Apostila de Energias Alternativas e Energias Limpas II

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ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 1 
 
 
Energias Alternativas e Energias 
Limpas II 
 
 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 2 
UNIDADE 1. Biomassa e biogás 
 
1.1 Biomassa: lenha e carvão 
 
O termo biomassa engloba um grande número de vegetais presentes na natureza e 
formados pelo processo de fotossíntese, como também os resíduos gerados a partir 
da sua utilização, tais como: resíduos florestais e agrícolas, matéria orgânica contida 
nos resíduos industriais, domésticos, comerciais e rurais. Aos combustíveis derivados 
da biomassa, dá-se o nome de biocombustível. (REIS, 2011) 
 
A tabela a seguir representa os tipos de biomassa com seus exemplos. 
Tabela 1. Tipos de biomassa 
 
BIOMASSA EXEMPLOS 
Plantas aquáticas e 
terrestres 
Cana-de-açúcar, dendê, girassol, soja, milho, 
microalgas. 
Óleo vegetais Buriti, babaçu, mamona, dendê. 
Resíduos urbanos Aterro sanitário, lodo (esgoto), lixo orgânico. 
Resíduos industriais 
Madeira, alimentos, bebidas, celulose, casca de 
arroz. 
Resíduos florestais Bagaço de cana, esterco, carvão vegetal. 
 
Fonte: (DOS REIS, 2011) 
O emprego da biomassa energética florestal pode-se dar na forma sólida, líquida ou 
gasosa: 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 3 
• Queima direta: consiste no uso do calor gerado pela combustão 
integral da lenha (combustível sólido). 
• Carbonização: consiste na transformação do combustível sólido 
(madeira) em outro combustível sólido (carvão vegetal), a partir de uma 
combustão controlada (pirólise), transformando a madeira em um 
combustível com mais poder calorífico. 
• Gaseificação: transforma o combustível sólido em gás, para 
aproveitamento em processos específicos nos quais os combustíveis 
sólidos não possam ser utilizados. 
• Hidrólise: transformação da celulose em açúcar, que, por ação de 
fermentação é transformado em combustível líquido (etanol). (SANTOS, 
2013) 
A Figura a seguir mostra as principais utilizações, no Brasil, da biomassa energética 
florestal como energético primário e secundário 
 
Figura 1. Esquema da utilização energética da biomassa florestal 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 4 
Fonte: <http://www.iee.usp.br/gbio/?q=livro/banco-de-biomassa>. 
 
Lembremos que Energia primária são produtos energéticos providos pela natureza e 
passíveis de utilização imediata, como petróleo, gás natural, carvão mineral, resíduos 
vegetais e animais, energia solar, eólica etc. 
 
Energia secundária são os produtos energéticos resultantes dos diferentes centros de 
transformação dos recursos primários e que têm como destino os diversos setores de 
consumo e, eventualmente, outro centro de transformação, por exemplo, óleo diesel, 
óleo combustível, gasolina, GLP, nafta, querosene, coque de carvão mineral, urânio 
contido no UO2 dos elementos combustíveis, eletricidade, carvão vegetal, álcool etílico 
etc. (REIS, 2011) 
 
A fase inicial da produção plantada baseou-se em plantios clássicos, a partir de 
reflorestamentos homogêneos com eucalipto, baixa densidade florestal (1600 
árvores/ha) e ciclo de cortes longos (8, 14 e 20 anos). A segunda fase foi marcada por 
ganhos de produtividade, por meio da introdução de novas espécies, melhoramentos 
genéticos, produção própria de sementes, novos métodos de fertilização, preparo do 
solo e manejo florestal. Com o melhoramento tecnológico, pode-se implantar florestas 
mais densas (5000 árvores/ha) e diminuir o ciclo de corte (3 a 5 anos). (SANTOS, 
2013) 
 
1.1.1 Lenha 
 
Madeira é a parte lenhosa, compacta e dura, que compõe o tronco e os ramos de 
alguns vegetais, conjunto de tábuas, barrotes e outros materiais extraídos de plantas 
arbóreas e usados em carpintaria, na construção e marcenaria. A lenha é madeira 
utilizada para alimentar a combustão. 
 
No Brasil, alguns fatores colaboraram para o uso de madeira (nativa ou plantada) 
transformada em carvão vegetal nacional, dentre os quais cabe destacar: falta de 
jazidas nacionais de carvão metalúrgico de boa qualidade, grande potencial de 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 5 
aproveitamento de biomassa (domínio tecnológico e disponibilidade dos recursos 
naturais. No ano de 1990, a lenha de origem nativa representou cerca de 66% do 
insumo para produção de carvão vegetal. (SANTOS, 2013) 
 
1.1.2 Carvão vegetal 
 
A carbonização ou pirólise da madeira consiste em um processo pelo qual os materiais 
contendo carbono são decompostos termicamente na baixa presença de oxigênio. 
 
O processo dá origem a três fases distintas na forma de produtos da carbonização: 
• Fase sólida: carvão vegetal; 
• Fase gasosa: gases não condensáveis; 
• Fase líquida: fração pirolenhosa. 
 
A figura a seguir esquematiza os principais produtos da carbonização. 
Figura 2. Principais produtos obtidos a partir da pirólise da madeira 
 
Fonte: (SANTOS, 2013) 
 
1.1.3 Briquetes 
 
O briquete é uma lenha ecológica (reciclada) resultado do processo de secagem e 
prensagem de serragem ou pó dos mais diversos tipos de madeira substituindo com 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 6 
inúmeras vantagens à lenha convencional na sua totalidade, sem precisar de qualquer 
modificação no equipamento (fornos, caldeiras, etc.). 
 
Os materiais que podem ser utilizados são: lignocelulósico (jornais, fibras, etc.) e 
resíduos vegetais (serragem, poda, bagaço, etc.). (CELULOSE, 2016) 
 
A continuação apresentamos vantagens e desvantagens do uso de briquetes. 
 
Tabela 2. Vantagens e desvantagens do uso de briquetes 
VANTAGENS DESVANTAGENS 
• Facilidade de fabricação 
• Facilidade de obtenção da matéria-
prima 
• Contrapartida ambiental 
 
• Desconhecimento em geral 
• Maior rigidez das normas ambientais 
• Dificuldades de transportar o 
combustível 
• Baixa capacidade energética relativa 
Fonte: (CELULOSE, 2016) 
 
1.2 Análise calorífica 
 
• Poder Calorífico – quantidade de energia por unidade de massa (ou de 
volume, no caso dos gases) liberada na oxidação (queima) de determinado 
combustível; 
• Poder Calorífico Superior (PCS) – soma da energia liberada na forma de 
calor e a energia gasta na vaporização da água que se forma em uma reação 
de oxidação; 
• Poder Calorífico Inferior (PCI) - energia liberada na forma de calor; 
• Para combustíveis que não contenham hidrogênio na sua composição, o valor 
de PCS = PCI, porque não há formação de água e consequentemente não há 
energia gasta na sua vaporização. 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 7 
Ao comparar o poder calorífico de diferentes tipos de combustíveis com a biomassa 
(lenha), apresenta-se uma desvantagem deste combustível em relação aos demais. 
 
Tabela 3. Poder calorífico para diferentes tipos de combustíveis 
 
Combustível 
Poder Calorífico 
(kcal / kg) 
Lenha (20 — 30% 
umidade) 
3500 
Lenha seca 4700 
Carvão vegetal 6800 
Carvão metalúrgico 6800 
Coque mineral 7300 
Óleo combustível 10.090 
Fonte: (REIS, 2011) 
 
A Tabela 4 apresenta uma comparação da capacidade calorífica de briquetes utilizando 
diferentes matérias-primas. 
Tabela 4. Capacidade calorífica para diferentes tipos de briquetes 
 
Fonte: <https://docente.ifrn.edu.br/hannielfreitas/disciplinas/tecnologia-de-
producao-de-biomassa-energetica/Briquetagem-Aula2.pdf> 
Em análises comparativas entre diversas fontes combustíveis, deve-se analisar a 
densidade energética (DE): 
DE=PCS.DG 
Onde DG é a densidade a granel. 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS EENERGIAS LIMPAS II 8 
1.3 Biogás 
 
É um tipo de mistura gasosa de dióxido de carbono e metano produzida naturalmente, 
em meio anaeróbico, pela ação de bactérias em matérias orgânicas, fermentadas 
dentro de determinados limites de temperatura, teor de umidade e acidez. 
 
O metano, principal componente do biogás, não tem cheiro, cor ou sabor, mas os 
outros gases presentes conferem-lhe um ligeiro odor desagradável. (ENERGIA, 
PORTAL ENERGIA, 2015). 
 
Existem basicamente três tipos de processos na rota bioquímica: biodigestão, 
fermentação e hidrólise ácida ou enzimática. Neste caso, biogás é produzido pela 
biodigestão. 
 
O Brasil dispõe de grandes volumes de dejetos agrícolas para biodigestão pela 
decomposição anaeróbica da matéria orgânica de granjas de suínos, frangos, 
frigoríficos e de outras fontes de metano, como as estações de tratamento de esgotos 
e aterros sanitários. 
 
1.3.1 Composição do biogás 
 
• O metano é o componente principal do biogás (75%), e é produzido por 
bactérias anaeróbias; 
• As bactérias quebram ou digerem a matéria orgânica na ausência de oxigênio 
e produzem o biogás como resíduo metabólico; 
• O segundo componente é o gás carbônico com aproximadamente 25%. 
 
