Projecto PEES Guia técnico de Energia

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1 Projecto PEES Guia técnico de Energia Este guia foi produzido no âmbito do projecto Modelos de Eficiência Energética em Escolas PEES. O PEES foi financiado pelo Programa Energia Inteligente Europa, um instrumento da Comissão Europeia para a promoção da Eficiência Energética e das Energias Renováveis na Europa. O PEES é um projecto educacional que visa sensibilizar os alunos do ensino secundário sobre temas ligados à energia e que visa envolver de forma activa os professores. Para obter resultados significativos, em termos de mudança de comportamento no que se refere à energia, é necessário envolver de maneira activa os diferentes intervenientes de uma escola. Este projecto visa definir uma metodologia de auditoria energética comum a todas as escolas envolvidas no projecto. Várias Agências Europeias de Energia estão envolvidas no projecto (Itália, Grécia, Portugal, Espanha, Reino Unido). 1. ENERGIA O conceito de conservação da energia implica que a mesma não pode ser criada ou destruída por si só. De acordo com a lei de conservação da energia, o fluxo de entrada de energia num sistema deve ser igual ao fluxo de saída do sistema mais a mudança de energia dentro do sistema. A energia pode, também, ser transformada. Por exemplo, numa bateria a energia química é transformada em energia eléctrica. Numa barragem, o potencial de energia é transformado em energia cinética (movimento da água), que por sua vez é convertido em energia eléctrica. No caso de uma explosão, a energia potencial (química) é transformada em energia cinética e em calor num espaço de tempo muito curto. Nos pêndulos, no ponto mais alto do percurso, a energia cinética é nula e a energia potencial da gravidade é máxima. No ponto mais baixo a energia cinética é máxima e é igual ao decréscimo do potencial de energia. Se não houver fricção, a conversão da energia entre estes processos é perfeita e o pêndulo continua a balançar para sempre. A energia pode igualmente ser convertida em matéria e vice-versa. A fórmula de Einstein E = mc², quantifica a relação entre a massa e a energia. Como c (velocidade da luz) ao quadrado é um valor extremamente alto, a conversão da massa em energia pode libertar enormes quantidades de energia, como se pode constatar em reactores e armas 1

2 nucleares. A Física Nuclear também demonstrou que a energia pode ser transformada em matéria. Embora a quantidade total de energia de um sistema não varie no tempo, o seu valor depende do quadro de referência. Por exemplo, um passageiro sentado num avião tem uma energia cinética nula, em relação ao avião, mas não nula em relação à terra. Diversas formas de energia, tais como cinética, potencial, térmica, electromagnética, química, nuclear e da massa foram definidas para explicar todos os fenómenos naturais conhecidos. Os organismos vivos, por exemplo, dependem duma fonte de energia externa, como a radiação solar no caso das plantas verdes, para crescerem e se reproduzirem. O montante diário recomendado de Calorias (6 8 MJ) para um adulto humano provem de uma combinação de oxigénio e moléculas de comida, das quais a glucose (C 6 H 12 O 6 ) é um bom exemplo Energia e potência Aparentemente, os organismos vivos são notavelmente ineficientes na utilização que fazem da energia recebida (química ou radiação). A maior parte das máquinas são mais eficientes. No entanto, nos organismos vivos, parte da energia consumida serve para produzir calor e manter as células à temperatura correcta. Na Engenharia utiliza-se a energia, convertendo-a de uma forma para outra. A energia dos combustíveis fosseis, da radiação solar ou dos combustíveis nucleares pode ser convertida noutras formas de energia, tais como electricidade, propulsão ou aquecimento, claramente mais úteis para nós. As máquinas são frequentemente utilizadas para converter energia. A eficiência de uma máquina caracteriza a sua capacidade em converter a energia. A conversão energética é um conceito importante em várias ciências como a biologia, química, geologia e cosmologia. Por exemplo: 2

3 Um músculo humano converte energia química em energia mecânica quando se move. Pode, ainda, transformar-se em energia cinética quando produz movimento, ou energia potencial, quando, por exemplo, serve para levantar um peso. A radiação electromagnética do sol causa reacções químicas no processo de fotosíntese das plantas. Um motor de combustão interna converte a energia potencial química da gasolina e do oxigénio em propulsão que faz avançar o veículo. A célula fotovoltaica converte a energia solar em electricidade que pode servir para iluminação. Exemplos de conversão térmica em motores O motor a vapor ilustra bem o processo de conversão energética. O carvão a arder aquece a água que se transforma em vapor e faz mover o pistão. O vapor é depois arrefecido num radiador e levado novamente à caldeira. O motor a vapor utiliza a diferença de temperatura entre o carvão a arder e o radiador para mover o pistão. Numa turbina a vapor, faz-se mover as palas da turbina que, ligada a um gerador, produz electricidade. Este processo necessita também que o vapor seja arrefecido, provocando uma diferença de pressão que fará circular o vapor de um lado para o outro e fará girar as palas da turbina. Numa central nuclear, é provocada uma reacção em cadeia controlada que gera vapor que produz electricidade através de uma turbina a vapor. A potência é a quantidade de energia necessária ou gasta para uma dada unidade de tempo: P é a potência W é o trabalho t é o tempo A potência média é a quantidade média de trabalho efectuado ou de energia transferida por unidade de tempo. A potência instantânea é o valor limite da potência média quando o intervalo de tempo Δt se aproxima do zero. Quando a quantidade de trabalho efectuado ou de energia transferida é constante, a fórmula pode ser simplificada para:, Onde W e E são, respectivamente, o trabalho efectuado ou a energia transferida no tempo t (em regra geral medido em segundos). 3

