Aula 11 - Energia Ambiente

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CIÊNCIAS DO 
AMBIENTE 
• Cap Bandeira (SE/2) 
2013 
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AULA 11: 
ENERGIA E MEIO 
AMBIENTE 
CIÊNCIAS DO AMBIENTE 
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SUMÁRIO 
1. Introdução; 
 
2. Leis da Termodinâmica; 
 
3. Fontes de Energia na Ecosfera; 
 
4. Histórico da Crise Energética; 
 
5. Eficiência do Aproveitamento Energético; 
 
6. A Questão Energética no Futuro; 
 
7. Situação Brasileira. 
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INTRODUÇÃO 
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INTRODUÇÃO 
CRISE AMBIENTAL: Aspectos Básicos 
• Crescimento Populacional 
 
• Geração de Resíduos 
 
• Demanda de Energia e de Materiais 
Problema da poluição ambiental surge com quando 
homem domina o fogo, capacitando-se a impulsionar 
máquinas e realizar trabalho. 
Aulas 1, 2 e 3. 
Aulas 4 a 
10. 
Aulas 11 e 12. 
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA: 
• Pela 1ª Lei da Termodinâmica, a energia não pode ser criada 
nem destruída, apenas transformada. 
Energia é a capacidade de fazer trabalho útil. 
1 Joule (J) é o trabalho realizado por uma força 
constante de 1 N que faz com que o corpo se mova 1 
metro na direção da força. 
Trabalho é a ação de uma força sobre um corpo em 
determinada distância. 
WUUQH  12
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
ENTALPIA: 
• É a propriedade termodinâmica de um material que depende 
da temperatura, pressão e da composição desse material. 
PVUH 
Pode ser entendida como a combinação de energia 
térmica (U) com o fluxo de energia (PV). 
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• A energia interna varia conforme: 
TcmU v 
LEIS DA TERMODINÂMICA 
ENTALPIA: 
• Sem variação de pressão, a entalpia varia conforme: 
TcmH P 
• Sólidos e líquidos são praticamente incompressíveis. Portanto, 
pode-se considerar W = 0. E: cv = cP e ΔU = ΔH. Assim: 
TcmH v 
Calor específico a 
volume constante. 
Calor específico a 
pressão constante. 
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
BALANÇO ENERGÉTICO: 
• Pode-se dizer que a 1ª Lei é equivalente à Lei de Conservação 
das Massas. Então: 
Perda de entalpia de um “corpo quente” = Ganho de 
entalpia de um “corpo frio”. 
• Para um sistema aberto, um balanço mais completo é: 
dt
Hd
dt
Hd
dt
Hd
dt
dH fluxosaídaentrada )()()( 
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
BALANÇO ENERGÉTICO: 
• Considerando uma região do espaço onde o fluido entre à taxa 
dM/dT e saia à taxa dM/dT: 
dt
dM
Tc
dt
dT
Mc
dt
dH
PP 
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
FLUXOS DE ENERGIA: Condução e Convecção 
• Condução é o fluxo de calor em um material por difusão 
molecular devido a um gradiente de temperatura. 
dx
dT
Ah
dt
dH
tc
• Convecção é o fluxo de calor provocado pelo movimento de 
fluidos em larga escala. 
 
sfc TTAh
dt
dH

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LEIS DA TERMODINÂMICA 
FLUXOS DE ENERGIA: Radiação 
• Radiação é o transporte de energia por ondas 
eletromagnéticas. Envolve 2 processos: a absorção de energia 
radiante por um objeto e a radiação por este objeto. 
emitidaabsorvida EE
dt
dH

• Mas: 
c
hE 
4TEB   44 meioc TTA
dt
dH  
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: 
• Pela 2ª Lei da Termodinâmica, a energia flui sempre de uma 
região onde está mais concentrada para uma onde esteja 
menos concentrada. 
1
2ln
T
T
Mcs P
• O aumento da entropia corresponde à perda de entalpia e ao 
aumento do grau de “desordem”. 
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LEIS DA TERMODINÂMICA 
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA: Ciclo de Carnot 
• Um material se expande contra um pistão que é 
periodicamente trazido à condição inicial, de forma que, em 
qualquer ciclo, a variação da energia interna seja zero. 
12 QQW 
2Q
W