A Tabela 5 apresenta os principais componentes encontrados no biogás 
 
Tabela 5. Principais componentes do Biogás 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 9 
 
Fonte: <https://portalresiduossolidos.com/biogas/> 
 
1.3.2 Processo 
 
1. Excrementos animais e restos de alimentos são misturados com água no 
alimentador do biodigestor. Resíduos industriais como subprodutos da indústria 
alimentícia devem ser pasteurizados a 70°C por mais de uma hora. 
 
2. Dentro do biodigestor, a ação das bactérias decompõe o lixo, transformando-o em 
gás metano e adubo. Neste caso, é importante ser hermeticamente fechado e em 
ausência de oxigênio. Além disso, o tempo de fermentação é de 60-70 dias a uma 
temperatura entre 35-38 °C. Existe recirculação do extrato dentro do biodigestor e 
mistura constante. 
 
3. Para a dessulfuração se injetam pequenas quantidades de oxigênio atmosférico 
como redutor do H2S. 
 
4. O material fermentado (sobras) pode ser utilizado como adubo ou fertilizante. 
 
5. O gás metano é encanado e serve para geração de calor ou eletricidade. 
 
A Figura 3 ilustra o processamento e a distribuição de biogás. 
Figura 3. Esquema de produção e logística de biogás a partir de resíduos 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 10 
 
Fonte: (CAMARGO, 2014) 
 
1.3.3 Uso do biogás 
 
O biogás pode ser usado como combustível em substituição do gás natural ou do Gás 
Liquefeito de Petróleo (GLP), ambos extraídos de reservas minerais. Além disso, o 
biogás pode ser utilizado para cozinhar em residências rurais próximas ao local de 
produção (economizando outras fontes de energia, principalmente lenha ou GLP). 
 
O efluente (líquido que sai do biodigestor) possui propriedades fertilizantes. Além de 
água, o líquido efluente, conhecido como biofertilizante apresenta elementos 
químicos com nitrogênio, fósforo e potássio em quantidades e formas químicas tais 
que podem ser usados diretamente na adubação de espécies vegetais por meio de 
fertirrigação. 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 11 
O biofertilizante possui entre 90-95% de água. Na base seca, o teor de nitrogênio fica 
entre 1,5-4%, 1-5% de fosfato (P2O5) e 0,5-3% de potássio (K2O). 
 
UNIDADE 2. Biodiesel 
 
Assim como a gasolina e o etanol, o biodiesel também é um combustível. Ao 
contrário do diesel convencional (derivado do petróleo), ele é produzido a partir de 
gordura animal ou de óleo vegetal. O biodiesel pode ser produzido a partir do sebo 
bovino, do algodão, do amendoim, da canola, do dendê, do girassol, da mamona, da 
soja, dentre outras plantas e sementes conhecidas como oleaginosas. 
 
A produção de biocombustíveis requer a conversão das fontes primárias (cana-de-
açúcar, soja, palma etc.) em uma fonte secundária (etanol, biodiesel) para que então 
seja levada ao módulo conversor de energia (automóvel), transformando sua energia 
química em força motriz. Dessa forma, a cadeia dos biocombustíveis contempla: 
 
I. Etapa primária — agrária; 
II. Etapa secundária — extração e distribuição para os centros de transformação; 
III. Etapa terciária — tecnologia de produção. (SANTOS, 2013) 
 
2.1 Etapa primária: agrária 
 
O Brasil é o país que reúne o maior quantitativo de vantagens comparativas para 
liderar a agricultura de energia, devido à(s) (SANTOS, 2013): 
i. Perspectiva de incorporação de áreas à agricultura de energia, sem 
competição com a agricultura de alimentos, e com impactos ambientais 
mais brandos; 
ii. Possibilidade de múltiplos cultivos dentro do calendário agrícola anual; 
iii. Extensão e localização geográfica; 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 12 
iv. Condições edafoclimáticas favoráveis, como diversidade do clima, de 
biodiversidade e, ainda, posse de um quarto das reservas mundiais 
superficiais e subsuperficiais de água doce. As condições do solo também 
favorecem a diversidade de cultivo de matérias-primas em escala 
comercial; 
v. Tecnologia de agricultura tropical associada à agroindústria e já testada 
na produção de etanol; 
vi. Independência do mercado internacional para assegurar a sua 
competividade por dispor de um grande mercado consumidor interno, 
podendo assim alavancar diversos negócios na área da agroenergia. 
 
A escolha da matéria-prima depende da viabilidade econômica, áreas plantadas e 
logística até as usinas. 75% do biodiesel produzido no Brasil vêm da soja e 20% têm 
origem no sebo bovino. No entanto, 5% restantes do biodiesel nacional são 
produzidos a partir das gorduras de porco e de frango, além dos óleos vegetais de 
algodão e dendê. (BARROS, GOMES, & SUZUKI, 2014) 
 
No Brasil, contamos com diferentes e diversas fontes de matéria–prima para a 
produção de diesel (Figura 4): 
Figura 4. Plantas de biodiesel por estados no Brasil 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 13 
 
Fonte: (BARROS, GOMES, & SUZUKI, 2014) 
 
O óleo de soja continuou sendo a principal matéria-prima para a produção de biodiesel 
(B100), equivalente a 79,1% do total, com uma queda de 1,3% em relação a 2015. A 
segunda matéria-prima no ranking de produção das usinas foi a gordura animal 
(16,3% do total), após redução de 15,8% em relação a 2015, seguida pelo óleo de 
algodão (1% do total) e outros materiais graxos com 3,5% de participação. (ANP, 
2017) 
Figura 4. Matérias-primas utilizadas na produção de biodiesel (B100) — 2007-2016 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 14 
Fonte: (ANP, 2017) 
 
2.2 Etapa secundária – extração e transporte para os centros de 
distribuição 
 
Em comparação a 2015, a produção de biodiesel foi 3,5% inferior (Figura 5). Com 
exceção da Região Sul, cuja produção aumentou 2,9% no período, foram registradas 
quedas nas regiões Nordeste, Sudeste, Norte e Centro-Oeste de 3,2%, 13,9%, 41,2% 
e 5,8%, respectivamente. 
A Região Centro-Oeste permaneceu como a maior produtora de biodiesel, com volume 
de cerca de 1,6 milhão de m3, equivalente a 43,3% da produção nacional. Em seguida 
veio a Região Sul, com uma produção de 1,5 milhão de m3, 41% do total nacional. 
Por estados, o Rio Grande do Sul continuou como o maior produtor de biodiesel, com 
um volume de aproximadamente 1,1 milhão de m3, equivalente a 28,3% do total 
nacional, após uma redução de 3,5% na sua produção, relativamente ao ano anterior.Em seguida veio o Estado do Mato Grosso, com 818,7 mil m3 (21,5% do total nacional), 
registrando uma queda de 3,2% da sua produção. (ANP, 2017) 
Figura 5. Evolução da produção de biodiesel (B100) — 2007-2016 
 
 
Fonte: (ANP, 2017) 
 
O Centro-Oeste é o maior fabricante de biodiesel do Brasil (Figura 6). 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 15 
Figura 6. Distribuição de usinas produtoras de biodiesel no Brasil 
 
 
Fonte: (BARROS, GOMES, & SUZUKI, 2014) 
 
2.3 Etapa terciária — tecnologia de produção: processos de produção 
do biodiesel 
 
Existem dois processos de transformação dos óleos vegetais em combustível: a 
transesterificação e o craqueamento. Os óleos são formados por um composto químico 
conhecido como triglicerídeo, com três cadeias de átomos de carbono interligadas. 
Ambos os processos de produção do biodiesel tentam separar essas três cadeias, 
levando à formação de cadeias de carbono mais curtas, lineares muito próximas 
daquelas presentes no diesel de petróleo. (SANTOS, 2013) 
 
A transesterificação é o método mais usado para produzir óleo bruto vegetal, animal 
ou de outras fontes em biodiesel. A seguir, a reação de transesterificação. 
 
Figura 7. Reação de transesterificação para a produção de biodiesel 
 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 16 
 
Fonte: (GERIS et al, 2007) 
 
• Triacilgliceróis (ésteres) + Álcool → ésteres (biodiesel) + glicerol; 
• O catalisador pode ser uma base, um ácido ou uma enzima; 
• Os álcoois mais utilizados: etanol (rota etílica) ou metanol (rota metílica). 
 
 
2.3.1 Rota metílica 
 
A produção de biodiesel por meio da rota etílica é de domínio mundial, sendo 
largamente praticada pelas indústrias localizadas no Brasil, na Europa e nos Estados 
Unidos. A matéria–prima mais utilizada é a colza na Europa e a soja nos EUA. 
 
