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1.1 ENERGIA E PANORAMA ENERGÉTICO JOSÉ ROBERTO SIMÕES MOREIRA Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA) Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP) JOSÉ AQUILES BAESSO GRIMONI Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP MARCELO DA SILVA ROCHA Centro de Engenharia Nuclear (CEN) Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN-CEN/SP) O Sol e as fontes de energia O Sol é a principal fonte de energia de todo o planeta, seja no fornecimento de energia para a realização de todos os processos climáticos naturais, seja como fonte de calor e luz para os vegetais e os animais e para o homem nas suas próprias atividades. Em última análise, o Sol é a fonte primária de energia, uma vez que praticamente todas as fontes de energia necessárias à sobrevivência do homem, tais como alimentos (vegetais ou animais), calor e luz, além de promover o ciclo da água como elemento fundamental aos seres vivos, são supridas de alguma forma pela energia solar. A energia solar é o maior recurso energético de que a humanidade dispõe. De forma intrigante, a energia proveniente do Sol é gerada a partir do fenômeno de fusão nuclear nas suas camadas mais internas. A Figura 1.1 mostra de forma esquemática a estrutura solar. Em sua camada mais interna, o núcleo, ocorre a fusão nuclear. A energia resultante da fusão, na forma de radiação de fótons, é transferida para a chamada zona de convecção intermediária. A energia na forma de calor por convecção, em seguida, é transferida para a superfície. A convecção é o fluxo de calor através de um fluido, nesse caso, o plasma. A convecção ocorre basicamente de duas maneiras: por interação aleatória de partículas de alta energia (movimento browniano) e pelo fluxo de correntes aquecidas do plasma. Após atingir a superfície do Sol a energia é transmitida principalmente por radiação (fótons) e vento solar (partículas) para o resto da heliosfera. Um grande número de neutrinos também é liberado pelo processo de fusão. No entanto, os neutrinos raramente interagem com a matéria. Centenas de bilhões de neutrinos atingem a Terra a cada segundo, sem que possamos perceber ou nos fazer mal. Os neutrinos solares atravessam completamente a Terra e há uma chance em mil bilhões de serem parados por outra partícula. No entanto, usando-se milhares de litros de fluidos especiais e dispositivos de detecção muito delicados, neutrinos foram detectados e medidos. Essa técnica experimental foi utilizada para verificar a teoria da fusão nuclear como o motor de energia no núcleo de nosso Sol e de outras estrelas. 1.1.1 Figura 1.1 Estrutura interna e da superfície do Sol. A densidade média de energia proveniente do Sol fora da atmosfera da Terra é conhecida como constante solar, tendo sido medida de várias formas, e seu valor médio é de 1353 W/m2. Essa densidade média de energia está disponível constantemente no lado claro da Terra durante todo o ano, gerando um fluxo anual de energia térmica da ordem de 11,86 MWh/m2. Desde tempos remotos a humanidade faz uso da energia solar para as realizações de suas atividades. Historicamente, tem-se notícia do uso da energia solar desde o século VII a.C., quando elementos vitrificados foram utilizados como concentradores para a produção de fogo; em 640 a.C., foi acesa a chama eterna na Grécia por meio da concentração dos raios solares; em 1769, 160 °C foram produzidos com efeito estufa na França; em 1878, uma prensa foi acionada por uma máquina a vapor de fonte solar; em 1913, uma bomba de irrigação foi acionada com captadores solares planos, no Egito; em 1931, as células fotovoltaicas foram inventadas nos EUA; em 1951, 50 mil aquecedores solares já estavam em funcionamento em Miami, EUA; em 1955, um terminal de comunicações terrestres foi acionado por energia solar fotovoltaica nos EUA; em 1957, satélites espaciais já operavam com geração solar fotovoltaica; em 1968, um forno solar de até 3500 °C foi projetado e operado na França; em 1981, uma central elétrica solar fotovoltaica de 250 kW já estava em operação nos EUA; em 1999 a capacidade instalada de energia solar fotovoltaica no mundo todo já ultrapassava 1000 MW. Esse histórico mostra de forma resumida a linha de tempo da utilização da energia solar pelo homem e nos dá uma noção do ritmo no qual a capacidade de utilização da energia proveniente do Sol vem sendo incrementada. Em termos de sociedade humana, o Sol foi considerado como um deus por muitos povos, dado o seu caráter provedor de energia, luz e, em última análise, sustentador da própria vida terrena. De forma impressionante, nos dias atuais, ainda há reminiscências de hinos de louvor ao “deus sol” que ecoam em templos pelo planeta. Não obstante essa obsessão pelo astro-rei, a revelação bíblica sempre o colocou em sua devida posição, juntamente com os outros astros, como elemento resultante do ato da criação e, portanto, jamais podendo ser considerado objeto de adoração (Deut. 4:14). Formas de energia O conceito científico de energia é de difícil entendimento, por se tratar de uma grandeza física proveniente do inter- relacionamento entre dois sistemas físicos. A origem da palavra energia provém do grego, e seu significado está associado com a capacidade de realização do trabalho. Dentre as diversas formas em que se apresenta na natureza, a energia pode ser transformada de uma forma em outra por meio dos chamados processos de conversão de energia. Entretanto, não obstante seu caráter multiforme, a energia total de um sistema