial teve praticamente o mesmo consumo, com apenas 0,3% de crescimento em relação ao mesmo período de Com estes dados é possível observar que a classe residencial obtém um dos maiores índices de crescimento, e conseqüentemente um grande aumento no número de consumidores, causando certos problemas para o sistema elétrico.

6 6 Projeções da Matriz Energética A MME (Ministério de Minas e Energia) em conjunto com a EPE (Empresa de Pesquisa Energética) (2007), divulga constantemente dados de geração e consumo de energia em todos os setores do Brasil, bem como projeções de matrizes energéticas para o futuro. Como o foco desta monografia é voltado para o setor residencial, foram coletados alguns dados onde podemos observar a grandeza do consumo deste setor, e ter uma conclusão quanto à viabilidade de se implantar um sistema de aquecimento solar para obter como resultados a economia (tanto de energia quanto de dinheiro), a redução da carga do sistema elétrico além das questões ambientais e sustentáveis. A tabela 1 mostra o consumo final de energia no setor residencial com uma projeção para os próximos anos. Tabela 1 Consumo final no setor residencial. Fonte: Ministério de Minas e Energia; Empresa de Pesquisa Energética. Matriz Energética Nacional Note a linha em destaque na tabela que 1 mostra o aumento de mais de 170% entre os anos de 2010 e 2030 (MME; EPE, 2007). Esta estimativa diz ainda que o consumo de energia elétrica total no Brasil em 2030 será de aproximadamente 1083,4 TWh, que significa um aumento de 4% ao ano desde O gráfico 1 mostra o consumo de energia entre os setores em 2005 e o estimado para 2030, é possível observar um aumento de 4% no setor residencial.

7 7 Gráfico 1 Consumo de energia entre os setores. Fonte: Ministério de Minas e Energia; Empresa de Pesquisa Energética. Matriz Energética Nacional Problemas nas Usinas Hidrelétricas Existem problemas relacionados a geração da energia em usinas hidrelétricas se comparada com outros tipos de energia, para que ela ocorra é necessário que vários fatores variáveis estejam de acordo. A geração da energia neste tipo de usina depende da água, ou seja, a água tem de estar em um nível que seja no mínimo o suficiente para o processo de geração, o nível da água das represas depende das chuvas, as chuvas dependem da temperatura dos oceanos e do ambiente, sendo assim são vários fatores que não se pode obter um controle, com isso pode-se ter grandes problemas quando um destes fatores não se comporta conforme o planejado, como foi possível ver na crise do setor elétrico 10 anos atrás que ficou conhecida como o apagão de Visando o futuro com a construção de novas usinas hidrelétricas, há ainda outros problemas mais sérios com relação à construção dessas usinas, o custo ambiental, com o represamento da água, grandes áreas são inundadas, sendo assim muitas espécies de animais são extintos e a vegetação fica submersa, com isso alguns vegetais sofrem decomposição e liberam gases.

8 8 Figura 2 - Usina Hidrelétrica de Xingó, período seca. A decomposição anaeróbica da matéria vegetal gera a emissão de gases como o metano, o qual possui um potencial de aquecimento global cerca de 24 vezes maior que o dióxido de carbono, produto da decomposição aeróbica. (Rocha, 2009, p.161) A Crise do Setor Elétrico de 2001 e o Aquecimento Solar No ano de 2001, o Brasil sofreu uma das maiores crises do setor elétrico, que devido a um período de seca, várias represas esvaziaram-se impedindo a geração de energia. Com essa crise a população passou por uma política de racionamento de eletricidade, onde foram determinadas metas de redução de consumo de energia no setor residencial, os consumidores deste setor foram obrigados a reduzir 20% do consumo em relação à média anterior. Com este racionamento, os chuveiros elétricos foram considerados os maiores gastadores de energia, com a necessidade imposta pela crise, diminuir o consumo era

