ENERGIA - Meio Ambiente - CENA 19-06-2023-compactado

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CONSIDERAÇÕES	SOBRE	
ENERGIA	E	MEIO	AMBIENTE
Adnei Melges de	Andrade
19	Junho	2023
1
Energia	x Meio	Ambiente
O	sector	da	energia	é	responsável:
Ø Por	8%	do	PIB	mundial,
Ø e	pela	emissão	de	2/3	de	poluentes	na	atmosfera;	CO,	CO2,	
N2O,	SO2,	particulado...	
A	produção	de	energia,	a	transformação,	o	transporte,	a	
armazenagem,	distribuição	e	o	uso	implicam	em	prejuízos	ao	
meio	ambiente.
Parte	da	energia	obtida	da	natureza	é	perdida	no	meio	
ambiente	na	forma	de	calor		e	concorre	para	mudanças	
climáticas							Efeito	Estufa.
2
Fontes	de	energia:	fontes,	usos	e	poluição	associada
• Para	transporte:	
ü petróleo e	derivados são fontes majoritárias (c.95%)	
ü biocombustíveis,	em uso crescente,	
ü eletricidade,	ainda em uso pouco expressivo,	crescente,
ü hidrogênio,	na etapa de	desenvolvimento,	com	grande potencial���
• Para	outros	fins:	eletricidade produzida por:
ü Hidrelétricas;	barragens liberam metanoe	outros	poluentes
ü termoelétricas (gás,	carvão,	óleo);	particulado,	CO2,	SO2…
ü energia nuclear;	potencialmente perigosa pela	radiação
ü Biomassa;	contribuem com	CO2	,particulado sólido…
ü energia eólica;	sustentável
ü energia fotovoltaica;	sustentável
3
Fontes	primárias de	energia – 2014	
ENERGIA	PRIMÁRIA
A
Solar	
direta
1	%
Solar	
indireta
21%
Geotérmica,	oceânica
e	do	ambiente
0,2%
Gases	
limpos
sem limite
0,01%
Hydraulic,
ondas
sem limite
6%
Geotérmica e	
oceânica
sem limite
0,1%
Energia renovável – 22%
Bombas de	calor
sem limite
0,1%
Biomassa
sem limite
14%
Solar	FV
sem limite
0,01%
Solar	
térmica
sem limite
1%
Eólica
sem limite
>5%	(2018)
Gás
natural
60	anos?
17%
Energia exaurível – 78%
Energia
nuclear
4%
Energia
fóssil
74%
Potência
nuclear
<	260	anos
4%
Carvão
<220	anos
25%
Petróleo
60	anos?
32%
Solar	FV
2022
3,6%	energia elétrica
ISE,	Fraunhofer,	Feb.	21,	2023
participação
crescente
Fontes	renováveis	de	energia
Bomba de	calor
Usina hidrelétrica
Energia primária |				Processos |																	Forma	de	uso
Usina marémotrizMovimento planetário Marés
Calor da	terra Geração geotérmica
Condensação,	chuva
Movimento atmosférico Turbina eólica
Geração de	energia de	ondasMovimento das	ondas
Produção de	biomassa
Biogás
Etanol automotivo
Briquetes para cocção
Biodiesel
Coletor solar	térmicoRadiação direta
Usina térmica potência
Sistema fotovoltaico
Radiação solar
A	energia no	futuro
Em	2050	a	população	mundial	deverá	ser	de	cerca	de	10	bilhões.	Haverá	necessidade	de	maior	
quantidade	de	energia	do	que	em	nossos	dias.	Some-se	o	fato	de	que	há	uma	crescente	
consciência	ambiental.	O	suprimento	de	energia	futuro	não	poderá	contar	apenas	com	as	
fontes	atuais.	Fortes	candidatas	ao	suprimento	são	as	fontes	ambientalmente	amigáveis.	A	
energia	de	origem	hidráulica	tem	limites	ligados	aos	mananciais	em	exploração.	Outras	fontes	
renováveis,	como	solar	e	biomassa	deverão	aumentar	sua	contribuição.
A	conscientização	da	importância	da	geração	e	uso	da	energia,	com	amigabilidade	ambiental	
cresce.	Esse	é	um	mecanismo	que	dá	impulso	ao	uso	crescente	da	energia	solar	fotovoltaica.