2
1
max 1
T
T

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FONTES DE ENERGIA NA 
ECOSFERA 
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FONTES DE ENERGIA 
FONTES PRIMÁRIAS: 
• As radiações provenientes do SOL são a principal fonte de 
energia da Terra (99% da energia usada pelos ecossistemas). 
Além do Sol, existem outras fontes de energia primária que 
são convertidas pelo homem em diferentes formas de energia. 
Fontes 
Primárias 
Renováveis 
Não renováveis 
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FONTES RENOVÁVEIS: 
Energia 
das Marés 
É a que pode ser obtida a partir da variação do 
nível de água dos oceanos (energia potencial). 
Energia 
Geotérmica 
É obtida do calor do magma existente no interior 
do planeta. 
Energia 
Solar 
É a energia radiante do Sol. 
FONTES DE ENERGIA 
Biogás e 
biocombus
tível líq. 
Queima do gás resultante da fermentação e 
decomposição anaeróbia de matéria orgânica. 
Hidrogênio 
Combustível gasoso produzido por processos 
eletroquímicos (eletrólise da água). 
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FONTES NÃO RENOVÁVEIS: 
FONTES DE ENERGIA 
Combustíveis 
Fósseis 
São depósitos naturais de petróleo, gás 
natural e carvão, formados a partir da 
decomposição de vegetais e animais 
submetidos a altas pressões e temperaturas. 
Derivados dos 
Comb. Fósseis 
É obtido pelo fracionamento dos combustíveis 
fósseis (gasolina, OD, querosene,...). 
Derivados 
Sintéticos 
Óleo cru e o gás natural produzidos por 
liquefação ou gaseificação do carvão. 
Óleos Pesados 
Não 
Convencionais 
São extraídos de depósitos de petróleo bruto 
por métodos de recuperação forçada, rochas 
sedimentares oleosas (xisto) e depósitos 
arenosos (areias com alcatrão). 
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FONTES NÃO RENOVÁVEIS: 
FONTES DE ENERGIA 
Gás Natural 
Presente nos depósitos subterrâneos 
profundos em camadas arenosas, rochas 
sedimentares, veios de carvão e dissolvido 
em depósitos de água salgada, a altas 
temperaturas e pressões. 
Depósitos 
Geotérmicos 
Confinados 
O calor é liberado por substâncias radioativas 
encontradas no manto de rochas parcialmente 
derretidas, localizadas abaixo da crosta 
terrestre, ou pelo próprio magma. 
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FONTES NÃO RENOVÁVEIS: 
FONTES DE ENERGIA 
Combustíveis 
Nucleares 
Principalmente Urânio e Tório, passíveis de 
fissão nuclear. 
No processo de fissão, a energia presente no núcleo dos materiais físseis é 
utilizada para geração de vapor a alta pressão, que, por sua vez, é utilizado 
para acionamento de uma turbina acoplada a um gerador elétrico. 
Na fusão nuclear, dois átomos leves se unem dando origem a outro mais 
pesado. É necessária grande quantidade de energia para aproximar os 
núcleos dos elementos, mas a energia liberada pela fusão é muito maior. 
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HISTÓRICO DA CRISE ENERGÉTICA 
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HISTÓRICO DA CRISE 
ENERGÉTICA 
REFLEXÃO: 
• O Homem vem, ao longo dos anos, modificando seu padrão de 
vida, utilizando a tecnologia para viver mais e melhor; 
 
• Issoimplica um maior consumo de energia; 
 
• Leia o texto anexo (Energia.pdf) e reflita sobre o desafio que a 
sociedade enfrenta: como atender ao padrão de vida humano, 
consumir mais energia e viver em um ambiente mais sadio? 
 
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HISTÓRICO DA CRISE 
ENERGÉTICA 
DISTRIBUIÇÃO APROXIMADA DO CONSUMO DE ENERGIA: 
Fonte (%) 
Petróleo 34,9 
Carvão Mineral 23,5 
Gás Natural 21,1 
Energias Renováveis 11,0 
Nuclear 6,8 
Hidráulica 2,3 
Outras 0,5 
• Elementos não renováveis são os principais combustíveis. 
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HISTÓRICO DA CRISE 
ENERGÉTICA 
FATORES POLÍTICOS: 
• Em 1973, a OPEP promoveu embargo que elevou o barril de 
petróleo de US$ 2,70 para US$ 10,00. 
 
• Em 1979, a Revolução Iraniana provocou uma elevação para 
cerca de US$ 34,00. 
 
• Na década de 1990, acontecimentos políticos não alteraram 
significativamente o quadro. Em 1999, o barril custava cerca de 
US$ 30,00. 
 
