Energias Renováveis: Conceitos e Aplicações

Prévia do material em texto

- -1
PLANEJAMENTO INTEGRADO DE 
RECURSOS ENERGÉTICOS
ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS 
RENOVÁVEIS
- -2
Olá!
Ao final desta aula, você será capaz de: 1. Reconhecer os conceitos que envolvem a energia solar, eólica e do
hidrogênio. 2. Verificar suas aplicações e possibilidades.
1 Introdução
Hoje em dia, fontes renováveis de energia fornecem aproximadamente 8% da energia mundial (que aumenta
para 22% se incluirmos todos os usos da biomassa) e 6% a 8% das necessidades dos Estados Unidos. Com tudo,
em muitas partes do mundo essas porcentagens estão aumentando de maneira significativa (Hinrichs, Kleinbach
e Reis, 2010).
Alguns estudos recentes indicam que as fontes renováveis devem aumentar sua participação para 30% a 40% do
total em 2050, pressupondo os esforços globais em políticas públicas voltadas para questões ambientais,
especialmente as relacionadas, teoricamente, às mudanças do clima (alterado de Hinrichs, Kleinbach e Reis,
2010).
Segundo os mesmos autores, os recursos energéticos renováveis proporcionam muitas vantagens para um
mundo carente de energia. Eles podem ser usados de várias maneiras, gerando problemas ambientais mínimos, e
podem ser controlados com tecnologias adequadas. Esses recursos oferecem esperança particularmente para os
países em desenvolvimento, cujas taxas de desenvolvimento econômico são seriamente comprometidas pelos
altos custos de energia. O potencial gerado por tais recursos é imenso.
Mas, considerando esses dados, podemos perguntar: Por que as energias renováveis têm sido relativamente
subutilizadas?
Vamos começar nossa aula, tentando responder à pergunta sobre a subutilização das fontes renováveis de
energia:
A primeira razão, como sempre, é a econômica, especialmente quando o custo da geração da energia renovável é
comparado com o dos combustíveis comerciais de baixo preço. Os preços de energias renováveis caíram
consideravelmente nas duas últimas décadas, mas há incertezas técnicas e econômicas, documentação
inadequada e falta de avaliação de diversos projetos solares que têm sido desenvolvidos globalmente, falta de
estratégias governamentais coerentes e ceticismo puro e simples por falta de tomadores de decisão relacionada
- -3
com energia – tudo isso como obstáculos para o emprego em larga escala de energias renováveis. Também
existem dificuldades com o armazenamento de energia, complicadas pelo fato de que esses recursos são difusos
e dependem do tempo e do clima.
Todavia, as fontes de energia renováveis continuarão disponíveis por muito tempo depois de os nossos
combustíveis fósseis se esgotarem, e são econômica e politicamente menos arriscadas do que muitas formas de
suprimento convencionais (especialmente o petróleo), cujos custos são bem menos previsíveis (Hinrichs,
Kleinbach e Reis, 2010).
Segundo os mesmos autores as fontes ou recursos energéticos renováveis podem ser categorizados nas formas
solar, eólica, hídrica, biomassa e geotérmica (a qual foi vista em nossa última aula).
2 Energia Solar
O Sol é uma imensa fonte de energia inesgotável, Dele, depende a vida na Terra. Muitas das fontes de energia
renovável derivam do Sol, incluindo o uso direto da energia solar para fins de aquecimento ou geração de
eletricidade, e o uso indireto como a energia dos ventos, ondas e água corrente, bem como a energia das plantas
e animais (madeira, palha, estrume e outros restos de plantas e resíduos). A energia das marés resulta da força
gravitacional entre a Lua e o Sol, e a energia geotérmica origina-se do calor gerado na troca de calor do interior
da Terra com o Sol (chamado sistema interativo Sol-Terra), segundo texto alterado de Reis, Fadigas e Carvalho
(2009).
Para os mesmos autores, do total de radiação incidente na Terra, 30% são refletidos imediatamente de volta
para a atmosfera. Os 70% restantes são utilizados para aquecer a superfície da Terra, a atmosfera, os oceanos
(47%) ou são absorvidos na evaporação da água (23%). Praticamente uma quantidade muito pequena é
utilizada na formação dos ventos e ondas e absorvida pelas plantas no processo de fotossíntese.