4 Unidades de energia As unidades de potência são unidades de energia divididas pelo tempo. A unidade de potência é o Watt (W), que é igual a um joule por segundo. Existem igualmente outras unidades tais como o cavalo (Cv). Um cavalo corresponde à potência necessária para levantar a 30 cm um peso de 249,46 kg num segundo e é equivalente a 746 watts. Existem outras unidades tais como: ENERGIA MECÂNICA: 1 Joule equivale à força de um Newton por metro. ENERGIA CALORIFÍCA: 1 caloria de calor é a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de 1 grama de água de 1ºC 1 caloria (cal) = J (a energia dos alimentos é normalmente expressa em kilocalorias) ENERGIA ELÉCTRICA: Potência = Corrente x Voltagem (P = I xv) 1 Watt = 1 Ampere x 1 Volt. 1 kilowatt = Watts. 1 kilowatt-hora = 1 kw x 1 hora 1 kilowatt-hora (kwh) = 3.6 x 106 J = 3.6 milhões de Joules 1.2. Combustíveis fósseis O século XX foi denominado o Século dos hidrocarbonetos devido ao contributo dos combustíveis fósseis ao desenvolvimento humano. Os combustíveis fósseis são depositados em formações rochosas. Restos de plantas ou animais foram enterrados em sedimentos. Através da pressão e do calor, durante milhões de anos, a sua composição química alterou-se. Os combustíveis são queimados para libertar a energia química armazenada. Mais de 85% do consumo de energia no mundo provem dos combustíveis fósseis. Existem 3 formas principais de combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural. Carvão O carvão é composto por carbono, hidrogénio, oxigénio, nitrogénio e quantidades variáveis de enxofre. Existem 3 tipos de carvão: antracite, betuminoso e lenhite. A 4

5 antracite é o carvão mais duro e com mais carbono, o que lhe confere um maior poder calorífico. A lenhite é o carvão mais mole, com menor teor de carbono, mas com muito hidrogénio e oxigénio. O carvão betuminoso fica no meio. A utilização mais antiga do carvão ocorreu na China. O carvão proveniente de Fu-shun, no nordeste da China, foi utilizado para fundir cobre há mais de 3000 anos atrás. Carvão betuminoso: este carvão mole é muito utilizado nas centrais termoeléctricas. Antracite: este carvão duro resulta da transformação do carvão betuminoso quando pressões elevadas foram aplicadas durante o processo da criação de sistemas montanhosos. Este tipo de carvão é muito utilizado para aquecimento e produção de electricidade. O consumo mundial de carvão atinge milhões de toneladas por ano, das quais 75% são utilizadas em centrais termoeléctricas. O preço da tonelada de carvão passou de 30 $ em 2000 para 130 $ por tonelada em A combustão do carvão produz dióxido de carbono (CO 2 ) conjuntamente com dióxido de enxofre (SO 2 ), e vários NO x. Devido à presença de hidrogénio e de nitrogénio no ar a combustão do carvão também liberta substâncias tóxicas, entre as quais cianeto de hidrogénio (HCN) e nitratos de enxofre (SNO 3 ). As chuvas ácidas ocorrem quando o dióxido de enxofre produzido durante a combustão do carvão reage com oxigénio para se transformar em trióxido de enxofre, que por sua vez reage com moléculas de água na atmosfera para formar ácido sulfúrico. O ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) volta à terra sob a forma de chuva ácida. Os sistemas de eliminação do dióxido de enxofre através da utilização de cal permitem reduzir o risco de chuvas ácidas. 5

6 O poder calorífico do carvão (a quantidade de calor libertada durante a combustão por kg) é aproximadamente de 24 MJ por quilograma. O poder calorífico do carvão pode também ser expresso em kwh, a unidade que mede a energia eléctrica, para estimar a quantidade de carvão necessária para fazer funcionar equipamentos eléctricos. O poder calorífico do carvão é de 6,67 kwh/kg e a eficiência típica de uma central termoeléctrica a carvão é de 30%, o que significa que só 30% dos 6,67 kwh por quilograma de carvão são transformados em electricidade, sendo o resto calor residual. As centrais termoeléctricas a carvão conseguem produzir cerca de 2,0 kwh por cada kg de carvão queimado. Petróleo O petróleo é outro combustível fóssil. Foram necessários mais de 300 milhões de anos para a sua formação. O petróleo é utilizado há mais de 6000 anos. Os Sumérios, Assírios e os habitantes da Babilónia utilizavam petróleo e asfalto apanhado junto do rio Eufrates. Os antigos Egípcios utilizavam petróleo para curar feridas e para fornecer luz com as lamparinas. Os cinco países com maior produção de petróleo são: Arábia Saudita Rússia Estados Unidos de América Irão China A exploração do petróleo pode causar problemas ambientais em terra e no mar. O Petróleo derramado em rios ou oceanos afecta o meio ambiente. Quando o petróleo é queimado emite dióxido de carbono, um gás com efeito de estufa, monóxido de carbono, óxidos de nitrogénio, partículas e hidrocarbonetos não queimados que contribuem para a poluição. Grande parte da poluição do ar é causada pelos veículos motorizados, pelo que foram introduzidas leis ambientais para alterar a composição da gasolina e do gasóleo e reduzir as emissões. Os combustíveis reformulados são mais limpos que os combustíveis consumidos nos anos Gás Natural O Gás Natural é um combustível fóssil constituído por metano, etano, propano, butano, pentano, dióxido de carbono, nitrogénio, hélio e sulfato de hidrogénio. O gás natural pode ser encontrado em jazigos próprios ou junto a poços de petróleo e minas de carvão. Ao contrário dos outros combustíveis fósseis a combustão do gás natural é limpa e emite poucos gases prejudiciais para o ambiente. Actualmente as combustíveis fósseis constituem as fontes de energia disponíveis mais económicas para uso próprio ou uso comercial. O petróleo fornece combustíveis para os veículos e matéria-prima para produzir plásticos, enquanto o gás natural e o carvão aquecem e são utilizados para produzir electricidade para as habitações. Mais de 85% do consumo mundial de energia provem de combustíveis fósseis. O petróleo domina com 37,5% do consumo total de energia, seguido pelo carvão (25,6%) e o gás natural (23,1%) Os Estados Unidos de América, com menos de 5% da população mundial, consomem cerca de 25% do consumo mundial de combustíveis fósseis. Durante muito tempo pensou-se que os recursos de combustíveis fósseis nunca iriam acabar. Hoje em dia, sabe-se que o mundo está a esgotar as reservas de combustíveis fósseis a um ritmo insustentável. Alguns peritos estimam que a extracção e produção de 6