permanece inalterada, como ditado pela Primeira Lei da Termodinâmica, objeto do Capítulo 2. https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter2.html • • As principais formas de energias são: Energia solar: a energia solar é uma das fontes de energia renováveis e inesgotáveis. Proveniente das radiações eletromagnéticas emitidas pelo Sol, na forma de calor e luz. A energia solar pode ser convertida diretamente para o aquecimento da água, por intermédio dos coletores solares de baixa e alta eficiência (energia solar térmica), como ilustrado à esquerda da Figura 1.2, ou pode ser diretamente transformada em energia elétrica por intermédio de dispositivos de conversão de energia solar, tais como os painéis fotovoltaicos (Figura 1.2 – à direita). Futuramente, a energia solar representará uma parcela considerável da matriz energética em todo o mundo. Dada a importância da energia solar dentre as energias renováveis, dois Capítulos (9 e 10) são dedicados a esta forma de energia. Figura 1.2 Exemplos de aplicações de energia solar: aquecimento de água e produção de energia elétrica por meio de painéis fotovoltaicos. Figura 1.3 Exemplo de turbinas eólicas para geração de energia elétrica. À esquerda, turbina eólica de eixo horizontal e, à direita, turbina eólica de eixo vertical. Energia eólica: a movimentação do ar atmosférico ou do vento provém do efeito da energia solar na atmosfera terrestre, sendo resultado do aquecimento desigual da atmosfera pelo Sol, das irregularidades da superfície e da rotação da Terra. Os padrões de fluxo de ar e suas velocidades variam muito entre as regiões da superfície terrestre e são modificados pelos oceanos, pela vegetação e pelo relevo da crosta terrestre. Desde tempos remotos a humanidade utiliza a energia associada ao vento, ou energia de movimento, para diversos propósitos, como movimentar embarcações (vela), empinar pipas, bombear água, mover moinhos e também para gerar eletricidade. O termo energia eólica descreve o processo pelo qual o vento é usado para gerar energia mecânica ou elétrica. O vento gira as pás da turbina eólica, que giram um eixo que se liga a um gerador que gera a eletricidade. As turbinas eólicas são as máquinas mecânicas que convertem a energia cinética do vento em energia mecânica e https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter9.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter10.html• • em energia elétrica. As turbinas eólicas modernas podem ser classificadas em dois grupos básicos: as de eixo horizontal e as de eixo vertical. Podem ser construídas na terra ou no mar, com capacidade de geração elétrica de alguns quilowatts a dezenas de megawatts. A Figura 1.3 mostra exemplos de turbinas eólicas de eixos horizontal e vertical. As turbinas eólicas maiores são mais eficientes e são agrupadas em parques eólicos que fornecem grandes quantidades de energia para o sistema elétrico. Nos últimos anos, houve um aumento significativo em instalações de energia eólica offshore, em função do grande potencial que essas regiões oferecem. As turbinas de pequeno porte são usadas para residências, telecomunicações ou bombeamento de água. Podem ser utilizadas em um sistema híbrido, ou seja, associadas a outras formas de energia renovável, como solar fotovoltaica, e também com termogeração a diesel ou gás natural em redes elétricas locais de pequeno porte (Burton et al., 2001). O assunto é tratado no Capítulo 8. Energia atômica ou nuclear: fundamental para os processos de conversão energética no Universo. No interior do Sol, por exemplo, a energia nuclear é resultado da fusão de átomos leves, como o hidrogênio, que libera grandes quantidades de energia. A fusão nuclear é um processo de grandes possibilidades para uso comercial, porém, até hoje, tem-se mostrado de difícil controle, e seu uso vem se restringindo à construção de bombas de hidrogênio. A energia atômica também pode resultar da fissão de átomos pesados, como urânio, tório e plutônio, por meio da liberação de energia derivada da transformação de massa no processo. Apesar de não ser tão intensa quanto no processo de fusão, a liberação de energia no processo de fissão também é alta, e, por ser mais fácil de ser controlada, seu uso se difundiu na última metade do século passado, resultando na construção de diversos ciclos térmicos de potência para a geração de energia elétrica, além de mover ciclos térmicos de acionamento de navios e submarinos (Bodansky, 2004). A fotografia de uma usina nuclear é mostrada na Figura 1.4. Energia química: é a energia acumulada nas ligações químicas entre os átomos das moléculas. O aproveitamento se dá quando as ligações existentes nas moléculas dos reagentes possuem mais energia do que as ligações existentes nas moléculas dos produtos resultantes de uma dada reação, daí a liberação de energia. As principais fontes de energia química são os hidrocarbonetos provenientes do refino do petróleo, como os óleos combustíveis, a gasolina, o gás liquefeito de petróleo, além do gás natural. Além dessas, existem também a lenha, o etanol, o carvão mineral, o carvão vegetal, a biomassa, o biogás e o hidrogênio, em que se observam processos que envolvem a transformação da energia química das moléculas em energia elétrica ou outra forma de energia mecânica útil. Suas maiores aplicações estão ligadas aos processos de combustão em motores de combustão interna, turbinas a gás, caldeiras e fornos. A análise dos processos de combustão e dos combustíveis é objeto do Capítulo 4. A energia química presente na biomassa e as técnicas relativas ao seu uso são tratadas no Capítulo 11. Dada a importância que o hidrogênio vai desempenhar em futuro próximo, um capítulo inteiro é dedicado à chamada “economia do hidrogênio” (Capítulo 14). A Figura 1.5 mostra a fotografia de chamas resultantes das reações químicas de combustão com liberação de energia das ligações moleculares na forma de calor, tal como ocorre em um queimador. Figura 1.4 Vista de uma usina nuclear. https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter8.