O aproveitamento da quantidade de energia emitida pelo sol está limitada à praticidade de convertê-la numa
energia que possa ser utilizada diretamente pelo homem. A radiação pode ser convertida em energia útil, usando
várias tecnologias. Pode ser absorvida em coletores solares para prover aquecimento do ambiente e da água à
temperatura relativamente baixa. Usando concentradores solares feitos de espelhos facetados, é possível obter
elevadas temperaturas e estas são utilizadas em processos térmicos ou para a geração de eletricidade. A
radiação solar também pode ser convertida diretamente em eletricidade, usando células fotovoltaicas (Reis,
Fadigas e Carvalho, 2009).
O uso da energia solar para o aquecimento pode ser rastreado de volta à antiguidade. Arquimedes,
comprovadamente utilizou espelhos para direcionar os raios solares e atacar uma frota hostil, em 212 a.C.,
- -4
incendiando suas velas a uma distância de algumas centenas de pés. Há mais de mil anos os índios Anasazi, do
sudoeste norte-americano, construíram suas casas nos lados de penhascos a fim de usar a baixa altitude do Sol
para o aquecimento passivo no inverno e as saliências dos penhascos para fornecer proteção contra os raios
solares no verão. Nos séculos XVII e XVIII, cientistas concentraram os raios solares em espelhos ou lentes para
que derretessem metais. Antoine Lavoisier (1743-1794), frequentemente chamado de pai da química moderna,
atingiu temperaturas próximas a 1.700OC ou 3.100O.F usando o Sol, temperaturas essas mais altas do que
aquelas obtidas por qualquer um naquela época. Uma das fornalhas solares mais potentes em uso atualmente se
encontra em Sandia, Novo México, onde temperaturas de 4.000O.F são obtidas (Hinrichs, Kleinbach e Reis,
2010).
Conforme os mesmos autores, aquecedores solares de vapor foram desenvolvidos no fim do século XIX para
produzir vapor e movimentar motores. O francês August Mouchot fez funcionar em 1878, uma máquina de
impressão usando vapor produzido por um artefato. Outro projeto em larga escala usando os raios solares para
o aquecimento ocorreu na década de 1870 no Chile, onde um engenho solar de mais de 50 mil pés foi construído
para fornecer seis mil galões de água fresca. Esse projeto utilizava telhados de vidro inclinados instalados sobre
bandejas de água salgada; a água evaporava das bandejas, condensava nos vidros e escorria dos vidros para
receptáculos coletores (um projeto de dessalinização). Um interessante empreendimento comercial da década
de 1910 no Egito utilizou uma caldeira solar para fornecer vapor para a operação de bombas de irrigação e ainda
no Egito, em 1912, o engenheiro norte-americano Frank Shuman colocou em operação a primeira usina solar de
larga escala no Cairo, sua função era fornecer água de irrigação do Nilo.
Atualmente, esse recurso energético é muito usado de forma comercial e residencial, para o aquecimento de
piscinas e para obtenção de água quente doméstica. Todos os sistemas solares de aquecimento possuem algumas
características em comum – um aparelho de coleta, uma estrutura de armazenamento e um sistema de
distribuição. O aquecimento solar, tanto de residências quanto para obtenção de água quente, pode ser utilizado
de duas formas: ativa (é aquela no qual o fluido (água ou ar) que o Sol aqueceu é circulado por um ventilador ou
por uma bomba) e passiva (não usa uma fonte externa de energia, mas permite que o fluido (normalmente ar)
aquecido pelo Sol circule por meios naturais).
Na forma de conversão em energia elétrica, na geração fotovoltaica, tem sido e continuará sendo uma das mais
fascinantes tecnologias no campo da energia. Começou a ser mais usada, a partir da década de 1950, mas ainda
possui limitações devido os custos das células serem relativamente altos. Mas este sistema já fornece energia
para uma variedade de aplicações, incluindo iluminação, comunicações, bombeamentode água, carregamento de
baterias, refrigeração de vacinas e assim por diante (Hinrichs, Kleinbach e Reis, 2010).