A	concentração	de	CO2 na	atmosfera	é	dependente	da	decomposição	da	biomassa.	A	queima	
de	madeira,	carvão,	petróleo	ou	gás	natural	introduz	CO2 na	atmosfera.		A	madeira	e	o	etanol	
automotivo,	quando	queimados,	não	representam	crescimento	líquido	da	concentração	de	
CO2,	porque	o	dióxido	de	carbono	é	absorvido	durante	o	crescimento	de	novas	plantas.	Não	é	
o	que	acontece	com	a	queima	dos	combustíveis	fósseis,	que	foram	formados	a	milhões	de	
anos,	e	que	vem	sendo	queimados	nos	últimos	dois	séculos.
Pode-se	observar	o	dramático	aumento	da	concentração	de	CO2 que	inicia	no	começo	da	
industrialização	no	planeta.	O	equilíbrio	existente	nos	últimos	milhares	de	anos	dá	vez	a	um	
dramático	aumento,	passando	de	200-250	ppm de	CO2	para	mais	de	400	ppm.		A	importância	
desse	aumento	resulta	no	aumento	da	temperatura	global	devido	ao	“efeito	estufa”.
Mudanças climáticas
O		efeito	estufa	é	importante	para	a	vida	na	Terra,	pois	sem	a	atmosfera,	a	temperatura	média	
no	planeta	seria	de	– 18�C.	Entretanto,	o	efeito	do	“aprisionamento”	da	radiação	solar	na	
atmosfera	devido	aos	GEE,	entre	os	quais	o	CO2 e	o	CH4,	leva	ao	aumento	da	temperatura	
média	do	planeta.
Nos	últimos	22	mil	anos	houve	um	razoável	equilíbrio	na	concentração	de	CO2,	em	torno	dos	
200	a	250	ppm.	A	partir	da	industrialização,	de	maneira	abrupta,	a	concentração	vem	subindo	
e	chegou	a	junho	de	2023	a	mais	de	420ppm!
Torna-se	necessária	a	utilização	de	fontes	de	energia	ambientalmente	amigáveis!
C
o
n
c
e
n
tr
a
ç
ã
o
C
0
2
(p
p
m
)
Em 06/2023			>420ppm
ano
Energia	x transporte:	o	petróleo
Mais de	95%	da	energia gasta em transporte provém de	
combustíveis fósseis!
A	descoberta	e	exploração	do	petróleo,	a	
partir	de	1859,	facilitou	a	obtenção	e	redução	
de	custo	do	querosene,	que	se	tornou	muito	
popular	na	iluminação	doméstica	e	iluminação	
pública.
A	indústria	do	petróleo	surgiu	das	
necessidades	da	iluminação.	Os	motores	a	
explosão	só	seriam	desenvolvidos cerca	de	
três	décadas	mais	tarde.
88
Energia	x transporte:	etanol	e	biodiesel
• Etanol:	fontes	mais	importantes	são	a	cana	de	açúcar	no	
Brasil	e	milho	nos	EUA.	O	Brasil,	2o produtor	mundial,	
produziu	30,5	bilhões	de	litros	de	etanol	na	safra	de	
2022/2023,	sendo	cerca	de	26	bilhões	da	cana	de	açúcar	e	
4,5	bilhões	de	milho.	A	produção	mundial	de	etanol	em	
2022	foi	110	bilhões	de	litros.
• Biodiesel*: combustível	obtido	de	matérias-primas	vegetais	
ou	animais,	utilizado	em	substituição	parcial	(8%	a	10%),	ou	
integral,	do	óleo	diesel	para	motores.
*	Ésteres	de	ácidos	graxos,	ésteres	alquila	(metila,	etila,	propila)	de	ácidos	carboxílicos	de	cadeia	
)9
Energia	de	fontes	renováveis	no	G20
no	consumo	final	total	de	energia
Fonte:	https://www.ren21.net/gsr-2021/pages/keymessages/keymessages/#ref_i
Renováveis dominarão o	mix	da	
geracão de	potência elétrica (cenário 1,5oC)
IRENA	WORLD	ENERGY	TRANSITIONS	OUTLOOK	– Global	High-Level Forum on Energy	Transition,	Dubai,	June,	30,	2021
RE	Energia	renovável
VRE	Energia	renovável	intermitente
Energia	para	transporte - 2015
12
Combustíveis	fósseis	ainda	representam	perto	de	95%
Emissões	de	CO2 por	modal	de	transporte-2015
http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2018/04/17-8622_Policy_FullReport_web_.pdf
13
Três cenários de	tendência de	emissão global	de	CO2 no	
período 2021-2050
IRENA	World	Energy	Transitions	Outlook	2021
14Emissão Zero	em 2050!
