Planejamento Energético

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1 Planejamento Energético

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3 Material Teórico Fontes Renováveis de Energia Responsável pelo Conteúdo: Prof. Ms. Pedro Henrique Cacique Braga Revisão Textual: Profa. Ms. Selma Aparecida Cesarin

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5 Fontes Renováveis de Energia Introdução Hidrelétrica Biomassa Eólica Solar Geotérmica Maremotriz Conclusões Nesta Unidade, descreveremos os sistemas de energia baseados em fontes renováveis e buscaremos estabelecer um quadro comparativo entre eles, determinando o perfil consumidor e os custos para implantação. Prezamos, também, pelo pensamento crítico sobre a utilização de tais sistemas em substituição das fontes não-renováveis. Estudaremos sobre as fontes renováveis de geração de energia. Sabemos o quão importante é a energia elétrica e temos consciência de que sua produção é um processo que deve ser observado sobre três pilares: o mercado internacional, o consumidor local e a preservação do meio ambiente. Observaremos neste texto as particularidades de cada fonte, sempre observando o que é bom para o consumidor, para o país e para o meio ambiente. Exploraremos as principais fontes renováveis e faremos sempre uma correlação com os métodos não-renováveis. Fique atento ao ambiente virtual para possíveis fóruns de discussão e para a realização de suas tarefas nas datas estipuladas. 5

6 Unidade: Fontes Renováveis de Energia Contextualização Pensando na importância da energia elétrica no cotidiano da sociedade, nós nos deparamos com uma grande questão: o que vai acontecer quando as fontes não-renováveis se esgotarem? Esta questão nos leva a muitas outras, como: - as fontes se esgotarão na nossa geração?; - Nossos filhos poderão usar a eletricidade assim como nós usamos?; - Existe alguma solução para este problema? Tais questões já estão sendo feitas há algumas décadas e ambientalistas, engenheiros e administradores de todo o mundo estão trabalhando incessantemente em novas estratégias para o planejamento energético mundial. Algumas medidas já vêm sendo tomadas, como o crescimento do uso de fontes renováveis e alternativas de geração. A utilização destas fontes pode prolongar a existência das reservas de insumos não-renováveis. O cuidado com o Planeta vai ainda além, e busca reduzir as emissões de poluentes no meio ambiente. Nosso contexto, então, é a procura pela geração de energia mais limpa e eficiente com o foco nos recursos renováveis. 6

7 Introdução Uma das grandes questões que precisam ser respondidas há algumas décadas é: até quando teremos recursos naturais para geração de energia elétrica? Este problema levanta, ainda, muitos outros questionamentos, como: Se continuarmos no ritmo de exploração que estamos vivendo, nossas gerações futuras terão acesso à eletricidade de forma irrestrita como temos hoje?; Até quando o Planeta sobreviverá com tamanha exploração?; O que é preciso fazer para minimizar este consumo? Questionamentos como estes baseiam as teorias sobre fontes renováveis de energia. A busca por formas de geração que não prejudiquem o Planeta, ou que minimizem os danos, é uma tarefa iniciada há algum tempo e deve ser revista a cada geração, adaptada de acordo com os dados estatísticos de geração e consumo. Uma das grandes soluções, apresentadas pelos ambientalistas, engenheiros e administradores é a redução do uso de fontes não-renováveis e, consequentemente, o aumento do uso das fontes renováveis. Fontes renováveis de energia podem ser entendidas como aquelas que têm como insumo primário elementos que são repostos naturalmente pelo Planeta. São elementos que podem ser reutilizados após a geração e não são consumidos definitivamente. No Brasil, segundo dados da ANEEL, no ano de 2013, a participação destas fontes foi de quase 80% no total gerado pelo país. Esta é uma boa proporção, que somente é possível graças ao grande potencial hídrico do país. As fontes hidrelétricas somam 68,1% de toda a carga instalada. Glossário ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica. EPE Empresa de Pesquisa Energética. Nesta Unidade, discutiremos sobre algumas fontes renováveis, a fim de estabelecermos comparações sobre a real situação no Brasil e no mundo e quais as possíveis ações a serem tomadas em um planejamento energético. 7