As vantagens da produção de biodiesel, utilizando-se o metanol, são a facilidade da 
separação da fase éster (biodiesel) da glicerina de forma quase instantânea e a 
recuperação do álcool completa, permitindo retornar ao processo sem prejuízo. As 
plantas industriais instaladas no Brasil devem, portanto, ser tecnicamente viáveis tanto 
para o metanol quanto para etanol. (SANTOS, 2013) 
 
2.3.2 Rota Etílica 
É reconhecida como a rota ecologicamente correta, pois ambas as matérias-primas, 
óleo e álcool, são renováveis. A produção de éster etílico é um pouco mais complexa, 
exigindo maior número de etapas e o uso de centrífugas específicas e otimizadas para 
uma boa separação de glicerina do ésteres.(SANTOS, 2013) 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 17 
 
2.3.3 Processo de extração do óleo de soja 
 
A obtenção do óleo bruto e do farelo ocorre em três etapas: 
a. Armazenamento dos grãos; 
b. Preparação dos grãos; 
c. Extração do óleo bruto. 
 
a. Armazenamento dos grãos 
Etapa importante para manter as propriedades organoléticas do grão. Más condições 
de armazenamento podem incorrer nos seguintes problemas: 
• Aquecimento da semente (possível carbonização); 
• Aumento de acidez (escurecimento do óleo contido na semente); 
• Modificações organoléticas, influindo no sabor e aroma dos farelos e 
óleos produzidos. 
 
b. Preparação dos grãos 
 
Pré-limpeza: é a eliminação da sujidade mais grossa antes do armazenamento na 
indústria. 
• Retirada de sujeiras provenientes do transporte; 
• Utilização de peneiras vibratórias ou de outro dispositivo que separam os grãos 
dos contaminantes maiores; 
• Diminuição dos riscos de deterioração e redução do uso indevido de espaço útil 
do silo. 
 
Descascamento: etapa que separa os cotilédones (polpas) dos tegumentos (cascas): 
 
• Precisa evitar compressão já que pode perder óleo que passaria à casca; 
• As cascas são queimadas nas caldeiras destinadas à geração de calor ou vapor; 
• Utiliza batedores ou facas giratórias e são separadas das polpas por peneiras 
vibratórias e insuflação de ar. 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 18 
 
Condicionamento: etapa de aquecimento da polpa entre 55-60°C para facilitar 
depois a extração do óleo. 
 
Trituração e laminação: etapa que diminui a distância entre o centro do grão e a 
superfície, aumentando assim a área de saída do óleo: 
• Utiliza rolos de aço inoxidável horizontais ou oblíquos; 
• Precisa-se ter cuidado na trituração para evitar ao máximo a desintegração dos 
grãos já que ativa as enzimas celulares diminuindo a qualidade do óleo e da 
torta ou do farelo; 
• Precisa ser bem rápida. 
 
Cozimento: facilita a saída do óleo: 
• Utiliza “cozedores” com quatro ou cinco bandejas sobrepostas aquecidas com 
vapor direto ou indireto; 
• Temperatura e umidade dos flocos elevadas de 70-105°C e 20%, 
respectivamente; 
• O cozimento coagula e desnatura as proteínas e inativa as enzimas lipolíticas, 
o que diminui a produção de ácidos graxos livres. 
 
c. Extração do óleo bruto 
 
Extração com solvente orgânico: utiliza como solvente o hexano: 
• Os flocos laminados são introduzidos no extrator e o óleo aparece no material 
submetido à extração; 
• A solução do óleo no solvente é chamada “miscela”; 
• O hexano é custoso e algumas vezes pode ser utilizado etanol; 
• Precisa ser retirado o óleo do solvente mediante destilação. 
 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 19 
 
Destilação da Miscela: mediante aquecimento sob vácuo permite a separação do 
óleo do solvente (temperatura 70-90°C). 
 
Recuperação do solvente: é feita com compressores de frio, ou por colunas de 
absorção com óleo mineral. 
• Essa recuperação é da fase que contém a parte sólida (farelo). 
 
UNIDADE 3. Bioetanol 
 
A crise do petróleo, em 1970, motivou a ideia de produzir álcool etílico (etanol) para 
substituir a gasolina como combustível automotivo. Em 1975 foi criado o Programa 
Nacional do álcool (PROALCOOL). Após isso a agroindústria sucroalcooleira 
experimentou uma enorme expansão com o aumento da área plantada. 
 
3.1 Matérias-primas 
 
O etanol pode ser produzido por meio de rotas biológicas com base em qualquer 
biomassa que contenha quantidade significativa de amido ou açúcares. Alguns 
vegetais, como a beterraba açucareira e a cana-de-açúcar, produzem e acumulam em 
suas estruturas quantidades expressivas de monossacarídeos (glicose e frutose) ou 
dissacarídeos (sacarose). Na atualidade, existe no mundo um predomínio da produção 
de etanol com base em materiais amiláceos, principalmente a partir de milho. 
(PHILIPPI JR & DOS REIS, 2016) 
 
Os Estados Unidos fabricam o etanol a partir de milho e são atualmente líderes no 
mercado do etanol, representando cerca de 60% da produção global. O Brasil utiliza 
cana-de-açúcar na produção de etanol, estando em segundo lugar com 27% da 
participação da produção global, enquanto os outros países ficam bem atrás. (REN21, 
2017) 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 20 
3.2 Avanços tecnológicos 
 
As tabelas 6 e 7 apresentam os avanços tecnológicos em relação à produção de 
bioetanol nos anos 1980 e 199 respectivamente. 
 
Tabela 6. Avanços tecnológicos em relação à produção de bioetanol nos anos 1980 
 
 
Fonte: (SANTOS, 2013) 
 
Tabela 7. Avanços tecnológicos em relação à produção de bioetanol nos anos 1990 
 
 
Fonte: (SANTOS, 2013) 
 
 
 
 
 
Introdução	de	variedades	de	cana-de-
açúcar	desenvolvidas	no	Brasil	
O	uso	da	vinhaça	nos	canaviais	como	
fer lizantes.	
Melhoria	no	sistema	de	moagem	da	
cana-de-açúcar.	
Inves mento	tecnológico	para	operar	
afermentação	em	ampla	escala.	
Especificações	técnicas	do	etanol	e	a	
fabricação	 de	 motores	 movidos	
exclusivamente	com	o	produto	
A	 logís ca	 de	 transporte,	 mistura,	
armazenamentos	 e	 comercialização	
do	etanol.	Melhoria	 dos	 sistemas	 de	 corte,	
carregamento	e	transporte	de	cana	
Mapeamento	do	genoma	da	cana	para	
efetuar	 as	 modificações	 gené cas-
>Resistência	a	herbicidas,	doenças	e	
pragas.	
Implementação	 da	 mecanização	 na	
colheita.	
Avanços	em	automação	industrial.	
Desenvolvimento	 da	 tecnologia	
automo va	flexfuel.	
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 21 
3.3 Processo Químico 
 
A produção de etanol de 1a geração é feita mediante a matéria-prima sacarose. O 
processo acontece pela fermentação microbiológica (com uso de leveduras) de 
açúcares produzidos pelos vegetais. Exemplos de matérias-primas para obtenção de 
etanol de 1a geração são cereais (malte de cevada), tubérculos (batata, beterraba, 
mandioca), caules (cana-de-açúcar). 
 
Para o etanol de 2a geração, a matéria-prima é material lignocelulósico, por exemplo, 
o bagaço da cana que, atualmente, não se encontra em escala comercial. 
 
A reação acontece em duas etapas como é descrito a seguir: 
 
 
3.4 Produções de açúcar e de álcool 
 
A fase industrial utiliza, em suas etapas de processo, grande quantidade de água, além 
de produtos químicos e biológicos, como soda cáustica, cal, ácidos e leveduras, e gera 
volumes expressivos de resíduos, sendo os mais importantes o bagaço, a vinhaça e a 
torta de filtro. 
 
A figura a seguir mostra, de maneira esquemática, a produção de açúcar e álcool. 
(SANTOS, 2013) 
Figura 8. Fluxo de produção de açúcar e álcool 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 22 
 
Fonte: (A. F. AQUINO, 2014) 
 
3.4.1 Preparo da cana 
 
Para que a cana-de-açúcar possa ser enviada para a moagem, ela deve ser preparada. 
Logo após a lavagem, a cana passa por um conjunto de equipamento: picador, seguido 
do desfibrador e eletroímã. O picador e o desfibrador têm como objetivo aumentar a 
densidade e romper ao máximo as células para que se possa ter mais eficiência na 
extração da sacarose. 
 
O eletroímã é usado com o objetivo de retirar materiais ferrosos e, desta maneira, 
evitar a quebra dos frisos dos rolos da moenda. (SANTOS, 2013) 
 
3.4.2 Moagem 
 
Na moagem é feita a extração do caldo e do bagaço. O processo consiste em fazer a 
cana passar entre dois rolos, submetidos a determinada pressão e rotação, cujo 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 23 
objetivo é obter uma alta extração de caldo e também produzir bagaço com um grau 
de umidade que permita sua queima adequada nas caldeiras. (SANTOS, 2013) 
 
 
3.4.3 Tratamento do caldo 
 
Consiste, inicialmente, na remoção de impurezas. Para remover impurezas maiores, o 
caldo é peneirado, e para a retirada das impurezas menores, o caldo passa pelo 
processo de caleagem. 
 
A caleagem consiste na adição do leite de cal ao caldo, que auxilia na precipitação das 
impurezas solúveis e insolúveis e eleva o pH do caldo para um grau neutro, em torno 
de 7,2 o que facilita posteriormente a decantação. (SANTOS, 2013) 
 
3.4.4 Filtragem 
 
No processo de filtragem é obtido um caldo chamado de caldo filtrado que retorna 
para o processo de caleagem. Já os resíduos gerados na etapa de filtragem geram a 
torta de filtro, usada como fertilizante agrícola. 
 