7 petróleo já chegou a um pico e que é só uma questão de tempo antes do mesmo acontecer para o gás natural e o carvão. Para libertar energia os combustíveis fósseis têm que ser queimados. Durante a combustão uma grande variedade de partículas e gases, incluindo cinzas, são emitidos para a atmosfera. A emissão de sulfatos, nitrogénio e carbono prejudicam o ambiente. Podem juntar-se ao vapor de água para formar compostos ácidos que causam as chuvas ácidas. O dióxido de carbono, é um gás com efeito de estufa que desempenha um papel essencial no fenómeno de mudança climática. Existem igualmente riscos ambientais associados à extracção, transporte e utilização de combustíveis fósseis. A escavação das minas de carvão e os furos de extracção de petróleo são especialmente prejudiciais por modificarem a paisagem e por trazerem à superfície grandes quantidades de água salgada que podem danificar os eco-sistemas locais, se não forem convenientemente tratados. A extracção de gás natural pode igualmente ser perigosa. Existem muitos regulamentos em vigor que visam reduzir os riscos mas nenhum poderá eliminá-los por completo Tecnologias de Energias Renováveis O mundo apresenta uma grande dependência em relação aos combustíveis fósseis que não são renováveis, ou seja, de recursos finitos. Prevê-se que estes combustíveis se esgotem, ou se tornem demasiadamente caros e difíceis de extrair. O acesso a fontes de energia baratas tornou-se, desta forma, essencial para o bom funcionamento das economias modernas. A desigualdade na distribuição dos recursos está na origem de grandes vulnerabilidades. A instabilidade política dos países produtores, a manipulação do fornecimento, a competição entre fontes energéticas, ataques a infra-estruturas energéticas, acidentes e desastres naturais constituem ameaças à segurança energética global. Em contrapartida, as energias renováveis, tais como o vento e o sol, são inesgotáveis. Os seus benefícios ambientais são conhecidos. Apesar disso, o seu potencial contributo para a segurança de abastecimento energético é menos conhecido Grande parte das energias renováveis provém directamente, ou indirectamente, do sol. A radiação solar pode ser utilizada directamente para aquecer e iluminar edifícios, para produzir energia eléctrica e para produzir água quente sanitária. O calor do sol provoca o fenómeno do vento que faz mover geradores eólicos. O vento e o calor do sol fazem evaporar a água. O fenómeno da precipitação alimenta rios e cursos de água que fazem funcionar turbinas hidroeléctricas. O principal obstáculo ao desenvolvimento das energias renováveis prende-se com a sua relação custo-benefício. Exceptuando as grandes barragens, com aproveitamento do recurso hídrico, a biomassa (para aquecimento) e os grandes projectos geotérmicos (>30 MW), o custo médio das energias renováveis não é competitivo, em regra geral, com a electricidade e os outros combustíveis fósseis. No entanto várias soluções para aplicações específicas e de pequena dimensão, tais como colectores solares térmicos e mini-hídricas, podem ser competitivas. O maior desafio que as tecnologias de energias renováveis enfrentam é o de conseguir fornecer energia a custos competitivos quando comparados com as energias convencionais. Com a adopção de normas ambientais mais restritas e de estratégias de redução das emissões de gases com efeito de estufa, o potencial contributo das energias renováveis para reduzir as emissões parece cada vez mais evidente. Estes benefícios ambientais já estão na base de iniciativas políticas de muitos países. A procura de novos 7

8 desenvolvimentos tecnológicos para melhorar o custo-benefício das tecnologias de energias renováveis continua a ser uma prioridade. As tecnologias de energias renováveis podem ser classificadas em três gerações. As tecnologias de primeira geração datam da revolução industrial e incluem as hídricas, a combustão de biomassa e carvão e a geotermia. As tecnologias de segunda geração incluem o solar térmico, o solar fotovoltaico, o eólico e os biocombustíveis. Estas tecnologias foram introduzidas a partir dos anos 80. O investimento inicial foi motivado pelo choque petrolífero de 1980 e a necessidade de segurança do abastecimento energético. Hoje em dia, são os benefícios ambientais que motivam novos investimentos nesta área. Tecnologias da terceira geração estão a ser desenvolvidas e incluem concentradores de energia solar, a energia dos oceanos, os sistemas geotérmicos melhorados e os sistemas integrados de bioenergia Tecnologias da primeira geração Hídricas As grandes barragens hídricas fornecem uma das opções de custo mais baixo para produzir electricidade, uma vez que muitas das barragens existentes foram construídas há muito e o seu custo foi totalmente amortizado. O potencial técnico para pequenas hídricas, em todo o mundo, foi estimado entre 150 e 200 GW. Uma vez amortizados os custos, estas barragens fornecem electricidade a um custo muito reduzido dado que o seu tempo de vida útil excede os 50 anos. Até à data só 5% do potencial hídrico está a ser explorado através de mini-hídricas. Os principais obstáculos para uma maior utilização deste recurso prendem-se com o acesso à rede eléctrica e preocupações sociais e ambientais. Combustão da biomassa As tecnologias de combustão da biomassa para produção de calor e electricidade são tecnologias maduras. Oferecem soluções económicas e mecanismos práticos para o aproveitamento de resíduos orgânicos municipais, agrícolas e industriais. A combustão da 8