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter4.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter11.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter14.html • • Figura 1.5 Chamas resultantes das reações químicas de combustão com liberação de energia das ligações moleculares do combustível na forma de calor. Existem na atualidade perspectivas promissoras quanto à utilização de técnicas de conversão direta, aplicadas às “células de combustível”, que produzem diretamente energia elétrica a partir da reação de combustíveis, com alta eficiência, por meio de reações isotérmicas, a temperaturas relativamente baixas. Energia elétrica: a energia elétrica é normalmente associada à circulação de cargas elétricas através de um campo de potencial elétrico, apesar de ser igualmente correto considerar sua presença em cargas estacionárias, como nos capacitores elétricos ou em nuvens eletricamente carregadas. A potência elétrica pode ser medida pelo produto da tensão pela corrente. A energia elétrica é utilizada para os mais variados fins, e pode-se dizer que, hoje em dia, ela é um dos pilares mais importantes da sociedade. Iluminação, uso de eletrodomésticos, ar condicionado, acionamento industrial e muitos outros dependem hoje da energia elétrica. Por isso, a maioria dos processos de conversão de energia tem como finalidade a sua produção. A energia elétrica é nobre no sentido de ser transformada em processos a partir de outras formas de energia, podendo ser disponibilizada diretamente ao consumidor de forma fácil e segura por meio das linhas de distribuição. O Capítulo 5 é dedicado às máquinas elétricas de transformação de energia. As principais formas de geração de energia elétrica são as usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares e, mais recentemente, os geradores eólicos, os painéis solares fotovoltaicos e as células de combustível. Não é possível conceber uma sociedade moderna sem o uso da energia elétrica. A maior dificuldade de sua produção em forma isolada, ou geração distribuída (Capítulo 7) é seu armazenamento, conforme discutido no Capítulo 6. Na Figura 1.6 estão indicadas formas de geração de energia elétrica. A energia eólica é tratada no Capítulo 8. Energia térmica: pode apresentar-se nas formas de radiação térmica (radiação solar) ou energia interna. Como mencionado, o calor corresponde a um fenômeno apenas observável na fronteira entre sistemas onde exista uma diferença de temperaturas. Vale ressaltar que um fluxo de calor pode resultar tanto de uma variação interna de energia quanto de outra forma energética. A energia interna corresponde à capacidade de promover mudanças, associada à agitação térmica de um dado material, que pode ser medida por sua temperatura. A transferência dessa energia interna de um corpo para outro se dá pelos processos de condução, convecção ou radiação térmica. Ainda, na categoria da energia térmica, pode-se citar a energia geotérmica, que consiste no aproveitamento do calor do vapor naturalmente existente nos fluxos subsuperficiais que ocorrem em regiões de formações geológicas vulcânicas. A produção de vapor para geração de energia termelétrica também é uma das formas mais comuns de produção de energia hoje em dia e, como exemplo, temos as usinas termelétricas nucleares, a gás, a carvão e a biomassa. A Figura 1.7 mostra uma usina de geração termelétrica. https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter5.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter7.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter6.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter8.html • • Figura 1.6 Exemplos de energia elétrica por meio de geradores eólicos e fotovoltaicos, e de hidrelétricas. Figura 1.7 Fotografia de uma central termelétrica. Energia mecânica: a energia mecânica pode ser encontrada nas formas potencial e cinética, além da forma de eixo girante, como nos eixos de motores. A energia potencial refere-se, basicamente, a forças estáticas e pode ser potencial elástica, acumulada em molas ou em gases comprimidos, ou gravitacional, o que depende da posição de uma massa no campo gravitacional.A energia cinética é relacionada com a inércia de corpos em movimento e depende da massa e da velocidade desses corpos. A energia mecânica, assim como a elétrica, apresenta diversas aplicações, desde usos antigos, como em moinhos, rodas de água e tração animal, até nos dias de hoje, nos eixos de motores de combustão interna e geradores eólicos. Na categoria de energia mecânica pode- se, ainda, incluir a energia das marés, energia das ondas do mar e também a energia hidráulica, transformada em energia elétrica por intermédio de turbinas hidráulicas acopladas a geradores elétricos. Este assunto é tratado com mais detalhes no Capítulo 13. Na Figura 1.8 ilustram-se dois equipamentos que produzem energia mecânica de eixo. Energia magnética: tipo de energia acumulada na forma de campos magnéticos (Figura 1.9a), que é utilizada de modo prático no transporte e na transformação de energia