O caldo clarificado pode ser enviado à fabricação de açúcar ou de etanol. (SANTOS, 
2013) 
 
 
3.4.5 Produção de açúcar 
 
O caldo purificado é concentrado em evaporadores e cozedores, sendo posteriormente 
centrifugado para conseguir a cristalização da sacarose. Dessa etapa se obtém outro 
resíduo, chamado melaço, uma solução contendo elevado teor de açúcares, podendo 
ser utilizado com matéria-prima para a produção de etanol mediante a fermentação. 
(PHILIPPI JR & DOS REIS, 2016) 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 24 
3.4.6 Produção de etanol 
 
Pode vir tanto da fermentação do caldo como de misturas de caldo e melaço. A este 
caldo, chamado mosto, são adicionadas leveduras, fungos unicelulares da espécie 
Saccharomyces cerevisae, para que possa ser fermentado, dando origem ao vinho, 
que possui uma concentração de 7 a 100% de etanol. 
Após a fermentação, as leveduras são recuperadas usualmente por centrifugação e 
tratadas para novo uso, enquanto o vinho é enviado para as colunas de destilação. 
 
Na destilação, o etanol é recuperado em forma hidratada, com aproximadamente 96% 
de etanol em volume e o resto é água. A vinhaça é gerada como resíduo, normalmente 
em uma proporção de 10 a 13 litros por litro de etanol hidratado produzido. O etanol 
hidratado (96% em água) pode ser o produto final ou ser desidratado pelos processos 
de destilação extrativa (usando metil-etileno glicol) ou utilizando uma peneira 
molecular. (PHILIPPI JR & DOS REIS, 2016) 
 
UNIDADE 4. Centrais hidrelétricas 
 
Segundo Dos Reis et. al (2016), podemos afirmar sobre o uso da água para a produção 
de energia elétrica o seguinte: 
 
• Aspectos positivos: a energia hídrica é uma fonte renovável e possui 
benefícios socioambientais quando bem estruturada; 
• Aspectos negativos: pode gerar impactos socioambientais negativos e 
de grande influência regional, dependendo do tipo e das dimensões do 
aproveitamento, além de possíveis impactos no aquecimento global; 
• Mitos: trata-se de fonte de energia “limpa”, isto é, não há emissões 
atmosféricas. Isso nem sempre acontece nas grandes hidrelétricas, pois 
novos reservatórios podem emitir gás metano devido à decomposição da 
vegetação. Além disso, equipamentos elétricos são suscetíveis de 
emissão de ozônio; 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 25 
• Verdades: causa diversos problemas de caráter socioambiental, que 
têm tornado cada vez mais difícil a viabilização do projeto de usinas de 
grande porte, principalmente com reservatórios de regularização, os 
quais, no entanto, podem contribuir para minimizar enchentes a jusante. 
 
4.1 Produção de energia elétrica 
 
A produção de energia da central hidrelétrica dependerá, dentre outros fatores, da 
vazão de água efetivamente usada para produzir a energia mecânica que acionará o 
gerador. Esta vazão recebe o nome de turbinável (ou turbinada), pois deverá acionar 
a turbina que transmitirá energia ao gerador. (DOS REIS, 2011) 
 
A análise energética de um aproveitamento hidrelétrico permite verificar que a 
potência elétrica possível de ser obtida é dada por: 
 
𝑃 = 𝜂𝑇𝑂𝑇 ∙ 𝑔 ∙ 𝑄 ∙ 𝐻 
 
onde: 
𝜂𝑇𝑂𝑇 é o rendimento total do conjunto, considerando as perdas em todas as estruturas 
que estão no circuito hidráulico e equipamentos da usina que estão no circuito de 
energia. 
g: aceleração da gravidade, 9,8 m/s2 
Q: vazão volumétrica (m3/s) 
H: queda bruta (m) 
P: potência elétrica (kW) 
 
4.2 Esquemas, principais tipos e configurações 
 
Em uma central hidrelétrica, a água aciona uma turbina hidráulica que movimenta o 
rotor de um gerador elétrico para produção de energia. A turbina efetua a 
transformação da energia hidráulica em mecânica. 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 26 
Seu funcionamento, conceitualmente, é bastante simples: é o mesmo principio da roda 
d’água que, movimentada pela água, faz girar um eixo mecânico. O gerador elétrico 
tem seu rotor acionado por acoplamento mecânico com a turbina e transforma energia 
mecânica em elétrica devido às interações eletromagnéticas ocorridas em seu interior. 
 
Em geral, sãousados geradores síncronos, porque os sistemas de potência devem 
operar com frequência fixa (controlada como constante). (DOS REIS, 2011) 
 
Existem dois tipos de centrais hidrelétricas, com desvio e de barramento. As figuras 9 
e 10 apresentam as configurações destes tipos respectivamente. 
 
A central hidrelétrica em desvio, baseia-se no desvio de água em certo local do rio 
para a produção de energia elétrica e retorno de água ao rio em local com menor 
altitude. De uma forma geral, tal configuração é mais utilizada para centrais de 
pequeno porte. (PHILIPPI JR & DOS REIS, 2016) 
 
Figura 9. Exemplificação de hidrelétrica com desvio 
 
 
Fonte: <http://www.goodenergy.cl/images/central-paso.png> 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 27 
A central em barramento impede totalmente a passagem do rio e contém, na própria 
barragem, a tomada d’água, os condutos e a casa de máquinas. É a configuração mais 
utilizada para as centrais hidrelétricas de médio e grande porte, quando as condições 
topográficas são favoráveis a essa configuração. (PHILIPPI JR & DOS REIS, 2016) 
 
Figura 10. Exemplificação de hidrelétrica com barragem 
 
Legendas: 
1 Reservatório; 
2 Paredão da Barragem; 
3 Grelhas de Filtração; 
4 Canalização forçada; 
5 Turbina e Alternador; 
6 Turbina hidráulica; 
7 Eixo; 
8 Gerador Eléctrico; 
9 Transformadores; 
10 Linhas de transporte de energia eléctrica. 
 
Fonte: <https://www.portal-energia.com/funcionamento-da-energia-hidrica-
barragens-hidroelectricas/> 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 28 
4.3 Principais componentes da central hidrelétrica 
Observe a Figura 11 contendo os componentes da central hidrelétrica. 
 
Figura 11. Principais componentes da central hidrelétrica 
 
Fonte: <https://www.meiacolher.com/2015/11/como-funciona-uma-usina-
hidreletrica.html?m=1> 
A Figura 12 exemplifica os principais componentes da usina hidrelétrica de Tucuruí. 
 
Figura 12. Principais componentes da central hidrelétrica de Tucuruí. 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 29 
 
Fonte: 
<http://cidadedetucurui.com/inicio/usina_hidreletrica_tucurui/USINA_HIDRELETRICA
_TUCURUI.htm> 
 
4.3.1 Barragens 
 
Tem como finalidade represar a água para captação e desvio, elevar o nível d’água 
para aproveitamento elétrico e navegação e represar a água para regularização de 
vazões e amortecimentos de ondas das enchentes. 
 
Há diferentes tipos de barragens: de gravidade, em arco e de gravidade em arco, cuja 
avalição e escolha são efetuadas por meio de considerações técnicas e econômicas, 
afeitas principalmente à Engenharia Civil. (DOS REIS, 2011) 
 
4.3.2 Extravasores 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 30 
Dispositivos que permitem a passagem direta de água para jusante, são necessários 
para descarregar as cheias e evitar que a barragem seja danificada; representam, 
portanto, a segurança da barragem. (DOS REIS, 2011) 
 
4.3.3 Extravasor-vertedor ou vertedor 
É uma seção da barragem projetada para permitir a passagem livre de água sobre sua 
crista. São muito comuns em barragens de gravidade e barragens em arco. (DOS REIS, 
2011) 
 
4.3.4 Comportas 
 
São os componentes que permitem isolar a água do sistema final de produção da 
energia elétrica, tornando possíveis, por exemplo, trabalhos de manutenção. (DOS 
REIS, 2011) 
 
4.3.5 Tomada de água 
 
Permite retirar água do reservatório e proteger a entrada do conduto de danos e 
obstruções provenientes de congelamento, tranqueira, ondas e correntes. (DOS REIS, 
2011) 
 
4.3.6 Dutos 
 
Via por onde escoa a água, são classificados como condutos livres e condutos forçados. 
Os livres podem ser em canais (a céu aberto) ou aquedutos. Os forçados são aqueles 
nos quais o escoamento se faz com a água a plena seção. (DOS REIS, 2011) 
 
4.3.7 Chaminés de equilíbrio ou câmaras de descarga 
 
A primeira função é aliviar o excesso de pressões causado pelo golpe de aríete, que 
ocorre quando o escoamento de um líquido por uma tubulação é abruptamente 
interrompido pelo fechamento de uma válvula. Assim, a energia dinâmica converte-se 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 31 
em elástica e uma série de ondas de pressão positiva e negativa percorre a tubulação 
nos dois sentidos até ser amortecida pelo atrito. 
 
A segunda função é proporcionar suprimentos de água capazes de reduzir depressões 
se houver qualquer operação abrupta. (DOS REIS, 2011) 
 
4.3.8 Casa de força 
É o local de instalação de turbinas hidráulicas, geradores elétricos, reguladores, painéis 
e outros equipamentos do sistema elétrico da geração. 
 