• O petróleo custa em 2013 cerca de US$ 100,00/barril. 
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EFICIÊNCIA DO APROVEITAMENTO 
ENERGÉTICO 
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 
RAZÃO DE ENERGIA LÍQUIDA: 
REL = Energia obtida / Energia gasta na produção 
• Quanto maior a REL, maior a eficiência da fonte. 
Processos Industriais 
Carvão mineral (superfície) 28,2 
Carvão mineral (subterrâneo) 25,8 
Gás Natural 4,9 
Petróleo 4,7 
Carvão gaseificado 1,5 
Solar direto 0,9 
Transporte 
Gás Natural 4,9 
Gasolina 4,1 
Biocomb. (álcool) 1,9 
Carvão liquefeito 1,4 
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EFICIÊNCIA ENERGÉTICA 
RAZÃO DE ENERGIA LÍQUIDA: 
• O Petróleo tem alta REL, pois suas reservas hoje são ricas e 
acessíveis. À medida que as reservas forem se esgotando, 
haverá redução da REL dado o aumento da energia gasta na 
produção. 
 
• Usinas Nucleares possuem baixo valor da REL devido à 
energia gasta na sua construção e produção e também na 
desativação e no confinamento do lixo produzido. 
 
• A saída consiste na CONSERVAÇÃO da energia (entendida 
como o uso mais eficiente das fontes hoje disponíveis). 
 
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A QUESTÃO ENERGÉTICA NO 
FUTURO 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
ESTATÉGIAS: 
• Existem duas correntes que defendem estratégias opostas 
para enfrentar a crise energética do futuro. 
 
• Uma delas segue a linha de conduta tradicional e é conhecida 
como “trajetória severa” ou “modelo do mundo em 
crescimento”. 
 
• A outra é a chamada “trajetória branda” ou “modelo de 
crescimento sustentável”. 
 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
ESTATÉGIAS: Modelo do Mundo em Crescimento 
Ênfase no imediato incentivo para que as companhias de 
energia elevem seus suprimentos não renováveis (petróleo, 
gás, carvão e urânio). Construção de novas usinas 
termoelétricas (carvão e nuclear). Após 2050, haveria a 
mudança para a total dependência de usinas a fusão 
nuclear. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
ESTATÉGIAS: Modelo do Crescimento Sustentável 
Combinação das seguintes medidas: aumentar a eficiência 
no uso da energia; diminuir o emprego de fontes não 
renováveis; eliminar usinas nucleares (alegação de que são 
anti-econômicas e inseguras), aumento do emprego de 
recursos energéticos solares diretos e indiretos. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Novas Fontes de Energia 
• O aproveitamento de uma nova fonte de energia deve 
considerar as seguintes questões: 
 