9 biomassa em salamandras produz quantidades significativas de CO 2 mas é considerada como carbono-neutro. O carbono emitido será, posteriormente, absorvido pelas próprias plantas durante o seu crescimento, numa combustão controlada. As tecnologias de combustão da biomassa de primeira geração podem ser competitivas do ponto de vista económico mas necessitam de apoios para a sua disseminação. Geotermia As centrais geotérmicas de produção de electricidade podem funcionar 24 horas por dia, fornecendo potência base para o sistema electroprodutor. A capacidade mundial para a produção de electricidade a partir da energia geotérmica foi estimada em 85 GW nos próximos 30 anos. Os custos de investimento desceram significativamente desde que foram instalados os primeiros sistemas nos anos 70. O recurso à energia geotérmica é limitado a algumas regiões do mundo, entre as quais os Estados Unidos, a América Central, a Indonésia, as Filipinas e a países de Africa de Leste. Os desafios à expansão da energia geotérmica prendem-se nos prazos muito grandes de desenvolvimento de novos projectos e no risco e custo de prospecção Tecnologias de Segunda Geração Energia Solar As tecnologias solares utilizam a energia e luz do Sol para fornecer calor, luz, água quente, electricidade e mesmo frio para casas, serviços e indústria. Existe uma variedade de tecnologias que foram desenvolvidas para aproveitar a energia solar, entre as quais: Aquecimento e Arrefecimento Solar Os colectores solares térmicos são muito difundidos em vários países, especialmente para a produção de águas quentes sanitárias. Os grandes sistemas solares podem ser utilizados para aquecimento doméstico e, se combinados com bombas de calor de absorção, para arrefecimento. No entanto, serão necessárias grandes evoluções, em termos de redução dos custos, para que a sua aplicação se torne economicamente viável. Solar Fotovoltaico O mercado fotovoltaico cresceu muito na década de 90. Os trabalhos de Investigação e Desenvolvimento, em conjunto com medidas de alargamento de mercado, resultaram em reduções de custos significativas. Sempre que o mercado duplica o seu volume de produção, o custo reduz-se em cerca de 20%. O alargamento do mercado concentrou-se em 3 países, estando 85% da capacidade instalada no Japão, na Alemanha e nos Estados Unidos de América. Numa perspectiva de curto prazo os esforços de Investigação e Desenvolvimento focar-se-ão na melhoria dos componentes de gestão do sistema para ligação à rede e electrificação de locais isolados. Não é previsível que a tecnologia fotovoltaica seja economicamente competitiva antes de Energia Eólica A energia eólica é utilizada há centenas de anos. Da Holanda a quintas nos Estados Unidos, foram utilizados moinhos de vento para bombear água e moer cereais. Hoje em dia os aerogeradores transformam a energia do vento em electricidade. Os aerogeradores estão montados em cima de torres para maximizar a energia produzida. A 30 metros do solo podem-se aproveitar ventos mais fortes e com menos turbulências. Em regra geral, as turbinas eólicas têm 2 ou 3 pás que trabalham como as asas de um avião. Quando o vento sopra, uma bolsa de ar de baixa pressão forma-se na parte superior da pá que a puxa, provocando a rotação do rotor. Esta força, chamada lift, 9

10 é muito mais forte que a força do vento contra a pá, denominada de atrito. A combinação do lift e do atrito fazem girar o rotor que por sua vez movimenta um gerador para produzir electricidade. Os geradores eólicos podem ser usados para electrificação de locais isolados, a trabalhar de forma autónoma ou combinados com sistemas fotovoltaicos, e para fornecimento de electricidade à rede. Um parque eólico é constituído por vários aerogeradores. Em zonas ventosas os agricultores podem instalar aerogeradores para vender electricidade à rede e reduzir a sua factura energética. Tipos de geradores eólicos: Existem duas principais categorias de geradores eólicos: os de eixo horizontal e os de eixo vertical, como o modelo Darrieus, com o nome do seu inventor Francês. Actualmente a grande maioria das turbinas é de eixo horizontal. Aerogeradores de eixo horizontal Aerogerador de eixo vertical: modelo Darrieus Aerogerador com rotor em h. Testado Gerador de eixo vertical 10

11 em Carmarthen Bay País de Gales. Tamanhos e capacidades dos geradores eólicos: Os geradores eólicos estão disponíveis numa variedade de tamanhos e capacidades diferentes. Os maiores aerogeradores têm pás que varrem uma área superior à de um estádio de futebol, sendo tão altos como prédios de 20 andares e produzem electricidade suficiente para alimentar casas. Uma pequena eólica (potência inferior a 50 kva) pode ter uma altura de 10 metros, um diâmetro de pás que varia entre os 2,5 e os 8 metros e pode produzir electricidade para alimentar uma casa, ou uma bomba de água. Pequenas eólicas são muitas vezes utilizadas em ligação com geradores a gasóleo ou com sistemas fotovoltaicos. Estes sistemas são denominados híbridos e são utilizados em locais remotos, sem ligação à rede eléctrica. Preocupações ambientais: Comparativamente com as centrais termoeléctricas, as turbinas eólicas apresentam reduzidos impactos ambientais. No entanto, existem algumas preocupações relativamente ao ruído produzido pelas pás, aos impactos visuais, e à morte de aves e morcegos originada pelo choque com as pás. A maior parte destes problemas foram resolvidos ou reduzidos graças aos mais recentes desenvolvimentos tecnológicos. Biomassa para energia A biomassa para energia inclui produção de electricidade e calor, biocombustíveis e cultivos energéticos de curta rotação. O uso da biomassa é atractivo como combustível único ou misturado (biomassa sólida com carvão; bioetanol com gasolina, biodiesel com gasóleo). Muitas regiões do mundo apresentam, ainda, grandes quantidades de resíduos da biomassa sem utilização, que poderiam ser convertidas em electricidade a preço competitivo com centrais térmicas a vapor. A conversão de produtos agrícolas em biocombustíveis é uma tecnologia bem desenvolvida. Os cultivos energéticos podem providenciar novas oportunidades económicas para os agricultores e proprietários florestais. As principais barreiras para uma maior utilização da biomassa a larga escala são os custos de produção, colheita e transporte dos produtos agrícolas, bem como os custos de conversão. Com esforços adicionais de Investigação e Desenvolvimento e de disseminação estas tecnologias poderiam ser mais difundidas. Hidrogénio O hidrogénio pode ser encontrado em inúmeras substâncias orgânicas e, sobretudo, na água. É o elemento mais abundante na Terra, mas não sob a forma de gás. Está sempre combinado com outros elementos, como o oxigénio, para formar a água. Quando isolado dos outros elementos o hidrogénio pode ser queimado como combustível ou convertido em electricidade. Existem muitos obstáculos que têm que ser ultrapassados para a difusão desta tecnologia: O custo das Células de Combustível e a sua durabilidade; A operacionalidade dos veículos, especialmente em condições climáticas extremas; As emissões (hidrogénio ICE) não foram ainda comprovadas; 11