Um aspecto importante no projeto das centrais hidrelétricas, que influencia o arranjo 
da casa de força, é a determinação da turbina mais apropriada a cada tipo de 
aproveitamento. (DOS REIS, 2011) 
 
4.3.9 Turbina 
 
Equipamento que efetua a transformação da energia hidráulica em mecânica, nada 
mais é que uma roda d’água moderna, projetada para uso mais eficiente, em função 
das características de aproveitamento. 
 
Existem variações e adaptações, mas os principais tipos de turbinas são Pelton, Francis 
e Hélice (com ênfase às Kaplan, nas quais há possibilidade de variação de inclinação 
das pás para obter o melhor rendimento em função do vazado e da queda d’água). 
(DOS REIS, 2011) 
 
4.3.10 Gerador elétrico 
 
Transforma a energia mecânica em elétrica, sendo, na grande maioria das centrais 
(tanto hidrelétricas quanto termelétricas) do tipo síncrono, embora geradores de 
indução (assíncronos) sejam utilizados em pequenos números de projetos, em geral 
de pequeno porte. (DOS REIS, 2011) 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 32 
4.4 Vantagens e desvantagens da hidroeletricidade 
 
Vantagens: 
• É uma fonte renovável de energia; 
• É um sistema de conversão de energia altamente eficiente, com rendimentos 
globais na faixa de 85–90%; 
• Fonte interrupta de produção de eletricidade, o que garante mais confiabilidade; 
• Permite armazenamento plurianual de energia, através de grandes volumes de 
água acumulados; 
• Tecnologia madura, amplamente testada; 
• Custo de combustível nulo e custo de operação reduzido; 
• Emite menos quantidades de gases de efeito estufa quando comparadas com a 
geração termoelétrica; 
• Baixo índice de geração de resíduos químicos contaminantes do meio ambiente. 
(SANTOS, 2013) 
 
Desvantagens: 
• Alto investimento inicial para sua construção; 
• Dependente de incertezas associadas à variabilidade da precipitação em uma 
dada bacia hidrográfica; 
• Interrupção do contínuo dos rios e cursos d’água; 
• Inundação de grandes áreas, envolvendo perdas de espécies vegetais e 
animais; 
• Interrupção de migração de espécies aquáticas; 
• Remobilização do mercúrio contido nos solos e biotransformação por metilação; 
• Perdas de áreas agrícolas e outros usos do solo. (SANTOS, 2013) 
 
UNIDADE 5. Sistemas eólicos de geração de energia elétrica 
 
5.1 Mercado eólico moderno 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 33 
Durante os últimos 30 anos, a indústria de turbinas eólicas se transformou em um 
empreendimento de alta tecnologia. Os principais fabricantes de grandes turbinas 
eólicas estão localizados na Dinamarca, Alemanha, Índia, Holanda, Espanha e nos EUA. 
 
Geralmente, as empresas locais são contratadas para construir as fundações e 
estabelecer a conexão com a rede elétrica, mas o restante do trabalho é baseado no 
exterior. Se um projetor for superior a um dado volume,as estruturas simples, como 
as torres, por exemplo, também podem ser adquiridas localmente. (PINTO, 2013) 
 
5.2 Panorama do setor eólico 
 
Em 2016, a capacidade instalada de energia eólica alcançou os 487 GW. O Brasil é o 
9º maior produtor de energia eólica no mundo. No entanto, a China superou os 
Estados Unidos com a maior participação na geração eólica mundial, 34,6% e 
16,8% respectivamente. A Índia ultrapassou o Brasil neste último ano posicionando-
o na quarta colocação. A Dinamarca foi pioneira na geração eólica (100% em 1980). 
(REN21, 2017) 
 
O panorama brasileiro em 2015 destacou o Rio Grande do Norte com a maior 
proporção na geração eólica brasileira, de 34,6%, superando o Ceará, 1º em 2014. 
No fator de capacidade, a Bahia teve o maior (42,9%) e o Ceará o 2º. Ao final de 2020 
serão 17,95 GW instalados em território brasileiro. 
 
5.3 Parâmetros que viabilizam a energia eólica 
 
A utilização dos recursos eólicos para a produção de energia elétrica depende de 
diversos parâmetros que permitem viabilidade econômica bem como as características 
técnicas e operacionais do empreendimento. 
 
5.3.1 Velocidade do vento 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 34 
No aproveitamento da energia eólica para fins de geração de eletricidade, torna-se 
importante distinguir os tipos de variações temporais de velocidade dos ventos: 
(PHILIPPI JR & DOS REIS, 2016) 
 
• Variações interanuais: são lentas, na velocidade dos ventos causadas por 
fenômenos de mesoescala. Ocorrem em escalas de tempo maiores que 
um ano. O conhecimento da variação interanual da velocidade dos 
ventos é de grande importância na estimativa de longo prazo da 
produção de energia de um aerogerador; 
 
• Variações sazonais: o aquecimento desigual da Terra durante as 
estações do ano provoca variações significativas na velocidade média dos 
ventos ao longo de um mês e ao longo de um ano. Essas variações 
também estão associadas a fortes efeitos de mesoescala e são de grande 
importância nos estudos eólicos, principalmente no Brasil, pois têm 
impacto significativo na capacidade dos aerogeradores de complementar 
a demanda da rede elétrica em regiões onde existe mutualidade entre 
geração eólica e hídrica; 
 
• Variações diárias: o aquecimento desigual da superfície terrestre, em 
função da variação da quantidade de radiação solar incidente ao longo 
do dia, provoca alterações na velocidade do vento em regiões de 
diferentes latitudes e altitudes. São observadas no litoral, em função das 
brisas de montanhas/vales, associados a efeitos de canalização 
(orográficos); 
 
• Variações de curta duração: estão associadas a pequenas flutuações 
(turbulências), como também a rajadas de ventos. Variações dadas em 
intervalos de minutos a décimos de segundos, para o projeto construtivo 
da turbina eólica, pois flutuações turbulentas na velocidade do vento 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 35 
induzem forças cíclicas nos diversos componentes da turbina eólica, 
podendo causar problemas de estresse e fadiga. 
 
Em eólica, para análise dos dados da velocidade do vento, costuma-se dividir tais 
dados em intervalos de 1 m/s. São medidos em estações anemométricas, que 
registram a velocidade do vento em faixas predefinidas, na maioria das vezes, minutos 
ou horas (geralmente se utilizam 10 min). Um exemplo são histogramas mostrando as 
horas que o vento sopra para cada faixa de velocidade de vento (Figura 13). (PINTO, 
2013) 
 
Figura 13. Histograma representando a velocidade do vento por horas 
 
 
Fonte: 
<http://mcensustainableenergy.pbworks.com/w/page/20638195/The%20Wind%20E
nergy%20Resource> 
 
Em termos de velocidade média do vento, a distribuição de Rayleigh representa bem 
os dados da distribuição (PINTO, 2013): 
 
𝑓(𝑣) =
𝜋𝑣
2𝑣2̅̅ ̅
𝑒𝑥𝑝 [−
𝜋
4
(
𝑣
�̅�
)
2
] 
 
onde �̅� é a velocidade média do vento (m/s) e v é a velocidade do vento (m/s). 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 36 
 
Uma ferramenta conveniente é a rosa dos ventos, que mostra como a velocidade e 
a direção do vento estão tipicamente distribuídas em determinada área (Figura 14). O 
comprimento de cada setor é proporcional à frequência do vento; logo, no centro, 
temos ventos mais calmos. 
 
A rosa dos ventos é usada, geralmente, para representar dados anuais, sazonais ou 
mensais. (PINTO, 2013) 
 
Figura 14. Exemplo de uma Rosa de Ventos 
 
 
 
Fonte: <https://nj.usgs.gov/grapher/tutorial/graphs/example_wind_rose.png> 
 
5.3.2 Rugosidade do terreno 
 
Em geral, quanto mais acentuada a rugosidade do terreno, maior será a diminuição 
da velocidade do vento. Dessa forma, a rugosidade do terreno onde será feito o 
aproveitamento eólico deve ser baixa, de modo a diminuir a menores taxas a 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 37 
velocidade do vento na altura do rotor. Baixas rugosidades também são desejáveis no 
entorno do terreno, na direção principal do vento. (SANTOS, 2013) 
 
Para descrever o relevo de uma superfície, normalmente são utilizadas curvas de nível. 
A Figura 15 ilustra o escoamento do vento apresentando o desenvolvimento do perfil 
de velocidade versus altura. 
 