POTÊNCIA	INSTALADA	DE	RENOVÁVEIS	POR	
TECNOLOGIA	2016-2021	e	cenário futuro
IEA														Média	Cenários
Cenário						IEA	e	IRENA
Zero
Fonte:REN21	Renewables 2022	Global	Satus Report
O	aumento	da	
potência	de	
renováveis	deve	
triplicar para	estar	
em	linha	com	os	
cenários	Zero
Investimento global	em energia renovável
em bilhões de	dólares
20
Entre	2013-2022
Fotovoltaico	46%
Eólico	(terra)	32%
Eólico	”onshore”	8%
Solar	térmico	5%
Em	2022	investimentos	
em	Fotovoltaico	e	
Eólico	chegaram	a	95%
Fonte:	https://www.irena.org/Publications/2023/Feb/Global-landscape-of-renewable-energy-finance-2023
Parcela	do	consumo	total	final	de	energia	
de	fontes	renováveis	por	uso	final
Demanda	global	por	fonte	de	energia	
primária	no	IEA	2020	report
Renováveis	
modernas
Nuclear
Gás	
natural
Petróleo
Carvão
Biomassa	
tradicional
Parcela	estimada	das	fontes	renováveis	
do	consumo	final	total	da	energia	
Praticamente	inalterada	a	participação	de	
combustíveis	fósseis	em	uma	década	
Evolução	dos	modais no consumo	mundial
Fonte:	BP
Participação das	fontes primárias
Renováveis*
*Incluindo biocombustíveis
Hidráulica
Gás
Petróleo
Carvão
Nuclear
21
Energia	elétrica	de	origem	eólica-Brasil	(2022)
Fonte:	Global	World	Energy	Council
Passados menos de	13	anos do	primeiro leilão
de	energia eólica on-shore	(2009),	a	capacidade
instalada é bem maior do	que	a	da	usina de	
Itaipu (14GW).	
No	Brasil 2022	chegou a	27GWde	usinas eólicas
em operação participando com	mais de	12%	da	
energia elétrica injetada no	SIN–Sistema	
Integrado Nacional.
No	planeta,	a	potência instalada atingiu
906GW	em 2022.
22
Capacidade	instalada	de	sistemas	eólicos	
no	mundo (2021)
23
PAÍS	 POTÊNCIA	
(GW)
China 342
USA 139
Alemanha 64
India 42
Espanha 29
Brasil 27	
Reino	Unido 26
França 19
Canadá 14
Itália 13
demais	países 125
6a posição
840	GW
Pela	primeira	vez,	em	2021,	a	soma		
da	geração	eólica	e	fotovoltaica	
gerou	10%	de	toda	a	eletricidade	
no	mundo.	World	Economic Forum,	
Victoria	Masterson,	8	de	abril	de	2022.
Em	2022															960GW
Energia	elétrica	de	origem	fotovoltaica
Usina Solar	Nova	Olinda,	Piauí – 292MW	(930	mil	módulos fotovoltaicos) 24
A	capacidade	global	de	
sistemas	fotovoltaicos	em	
ultrapassou	1	TW	em	2022
EPBT- TEMPO	DE	RECUPERAÇÃO		DA	ENERGIA
Módulos de	Si-monocristalinos instalados em tetos
Fonte:	Lorenz	Friedrich,	Fraunhofer	ISE-Imagem JRC	E.C.	Graph	PSE	2020
kWh.m-2/anual
1,3	anos
1,0	ano
Potência	instalada	de	sistemas	fotovoltaicos
no	Brasil
26
Complementaridade	sazonal	de	sistemas	
eólicos-fotovoltaicos	(Médias	mensais-Bahia	2015)	
27
Matriz da	energia elétrica no	Brasil
potência instalada por fonte - 2023
28
Matriz	Elétrica	Brasileira	projetada	para	2040
Fonte:	BNEF,	2016b,	adaptada por Clean	Energy	Latin	America,	apud SEBRAE,	2017
http://energygreenbrasil.com.br/wp-content/uploads/2017/06/apresentacao-estudo.pdf
no	estudo “Cadeia de	valor	da	energia fotovoltaica no	Brasil"
29
Razões	que	concorrem	para	a	diversificação	
da	Matriz	Elétrica	Brasileira	
uRedução nos custos dos	sistemas fotovoltaicos e	de	energia eólica
uAumento de	restrições ambientais para	novas hidrelétricas
uExpressivos potencial eólico e	irradiância solar	em todo território
brasileiro.