- -5
O Brasil, localizado no hemisfério Sul, com grande parte de sua área na região tropical, apresenta menores
necessidades de aquecimento que países do hemisfério Norte, mas significativas necessidades de refrigeração,
em geral supridas por equipamentos elétricos, como freezers, refrigeradores, equipamentos de ar-condicionado.
Mas uma característica interessante de nosso país, é que em muitas regiões e localidades, principalmente
naquelas com grande incidência de energia solar, são empregadas soluções criativas, em sua maioria arraigadas
na cultura local e com propriedades mais empíricas do que sistematizadas. Isto ocorre, sobretudo, com a
população de baixa renda, que tem dificuldade para pagar por soluções que podem ser denominadas
“institucionais”, segundo os mesmos autores.
3 Energia Eólica
A energia eólica é vista, hoje, como uma das fontes alternativas de geração de eletricidade com perspectivas de
gerar quantidades substanciais de energia sem os impactos ambientais provocados por grande parte das fontes
convencionais. Sua escala de desenvolvimento depende mais dos cuidados que se deve tomar ao escolher a
turbina ideal e o local mais apropriado para implantação da mesma.
A energia eólica vem sendo usada há milhares de anos. A primeira utilização da energia dos ventos foi para
impulsionar barcos à vela, porém acredita-se que sua exploração de forma estática por meio de moinhos de
vento se deu há aproximadamente três mil anos. A partir do primeiro milênio d.C. estes equipamentos se
difundiram rapidamente nos países da Europa e Ásia em diversas aplicações, tais como moagem de grãos,
bombeamento d’água, entre outros. O país dos moinhos de vento sempre foi a Holanda. Cerca de vinte mil
moinhos de vento estavam em funcionamento neste país ao final do século XVIII. Ao final do século XIX, países
como Alemanha, Inglaterra e Dinamarca possuíam, cada um, mais de dez mil moinhos instalados. Entretanto,
neste século, a introdução das máquinas a vapor, durante a Revolução Industrial, conduziu a um declínio gradual
destes equipamentos na Europa.
Atualmente, existem milhares de turbinas eólicas em operação ao redor do mundo, não apenas para gerar
energia mecânica como também eletricidade. Para esta última aplicação, as turbinas são descritas normalmente
como sistemas de conversão de energia eólica ou aerogeradores.
A energia eólica consiste na energia cinética contida nos movimentos das massas de ar na atmosfera (ventos),
produzidos essencialmente através do aquecimento diferenciado das camadas de ar pelo Sol (geração de
diferentes densidades e gradientes de pressão) e através do movimento de rotação da Terra sobre o seu próprio
- -6
eixo. Um aspecto importante no aproveitamento dos ventos para fins de geração de eletricidade, é que a potência
do vento depende da área de captação e é proporcional ao cubo de sua velocidade. Pequenas variações da
velocidade do vento podem ocasionar grandes alterações na potência.
O aproveitamento da energia dos ventos causa tanto impactos ambientais positivos quanto negativos. A geração
de eletricidade por turbinas eólicas não emite dióxido de carbono, não produz chuva ácida, cinzas ou poluentes
radioativos, mas geram ruídos, interferência eletromagnética, impacto visual e impacto na flora e fauna (tanto
para sua construção, como para sua manutenção, pois aves migratórias podem ser atingidas pelo girar das
hélices).
De uma maneira geral, o aproveitamento da energia eólica no Brasil tivera início a partir de 1974 com a crise do
petróleo, quando algumas universidades e instituições de pesquisa iniciaram trabalhos de desenvolvimento de
aerogeradores com tecnologia nacional, visando às aplicações para as demandas de regiões isoladas. Todavia,
estes estudos não tiveram continuidade, em grande parte por dificuldades institucionais, apesar de sensíveis
progressos obtidos.