Figura 15. Escoamento do vento apresentando o desenvolvimento do perfil de 
velocidade versus altura 
 
 
Fonte: (FERREIRA e LEITE, 2015) 
 
A Tabela 8, de Troen e Petersen, mostra a classificação da superfície quanto à 
rugosidade, fazendo uma divisão em quatro partes. É amplamente utilizada 
academicamente como em situações comerciais, fornecendo um bom farol para o 
estudo preliminar da rugosidade do terreno e do vento envolvido. I (10 m) simboliza 
a intensidade de turbulência a 10 metros de altura Z0 para a respectiva classe. (PINTO, 
2013) 
 
Tabela 8. Classificação da superfície quanto à rugosidade 
 
Classe Descrição Z0 (m) I (10 m) 
0 Água (lagos e 
mares) areia suave 
ou neve 
0,0001-0,001 0,08-1,10 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 38 
1 Grama, fazenda 
com algumas 
construções ou 
árvores 
0,01-0,03 0,14-0,17 
2 Fazendas em 
terrenos mais 
abertos 
0,05-0,10 0,18-0,21 
3 Arbustos, árvores, 
subúrbios e 
pequenas cidades 
0,20-0,40 0,25-0,30 
 
Fonte: (PINTO, 2013) 
 
Existe uma relação empírica determinando que o comprimento da rugosidade seja 
igual a: 
𝑍0 = 0,5(ℎ𝑆 𝐴⁄ ) 
onde h é altura da rugosidade (m), S é a seção transversal do elemento de rugosidade, 
Z0, é o ponto-altura onde o vento tem velocidade nula. No caso de um obstáculo de 
comprimento L, e I sendo a distância entre um obstáculo e outro, temos (PINTO, 
2013): 
𝑍0 = 0,5(ℎ
2 𝐼⁄ ) 
 
5.4 Turbinas eólicas 
 
Os sistemas eólicos de conversão de energia são classificados em dois tipos, a saber: 
aqueles que utilizam a força de arrasto e os que utilizam a força de sustentação. Nelas 
são usados aerofólios que interagem com o vento. As turbinas eólicas que utilizam a 
concepção de força de sustentação podem ser divididas, de acordo com a orientação 
do seu eixo de giro, em turbinas de eixo vertical ou de eixo horizontal. (SANTOS, 2013) 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 39 
5.4.1 Turbinas com eixo vertical 
 
Os projetos mais antigos de rotores eólicos destacavam motores com eixo de rotação 
vertical. 
Vantagens: 
• Opera indiferentemente da direção do vento; 
• Reduz o custo por ter a parte eletromecânica no solo. 
 
Desvantagens: 
• Requer um sistema de partida para acionamento em baixas velocidades; 
• Capacidade limitada em elevadas velocidades;• Menor capacidade de produção de energia por estar mais perto do solo; 
• Elevado custo da fabricação das pás em alumínio. 
Existem vários modelos deste tipo de turbina. A Figura 16 mostra vários tipos de 
turbinas de eixo vertical. No entanto, a única máquina de eixo vertical que teve algum 
sucesso comercial foi o Rotor de Darrieus. 
 
Figura 16. Tipos de turbinas de eixo vertical 
 
 
Fonte: (GATE, 2018) 
 
 
Embora a configuração phi () ou formato de batedeiras de ovos seja o mais comum, 
Darrieus concebeu vários outros formatos, incluindo delta, diamante e Y (Figura 17). 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 40 
Figura 17. Formatos de turbinas de Darrieus 
 
Fonte: <https://vawtturbine.wordpress.com/2011/07/14/types-of-vertical-axis-wind-
turbines/> 
 
5.4.2 Turbinas com eixo horizontal 
 
Todos os aerogeradores, atualmente conectados à rede elétrica, são construídos com 
turbinas de eixo horizontal. A superioridade desse modelo até o momento é baseada 
amplamente nas seguintes características: 
 
• A velocidade do rotor e a saída de potência podem ser reguladas pelo controle 
do ângulo das pás. Além disso, tal controle é a proteção mais eficiente contra 
o excesso de velocidade (especialmente nas grandes turbinas eólicas); 
• O formato das pás do rotor pode ser otimizado aerodinamicamente, e foi 
provado que ele alcança sua eficiência máxima quando a sustentação 
aerodinâmica é levada ao nível máximo; 
• Não menos importante é a liderança tecnológica no desenvolvimento em 
projetos de hélices. 
 
Vantagens: 
• Rotor multipás — podendo chegar a 20 ou mais pás e funcionando bem 
a baixas velocidades; 
• Rotor de duas ou três pás — o mais utilizado para a geração de energia 
elétrica; 
• Alta eficiência — uma vez que as pás encaram perpendicularmente o 
vento. 
Desvantagens: 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 41 
• Dificuldade na instalação de uma alta torre; 
• Dificuldade no transporte dos equipamentos; 
• Exigência de um sistema de controle para girar as pás em direção ao 
vento; 
• Construção complexa da torre para apoiar o peso das pás e do cubo. 
 
Já que quase todas as turbinas eólicas são de eixo horizontal, ainda existe uma 
controvérsia sobre qual máquina é melhor: downwind (quando o vento incide na parte 
traseira da área de varredura da turbina) ou upwind (quando o vento incide na parte 
dianteira da área de varredura da turbina) (ver Figura 18). 
 
A máquina downwind tem a vantagem de deixar o vento por si só controlar o ajuste, 
ela naturalmente se orienta em respeito à direção do vento. Elas, entretanto, têm um 
problema: os efeitos de sombra do vento devidos à torre. Toda vez que a pá passa 
atrás da torre, ela encontra um curto período no qual o vento é reduzido, fazendo com 
que a pá se flexione. Essa flexão não somente tem o potencial de levar a pá à fadiga 
como também aumenta o ruído da pá e reduz o potencial de saída. 
 
Turbinas upwind necessitam, de algum modo, de um complexo sistema de ajuste para 
manter as pás voltadas para o vento. Em troca dessa complexidade, a máquina upwind 
termina operando mais suavemente e fornecendo mais potência. A maioria das 
turbinas eólicas modernas é do tipo upwind. (PINTO, 2013) 
 
Figura 18. Turbinas upwind e downwind 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 42 
Fonte: <https://govschoolagriculture.com/tag/wind-turbines/> 
 
Componentes de uma turbina de eixo horizontal 
 
A Figura 19 representa as diferentes partes de uma turbina eólica. 
 
Figura 19. Partes de uma turbina eólica 
 
 
Fonte: <http://www.adamantina.sp.gov.br/jsfsite/expoVerde/eolica.html> 
 
• Torre: sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o 
conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança 
e distantes do solo; 
• Nacele: contém caixa de engrenagens, freio e o gerador elétrico. 
Protege os componentes de elementos externos; 
• Pás do rotor: captam o vento e convertem sua potência ao 
centro do rotor; 
• Rotor: converte energia cinética dos ventos em energia 
mecânica; 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 43 
• Transmissão: transmite a energia mecânica do eixo do rotor 
para o gerador; 
• Caixa multiplicadora: a finalidade de adaptar a baixa 
velocidade do rotor à velocidade mais elevada dos geradores; 
• Gerador de eletricidade: é uma bobina girando em um campo 
magnético. Converte a energia mecânica em energia elétrica, ou 
seja, transforma o torque do giro do rotor em eletricidade; 
• Mecanismos de controle: usam sensores para o bom 
funcionamento e a segurança do sistema, para melhor aproveitar 
o vento; 
• Controle de potência: visa evitar o sobrecarregamento elétrico 
e do sistema de transmissão quando ocorre o aumento do fluxo 
de ar e o consequente aumento das forças de sustentação 
aerodinâmicas, causando o aumento na energia extraída da 
turbina. Para isso, deve-se reduzir as forças motrizes que atuem 
em cada pá do rotor, bem como a carga total que atua na 
estrutura da turbina; 
• Anemômetro: medidor de velocidade do vento. Normalmente de 
10 em 10 minutos; 
• Freios: detêm a rotação do eixo em caso de sobrecarga de 
energia ou falha no sistema. (SANTOS, 2013) 
 
O principal funcionamento da turbina é transformar a energia cinética (energia eólica) 
do vento sobre a pá em energia mecânica e, posteriormente, em Energia Elétrica. A 
figura a seguir demonstra esse funcionamento. 
 
Figura 20. Exemplificação da transformação de energia usando turbinas eólicas 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 44 
 
Fonte: <https://centraiselectricas.wordpress.com/energia-eolica/> 
 
A indústria de fabricantes de turbinas eólicas é dominada por um pequeno grupo. 
Vestas (dinamarquesa), GE (americana), Gamesa (espanhola), Enercon (alemã) e 
Suzlon (indiana) tinha 62% do mercado em 2008. Em 2010, a Vestas manteve sua 
posição como o maior fabricante de turbinas eólicas no mundo. A chinesa Sinovel 
entrou na lista dos 10 maiores em 2007 e se tornou o segundo maior do mundo em 
2010. A GE Energy (EUA) passou da 3ª colocação, em 2010, para a 6a posição em 
2011. No Brasil, existem fábricas da GE Energy e Enercon. (PINTO, 2013) 
 
Localizado na costa britânica, o parque eólico de Thanet era considerado, até janeiro 
de 2012, o maior parque offshore do planeta, com 100 turbinas de 100 m de altura e 
300 MW de potencial nominal. (PINTO, 2013) O maior parque eólico onshore localizado 
na Califórnia, Estados Unidos, desde 2013 possui capacidade instalada para gerar 
1.547 MW de energia (Alta Wind Energy Center). 
 
5.5 Impacto ambiental da utilização da energia eólica 
 
A energia eólica também pode produzir impactos ambientais, apesar de não estarem 
relacionados à emissão de gases ou resíduos. Sendo os seguintes: 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 45 
5.5.1 Impacto visual 
O nível de impacto visual é influenciado por fatores como o tipo de paisagem, as cores 
e o número de pás, a quantidade e o design das turbinas. 
 