8 Unidade: Fontes Renováveis de Energia Hidrelétrica A eletricidade obtida por fontes hidráulicas, conhecida como energia hidrelétrica, só é possível graças à combinação da vazão de rios, à quantidade de água disponível em certos períodos do ano e aos desníveis do relevo (que podem ser naturais ou artificiais). Assim como a maioria das fontes de energia, a hidrelétrica transforma a energia mecânica em elétrica. O perfil de uma usina é relativamente simples. Uma barragem é criada para garantir o maior armazenamento das águas de um rio. Cria-se, assim, uma represa a favor da usina. Além de criar um reservatório que estoca a água para a geração, a barreira cria o desnível necessário para o processo. Algumas usinas hidroelétricas utilizam suas turbinas no mesmo nível do rio e são conhecidas como usinas a fio d água. Estas reduzem a área alagada para a sua construção, mas nem sempre têm o mínimo para uma boa produção. Os vertedouros são comportas nas barreiras que servem para regular o nível de água. Quando abertos, retornam uma determinada quantidade de água ao curso natural do rio, para que haja o equilíbrio entre o que é preciso e o que deve ser descartado. Observe que as usinas a fio d água se aproveitam apenas da velocidade do rio e, por não contarem com um reservatório, não permitem o armazenamento de água para períodos de seca. Por fim, as usinas contam com as casas de força, que abrigam suas turbinas. Observe o perfil esquemático de uma usina hidroelétrica na Figura 1. A água estocada no reservatório, quando aberto o canal específico, passa por um duto e é conduzida à casa de força. Uma formação conhecida como caixa espiral é responsável por conduzir a água para movimentação do rotor no pré-distribuidor. A água captada no lago formado pela barragem é conduzida até a casa de força por meio de canais, túneis e/ou condutos metálicos. Após passar pela turbina hidráulica, na casa de força, a água é restituída ao leito natural do rio, pelo canal de fuga. Dessa forma, a potência hidráulica é transformada em potência mecânica quando a água passa pela turbina, fazendo com que esta gire e, no gerador que também gira acoplado mecanicamente à turbina, a potência mecânica é transformada em potência elétrica. Figura 1. Perfil esquemático de uma Usina Hidroelétrica. Fonte: ANEEL,

9 Existem muitos tipos de turbinas, cada uma feita para uma altura e tipo de vazão específicos. A turbina tipo Bulbo é usada nas usinas fio d água por ser indicada para baixas quedas e altas vazões, não exigindo grandes reservatórios. A Figura 2 apresenta o perfil de uma unidade geradora da Usina Hidrelétrica Binacional de Itaipu. A UHE conta com 20 unidades, sendo que a última foi instalada em Cada uma delas tem capacidade para gerar 700 megawatts (MW). Cada unidade geradora de Itaipu é capaz de abastecer uma cidade com 1,5 milhão de habitantes. Para abastecer os três estados da região sul do país, por exemplo, seriam necessárias apenas 12, das 20 unidades. Para todo o estado do Rio de Janeiro bastariam 7 unidades (ITAIPU, 2015). Glossário UHE Usina Hidroelétrica. Figura 2. Componentes da unidade geradora do tipo Francis, de ITAIPU. Fonte: ITAIPU, A água é o recurso natural mais abundante na Terra: com um volume estimado de 1,36 bilhão de quilômetros cúbicos (km3) recobre 2/3 da superfície do Planeta sob a forma de oceanos, calotas polares, rios e lagos. Além disso, pode ser encontrada em aquíferos subterrâneos, como o Guarani, no Sudeste brasileiro (ANEEL, 2008). 9

10 Unidade: Fontes Renováveis de Energia A Figura 3 apresenta o gráfico com a participação mundial na geração de energia hidroelétrica. Observe que a América do Sul e Central (boa parte no Brasil) é responsável por 21,8% de toda a produção, ficando atrás apenas da Oceania, que produz 27,6%. No Brasil, segundo os dados da Empresa de Pesquisa Energética, em 2014, a geração hidráulica teve participação de 68,8% no total. Isso se deve ao vasto potencial hídrico nacional. São inúmeros rios que comportam represas para UHEs. Figura 3. Geração Hidrelétrica por regiões do mundo (%) A implantação de uma UHE tem custos elevados e nem sempre é possível ser feita, pois implica o desmatamento de grandes áreas, muitas vezes em desapropriação de pequenas cidades e mudanças de cursos de rios. Fonte: EPE, Biomassa A biomassa é uma das fontes de produção de energia elétrica com maior potencial de crescimento no mundo. Além de reduzir o uso de combustíveis fósseis, ela reaproveita outros materiais como insumo primário. Além disso, dela é possível extrair outros biocombustíveis, como o etanol, por exemplo. Figura 4. Geração de energia mundial por fonte. Fonte: ANEEL