Mas nos últimos dez anos intensificaram-se os estudos para aproveitamento dessa fonte de energia. Durante
estes anos, diversos projetos foram implantados, a maioria resultado de convênios com instituições
internacionais. Nesse contexto, a região Nordeste teve um significativo aumento devido a alguns sistemas
instalados. Os estados que utilizam esse tipo de energia são: Paraná, Minas Gerais, Bahia, Alagoas, Ceará, Pará e
Pernambuco.
(Texto de Reis, Fadigas e Carvalho, 2009).
4 Energia do Hidrogênio
Estudos e pesquisas em andamento apontam a água como um promissor recurso energético a ser utilizado no
futuro, não apenas por meio de sua forma convencional, através de hidrelétricas, mas pelo uso do hidrogênio e
oxigênio que a constituem, usados junto ou separadamente, proporcionando uma fonte de energia elétrica e
térmica para uso em centrais de geração de eletricidade e vapor, em processos industriais por meio de consumo
de vapor e eletricidade, e em sistemas de transporte.
Células a combustível estão sendo pesquisadas e aprimoradas em diversas partes do mundo e inúmeras delas já
estão em funcionamento provendo energia térmica e elétrica para residências, indústrias e outras instalações.
- -7
5 Conclusão
É importante sabermos que a ausência de informações e capacitação técnica nessas áreas desses dois recursos
energéticos (nuclear e geotérmico), vai afastar o setor privado de investir capital para o desenvolvimento desses
grandes recursos. Os fatores econômicos certamente parecem ser bons. Os custos dessas energias são de metade
a três quartos dos custos das usinas movidas a combustíveis fósseis em localizações similares.
Podem-se obter gases ricos em hidrogênio por meio de processos de reforma de inúmeros combustíveis. É
possível citar, como exemplos, o gás natural: gases resultantes de dejetos urbanos e agrícolas; gases
provenientes da gaseificação do carvão, da madeira ou do bagaço da cana, ou ainda da reforma do metanol ou
etanol. O Brasil possui uma experiência muito grande na produção de etanol da cana-de-açúcar e deve aproveitar
esse conhecimento para produzir mais um combustível proveniente deste recurso. A vantagem do processo de
reforma de combustíveis renováveis, como no caso do etanol, é que a emissão de poluentes seria menor. No caso
da cana-de-açúcar, seria emitido o CO2, porém uma parte é captada no seu processo de crescimento.
A célula combustível gera eletricidade por meio de reação química entre o hidrogênio e oxigênio.
- -8
A vantagem ambiental da célula a combustível é que se trata de um processo que converte diretamente o
combustível em eletricidade mediante oxidação sem chamas, ou seja, não há a combustão do combustível. Assim,
os impactos ambientais são menores e pode-se atingir eficiência superior a 50%.
Países como Estados Unidos, Canadá, Japão Alemanha e empresas como a General Motors, Daimler-Chrisyler,
Honda, Toyota e outros fabricantes de veículos estão investindo milhões de dólares em pesquisas para tornar as
células a combustível viáveis economicamente. Inúmeras centrais de geração de energia elétrica e calor estão
instaladas em países como Alemanha, Estados Unidos e Canadá; algumas alimentando casas e edifícios
comerciais. O edifício, em Nova York, onde fica instalada a Nasdaq tem parte de sua energia elétrica suprida por
células a combustível.
(Texto de Reis, Fadigas e Carvalho, 2009).
6 Para concluir a aula:
Percebemos que embora qualquer recurso energético gere impactos ambientais, mesmo sendo um recurso
energético renovável, como é o caso do hidrogênio, da energia provinda dos ventos e do sol, eles apresentam um
papel fundamental na busca do desenvolvimento sustentável. Mas, quanto custa esse desenvolvimento
sustentável em prol dos interesses políticos e econômicos do país? Quanto?
O QUE VEM NA PRÓXIMA AULA
Na próxima aula você estudará:
• A energia elétrica.
• A água como fonte de energia.
SAIBA MAIS
Leia o texto da revista Divulgácion Cientifica: Hidrogênio: fortecandidato para substituir o petróleo.
CONCLUSÃO
Nesta aula, você:
• Reconheceu os conceitos que envolvem a energia solar, eólica e do hidrogênio.
• Verificou suas aplicações e possibilidades.
•
•
•
•