uCusto elevado de	novas linhas de	transmissão
uNecessidade de	aumentar a	produção de	energia e	diversificar a	
matriz elétrica brasileira
uLegislação;	procedimento simplificado para	licença ambiental,	
incentivos tributários (ICMS,	TUSD,	TUST),	ações da	ANEEL/MME,	
leilões de	energia,
uSem esquecer a	Consciência Ambiental,	que	se	difunde���
30
Preço	de	sistemas	fotovoltaicos
curva	de	aprendizado
International	Technology	Roadmap	for	Photovoltaics – IRTPV	2020	Report
31
US$0,20/Wp
Redução na espessura das	células
solares de	Si-cristalino
Es
pe
ss
ur
a	
do
	s
ub
st
ra
to
	(µ
m
)
Si
líc
io
	u
ti
liz
ad
o	
(g
/W
p)
32
Desenvolvimento atual das	células
solares de	Si-cristalino
- Mudanças	em	processos	de	fabricação	de	Células	Solares	como	as	
tecnologias	PERC	e	PERT	resultaram,	na	última	década,	no	aumento	
da	eficiência	dos	módulos	no	mercado,	passando	dos	15%	aos	20%.
- Revigorado	interesse	nas	células	bifaciais	se	desenvolve.
- Células	de	heterojunção HIT,	que	combinam	a	tecnologia	de	silício	
amorfo	hidrogenado	com	silício	monocristalino.
- Desenvolvimento	de	novas	tecnologias	e	materiais	em	Células	Solares
Compromisso	brasileiro	na	CoP-21	
até	2030:
34
uChegar a 45% de energia de fontes renováveis na matriz
energética
uAumentar a participação de bioenergia na matriz em
18%
uExpandir o uso das fontes renováveis para 28 % ~ 33%
uAumentar o uso de energia renovável no setor
residencial em cerca de 23%
uAlcançar 10% de ganho de eficiência no setor elétrico
Um	pouco da	história das	Células Solares
Daryl	Chapin,	Calvin	Fuller e	Gerald	Pearson,	em	1954,	na	Companhia	
Bell	Telephone,	produziram	as	primeiras	células	solares	práticas	de	
silício,	com	eficiência	de	conversão	de	cerca	de	6%.
Como	funcionam as	células solares- 1
As	células	solares	são	dispositivos	de	materiais	
semicondutores,	que	convertem	diretamente	a	
energia	luminosa	em	eletricidade.	
A	célula	absorve	a	energia	de	fótons	gerando	
pares	elétron-lacuna	que	são	separados	pelo	
campo	elétrico	interno	produzido	pela	junção	p-n.
Como	funcionam as	células solares- 2
representação	simplificada	da	
rede	cristalina	de	silício	
monocristalino	
junção	p-n
Como	funcionam as	células solares- 3
O	campo	elétrico	existente	na	junção	p-n acelera	os	
portadores	minoritários	em	direção	à	região	em	que	eles	são	
majoritários.	
Como	funcionam as	células solares- 4
Corte	esquemático	de	uma	
célula	solar	de	junção	p-n
39
0,3µm												100µm	
Contatos coletores de	corrente
!
!
Nas	faces	das	regiões	n e	p são	depositados	contatos	
metálicos	para	recolher	a	corrente	fotogerada
Substratos de	silício
As	células	solares	de	silício	monocristalino	e	multicristalino	são	
produzidas	pela	preparação	da	junção	p-n,	deposição	dos	contatos	
metálicos	e	deposição	da	camada	anti-refletora.	
A	produção	dos	substratos	apresenta	diversidade	de	opções.	A	maior	
parte	das	células	de	silício	é	produzida
com	material	de	grau	eletrônico,	o
mesmo	utilizado	para	a	indústria	de
microeletrônica.	
Processo Czochralski	para produção de	
silício monocristalino
42
Processo Czochralski
Lingotes	de	silício	monocristalino	são	produzidos	com	silício	
de	alta	pureza,		replicando	a	estrutura	cristalina	de	uma	
“semente”	(Tf=	1412	�C)
Substratos de	silício
Os	lingotes	de	Si	monocristalino	são	“fatiados”	para	fornecer	lâminas		
(wafers)	de	espessura	tão	finas	como	100	micrometros		(0,1	mm).
Substratos de	silício
Corte	com	fios diamantados
Corte	dos	substratos
Silício multicristalino
Obrigado	pela	atenção
19/06/2023