11 Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica é classificada como biomassa. De acordo com a sua origem, pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar, entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os derivados obtidos dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial energético varia de tipo para tipo) quanto da tecnologia de processamento para obtenção dos energéticos (ANEEL, 2008). Observe, na Figura 4 que, no mundo, a biomassa ocupa uma parcela de apenas 1,7% da geração. Apesar de ser atrativa, ainda não detém uma boa parcela na geração mundial. As formas de geração de energia pela biomassa são várias, mas podem ser destacadas: Ciclo a vapor com turbinas de compressão; Ciclo a vapor com turbinas de condensação e extração; Ciclo combinado integrado à gaseificação da biomassa. Apesar de ainda não ser muito utilizada diretamente na produção de energia, a biomassa tem se estabelecido na produção de combustível. Observe na Figura 5 a evolução da produção de etanol. Figura 5. Produção de Etanol. Fonte: ANEEL

12 Unidade: Fontes Renováveis de Energia Eólica A energia eólica é aquela que aproveita a força dos ventos para a movimentação das pás de uma turbina. Trata-se de uma forma renovável, perene, de grande disponibilidade e independente de importações e custo zero para obtenção de suprimentos (completamente oposto dos combustíveis fósseis). Ainda no gráfico da Figura 4, observe que a Energia Eólica ocupa 2,1% na geração total. O potencial dos ventos no Brasil é muito bom, cerca de duas vezes mais que a média mundial, o que dá maior previsibilidade do volume a ser produzido. Como a previsão nem sempre é possível, muitos países ainda não utilizam esta fonte com uma parcela maior na produção. Os maiores produtores são Estados Unidos, Alemanha e China. O Brasil tem apenas 39 usinas eólicas em todo o território nacional. Entre os benefícios deste métodos, podemos destacar que não são emitidos gases estufa e pode ser usado em áreas remotas. Em compensação, sua implantação tem alto custo, pois o potencial de geração depende de fatores geográficos e climáticos. Observe, na Figura 6, o funcionamento dos aerogeradores. Figura 6 - Funcionamento dos aerogeradores. Fonte: Último Segundo,

13 Solar A energia solar, assim como as outras fontes alternativas, não possui participação expressiva nas matrizes energéticas nacional e mundial. Ela chega à Terra em forma térmica e luminosa. Sua irradiação por ano na superfície da Terra seria suficiente para atender toda a demanda por milhares de anos. A radiação solar não chega a todas as partes do Planeta da mesma forma, pois depende muito de condições geográficas e atmosféricas, o que varia muito de região para região e de acordo com as estações do ano. Quando atinge a atmosfera, a radiação pode ser interceptada em forma de calor ou luz e pode ser convertida por meio de processos químicos para energia térmica ou elétrica. Os equipamentos usados na captação determinam qual o tipo produzido. Ao usar uma superfície escura para captação, converte-se a radiação em energia térmica, que é aplicada em uma usina térmica comum que segue o ciclo de Rankine com base. Quando usadas células fotovoltaicas, o resultado é a eletricidade. A Figura 7 apresenta as taxas médias de crescimento anual da capacidade de energia renovável. Observe que a energia solar por células fotovoltaicas é a que teve maior taxa de crescimento. Figura 7. Taxas médias de crescimento anual da capacidade de energia renovável. Fonte: ANEEL O processo de produção heliovoltaico converte a radiação solar em calor, usado nas usinas termelétricas. O processo compreende quatro etapas: 1. Coleta da irradiação; 2. Conversão em calor; 3. Transporte e Armazenamento; 4. Conversão em eletricidade. Para utilização deste processo, é necessário instalar as usinas em locais com baixo índice pluviométrico e pouca intensidade de nuvens, como o semiárido brasileiro, por exemplo. 13