elétrica em transformadores. A energia magnética é comumente associada à energia mecânica de eixo, por exemplo, em motores e geradores elétricos. Uma importante aplicação da energia magnética é o sistema de levitação e propulsão de trens de alta velocidade (Figura 1.9b). https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter13.html Figura 1.8 Exemplos de aplicações de energia mecânica. Figura 1.9 Exemplos de aplicações de energia magnética. Todas essas formas de energia apresentadas não esgotam as possibilidades de se considerar a energia que existe sempre que houver necessidade de promover uma mudança de estado. Assim, podem ser definidas, ainda, a energia elástica à tensão superficial de um líquido, que se mostra na formação de bolhas de sabão; a energia difusiva decorrente da diferença da concentração de gases, líquidos e sólidos solúveis; a energia de mudança de fase das substâncias (energia latente) e diversas outras formas. É claro que, ao utilizar o recurso energético, devem-se empregar critérios de eficiência de uso, como discutido nos Capítulos 12 e 15, critérios esses aliados a preocupações ambientais (Capítulo 17), sob uma ótica de investimento (Capítulo 16) e de regulação (Capítulo 18). No entanto, a quantidade de energia solar disponível na Terra é significativamente maior do que o total estimado para os outros recursos energéticos, sejam os renováveis, sejam os de origem fóssil, incluindo-se o urânio físsil (Muñiz et al., 2010; Bodansky, 2004). Uma discussão mais ampla dos diversos tipos de energia será abordada nos capítulos subsequentes deste livro. Na Tabela 1.1 estão apresentados os valores da energia disponível em processos reais, naturais ou tecnológicos, em associação com o fenômeno físico ou químico considerado. Tabela 1.1 Unidades de energia, trabalho e potência Unidade Fator de conversão 1 J (joule) 107 ergs 1 W (watt) 1 J/s 1 HP 746 W https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter12.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter15.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter17.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter16.html https://jigsaw.minhabiblioteca.com.br/books/9788521633785/epub/OEBPS/Text/chapter18.html 1.2 • • 1 cal 4,18 J 1 kWh (quilowatt-hora) 3,6 × 1013 ergs = 3600 kJ 1 tep (tonelada equivalente de petróleo) 10.000 × 103 kcal ou 11.630 kWh 1 BTU (British Thermal Unit) 252 cal 1 kW ano/ano 0,753 tep/ano Nas próximas seções são apresentados alguns conceitos normalmente usados para a análise do segmento energético (balanço energético, matriz energética etc.) para poder avaliar a situação em diversos níveis (mundial, regional e nacional) e seus respectivos futuros para, sobretudo, discutir o papel da energia em um desenvolvimento sustentável, racional e eficiente. Cadeias energéticas Cadeia energética é a sequência do fluxo e das formas de energia desde a fonte ou produção (energia primária), passando pela transformação (energia derivada), até a utilização final (energia final e energia útil), conforme indicado pelo diagrama de blocos da Figura 1.10. Cada etapa definida na estrutura do esquema da Figura 1.10 pode, por sua vez, ser dividida da seguinte forma: Figura 1.10 Estrutura geral das cadeias energéticas. Energia primária: corresponde às formas mais primárias de energia disponíveis. Como energia primária, compreende-se: petróleo, gás natural, carvão mineral, carvão vegetal, urânio (U238), energia hidráulica, biomassa, fontes geotérmicas, energia solar, eólica e potencial das ondas. A energia primária tem sua maior parcela consumida ou transformada em refinarias, usinas de gás natural, coqueria, usinas hidrelétricas etc. A energia secundária, na forma de óleo diesel, gasolina, gás hidrogênio, coque de carvão mineral, eletricidade, entre outras, é resultado dessa transformação. Há também uma parcela de energia primária consumida diretamente, como a lenha e o carvão, denominadas de consumo final. Uma parcela da energia secundária também vai diretamente para o consumo final, e a outra é convertida em óleo combustível, eletricidade, nafta, gás canalizado, entre outros. O consumo final se desagrega em energético e não energético, o primeiro abrangendo o próprio setor energético, o residencial, o comercial, o público, o agropecuário, o do transporte (rodoviário, ferroviário, aéreo e hidroviário) e o industrial (cimento, ferro-gusa e aço, ferroliga, mineração/pelotização, não ferrosos, química, alimentos e bebidas, têxtil, papel e celulose, cerâmica e outras indústrias). Transformação: correspondem aos processos industriais de transformação das fontes primárias de energia, como plantas de beneficiamento de petróleo, plantas de transformação de carvão mineral (coqueria) e vegetal (carvoaria), plantas de geração de energia termelétrica (usinas termelétricas a carvão, óleo mineral, gás natural, • • 1.3 biomassa, nuclear, solar), plantas de transformação e beneficiamento de combustível nuclear e plantas de geração de energia hidrelétrica, eólica e maré motriz. Energia secundária: corresponde às fontes de energias derivadas do processamento das fontes de energia primária. Como exemplos podem-se citar: óleo diesel, óleo combustível, gasolina, gás hidrogênio, gás liquefeito de petróleo (GLP), nafta, querosene, gás proveniente de carvão mineral (gás de coqueria), coque de carvão mineral, urânio enriquecido (pastilhas de combustível de reatores nucleares), eletricidade, carvão vegetal, álcool etílico (anidro e hidratado) além de outras fontes. Nessa etapa ocorre o