As turbinas de grande porte constituem uma alteração na paisagem. O efeito cíclico 
da sombra da pá em movimento pode gerar desconforto às pessoas residentes 
próximas a uma turbina eólica. Na Alemanha e na França, a distância mínima das 
residências é de 500 m. (PINTO, 2013) 
 
5.5.2 Impacto sonoro 
Uma turbina eólica produz ruído, que, mesmo sendo mínimo, pode gerar incômodo às 
pessoas em residências próximas. Sons de baixa frequência, em particular inferiores a 
20 Hz, são conhecidos por causar efeitos fisiológicos como náuseas e dores de cabeça.O limite inferior da audição humana é em torno de 0 decibel. Valores acima de 60 dB 
já causam irritações, e a partir de 100 são prejudicais. 
 
Dados mostram que uma turbina eólica a 300 m emite em torno de 40 dB. Os tipos 
de impacto sonoro podem ser a partir do ruído mecânico ou aerodinâmico. (PINTO, 
2013) 
 
5.5.3 O impacto nas aves 
O impacto total da energia eólica em pássaros, morcegos e outros animais é 
extremamente baixo comparado ao de outras atividades. Há dois pontos a serem 
analisados nesta questão: 
• os efeitos sobre as populações de pássaros das mortes provocadas por turbinas 
eólicas; 
• a violação de trajetórias de migração de pássaros. 
 
5.5.4 Impacto devido à interferência com ondas de rádio e TV 
 
Turbinas eólicas podem interferir nas transmissões de ondas eletromagnéticas. O sinal 
direto da estação de TC pode ser perturbado pelo giro das pás se a turbina eólica 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 46 
estiver posicionada diretamente em linha com o receptor. Esse efeito é extremamente 
acentuado na faixa de UHF. 
 
A segunda, mas muito menos significativa, é causada pela turbina ao refletir o sinal, 
de modo que os receptores localizados em um angulo correspondente de reflexão 
recebam um segundo e não desejado sinal. (PINTO, 2013) 
 
5.5.5 Impacto em sítios arqueológicos 
Recursos históricos, sagrados e arqueológicos podem ser prejudicados por impactos 
que afetem a integridade desses recursos ou de oportunidade futuras de investigação 
e apreciação. (PINTO, 2013) 
 
UNIDADE 6. Sistemas solares para geração de eletricidade 
 
Os sistemas baseados no uso da energia transmitida à Terra pelo Sol, para geração 
de eletricidade, podem ser divididos em alguns tipos básicos, dos quais os dois mais 
conhecidos são: 
• Os sistemas fotovoltaicos autônomos, que efetuam a transformação da 
energia solar em elétrica diretamente; 
• Os sistemas termossolares, nos quais a energia solar é usada para 
produzir o vapor que acionará uma termelétrica ou uma máquina a 
vapor. (DOS REIS, 2011) 
 
Além desses, podem ser citados os sistemas que se encontram em fase de grande 
avanço de pesquisa, atualmente: 
• Os sistemas fotovoltaicos de concentração baseados no desenvolvimento 
de sistemas de concentração solar (discos parabólicos, lentes e outros) 
que direcionam a energia para minicélulas fotovoltaicas; 
• A chaminé solar, cujo conceito acopla energia solar e energia eólica, mas 
que ainda apresenta diversos desafios para viabilização econômica. (DOS 
REIS, 2011) 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 47 
 
6.1 Sistemas fotovoltaicos 
 
A energia solar pode ser convertida diretamente em eletricidade utilizando-se das 
tecnologias de células fotovoltaicas. Existem materiais classificados como 
semicondutores, que se caracterizam por possuírem uma banda de valência totalmente 
preenchida por elétrons e uma banda de condução totalmente vazia a temperaturas 
muito baixas. 
 
Uma propriedade fundamental para as células fotovoltaicas é a possibilidade de fótons, 
na faixa do visível, com energia superior ao gap do material, excitarem elétrons de 
forma que estes passem à banda de condução. Esse efeito, que pode ser observado 
em semicondutores puros, também chamados de intrínsecos, não garante por si só o 
funcionamento de células fotovoltaicas. Para obtê-las é necessária uma estrutura 
apropriada para que os elétrons excitados possam ser coletados, gerando uma 
corrente útil. Para isso, são acrescentados aos átomos de silício, átomos de fósforo e 
boro, em um processo conhecido como dopagem de silício, formando uma junção pn. 
 
Quando uma junção pn fica exposta a fótons com energia maior que o gap existente 
entre a banda de valência e condução, ocorre a geração de pares elétron-lacuna; se 
isto acontecer na região onde o campo elétrico é diferente de zero, as cargas são 
aceleradas, gerando, assim, uma corrente por meio de junção; esse deslocamento de 
cargas dá origem a uma diferença de potencial, chamada efeito fotovoltaico. (DOS 
REIS, 2011) 
 
A célula de silício monocristalino é historicamente a mais utilizada. Porém, existe uma 
grande quantidade de outros semicondutores capazes de produzir células solares com 
eficiência razoável, tais como o próprio silício, na forma amorfa ou policristalina. A 
Figura 21 ilustra um módulo fotovoltaico feito com células de silício mono e 
policristalina. 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 48 
Figura 21. Tipos de células fotovoltaicas 
 
 
Fonte: <https://pt.solar-energia.net/energia-solar-fotovoltaica/tipos-celulas-
fotovoltaicas> 
 
6.1.1 Sistema fotovoltaico autônomo 
 
Compreende o agrupamento de módulos em painéis fotovoltaicos e de outros 
equipamentos relativamente convencionais, que transformam ou armazenam a 
energia elétrica para que possa ser utilizada facilmente pelo usuário. (DOS REIS, 2011) 
 
Os principais constituintes desse sistema são: conjunto de módulos fotovoltaicos, 
regulador da tensão, sistema para armazenamento de energia e inversor de corrente 
contínua/corrente alternada (Figura 22). 
 
Figura 22. Principais constituintes do sistema fotovoltaico 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 49 
 
Fonte: 
<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=com_content&lang=pt&task=print
&cid=341> 
 
O módulo é o dispositivo gerador (painel solar) que consiste em um conjunto de células 
fotovoltaicas interligadas e conectadas. A interligação dos módulos define a tensão e 
a corrente de saída, sempre em corrente contínua (CC). O sistema de armazenamento 
de energia é constituído de baterias eletroquímicas. 
 
Assim como o gerador fotovoltaico, as baterias são aparelhos estáticos de CC e baixa 
tensão. O subsistema condicionador de potência, conhecido como PSC (Power 
Conditioning Subsystem) permite a interligação da fonte de energia elétrica, gerada 
pelo arranjo dos módulos na forma de corrente contínua com uma carga ou um sistema 
de potências em corrente alternada (CA). 
 
O PCS tem como função controlar o acionamento/desligamento e o ponto de operação 
do arranjo fotovoltaico; efetuar a proteção do sistema; além, obviamente de controlar 
a conversão de CC para CA. O componente mais importante do PSC é o inversor, que 
deve converter a energia CC para a forma CA. (DOS REIS, 2011) 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 50 
6.1.2 Potência e energia geradas pela instalação 
 
A potência gerada Pg(t) dependerá basicamente de dois fatores: 
• A radiação solar horária incidente no plano coletor (painel); 
• A potência instalada, que estará ligada à área do painel e a suas características 
e a dos demais equipamentos constituintes do sistema condicionador de 
potência. 
 
A potência gerada em um sistema fotovoltaico é dado pela seguinte expressão: 
 
𝑃𝑔(𝑡) = 𝜂 ∙ 𝐴 ∙ 𝑅𝑠(𝑡) 
 
onde: 
• 𝜂 é o rendimento total do sistema, composto pelo produto do rendimento 
do painel solar mais o rendimento do sistema de condicionamento da 
potência. A tabela a seguir relaciona os rendimentos obtidos, 
considerando que a eficiência para PSC é de 95% de plena carga e das 
centrais varia entre 9-10%. 
 
Tabela 9. Rendimentos de células e módulos fotovoltaicos 
 
 
Fonte: <http://css.umich.edu/factsheets/photovoltaic-energy-factsheet> 
 
• A é a área do painel solar. Geralmente, calculada pela expressão (DOS 
REIS, 2011): 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 51 
𝐴 =
𝑃𝐼
𝜂 ∙ 𝑅𝑆𝑀
 
onde: PI é a potência instalada e RSM, a radiação solar máxima, estaúltima costuma-
se usar o valor de 1kW/m2. 
 
• Rs(t) a radiação solar incidente, em função do tempo. 
 
A energia anual gerada pelo sistema fotovoltaico pode ser expressa por: 
𝐸𝐺 = 𝑃𝑅 ∙ 𝐹𝐶 ∙ 8760
ℎ
𝑎𝑛𝑜⁄ 
onde: 
• EG= energia gerada por ano (kWh/ano); 
• Fc= fator de capacidade, definido de modo similar que as hidrelétricas e 
ou termelétricas. A tabela a seguir resume dados obtidos para instalações 
nos Estados Unidos: 
 
Tabela 10. Fatores de capacidade para diferentes plantas 
 
 
Fonte: <http://euanmearns.com/solar-pv-capacity-factors-in-the-us-the-eia-data/> 
 
6.2 Geração termossolar 
 
É um processo que converte a energia solar em energia térmica e esta, por sua vez, 
em energia elétrica. Em sua forma mais completa, o processo de conversão passa por 
quatro sistemas básicos: coletor, receptor, transporte-armazenamento e conversão 
elétrica. 
 