14 Unidade: Fontes Renováveis de Energia O sistema fotovoltaico transforma a radiação solar em eletricidade direta. Utiliza-se, para tanto, um painel feito de material semicondutor, geralmente o silício que, quando estimulado, permite o fluxo eletrônico. O sistema fotovoltaico não precisa do brilho do Sol para produzir energia, o que permite sua operação em dias nublados. A Figura 8 apresenta a variação da radiação solar no Brasil, mostrando as principais regiões propensas à criação de usinas solares. Figura 8. Variação da radiação solar no Brasil. Fonte: ANEEL, Geotérmica A energia geotérmica é produzida por meio do calor existente no interior da Terra. Os principais recursos são os gêiseres e o calor existente no interior das rochas. Glossário Gêiser fonte de vapor no interior da Terra que apresenta erupções periódicas. Existem duas possibilidades para o uso do vapor: em uma usina térmica comum e o vapor quente seco, usado para movimentação de turbinas. A Figura 9 apresenta o esquema de uma usina geotérmica. 14

15 Figura 9. Reservatório geotérmico de alta temperatura. No Brasil, não há nenhuma unidade em operação, nem mesmo sob a forma experimental. Apenas Islândia e Estados Unidos apresentam um crescimento significativo no campo geotérmico. Maremotriz A geração de energia pela força do mar inclui as fontes: marés, correntes marítimas, ondas, energia térmica e gradientes de salinidade. A energia pode ser obtida, por exemplo, por meio da energia cinética, na qual as ondas movimentam as pás de uma turbina, ou pela diferença de nível do mar nas marés. A Figura 10 ilustra o funcionamento de uma usina maremotriz. Figura 10. Geração de energia em usina maremotriz. Fonte: ANEEL,

16 Unidade: Fontes Renováveis de Energia Apesar do bom potencial de geração, esta forma não entra em competição com as principais fontes, pois sua geração não supera o necessário em boa parte das usinas e os custos de implantação são altos, o que as torna inviáveis. Os principais locais para aproveitamento das marés são Argentina, Austrália, Canadá, I ndia, Coréia do Sul, México, Reino Unido, Estados Unidos e Rússia. Conclusões As fontes renováveis de energia são consideradas, em sua grande maioria, fontes limpas, ou seja, não emitem ou emitem menores quantidades de poluentes no meio ambiente. Apesar de usarem recursos renováveis, grande parte delas requer custo alto de implantação e manutenção e dependem de condições geográficas e climáticas muito específicas, que dificultam sua implantação. As usinas renováveis têm sido implantadas com uma boa taxa de crescimento, mas ainda não competem igualmente com fontes não-renováveis. A energia hidrelétrica é a que tem maior participação mundial e, no Brasil, ocupa o cargo de maior fonte geradora. O planejamento energético deve levar em consideração a utilização equilibrada das fontes disponíveis, para que haja uma renovação dos recursos, balanceando o uso dos não renováveis. 16

17 Material Complementar O site Último Segundo, do portal IG, apresenta uma série de infográficos sobre assuntos diversos. Entre os assuntos relacionados à Ciência, temos um material muito interessante e interativo, que compara os métodos de geração de energia por meio de fontes alternativas de energia. A maior parte das fontes abordadas é renovável e se enquadra no que está sendo estudado. Explore Acesse o site para conhecer um pouco mais sobre cada fonte: 17

18 Unidade: Fontes Renováveis de Energia Referências BUCUSSI, A. A. Introdução ao Conceito de Energia. Porto Alegre: UFRGS, Instituto de Física/Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, ELETROBRÁS/PROCEL Centrais Elétricas Brasileiras, Fupai/Efficientia; Eficiência Energética no Uso de Vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, ROCHA, G.; SILVA, A. L.; SILVA, F. N. Simulação de uma usina com ciclo simples a vapor (Ciclo Rankine). Revista Conexão (AEMS), v. 9, p. 598, VIANA, A. N. C. et al. Eficiência Energética: Fundamentos e Aplicações. Campinas: UNIFEI, ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica (Brasil). Atlas de energia Elétrica do Brasil/ Agência Nacional de Energia Elétrica. Brasília : Aneel, EPE Empresa de Pesquisa Energética. Anuário Estatístico de Energia Elétrica. Rio de Janeiro: EPE, 2014 BP. Relatório Estatístico da BP Brasil em Disponível em: < content/dam/bp-country/pt_br/pdfs/statistical Review_Brazil_POR.pdf>. Acesso em: 9 mar ITAIPU. Unidades Geradoras. Disponível em < Acesso em: 15 mar ÚLTIMO Segundo. As alternativas de energia. Disponível em: < br/ciencia/as+alternativas+da+energia/n html>. Acesso em: 15 mar

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