consumo final secundário. Consumo final total: corresponde ao consumo final que, por sua vez, pode ser dividido em consumo final não energético e consumo final energético. Figura 1.11 Cadeia energética de diversas fontes de energia dos países não pertencentes à Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico (OCDE). Cabe chamar a atenção para o fato de que entre o balanço de transformação e o balanço de consumo existem as perdas de energia útil na distribuição e armazenagem de energia. Essas perdas aparecem sempre com sinal negativo e correspondem àquela parcela da energia que fica no meio do caminho e não chega ao consumidor final. É possível observar que o sentido do fluxo no balanço vai da energia primária para o consumo final total. Dessa forma, qualquer operação que agregue energia a esse fluxo pela inserção de energia à cadeia energética é positiva, e qualquer operação que retire energia desse fluxo é negativa. Na análise da cadeia energética, a importação tem sinal positivo, enquanto a exportação tem sinal negativo; se a energia vai para o estoque, saindo do fluxo, possui sinal negativo, se ela sai do estoque, indo para o fluxo, possui sinal positivo. A Figura 1.11 mostra uma cadeia energética contendo a fonte de energia primária, os fluxos e o consumidor final. Matriz energética mundial e brasileira A matriz energética é o panorama de distribuição real de aproveitamento dos recursos energéticosdentro de um país, de uma região ou do mundo. Sua determinação está diretamente vinculada ao balanço energético, e sua aplicação consiste em estudos setoriais que têm por finalidade apresentar a evolução da demanda e da oferta de energia de um país, região ou de todo o mundo. A matriz energética é criada tendo como base o período de um ano e a análise de um cenário específico. Projetada para determinado período, propõe como deve ser o desenvolvimento energético de uma região nesse espaço de tempo. A construção da matriz é feita levando-se em consideração os diversos setores de produção, industrial, residencial, agropecuário e de serviços do lado da demanda e, do lado da oferta, os centros de transformação das principais fontes de energia. Aqui será apresentado apenas um breve resumo da matriz energética brasileira. Para se ter uma matriz completa, seria necessária uma obra inteira dedicada apenas a esse fim. Nas próximas seções são apresentadas, de forma resumida, uma análise mais atual das matrizes energéticas mundial e brasileira. 1.3.1 Matriz energética mundial Para compreender melhor os fundamentos da matriz energética, deve-se relacionar a análise com cenários que se compõem por meio da matriz energética ao longo do tempo. Nesse sentido, podem ser tomados vários cenários para se chegar a um resultado final (alto crescimento, baixo crescimento etc.), mas, no cenário escolhido, alguns fatores devem ser considerados como mais importantes para se alcançarem níveis e mecanismos de desenvolvimento limpo com foco na sustentabilidade. É bom ressaltar que o traçado da matriz energética é resultado dos trabalhos do balanço energético consolidado, o qual, nesse sentido, mostra as inter-relações entre a oferta, a transformação e o uso final de energia, cujo foco principal é o planejamento energético. Assim, a matriz energética é o resultado dos fluxos energéticos das fontes primárias e secundárias de energia, desde a produção até o consumo final. É importante destacar que a matriz energética e um balanço energético consolidado são fundamentais na construção de cenários e de estratégias energéticas como instrumento do desenvolvimento, ou seja, do planejamento energético em um contexto que engloba aspectos energéticos, socioeconômicos e ambientais. A problemática energética engloba: estrutura da demanda; conteúdo energético da produção; reservas naturais; recursos naturais energéticos; tecnologias de exploração; importação e exportação de energéticos; produção de energia primária; produção dos centros de transformação; consumo de energia pelos setores da sociedade; consumo de energia útil por setor e por fonte; destino da energia útil por setor e por serviço; preços e tarifas do setor energético, e custos de produção, transporte e armazenamento. O gráfico da Figura 1.12 apresenta o consumo energético mundial, com a evolução da oferta e do consumo, de 1990 a 2040. Observando-o, é possível notar um aumento, tanto do consumo energético bastante acentuado dos países não membros da Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico (OCDE) como um discreto consumo energético dos países-membros da Organização (IEA, 2013) no período de 1990 a 2010. O mesmo comportamento foi projetado para o período de 2010 a 2040. Figura 1.12 Consumo energético mundial de 1990 a 2040 (IEA, 2013). Analisando-se a Figura 1.13 (IEA, 2013) — caso de referência —, percebe-se que os combustíveis fósseis continuarão a fornecer a maior parte da energia utilizada no mundo. Embora os combustíveis líquidos — principalmente os produtos de petróleo — continuem a ser a maior fonte de energia, sua participação no consumo energético mundial tenderá a cair de 34 % em 2010 para 28 % em 2040, enquanto os preços do petróleo terão alta mundial projetada, levando muitos usuários de energia a mudar dos combustíveis para as energias renováveis e energia nuclear. No caso de referência, a parcela de energias renováveis tenderá a aumentar de 11 % em 2010 para 15 % em 2040, e a nuclear tenderá a crescer de 5 % para 7 %. Figura 1.13 Consumo energético mundial por tipo de combustível de 1990 a 2040 (IEA, 2013). A Figura 1.14 mostra a geração líquida mundial de eletricidade por tipo de combustível, de 2010 a 2040 (IEA, 2013). Figura 1.14 Geração mundial de eletricidade por tipo de combustível, de 2010 a 2040 (IEA, 2013). A geração líquida de eletricidade mundial tenderá a aumentar (IEA, 2013), passando de 20.200.000 milhões de kWh em 2010 para cerca de 39,0 trilhões de kWh em 2040. Em geral, o crescimento da demanda de energia elétrica nos países-membros da OCDE, nos quais os mercados de eletricidade estão bem estabelecidos e os padrões de consumo são maduros, o aumento será mais lento que nos países não membros da OCDE, nos quais atualmente muitas pessoas não têm acesso à eletricidade. A geração de eletricidade líquida total em países não membros da OCDE aumenta em uma média de 3,1 % ao ano (no caso de referência), liderada pelos países da Ásia que não fazem parte da OCDE (inclusive China e Índia), em que os aumentos anuais têm média de 3,6 % entre 2010 e 2040. Em contraste, a geração líquida total nos países da OCDE crescerá em média 1,1 % ao ano até 2040. Em muitas partes do mundo, as preocupações com a segurança do abastecimento de energia e as consequências ambientais das emissões de gases efeito estufa têm estimulado a adoção de políticas governamentais que apoiam um aumento previsto das fontes de energia renováveis. Como resultado, as fontes de energia renováveis apresentam um 1.3.2 • • crescimento mais rápido de geração de energia elétrica, de 2,8 % ao ano entre 2010 e 2040. Depois da geração renovável, o gás natural e a energia nuclear serão as fontes de crescimento mais rápido. Embora o carvão tenda a aumentar pouco sua participação na geração de eletricidade, continuará a ser a maior fonte de geração de energia mundial até 2040. As perspectivas para o carvão, no entanto, podem ser alteradas substancialmente por quaisquer futuras políticas nacionais ou acordos internacionais que visem a reduzir ou limitar o crescimento das emissões de gases efeito estufa. Grande parte do aumento previsto na produção de eletricidade renovável ainda será bastante influenciado pela energia hidrelétrica, solar e eólica. A contribuição da energia eólica, em particular, tem crescido rapidamente nos últimos dez anos, começando com 18 GW de capacidade instalada líquida ao final de 2000 para 183 GW ao final de 2010, uma tendência que continua para o futuro. Dos 5,4 trilhões de kWh de geração de energia renovável adicionados ao longo do período de projeção, 2,8 trilhões de kWh (52 %) são atribuídos à energia hidrelétrica e 1,5 trilhão de kWh (28 %). A maior parte do crescimento da geração hidrelétrica (82 %) ocorre nos países não membros da OCDE, e mais da metade do crescimento da geração de energia eólica (52 %) ocorre nos países-membros da OCDE. Os elevados custos de construção podem tornar o custo total de construção e operação de geradores de energias renováveis mais elevado que o custo das plantas convencionais. A intermitência das energias eólica e solar, em particular, pode dificultar ainda mais a competitividade econômica desses recursos, pois não estão necessariamente disponíveis quando seriam de maior valor para o sistema. No entanto, a melhoria da tecnologia de armazenamento de bateria e dispersão de vento e instalações de geração de energia solar em áreas geográficas extensas poderia ajudar a mitigar alguns dos problemas associados com a intermitência no período de projeção. Esses tipos de observações, de caráter global e qualitativo, podem nos fornecer várias informações que, em geral, vão além do âmbito da energia, pois o setor energético é básico, afetando todos os demais. Logo, o estudo da Matriz Energética é um instrumento importante no planejamento do desenvolvimento e, por conseguinte, para as pretensões do desenvolvimento sustentável. No caso da sustentabilidade, é relevante observar, por exemplo, a participação das fontesrenováveis. Esse planejamento deveria ser mundial. Matriz energética brasileira Segundo o relatório final do Balanço Energético Nacional de 2014 (MME/EPE, 2014), o Brasil dispõe de uma matriz elétrica de origem predominantemente renovável, sendo que 64,9 % da oferta interna correspondem à geração hidráulica e 79,3 % da oferta interna de eletricidade correspondem às fontes renováveis. Do lado do consumo, o setor residencial apresentou alta de 6,2 %. O setor industrial registrou uma ligeira alta de 0,2 % no consumo de eletricidade em relação ao ano de 2012. Os demais setores (público, agropecuário, comercial e transportes) apresentaram alta de 4,8 % em relação a 2012. O setor energético aumentou 12,6 %. Em 2013, a capacidade total instalada de geração de energia elétrica do Brasil (centrais de serviço público e autoprodutoras) somou 126.743 MW, o que representa um acréscimo de aproximadamente 5,8 GW. Na expansão da capacidade instalada, as centrais hidrelétricas contribuíram com 30 %, enquanto as centrais térmicas responderam por 65 % da capacidade adicionada. Por fim, as usinas eólicas foram responsáveis pelos 5 % restantes de aumento do grid nacional. Petróleo e derivados: a produção nacional de petróleo e óleo de xisto caiu 2,4 % em 2013, atingindo a média de 2,02 milhões de barris diários, dos quais 91,4 % são de origem marítima. A produção de derivados nas refinarias nacionais atingiu o valor de 107,8 milhões de tep, com crescimento de 6,5 % em relação a 2012. Destaque para óleo diesel e gasolina que participaram com 39,2 % e 20,5 %, respectivamente, da produção total. O consumo teve aumento de 6,3 % de óleo diesel e