12 Armazenamento do hidrogénio. As tecnologias actuais são ainda demasiadamente caras e volumosas para a sua aplicação em veículos ou centrais domésticas; A produção e abastecimento de hidrogénio. O elevado custo de produção do hidrogénio, a reduzida disponibilidade de hidrogénio e o desafio de produzir sistemas seguros de abastecimento são dos primeiros obstáculos a ultrapassar; Aceitação pública. O hidrogénio irá revolucionar a economia actual. A educação do público em geral, a formação do pessoal para a operação e manutenção de sistemas de abastecimento de hidrogénio, a adopção de novas normas e o desenvolvimento de procedimentos e manuais para células de combustível contribuirão para uma maior aceitação deste novo combustível Tecnologias de Terceira Geração Estão a ser desenvolvidas tecnologias de terceira geração que incluem a gaseificação da biomassa, centrais de produção de electricidade com painéis solares térmicos, energia geotérmica e dos oceanos. Estas tecnologias não se encontram ainda comprovadas ou têm, por enquanto, possibilidades limitadas de comercialização. Algumas poderão ter um potencial comparável ao de outras tecnologias de energias renováveis, mas isto dependerá do esforço de Investigação e Desenvolvimento. Novas tecnologias de produção de biocombustíveis De acordo com a Agência Internacional de Energia, as novas tecnologias de produção de biocombustíveis actualmente em desenvolvimento, em especial refinarias de etanol celulósico, poderão permitir que os biocombustíveis tenham um contributo mais importante do que o pensado. O etanol celulósico pode ser produzido a partir de ramos e hastes de alguns tipos de plantas. Resíduos da agricultura, tais como hastes de milho, palha de trigo e arroz, resíduos florestais e resíduos de espaços verdes municipais são fontes potenciais de celulose. Pode igualmente ser produzida, de forma sustentável, celulose a partir de plantações energéticas. Sistemas Integrados de biocombustíveis O sistema Gaseificador de Biomassa / Turbina a Gás (BIG/GT) ainda não está comercializado mas grandes esforços de demonstração e comercialização estão a ser desenvolvidos no mundo inteiro. Este interesse na referida tecnologia irá certamente conduzir a uma difusão alargada nos próximos anos. A viabilidade económica de sistemas de produção de electricidade a partir da biomassa deverá sofrer um incremento com a tecnologia BIG/GT, em comparação com sistemas de turbinas a vapor. O conceito de refinaria de biocombustíveis a partir de cultivos energéticos adaptados para o efeito tem igualmente potencial para responder à procura de energia. Centrais de Produção de Electricidade com Colectores Solares Térmicos 12

13 Estas centrais funcionam com sucesso, desde os anos 80, na Califórnia, que alberga a maior central deste tipo com uma capacidade de 350 MW. Outras centrais estão a ser instaladas em Espanha (50 MW) e em Israel (100 MW). As centrais solares térmicas não são as mais económicas, mas são definitivamente as mais limpas. Como utilizam radiação solar e água, o único resíduo criado é o vapor. Funcionam de forma semelhante aos colectores solares térmicos, mas em vez de aproveitar directamente o calor, este é transformado em electricidade. Serão necessárias centenas de colectores para instalar uma central solar deste tipo. Concentradores Solares Três tipos de concentradores solares podem produzir electricidade graças ao processo termodinâmico: Concentradores Parabólicos Compostos (CPC); Prato parabólico e Torre solar. Os esforços de Investigação e Desenvolvimento estão principalmente centrados na tecnologia dos Concentradores Parabólicos Compostos. As melhores condições para instalar este tipo de tecnologia encontram-se em locais com clima árido e semi-árido, o que limita a sua utilização aos países do Sul da Europa, África, Médio Oriente, Costa Oeste da Índia e da Austrália, região dos Andes, Nordeste do Brasil, zona Norte do México e zona Sudoeste dos Estados Unidos de América. Painéis fotovoltaicos com películas ultra-finas de nanotecnologia A nanotecnologia permite criar circuitos com moléculas simples de silicone. Estas películas ultra-finas podem custar menos de metade dos painéis tradicionais fotovoltaicos, de acordo com empresas e investidores que estão a trabalhar neste sector. Energia dos oceanos No que diz respeito à energia dos oceanos, uma tecnologia da terceira geração, Portugal tem a primeira central de ondas no mundo, a central da Agucadora, em construção desde Numa primeira fase, esta central vai utilizar 3 equipamentos Pelamis P-750 de 2,25 MW, com um custo total estimado em 8,5 milhões de euros. Caso o projecto seja bem sucedido, um montante adicional de 70 milhões de euros poderá ser investido até 2009, com a aquisição de 28 equipamentos, com capacidade total de 525 MW. O financiamento de uma central 13