9 9 prioridade, foi então que começaram as campanhas para a substituição dos chuveiros elétricos por aquecedores solares. Com a divulgação da campanha e incentivo dos fabricantes, e ainda uma ajuda do estado com isenção de impostos para financiamentos destes equipamentos, este mercado teve uma taxa de crescimento superior a 50% naquele ano. Com esta ação de racionamento, foi possível liquidar não somente os eventuais cortes forçados como também toda a crise energética, e ainda serviu de impulso para a divulgação e crescimento do sistema de aquecimento solar. Aos poucos, a geração de eletricidade e calor por meio do aproveitamento da energia solar conquista espaço na vida cotidiana. As aplicações desta energia limpa e inesgotável são variadas: do uso doméstico, com sistemas de aquecimento de água por painéis solares, a veículos experimentais de passageiros e até a alimentação das baterias dos satélites de telecomunicações em órbita da terra. (Rot; Et al, 2007, p.48) Energia Solar, Um Antigo Recurso e Uma Nova Tecnologia No mundo existem inúmeras fontes de energia, e quase todas essas fontes são formas indiretas de energia solar, dentre elas estão: hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos. Além disso, a radiação solar pode ser utilizada de forma direta para aquecimento de fluídos e em ambientes de geração de energia, como é o caso das células fotovoltáicas. Recursos Energéticos Renováveis A natureza é uma gigantesca fábrica geradora de energia limpa e renovável, e diante da possibilidade de se esgotar recursos como reservas de gás, petróleo e carvão, em todo o mundo pesquisadores desenvolvem técnicas para utilizar a partir da natureza, outros tipos de energias alternativas, como provenientes do sol, vento, água e do interior da terra. O sol é uma imensa fonte de energia inesgotável. Dele depende a vida na terra. Muitas das fontes de energia renováveis derivam do sol, incluindo o uso direto da energia solar para fins de aquecimento ou geração de eletricidade e o uso

10 10 indireto, como a energia dos ventos, as ondas e a água corrente, bem como a energia das plantas e animais (madeira, palha, estrume e outros restos de plantas e resíduos). (REIS, 2011, 1ª Ed. p.40) De acordo com a afirmação, têm-se uma escolha quanto à utilização da energia solar, usar a favor da população, ou deixar que ela se perca e continuar a usar de outros recursos, sendo que a segunda opção nos tempos de hoje não é um luxo que o homem deveria ter, devido aos diversos fatores já citados neste trabalho. Afinal de uma maneira ou de outra a energia solar vai ser transformada em calor, basta que a população domine esta energia e aplique de forma que possa atender a suas necessidades. A conversão da Energia Solar Quando a luz é absorvida por algum objeto, o qual, como resultado, se aquece, a energia luminosa foi transformada em outro tipo de energia: energia térmica. A energia térmica compreende as vibrações e os movimentos das moléculas que constituem um objeto. (Odum, 1988, p.57) Para utilizar a energia solar no aquecimento de água, é preciso um sistema de coletores para que a radiação solar seja absorvida e transformada em energia térmica, como neste sistema o aquecimento obtém temperaturas relativamente baixas (abaixo de 100ºC) o uso é predominante no setor residencial, segundo a ANEEL, nos países em que há maior uso da energia solar (Israel, Grécia, Austrália e Japão), cerca de 80% a 90% destes equipamentos têm sido destinados a uso doméstico. A figura 1 mostra um sistema tradicional de aquecimento de água.

11 11 Figura 1 Sistema tradicional de aquecimento de água. Fonte: ANEEL, 2011 O sol é a fonte de energia para o nosso planeta. Apenas 44 % da energia solar que alcança o planeta chega até a superfície. Desta energia, parte dela é absorvida e convertida em calor e a restante, cerca de 30%, é refletida de volta ao espaço. (Rocha, 2009, p.161) Mesmo com este percentual de energia que se perde na trajetória do espaço até a terra, a CRESESB (2000) estima que a energia solar incidente na superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial. Custo Benefício do Sistema de Aquecimento Solar Segundo a ANEEL e a CRESESB, para uma residência onde moram 4 pessoas, são necessários entre 2 e 4 metros quadrados de coletores solares para um aquecimento médio de água. A CRESESB afirma ainda que o investimento inicial seja relativamente alto, mas o tempo de retorno é normalmente de 1 a 2 anos. O custo de um sistema básico para 4 pessoas com coletor de 2m² e reservatório de 200L situa-se na faixa de R$2.000,00. Com relação à energia elétrica após a instalação do sistema de aquecimento solar, o custo é praticamente zerado, já em relação a água não se pode dizer o mesmo. A CIRRA (Centro Internacional de Referência em Reuso de Água), entidade vinculada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), realizou uma pesquisa quanto a consumo de um banho, os valores estimados são relacionados ao custo total (energia e água), estima-se que um banho de oito minutos com