queda de 0,2 % de gasolina automotiva. O setor de transporte respondeu por 82,9 % do consumo final energético de óleo diesel. Gás natural: a produção diária média em 2013 foi de 77,2 milhões de m3/dia, e o volume de gás natural importado foi, em média, de 46,5 milhões de m3/dia. Assim, a participação do gás natural na matriz energética nacional ficou em 12,8 %. A demanda da indústria teve decréscimo de 1,1 % em relação a 2012. Na geração térmica (inclusive autoprodutores e usinas de serviço público) houve um aumento de 47,6 % que atingiu 69,0 TWh. Isso representou um aumento de 57,8 % com relação a 2012. • 1.4 1.4.1 1.4.2 Carvão vapor e carvão metalúrgico: na geração elétrica, o carvão utilizado é o carvão vapor, predominantemente de origem nacional, cujos estados produtores são Paraná, Santa Catarina e Rio Grande do Sul. A demanda de carvão vapor para esse uso final aumentou em 59,1 % em 2013 em relação a 2012. No caso do carvão metalúrgico, registrou-se uma queda de 3,0 % no consumo do setor siderúrgico em 2013 em decorrência da redução da produção física de aço bruto no período (cerca de 1,3 %). Balanço da energia mundial e brasileira O balanço energético é um conjunto de dados registrados para um dado país ou região, sobre o modo como as diversas fontes de energia foram utilizadas pelos diversos setores da sociedade, em um dado ano de avaliação, além de apresentar outros dados sobre o setor energético em questão. Nesta seção são apresentados os balanços energéticos do Brasil e do mundo, com base em dados disponibilizados recentemente por diversas fontes oficiais. Síntese do balanço energético mundial O balanço energético mundial nos dá uma noção da ordem de grandeza e da distribuição da oferta e dos usos de energia. Contextualiza também o balanço brasileiro, localizando-o e mostrando a sua relevância. A busca de um desenvolvimento limpo exige essa visão sistêmica do setor energético. Assim, por exemplo, na Tabela 1.2 pode ser visto o balanço energético mundial simplificado de 2015 (IEA, 2016). Tabela 1.2 Balanço energético mundial simplificado em 2012 [×106 tep] (OCDE/IEA) Milhões de TEP Fluxo Petróleo cru Óleo e produtos Gás natural Carvão Nuclear Hidráulica Biocombustíveis e lixo Outros Total Produção 4308,45 2928,32 3976,14 661,35 334,94 1413,06 183,17 13.805,43 Importação 2213,37 1193,32 844,32 842,15 20,22 61,73 5175,11 Exportação –2159,50 –1242,64 –863,25 –863,14 –18,97 –59,35 –5206,85 Transportes (total) 2426,33 97,90 2,86 73,89 26,04 2627,02 Industrial (total) 6,80 294,67 548,54 858,49 193,52 849,15 2751,17 Outros 0,18 424,53 613,41 155,39 848,45 1141,03 3182,99 Consumo não identi�cado 10,60 598,11 160,13 58,68 827,52 Fonte: IEA, 2016. Síntese do balanço energético brasileiro Um resumo do balanço energético nacional é apresentado na Tabela 1.3. É importante notar a representatividade de cada setor, suas magnitudes, a participação de fontes renováveis e não renováveis, as tendências etc., para poder entender melhor a dinâmica do setor e, por consequência, o próprio desenvolvimento do país. Os números serão analisados de forma breve. 1.5 Uma análise sucinta dos destaques de energia em 2015 e de comparações com o ano anterior para as principais fontes energéticas será apresentada adiante, segundo o Balanço Energético Nacional 2016 (MME, 2016). A produção de eletricidade a partir de fonte eólica alcançou 21.626 GWh em 2015, o que equivale a um aumento de 77,1 % em relação ao ano anterior, quando se atingiu 12.210 GWh. O montante de biodiesel (B100) produzido no país atingiu 3.937.269 m3, um aumento de 15,1 % no biodiesel disponibilizado no mercado interno em relação a 2014. Já o percentual de B100 adicionado compulsoriamente ao diesel mineral ficou constante em 7 %. A principal matéria-prima foi o óleo de soja (70,0 %), seguido do sebo bovino (16,0 %). A produção de cana-de-açúcar no ano civil 2015 alcançou 660,5 milhões de toneladas. Esse montante foi 4,5 % superior ao registrado no ano anterior, quando a moagem foi de 631,8 milhões de toneladas. A produção nacional de açúcar foi de 34,2 milhões de toneladas, com queda de 3,5 % em relação ao ano anterior, enquanto a fabricação de etanol cresceu 6,0 %, atingindo um montante de 30.249 mil m3. Desse total, 61,8 % referem-se ao etanol hidratado: 18.684,6 mil m3. A produção de etanol anidro, que é misturado à gasolina A para formar a gasolina C, diminuiu em 5,4 %, totalizando 11.564,6 mil m3. A geração de energia elétrica no Brasil em centrais de serviço público e autoprodutores atingiu 581,5 TWh em 2015, resultado 1,5 % inferior ao de 2014. As centrais elétricas de serviço público, com 83,4 % da geração total, permanecem como principais contribuintes. A principal fonte de geração de energia elétrica é a hidráulica, embora tal fonte tenha apresentado uma redução de 3,7 % na comparação com o ano anterior. A geração elétrica a partir de não renováveis representou 26,0 % do total nacional, contra 26,8 % em 2014. A geração de autoprodutores em 2015 participou com 16,6 % do total produzido, considerando o agregado de todas as fontes utilizadas. Importações líquidas de 34,4 TWh, somadas à geração nacional, asseguraram uma oferta interna de energia elétrica de 615,9 TWh, montante 1,3 % inferior a 2014. O consumo final foi de 522,8 TWh, com um recuo de 1,8 % em comparação com 2014. A Figura 1.15 mostra de forma sucinta a produção primária de energia no Brasil de acordo com o Balanço Energético Nacional (MME, 2016). Figura 1.15 Produção primária de energia no Brasil (MME, 2016). O que o futuro nos