14 de ondas na Escócia foi anunciado em Fevereiro de 2007 pelo Governo Escocês, com um custo de 4 milhões de Libras. Este projecto fazia parte de um pacote financeiro de 13 milhões de Libras para aproveitamento da energia das ondas neste país. Esta central será a maior do mundo com uma capacidade de 3 MW, com 4 equipamentos Pelamis. Em 2007, foi construída em Strangford Lough na Irlanda a primeira central de marés do mundo. O gerador submerso de 1,2 MW, financiado pelo fundo do Northern Ireland's Environment & Renewable Energy Fund, aproveita a velocidade do fluxo da maré (até 4 metros por segundo). O gerador apresenta capacidade para fornecer electricidade a 1000 habitações e poucos impactos ambientais uma vez que estará completamente submerso e o rotor terá uma velocidade de rotação muito lenta. Estas tecnologias necessitam demonstrar o seu potencial de conversão energética e provar que conseguem resistir a condições ambientais extremas. Sistemas Geotérmicos Melhorados Os Sistemas Geotérmicos Melhorados, conhecidos com hot dry rock (pedra quente e seca), utilizam novas técnicas para explorar recursos que não teriam sido viáveis no passado. Estes sistemas, ainda em fase de investigação, necessitam de mais esforços nas áreas de Investigação e Desenvolvimento para desenvolver unidades modulares mais pequenas que permitiriam economias de escala a nível da sua produção e resolveriam alguns problemas técnicos. Uma colaboração estreita entre o Estado e as empresas poderá tornar mais atractivos os investimentos neste sector. As maiores dificuldades encontradas dizem respeito à utilização dos depósitos, perfuração e produção de electricidade, especialmente para ciclos de baixa temperatura Produção de electricidade A produção centralizada de electricidade tornou-se possível, após a descoberta de que a corrente alterna pode ser transportada a custos muito baixos e a grandes distâncias, utilizando transformadores para alterar a voltagem. A electricidade é produzida desde 1881, a partir de várias fontes de energia. As primeiras centrais eram hidroeléctricas ou a carvão. Hoje em dia podemos contar com as centrais a carvão, nucleares, a gás natural, hidroeléctricas, a petróleo e ainda com as centrais fotovoltaicas, eólicas e geotérmicas. A electricidade é uma forma de energia que começa nos átomos. Todos os átomos são compostos por partículas sub-atómicas, entre elas, os electrões e os protões. Os protões têm carga positiva (+), e os electrões, que giram à volta dos átomos, têm carga negativa (-). Os neutrões não têm carga. A electricidade pode ser produzida quando se forçam os electrões a circular de átomo para átomo. 14

15 Central termoeléctrica de Ptolemaida, Grécia A electricidade é produzida através de geradores electro-mecânicos que são movidos por vapor de água, por caldeiras (térmicas ou reactores nucleares), ou directamente através da energia cinética de cursos de água ou do vento. A voltagem depende do número de espiras nas bobinas, da força do íman e da velocidade de rotação do mesmo. Quantas mais espiras, mais alta a voltagem produzida. Existem muitas tecnologias de produção de electricidade, entre as quais: Hidroeléctrica As centrais hidroeléctricas aproveitam a energia de quedas de água para fazer funcionar turbinas. A água armazenada na barragem faz mover as palas das turbinas. Combustíveis fósseis Grande parte da electricidade consumida no mundo é produzida em centrais termoeléctricas que queimam combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural). Estas aquecem água e produzem vapor de alta pressão que faz mover as palas da turbina. Energia Nuclear As centrais nucleares aproveitam o calor produzido a partir da fissão dos átomos para produzir vapor e fazer funcionar as turbinas. Tubos com urânio são colocados lado a lado num reactor nuclear. A fissão dos átomos de urânio liberta enormes quantidades de calor. Energia Geotérmica A energia geotérmica utiliza vapor de água, preso debaixo da terra, a grande profundidade. Uma central geotérmica é muito semelhante a uma central termoeléctrica. È efectuado um furo muito profundo pelo qual o vapor de água chega à superfície, passa por um permutador de calor e faz girar a turbina. As centrais geotérmicas fornecem mais de 44 TWh/ano de electricidade no mundo inteiro. 15

16 Energia Eólica A força do vento faz mover as palas da turbina para produzir electricidade. Os parques eólicos, localizados em locais com muito vento, agrupam muitos aerogeradores. Biomassa A biomassa é matéria orgânica, como resíduos agrícolas, estilhas de madeira e de cortiça produzidos em serrações. A biomassa pode ser queimada em caldeiras a vapor que produzem electricidade através de uma turbina. Pode igualmente ser convertida num gás que pode ser queimado para o mesmo efeito. Energia Solar A radiação solar pode produzir electricidade sem recorrer a turbinas ou electroímans. Os painéis fotovoltaicos convertem directamente a luz do sol em electricidade, que é armazenada em baterias. A eficiência de uma célula fotovoltaica mede a sua capacidade de conversão. Só radiação solar de forte intensidade pode produzir electricidade e parte desta é reflectida ou absorvida pelo material da célula. Por esta razão, os painéis solares fotovoltaicos têm uma eficiência média de 15% (só 1/6 da radiação solar é convertida em electricidade). Uma baixa eficiência significa a necessidade de uma maior área de painéis, o que significa custos mais elevados. Melhorar a eficiência energética dos painéis fotovoltaicos, tentando reduzir ao mesmo tempo o seu custo, é um objectivo importante da indústria fotovoltaica. Os primeiros painéis fotovoltaicos, construídos nos anos 50, tinham eficiências inferiores a 4%. Células de combustível 16

17 A célula de combustível é uma máquina electroquímica que converte a energia de um combustível directamente em electricidade e calor sem combustão. As células de combustível são compostas por dois eléctrodos envoltos num electrólito. A passagem do oxigénio e do hidrogénio através dos eléctrodos produz electricidade. As células de combustível funcionando com hidrogénio produzido a partir de energias renováveis só emitem vapor de água. As referidas células são limpas, silenciosas e eficientes. Distribuição de electricidade A electricidade produzida em centrais necessita ser transportada até aos consumidores através de uma rede eléctrica, sem grandes perdas neste processo. Um elemento chave para o conseguir consiste em utilizar transformadores para aumentar a voltagem até centenas de milhares de Volts, minimizando as perdas (calor) nos cabos eléctricos. As redes de distribuição chegam aos postes de transformação, onde a voltagem é reduzida para que a electricidade possa ser consumida nas casas, escritórios, lojas e fábricas. Um cabo traz a electricidade até ao local de consumo, equipado com contador que mede o consumo de electricidade. A partir do contador, cabos eléctricos vão alimentar tomadas e iluminação. A voltagem e amperagem têm que ser mantidas constantes para poder alimentar electrodomésticos e outros aparelhos. Um segundo conjunto de cabos traz de volta a corrente até à central eléctrica, ou seja, a corrente eléctrica viaja em circuitos fechados Mercado da Energia Desde Julho de 2007 todos os consumidores na União Europeia têm a liberdade de escolher o seu fornecedor de gás e electricidade. Ao mesmo tempo, a União Europeia está a trabalhar no sentido de melhorar as redes de transporte de energia para que o gás e a electricidade cheguem da forma mais eficiente possível até ao consumidor final. Foram criadas Entidades Reguladoras em todos os países da União Europeia para assegurar que as empresas fornecedoras e de transporte de energia operam convenientemente e fornecem os serviços contratualizados com os consumidores. A Comissão Europeia está a fiscalizar o mercado, identificando obstáculos e falhas. Os consumidores europeus deveriam, também, beneficiar do mercado liberalizado da electricidade e do gás e da possibilidade de escolher o seu fornecedor de energia. No entanto, esta não é uma realidade em todos os países da União Europeia. São necessárias novas regras para resolver problemas estruturais que existem, actualmente, nos mercados da electricidade e do gás. As regras em vigor de separação das actividades de produção, transporte e distribuição de energia não asseguram um funcionamento adequado do mercado. Um grande número de operadores da rede discrimina novos utilizadores a favor das empresas de produção e distribuição locais. Assim, novas empresas que queiram entrar no mercado do gás e da electricidade e que necessitem utilizar as redes existentes têm dificuldades para o fazer. Além disso, os reguladores nacionais não têm independência suficiente para poderem desempenhar o seu papel. Os consumidores finais deverão beneficiar de um mercado de energia competitivo de muitas maneiras, a saber: 17