12 12 chuveiro elétrico custa em média R$ 0,22 contra R$ 0,35 do banho com sistema de aquecimento solar, com esses valores é possível observar que o sistema de chuveiro elétrico é mais barato, porém sabendo-se que o sistema de aquecimento solar praticamente não usa a energia elétrica, o custo fica automaticamente no gasto de água. Segunda a CIRRA, o sistema de aquecimento solar consome em média 8,7 litros de água por minuto contra 4 litros do chuveiro elétrico, um consumo aproximadamente 118% maior. Com esses valores é possível chegar aos dados que mostra a tabela 2. Tabela 2 Gasto mensal do banho. Fonte: CIRRA, Investimentos Segundo o MME nos próximos anos (entre 2005 e 2030) os investimentos no setor de energia (geração, transmissão e consumo) pode chegar a U$$ 168 bilhões, sendo que U$$ 117 bilhões (70%) em hidrelétricas de grande porte, U$$ 22 bilhões (13%) e fontes de geração alternativa, U$$ 17 bilhões (10%) em termelétricas convencionais e U$$ (7%) em centras nucleares. Para estes investimentos é necessário ter-se um bom planejamento de divisão, pois, os custos dividem-se em várias partes, e caso seja mal dividido pode-se obter um resultado ruim em relação ao esperado. O benefício mais comumente mencionado na literatura para a geração distribuída é o de fornecer capacidade ao sistema no lugar de aumentar sua infraestrutura. Porém, para que ela possa ser realmente utilizada como solução, é necessário o desenvolvimento de projetos confiáveis de geração distribuída, nos quais os custos da interconexão devem ser levados em consideração. (Reis, 2011, p.384)

13 13 População de Baixa Renda Para populações de baixa renda a energia é mais utilizada para conservação de alimentos, iluminação e aquecimento de água que associa uma despesa que compromete parte da renda das famílias. No Brasil atualmente 22,2% em média do consumo de energia elétrica é destinada ao aquecimento de água para banho. A energia gasta para este fim poderia ser feita com a utilização da energia solar, que é abundante e gratuita. O uso da energia solar para o aquecimento de água além de diminuir a demanda de energia ainda permite que as famílias de baixa renda à usem na forma de água quente sem ter custos comerciais. De acordo com a Lei , de 26 de abril de 2002, o consumidor que se enquadra como baixa renda deve ter um consumo de até 80kWh/mês, sendo assim esses consumidores não utilizam muito de chuveiros elétricos, caso contrário não se enquadrariam como baixa renda. Segundo Santos (1978, p.15), A pobreza, um fenômeno qualitativo, foi transformado num problema quantitativo e reduzido a dados numéricos. Esta forma de energia contribui, também para o equilíbrio do mercado e para a redução de tarifas no futuro. A demanda concentrada de eletricidade no horário entre 19 e 21 horas, devido à utilização dos chuveiros elétricos, provoca a necessidade de maior investimento nos ativos de distribuição de eletricidade, refletindo-se nas tarifas de energia. A utilização do sol para aquecer água, substituindo os chuveiros elétricos, possibilita a melhor modulação da curva de carga das distribuidoras de energia elétrica, diminuindo o pico de demanda e o volume de investimentos. Em conseqüência, o seu uso beneficiaria duplamente o consumidor pelo seu uso direto e pela redução das tarifas.