reserva? Fazendo uma análise da história da utilização da energia, é difícil acreditar que há apenas 200 anos as principais fontes de energia eram a mecânica (tração animal), hidráulica (rodas de água), eólica (moinhos de vento e caravelas), lenha e carvão. Hoje, existe vasta disponibilidade de fontes de energia, incluindo-se diversas tecnologias de energia renovável. Mas a pergunta que devemos fazer para tentar compreender o processo de desenvolvimento do aproveitamento da energia (ou setor energético) no mundo é: o que o futuro mantém encoberto? Tabela 1.3 Balanço Energético Brasileiro em 2015 [×103 tep] (MME, 2016) Fluxo energético Petróleo Gás natural Carvão mineral1 Produtos da cana2 Derivados petróleo Hidráulica e eletricidadeOutros Total Produção 126.127 34.871 3066 50.424 0 30.938 41.044 286.471 Importação + exportação –22.764 16.198 14.846 –676 8954 2959 4888 24.497 Perdas, reinjeção e variação de estoques –1165 –10.099 –237 –899 383 0 –1537 –11.756 Oferta interna bruta 102.288 40.971 17.675 50.648 9337 33.897 44.395 299.211 Re�narias –99.972 0 0 0 103.346 0 –3783 –409 Plantas de gás natural 0 –3727 0 0 3273 0 245 –208 Centrais elétricas 0 –16.411 –4511 –5959 –6441 19.050 –10.440 –24.711 Destilarias 0 0 0 –93 0 0 0 –93 Outras transformações –1869 –1600 –1174 0 2064 0 –1438 –4017 Consumo �nal 0 18.765 11.970 44.594 111.488 44.946 28.921 260.684 Setor energético 0 6112 0 13.155 5567 2742 188 27.763 Residencial 0 312 0 0 6544 11.289 6807 24.951 Comercial + público 0 158 0 0 696 11.527 182 12.562 Agropecuário 0 0 0 13 6342 2310 2822 11.487 Transportes 0 1553 0 15.424 66.883 177 0 84.037 Industrial 0 9947 11.836 15.512 11.527 16.902 18.921 84.645 Não energético 0 685 134 490 13.929 0 0 15.237 Perdas na distribuição 0 –464 –18 –54 –96 –8001 –59 –8692 Notas: 1inclui coque; 2inclui etanol. Outros questionamentos que surgem imediatamente desse primeiro são: Como poderemos assegurar o fornecimento de energia para uma população cada vez maior e mais dependente desse insumo? Quanto isso 1.5.1 custará? Que impacto terão as opções energéticas que fazemos atualmente sobre nossas condições de vida e do nosso planeta no futuro? Para que possamos responder (ou ao menos tentar) tais questionamentos, algumas análises precisam ser feitas. Por se tratar do interesse de todos os povos, um grande esforço tem sido realizado no sentido de prever e solucionar os problemas associados à energia em todo o mundo. Para tanto, diversos órgãos governamentais e não governamentais trabalham em conjunto com universidades, instituições de pesquisa e desenvolvimento, empresas do setor energético e setores associados para propor as soluções mais viáveis para o problema energético mundial. Esses órgãos promovem estudos e os divulgam na forma de relatórios periódicos que trazem questionamentos e soluções sobre os setores energéticos regionais (países) e globais (continentes). É com base nesses relatórios que é abordado o panorama energético futuro e seu impacto na sociedade e no meio ambiente (Hammond et al., 1973; Fanchi, 2004). Possibilidades futuras de energia De acordo com o estudo desenvolvido pelo Ministério de Minas e Energia/EPE (MME, 2016), nas últimas décadas observam-se alterações no perfil demográfico brasileiro no que se refere ao padrão de crescimento populacional. Entre outros aspectos, nota-se uma menor taxa de fecundidade e uma maior expectativa de vida ao nascer. Em síntese, pode-se afirmar que a população brasileira continua crescendo, porém a um ritmo menor, e que está envelhecendo. Estima-se, para o ano 2025, uma população de 218,3 milhões de habitantes. Com relação ao perfil regional da população brasileira, observa-se que o maior crescimento ocorrerá nas regiões Norte (0,9 %) e Centro-Oeste (0,9 %), com variações acima da média nacional (0,6 %). Esse crescimento, contudo, não será capaz de induzir uma mudança significativa na estrutura da população, que continuará concentrada nas regiões Sudeste (41,9 %) e Nordeste (27,7 %) (IBGE, 2016). A tecnologia é um dos principais motores do desenvolvimento econômico e social. O rápido avanço da Tecnologia da Informação (TI) em todo o mundo transformou não só a nossa maneira de pensar, mas também a forma como agimos. Todos os aspectos da vida humana foram afetados pela tecnologia e a Internet, em particular. Não é preciso dizer que praticamente todas as tecnologias funcionam com eletricidade e, portanto, a demanda de eletricidade aumentará rapidamente (IEA, 2016). Associado ao avanço tecnológico, o crescimento da população sempre foi e continuará sendo um dos principais motores da demanda de energia, juntamente com o desenvolvimento econômico e social. Enquanto a população mundial aumentou mais 1,5 bilhão ao longo das últimas duas décadas, a taxa global de crescimento da população tem diminuído nos últimos anos. O número de pessoas sem acesso à energia comercial foi ligeiramente reduzido, e a última estimativa do Banco Mundial indica que esse número seja, atualmente, de 1,2 bilhão de pessoas. Bibliogra�a AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA (ANEEL). Atlas de Energia Elétrica do Brasil. Brasília: Aneel, 2013. BODANSKY, D. Nuclear Energy: Principles Practices, and Prospects. 2. ed. New York: Springer-Verlag Ed., 2004. BRITISH PETROLEUN (BP). BP World Energy Review. London, 2002. BURTON, T.; SHARPE, D.; JENKINS, N.; BOSSANYI, E. Handbook of Wind Energy. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd., 2001. DE JAGER, D.; FAAIJ, A.; TROELSTRA, W. P. 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