18 - A primeira tem a ver com a liberdade de escolha. Os cidadãos da Europa têm diferentes perspectivas no que diz respeito à energia. A alguns só é importante o preço. Outros querem comprar electricidade verde. Outros querem um serviço mais personalizado. Outros, ainda, poderão querer produzir electricidade e vendêla à rede. Temos a oportunidade de perceber, noutros sectores, que um mercado competitivo cria mais escolhas, mais oferta, e na maior parte das vezes, preços mais baixos. Um mercado competitivo, com preços adequados, permitirá um aumento dos investimentos em novas infra-estruturas, o que melhorará a segurança de abastecimento e reduzirá os riscos de apagão ou de corte de fornecimento de gás. Permitirá, igualmente, lutar contra as mudanças climáticas, graças à melhoria da eficiência energética em toda a cadeia (da produção ao consumidor final). 18

19 2. EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 2.1.Eficiência Energética: consumo, poupança e mais dinheiro disponível Energia é mais do que números numa factura: está na base de todas as nossas actividades. Toda a energia que consumimos no dia a dia centra-se nas áreas dos transportes, cozinha, aquecimento e ar condicionado, fabrico, luz e entretenimento. Precisamos de energia para tornar as nossas vidas mais confortáveis, produtivas e alegres. Para manter o nosso nível de vida temos que utilizar a energia de modo racional. A eficiência energética é um termo geral para as diferentes maneiras como podemos ter a mesma quantidade de trabalho (luz, calor, movimento, ) gastando menos energia. Existem inúmeras tecnologias eficientes quer para o transporte, iluminação, indústria ou mesmo o sector residencial. Quando poupamos energia poupamos dinheiro o que torna a eficiência energética extremamente interessante do ponto de vista económico. A eficiência energética apresenta muitos aspectos positivos. Por exemplo, uma máquina de lavar a roupa ou a loiça, que seja eficiente, também utiliza menos água. Eficiência também significa um maior conforto. Como exemplo, uma casa bem isolada termicamente será mais quente no inverno, mais fresca no verão e mais saudável. Um frigorífico mais eficiente será mais silencioso, não formará gelo nem condensação nas paredes e certamente terá uma maior duração de vida. Uma lâmpada eficiente fornecerá um maior nível de iluminação onde é preciso. Eficiência significa, realmente, better with less (melhor com menos). Existe um gigantesco potencial de conservação de energia. Pequenos passos, tais como construir habitações com mais isolamento, instalar janelas de vidro duplo ou comprar uma máquina de lavar eficiente permitem economizar dinheiro e energia. Quando os sistemas são alterados na sua totalidade (nova rede de transportes públicos, carros com células de combustível,..) as necessidades energéticas podem ser significativamente reduzidas. Quando aplicamos correctamente isolamento à volta de uma casa (chão, paredes e cobertura) as necessidades de aquecimento serão reduzidas pelo que podemos instalar um sistema de aquecimento mais pequeno e mais económico. Como resultado, a casa só necessitará de um terço da energia a fornecer. Se formos ainda mais longe, com a instalação de um sistema eficiente de ventilação, as necessidades de aquecimento podem ser divididas por um factor de 10. Na realidade, milhares de casas eficientes já foram construídas na Europa, nos últimos 10 anos. Não é uma perspectiva de futuro mas sim uma realidade para as famílias que lá vivem. O ar condicionado funciona todo o verão num escritório, o que se revela muito dispendioso. O gestor de energia poderá melhorar a eficiência dos equipamentos, mas obterá reduções muito mais significativas se conseguir evitar que o sol incida directamente nas janelas, se instalar equipamentos de domótica, máquinas de fotocópia e lâmpadas mais eficientes (economizam electricidade e aquecem menos), ou mesmo se instalar sistemas passivos de arrefecimento (ventilação 19