 
Qual o potencial de aproveitamento em curto, médio e longo prazos? 
Qual o rendimento esperado? 
Qual o custo de desenvolvimento, operação e construção? 
Quais os impactos ambientais, sociais, de segurança (militar e 
econômica) e como eles podem ser reduzidos? 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
PETRÓLEO 
• Formado basicamente por hidrocarbonetos, contendo 
oxigênio, enxofre e nitrogênio. 
• O petróleo leve contém poucas impurezas e é facilmente 
refinado, por isso mais valioso. 
• Aproximadamente 2/3 do petróleo mundial encontra-
se em 5 países (Arábia Saudita, Kuwait, Irã, Iraque e 
Emirados Árabes). 
• Estima-se que os estoques atenderão o consumo dos 
próximos 50 anos. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
XISTO BETUMINOSO 
• São rochas sedimentares com uma mistura de 
compostos orgânicos em estado sólido ou semi sólido, 
chamada querogênio. 
• Seu processamento requer grande quantidade de água, 
geralmente escassa nas regiões áridas e semiáridas onde 
estão os principais depósitos. 
• Novas técnicas de extração e processamento vem sendo 
estudadas, mas ainda apresentam custo elevado. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
ALCATRÃO 
• Obtido em depósitos arenosos, suas maiores reservas 
encontram-se no Canadá. 
• Possui baixíssimo rendimento: para a produção de um 
barril de óleo, é necessário meio barril de óleo 
convencional. 
• Também causa impactos na água, no ar e no solo. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
GÁS NATURAL 
• Mistura do gás metano com outros hidrocarbonetos mais 
pesados (como butano e propano). 
• Butano e propano podem ser liquefeitos, gerando GLP. 
• O metano é distribuído em redes. Apresenta baixo custo, 
alto rendimento e menores impactos ambientais. 
• O maior produtor mundial é a Rússia (40%) seguida de 
países do Oriente Médio e da África. 
• Estima-se que suprimento mundial seja suficiente para os 
próximos 60 anos. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
CARVÃO 
• Combustível fóssil mais abundante no mundo. 
• Geralmente, é queimado em termelétricas, mas também é 
aproveitado em diversos processos industriais, dentre os 
quais destaca-se a fabricação de aço. 
• O impacto da extração é muito alto, destruindo a 
vegetação e provocando erosão, além de gerar materiais 
tóxicos que contaminam rios e aquíferos. 
• Sua queima produz grande quantidade de CO2, sendo, um 
dos maiores contribuintes da exacerbação do efeito estufa. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
ENERGIA GEOTÉRMICA 
• Está contida em depósitos sob a forma de vapor seco e 
úmido e água quente. 
• A exploração é feita pela perfuração de poços e 
geralmente é utilizada para o aquecimento ambiental, 
produção industrial e geração de eletricidade. 
• Apresenta distribuição difícil, mas é eficiente e emite 
pouco CO2. 
• Tem ainda como desvantagens a raridade das fontes, a 
emissão de amônia, gás sulfídrico e materiais radioativos, 
além de provocar mal cheiro e ruído na exploração. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Não Renováveis 
ENERGIA NUCLEAR 
• A usina nuclear pode ser vista como uma usina térmica, na 
qual o aquecimento é produzido por fissão nuclear. 
• O U235 é o combustível mais usado, mas existe em pequena 
proporção (1/140 em relação ao U238). 
• Por ser pequena a chance de um nêutron rápido atingir um 
átomo U235, é preciso transformar os nêutrons rápidos em 
lentos e aumentar a proporção de átomos físseis à 
composição do combustível (além do U235, também sãousados o Th232 e o Pu239). 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
HIDROELETRICIDADE 
• Consiste em aproveitar a energia potencial ou cinética da 
água, transformando-a em energia mecânica pela turbina e 
finalmente em eletricidade pelo gerador. 
• Na maior parte dos países desenvolvidos, este recurso se 
encontra esgotado. No Brasil e na Noruega, a 
hidroeletricidade responde por cerca de 90% da produção 
de energia. 
• É um dos sistemas mais baratos e possui altíssimo 
rendimento (mais de 95%). 
• Os impactos relacionam-se com a construção e a operação 
do reservatório 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
ENERGIA SOLAR DIRETA 
• Existem poucas usinas térmicas para aproveitamento da 
energia solar direta. 
• A mais conhecida encontra-se na França. 
• O calor produzido é intenso (cerca de 2760ºC) e essa 
energia é utilizada para fabricar metais puros, sendo o 
excedente usado na produção de vapor e eletricidade. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
ENERGIA DAS MARÉS 
• As usinas maremotrizes encontram-se ainda em fase 
experimental e vêm se mostrando antieconômicas. 
• São poucos os locais onde o desnível criado pelas marés 
acarreta um aproveitamento viável. 
• No Brasil, a Região Nordeste possibilita as melhores 
oportunidades para tal atividade. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
ENERGIA EÓLICA 
• As turbinas eólicas podem produzir energia a custos 
razoáveis em áreas onde a velocidade do vento varia de 25 a 
50 km/h. 
• Estima-se que o potencial eólico do Brasil seja da ordem de 
147.500 MW. 
• Desvantagem: os centros de demanda necessitam de 
sistemas alternativos para períodos de calmaria. 
• Impactos: interferência na migração de pássaros, na 
transmissão de sinais de rádio e TV e na paisagem. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
BIOMASSA 
• Supre aproximadamente 15% da energia mundial, 
principalmente pela queima de madeira e estrume para 
aquecimento ou para uso em fornos de cozinha. 
• Impactos relacionam-se com o conflito de uso da terra 
para agricultura, aumento da erosão, poluição do solo e da 
água e destruição do habitat, além do lançamento de 
material particulado. 
• Dada a elevada umidade, não é muito eficiente. Na queima 
de madeira, destaca-se a emissão de CO. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
BIOGÁS E BIOLÍQUIDO 
• Resultam da conversão da biomassa sólida. 
• São utilizados para aquecimento e cozimento, e os resíduos 
podem servir como adubo. 
• A partir da crise do petróleo, o Brasil passou a utilizar o 
etanol como combustível em automotores. Na década de 
1980, 30% da frota brasileira era movida por etanol. 
• O maior problema dessa alternativa é o uso da terra para 
fins menos nobres do que a produção de alimentos. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Fontes Renováveis 
GÁS HIDROGÊNIO 
• O H2 pode ser queimado em usinas térmicas, carros ou 
células de combustível que convertem energia química em 
eletricidade. 
 