14 14 Considerações Finais Atualmente, o homem dispõe de inúmeras fontes de energia, estas se classificam como renováveis e não renováveis. Muitas das fontes renováveis não estão sendo exploradas ao nível de consumo em larga escala, por motivos econômicos e projetos inviáveis, no entanto, com o aumento da população e consequentemente do consumo de energia, as fontes utilizadas atualmente estão ficando limitadas. Para resolver este e outros problemas relacionados à geração e consumo de energia, devem-se tomar medidas pensando não somente no problema da energia, mas também em problemas ambientais, com as ações do homem utilizando o meio ambiente para satisfazer suas necessidades, a natureza está sofrendo grandes impactos, sendo assim se torna um problema do mesmo nível de prioridade ou até maior que o problema da saturação de energia, pois, em um futuro próximo os pequenos problemas existentes atualmente, se tornarão imensos e complexos. A solução não será rápida, as melhoras virão gradativamente em relação ao tempo e as medidas tomadas, por isso, devem ser imediatas, para que as futuras gerações não sofram consequências das ações atuais. A energia solar apesar de ser uma energia primária, que origina diversos outros tipos de energia, é classificada como alternativa, isto se dá devido ao conceito adotado pelo homem ao redor de geração de energia e de combustíveis fósseis. A energia proveniente do sol hoje em dia, tem como maior aplicação o aquecimento de fluídos, em sua maior parte aquecimento de água no setor residencial, esse já é um ótimo começo para uma ação global de economia de energia, pois, em horários de pico, os maiores consumidores de energia são aquecedores elétricos de água, com o aquecimento solar aplicado em larga escala, poderia se obter uma redução considerável de carga no atual sistema elétrico, e além desta vantagem, estariam contribuindo para uma menor degradação do meio ambiente, sem ter de retirar dele elementos para geração de energia com destino final o aquecimento de água. Uma das formas de aumentar a energia disponível é utilizá-la de modo mais eficiente. Para isso basta que a população implemente esta ação a partir de pequenos atos diários, tais como: utilizar menos energia para realizar mais

15 15 trabalho, desenvolvendo equipamentos de baixo consumo (células solares) e mais eficientes para aquecimento e refrigeração, mudanças de hábitos como andar a pé ou de bicicleta, utilizar transportes em massa, economizar energia mantendo luzes e equipamentos que não estão sendo usados desligados, reduzir o consumo de produtos descartáveis, e realizar diversos outros atos que em prática a humanidade além de contribuir com os atuais problemas energéticos e ambientais, pode obter uma melhor qualidade de vida e contribuir para um futuro eficiente e sustentável. Referências impressas: Referências Bibliográficas ODUM, Eugene P. Ecologia. 1ª Edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan REIS, Lineu Belico dos; FADIGAS, Eliane A. Amaral; CARVALHO, Cláudio Elias. Energia, Recursos Naturais e a Prática do Desenvolvimento Sustentável. 1ª Edição. São Paulo: Editora Manole Ltda REIS, Lineu Belico dos. Geração de Energia Elétrica. 2ª Edição. São Paulo: Editora Manole Ltda REIS, Lineu Belico dos. Matrizes Energéticas Conceitos e Usos em Gestão e Planejamento. 1ª Edição. São Paulo: Editora Manole Ltda ROCHA, Júlio César; ROSA, André Henrique; CARDOSO, Arnaldo Alves. Introdução à Química Ambiental. 2ª Edição. Porto Alegre: Bookman ROT, Gabriel; Et al. Atlas Visual da Ciência, Energia e Movimento. 1ª Edição. Barcelona: Editorial Sol SANTOS, Miltom. Planejando o Subdesenvolvimento e a Pobreza. 1ª Edição. São Paulo: Edusp Referências eletrônicas: ANEEL. Atlas de Energia Elétrica Energia Solar. 2ª Edição. Disponível em < Acesso em 28 setembro CENTRO INTERNACIONAL EM REÚSO DE ÁGUA (CIRRA). Estudo da USP mostra chuveiro elétrico como opção mais econômica para o banho

16 16 Disponível em < Acesso em 28 setembro EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (EPE). Resenha mensal do mercado de energia elétrica. Ano IV Disponível em < Mensal/ _1.pdf> Acesso 02 novembro LEI , de 26 de abril de Disponível em < legin/fed/lei/2002/lei abril publicacaooriginal-1-pl.html> Acesso em 02 dezembro MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (MME); Empresa de Pesquisa Energética (EPE). Matriz Energética Nacional Disponível em < gov.br/spe/galerias/arquivos/publicacoes/matriz_energetica_nacional_2030/matriz EnergeticaNacional2030.pdf> Acesso em 28 setembro Tutorial de Energia Solar Princípios e Aplicações. CRESESB. Disponível em < Acesso em 23 agosto 2011.