20 durante a noite). Poderá mesmo chegar à conclusão que o ar condicionado não é necessário Eficiência energética e serviços energéticos A eficiência energética é uma ferramenta essencial para um futuro sustentável. Melhorias na área da eficiência energética contribuem para a redução da necessidade de investimento em infra-estruturas de energia, redução dos custos dos combustíveis, aumento da competitividade e melhor defesa dos direitos dos consumidores. A implementação de medidas de eficiência energética beneficia igualmente o ambiente, com redução das emissões de gases com efeito de estufa, a segurança do aprovisionamento e a redução da dependência de combustíveis fósseis importados. Melhorias na eficiência energética Existem três tipos de medidas de conservação da energia. A primeira medida corresponde à anulação da necessidade (não viajar para reduzir o consumo). A segunda medida corresponde à mudança da forma como as pessoas vivem e como os bens e serviços são produzidos. Por exemplo, a redução do fenómeno de extensão dos subúrbios, a utilização de materiais com menor intensidade energética e a redução dos consumos unitários dos equipamentos que utilizamos, são factores importantes para atingir as metas propostas. A terceira medida prende-se com um uso mais eficiente da energia através, por exemplo, da compra de carros com menor consumo, da recuperação do calor em processos industriais e do isolamento térmico das casas. Esta última opção tem menos impactos no estilo de vida dos consumidores, pelo que é a mais frequentemente adoptada pelos governos. Nos anos 80 foi admitida a tese que a eficiência energética tinha um potencial tão importante como o das energias alternativas. Dicas para poupar energia Indicamos, em seguida, algumas dicas para reduzir os consumos de energia nas nossas casas. Reduzir a temperatura do termóstato Uma redução de 1 C pode significar uma redução de 10% na factura de electricidade C é a temperatura ideal para uma sala de estar. Iluminação Desligue sempre as luzes quando sair do local onde se encontra; Utilize lâmpadas de baixo consumo. São 80% mais eficientes que as lâmpadas incandescentes para a mesma quantidade de iluminação. Podem, igualmente, durar 12 vezes mais que as lâmpadas incandescentes. 20

21 Não deixe os seus equipamentos em standby Em modo standby, os equipamentos consomem energia para sem qualquer utilidade. Se não tiver a sua máquina de lavar (roupa, loiça ou de secar) cheia utilize o programa económico ou de meia carga. Lave a baixas temperaturas. Os detergentes actuais são produzidos para lavarem eficazmente a temperaturas de 40ºC ou mesmo de 30ºC. Não ferva mais água do que necessita. As chaleiras consomem muita energia. Veja se as peças da sua chaleira estão limpas e sem calcário. Pode retirar o calcário com vinagre branco. A mesma regra pode ser aplicada às máquinas de lavar. A sua água do banho é demasiado quente? A temperatura do seu termoacumulador não deve ultrapassar 60 C. Os duches gastam menos água e energia do que os banhos de imersão. Compre electrodomésticos A, A+ ou A++ Um frigorífico pouco recente pode consumir 2 a 2,5 vezes mais energia que um frigorífico da categoria A. Quando comprar um computador escolha um portátil pois o seu consumo de energia é inferior ao de um computador com torre. O isolamento da sua casa permite reduzir os seus consumos de energia. Se construir uma casa nova ou recuperar a sua casa, considere a possibilidade de utilizar um bom isolamento. Compre as janelas mais eficientes do ponto de vista energético. Isolar o seu depósito de água permite poupar 15 Euros por ano, investimento pago ao fim de um ano. Sempre que possível, utilize o estendal para colocar a sua roupa a secar. 21

22 2.3. Procura de Energia A União Europeia é um dos maiores importadores de petróleo, gás e carvão e um dos maiores actores no mercado internacional da energia. Devido à sua crescente dependência externa, a União Europeia começou a integrar os aspectos energéticos nas suas relações com países terceiros. As reservas de petróleo e de gás são distribuídas de forma muito desigual no mundo e as maiores reservas são localizadas em regiões politicamente e economicamente inseguras (Médio Oriente, África). A produção de petróleo e de gás do Mar do Norte está a decrescer, deixando a Europa dependente de países terceiros para o seu abastecimento no futuro. O Green Paper da Comissão Europeia sobre segurança de abastecimento energético (Novembro 2000) mostrou a gravidade da situação. Se nada for feito em contrário, a dependência energética da União Europeia subirá de 50% em 2000 para 70% em A situação é a seguinte: Petróleo: 45% das importações de petróleo são provenientes do Médio Oriente; Em 2030, 90% do consumo de petróleo da União Europeia terá que ser importado. Gás: 40% das importações de gás são provenientes da Rússia, 30% da Argélia e 25% da Noruega; Em 2030, mais de 60% das importações de gás serão provenientes da Rússia. Carvão: Em 2030, 66% do carvão consumido na União Europeia será importado. Não existem dúvidas de que as energias renováveis serão essenciais no futuro. As reservas de combustíveis fósseis são vulneráveis à instabilidade económica e política e as energias renováveis constituem uma alternativa comprovada Cogeração A cogeração, também conhecida como produção combinada de calor e electricidade, é mais eficiente do ponto de vista energético do que a produção separada de calor e electricidade. O calor normalmente desperdiçado na produção de electricidade é recuperado para satisfazer uma procura de energia térmica, evitando assim perdas. 22

23 Universidade de Leeds (UK) Instalação de uma unidade de cogeração (CHP) para fornecer vapor e electricidade, com uma capacidade eléctrica de 18 MW Com a recuperação do calor residual, os sistemas de cogeração conseguem eficiências entre os 50% e os 70%, uma melhoria significativa em comparação com a eficiência média das centrais termoeléctricas convencionais com combustíveis fósseis. A maior eficiência da cogeração contribui, ainda, para a redução das emissões de óxidos nitrosos, dióxido de enxofre, mercúrio, partículas e dióxido de carbono, o principal gás com efeito de estufa. Para explicar o fenómeno da cogeração podemos utilizar o conceito do automóvel. O combustível primário (gasolina) é queimado num motor de combustão interna que produz energia mecânica e electricidade (cogeração). Estas duas energias fazem funcionar todos os sistemas do veículo (transmissão, luzes, ar condicionado) e o calor residual do motor é aproveitado para aquecimento do habitáculo. Tecnologias de cogeração Um equipamento típico de cogeração consiste num motor ou turbina a vapor associados a um gerador eléctrico. Um permutador de calor recupera o calor residual do motor ou dos tubos de escape para produzir água quente ou vapor. Um sistema de cogeração produz electricidade e calor com 10% - 30% menos combustível do que sistemas separados de produção de electricidade e calor. Existem duas tecnologias de cogeração: as de "Topping Cycle" e "Bottoming Cycle". Topping Cycle Uma central de cogeração topping cycle é optimizada para produzir electricidade. Centrais deste tipo produzem electricidade para auto-consumo e vendem a electricidade excedentária à rede. Bottoming Cycle 23