• Essas células possuem eficiência entre 60% e 80%. 
 
• O grande problema consiste no alto custo de produção do 
gás hidrogênio e no fato dele ser altamente explosivo. 
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QUESTÃO ENERGÉTICA 
PERSPECTIVAS: Aumento da Eficiência no Uso da Energia 
• Mudança de hábitos: andar a pé ou de bicicleta em pequenos 
percursos, utilizar transporte de massa, manter luzes 
apagadas, reduzir o consumo de produtos descartáveis etc. 
 
• Aumentar a eficiência do consumo usando menos energia 
para realizar o mesmo trabalho: maior isolamento térmico 
doméstico, regulagem de motores, de equipamentos de 
refrigeração etc. 
 
• Empregar menos energia para realizar mais trabalho: 
veículos aerodinâmicos, células solares etc. 
 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
CONSUMO ENERGÉTICO: 
• Em 2002, o Brasil apresentou um consumo médio anual de 
energia comercial da ordem de 1,13 Toneladas Equivalentes 
de Petróleo por habitante, inferior à média mundial: 1,65 
TEP/hab. 
 
• À medida que o consumo se aproxima de 2,0 TEP/hab, as 
condições sociais melhoram. Nos países desenvolvidos, o 
consumo é superior a 3,0 TEP/hab. 
 
• Importa, pois, saber se há recursos disponíveis para a 
elevação do consumo energético brasileiro. 
 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
PRINCIPAIS RECURSOS E RESERVAS ENERGÉTICAS: 
• Não foi considerado o pré-sal. Equivalência tem base nos 
recursos medidos (parte do total) e duração considera o 
consumo de 2002. 
 
Fonte 
Recursos totais 
(medido+estimado) 
Equivalência 
(103 TEP) 
Duração 
estimada 
(anos) 
Petróleo (103 m3) 2.080.142 1.388.123 22,2 
Carvão Mineral (106 t) 32.353 3.944.070 6840 
Gás Natural (106 m3) 331.941 234.842 22,0 
Nuclear (t U3O8) 309.370 1.236.287 526,9 
Hidráulica (GW ano) 143 236.006/ano --- 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA: 
Setor 
Consumo 
(x 1000 TEP) (%) 
Indústria 65.078 36,7 
Transportes 48.460 27,3 
Residencial 20.702 11,7 
Energético 14.069 7,9 
Usos Não Energéticos 12.864 7,3 
Comércio e setor público 8.176 4,6 
Agropecuário 8.047 4,5 
Total 177.396 100,0 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA EM 2000: 
País Geração (106 kWh) Participação 
Canadá 358 13,2 
Brasil 305 11,3 
EUA 275 10,2 
China 222 8,2 
Rússia 165 6,1 
Noruega 142 5,2 
Japão 97 3,6 
Suécia 79 2,9 
Índia 74 2,7 
França 72 2,7 
Outros Países 916 33,9 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
CONCLUSÕES: 
• O Brasil possui a maior reserva mundial de hidroenergia, 
fazendo com que o sistema gerador brasileiro seja diferenciado 
dos outros países. 
• O potencial hidroelétrico brasileiro é estimado em 260.095 MW 
que equivale a 3,92 milhões de barris de petróleo por dia. 
• O Brasil consome atualmente 100% da energia hidroelétrica que 
produz. Em relação ao petróleo, o País consome 
aproximadamente a mesma quantidade que produz. 
 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
CONCLUSÕES: 
• A atual crise de energia brasileira não é uma crise de fontes 
alternativas, mas crise de crescimento econômico. 
• Um problema relevante do potencial hidráulico consiste na 
inclusão de variáveis ambientais no processo de licenciamento. 
• O etanol permanece como alternativa interessante, mas o alto 
preço do açúcar no mercado internacional vem diminuindo o 
interesse do setor sucroalcooleiro na sua produção. 
 
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SITUAÇÃO BRASILEIRA 
CONCLUSÕES: 
• As descobertas de Gás Natural na Bacia de Santos diminuem a 
dependência desse recurso da Bolívia. 
• O Brasil é o maior importador de carvão para fabricação de aço, 
já que o nosso é pouco adequado para esse fim. 
• Em relação às reservas de urânio, entende-se já dispor de 
quantidade apreciável, ainda que a prospecção tenha sido 
realizada em parcela reduzida do território nacional. 
 
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FIM