O coletor tem a função de captar e concentrar a radiação solar incidente na superfície 
do coletor e dirigi-la até o sistema no qual a radiação é convertida em energia térmica. 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 52 
O receptor absorve e converte a radiação solar, transferindo o calor a um fluido de 
trabalho. No sistema de transporte-armazenagem, o fluido é transferido para o 
sistema, no qual a energia térmica converte-se em energia mecânica, por meio dos 
ciclos básicos termodinâmicos — o Ciclo de Rankine (vapor) e Brayton (gás), entre 
outros, dependendo da temperatura e da natureza do fluido. 
 
A conversão de energia mecânica em energia elétrica é feita por meio dos mesmos 
processos convencionais utilizados na geração termelétrica a combustíveis fósseis. 
(DOS REIS, 2011) 
 
A Figura 23 representa um sistema termossolar definindo seu funcionamento. 
 
Figura 23. Estrutura de um sistema termossolar 
 
Fonte: <http://essaseoutras.com.br/energia-termo-solar-usinas-funcionamento-
explicacao-e-utilizacao/> 
 
6.3 Energia solar concentrada 
 
A CSP (energia solar concentrada) consiste na produção de eletricidade de modo 
similar às termelétricas. Grandes espelhos ou calhas parabólicas concentram a luz solar 
em uma única linha ou ponto e o calor produzido se converte em vapor quente que, 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 53 
em alta pressão, movimenta turbinas e assim geram eletricidade. Os melhores 
exemplos de projetos estão na Espanha e no Estados Unidos. 
 
Consiste na concentração dos raios solares em um ponto específico, onde um fluido é 
aquecido e transferido para determinado uso (geração de energia elétrica), também 
chamada de Energia Heliotérmica. Os três tipos mais utilizados são: 
 
• Cilindro parabólico; 
• Torre central; 
• Disco parabólico. 
 
6.3.1 Energia solar concentrada — cilindro parabólico 
 
A tubulação é feita de aço e utiliza como fluido óleo sintético, conseguindo operar em 
faixa de temperatura entre 180–300°C. 
 
A energia acumulada é transferida para trocadores de calor, gera vapor e após o vapor 
gera energia elétrica (Figura 24). 
 
Figura 24. Sistema e ciclo do cilindro parabólico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 54 
 
Fonte: <http://energiaheliotermica.gov.br/pt-br/energia-heliotermica/como-
funciona> 
 
6.3.2 Energia solar concentrada — torre central 
 
Um conjunto de espelhos com área entre 30–150 m2 envia a luz solar a uma torre de 
aproximadamente 90 m de altura. O receptor, instalado na torre, consegue obter 
temperaturas na faixa entre 700–1000 C e o líquido aquecido é bombeado para a base, 
onde gera vapor e depois energia elétrica (Figura 25). 
 
Figura 25. Sistema de energia solar concentrada — torre central 
 
 
Fontes: <http://energiaheliotermica.gov.br/pt-br/energia-heliotermica/como-
funciona>; <http://atriaeenergy.com.br/midia/israel-constroi-maior-torre-de-
energia-solar-do-mundo/>. 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 55 
6.3.3 Energia solar concentrada — disco parabólico 
 
Gera eletricidade diretamente no próprio receptor. Os raios incidem no coletor para o 
ponto focal alcançando temperaturas na faixa entre 350–700 C. Utiliza baixas 
potências e transforma a energia térmica em energia elétrica mediante um motor 
stirling (Figura 26). 
 
Figura 26. Sistema de energia solar concentrada — disco parabólico 
 
 
 
Fontes: <http://energiaheliotermica.gov.br/pt-br/energia-heliotermica/como-
funciona>; <http://pt.solar-energia.net/solar-termica/temperatura-alta>. 
 
UNIDADE 7. Outras fontes de energias alternativas — Parte I 
 
7.1 Energia geotérmica 
 
É a energia obtida a partir do calor proveniente do interior da Terra. A temperatura do 
solo aumenta conforme a profundidade, mas em virtude das zonas de intrusões 
magmáticas, existem regiões muito mais quentes e mais próximas da superfície, a um 
potencial geotérmico elevado. 
 
A energia geotérmica é considerada limpa, e seu aproveitamento para geração de 
eletricidade é igual ao de uma termelétrica, pois o calor produz o vapor de água que 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 56 
movimenta a turbina. Outra vantagem é a densidade energética da planta, sendo que 
a geração geotérmica não precisa de reservatórios e não gera resíduos. 
 
É uma das poucas formas de energias renováveis que não é direta ou indiretamente 
obtida da radiação solar. A temperatura de milhares de graus vem do interior da Terra, 
do magna. Parte da energia de seu aquecimento provém do decaimento radiativo de 
isótopos de urânio-235, urânio-238, tório-232 e potássio– 40. 
 
A perda de calor até a superfície gera este gradiente de calor, aquecendo aquíferos. 
Na Europa, por exemplo, a cada 30 m de profundidade, a temperatura sobe 1C. 
 
A energia geotérmica está associada a um aquífero, que é uma formação geológica do 
subsolo constituída por rochas permeáveis, armazenando água em seus poros ou em 
suas fraturas. O aquífero pode ter extensão de poucos a milhares de quilômetros 
quadrados, ou também, apresentar espessuras de poucos a centenas de metros 
(Figura 27). 
 
Figura 27. Princípio de funcionamento da energia geotérmica 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 57 
Fonte: <http://horizontescientificos.blogspot.com.br/2013/01/vulcoes-fontes-de-
energia-geotermica_18.html> 
 
Há muitos anos, cientistas reconheceram que o calor existente no subsolo terrestre 
apresenta um bom potencial para substituir os combustíveis fósseis na geração de 
eletricidade. A exploração geotérmica teve início na Grécia e Roma Antiga, onde a 
água quente era aproveitada para medicina, lazer ou uso doméstico. 
 
A primeira usina geotérmica no mundo foi criada em 1904, na Itália (Larderello), e em 
1913 já produzia 250 kWe. Atualmente, a planta produz 700 Mwe e tem previsão de 
produzir 1 GWe. Os países com grande potencial geotérmico são: Itália, Islândia, 
Estados Unidos, México, Filipinas, Nova Zelândia, Japão, Turquia, Rússia, China, 
França, Indonésia, El Salvador, Quênia e Nicarágua. 
 
7.1.1 Panorama internacional de energia geotérmica 
 
A geração de energia geotérmica alcançou em 2016 o valor de 13.5 GW, 0.4 GW a 
mais em comparação de 2015 (Tabela 11). (REN21, 2017) 
 
Tabela 11. Produção global de Energias renováveis para o ano 2016 
 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 58 
Fonte: (REN21, 2017) 
 
A Indonésia teve um acréscimo de 46% em produção de energia geotérmica em 2016, 
junto a Turquia (44%) foram os países que incrementarama sua produção neste 
último ano (Tabela 12). No final de 2016, os países com maiores quantidades de 
energia geotérmica foram Estados Unidos (3,6 GW), Filipinas (1,9 GW), Indonésia (1,6 
GW), México (0,9 GW), Nova Zelândia (1,0 GW), Itália (0,9 GW), Islândia (0,8 GW), 
Turquia (0,8 GW), Quénia (0,6 GW) e Japão (0,5 GW) (Figura 28). (REN21, 2017) 
 
Tabela 12. Capacidade de produção global de energia Geotérmica — 2016 
 
 
 
Fonte: (REN21, 2017) 
 
Figura 28. Contribuição da produção de Energia geotérmica — 2016 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 59 
 
Fonte: (REN21, 2017) 
 
A Turquia está a caminho de atingir a meta de 1 GW de capacidade de energia 
geotérmica até 2023. Em 2016, o país instalou 10 usinas geotérmicas incrementando 
sua capacidade em 200 MW para um total de 821 MW em 2016. (REN21, 2017) 
 
7.2 Energia dos oceanos 
 
É classificada como sustentável e limpa. Existem várias formas para se aproveitar a 
energia provida por eles, contida no fluxo das marés, das correntes marítimas e das 
ondas, assim como a energia presente no diferencial térmico (termoclinas). 
 
Os oceanos estendem-se por 71% da superfície do globo terrestre, ocupando uma 
área de 361 milhões de km2. Utilizando-se essa área poder-se-ia efetuar uma 
estimativa do potencial de uso na ordem de 40 bilhões de MW se tudo corresse bem 
e seu uso integral fosse possível. A energia contida nos oceanos existe na forma de 
marés, ondas, gradiente térmico, salinidade, correntes e biomassa marítima. Embora 
o fluxo total de energia de cada uma dessas fontes seja grande, apenas uma pequena 
fração desse potencial é passível de ser explorada em um futuro previsível. (DOS REIS, 
2011) 
 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 60 
Há duas razões para isso: 
• a energia oceânica é de baixa densidade, requerendo uma planta de 
grande porte para sua captação; 
• essa energia frequentemente está disponível em áreas distantes dos 
grandes centros de consumo. 
 
7.3 Energia das marés 
 
É proveniente do enchimento e esvaziamento alternados das baías e dos estuários, 
que, sob certas condições, fazem com que o nível das águas suba consideravelmente 
na maré cheia. Um esquema de aproveitamento das marés contém uma barragem, 
construída em um estuário e equipada com uma série de comportas permitindo a 
entrada da água para a baía. A eletricidade é gerada por turbinas axiais cujo diâmetro 
chega a atingir até 9 m. (DOS REIS, 2011) 
 
• Dois tipos de turbinas podem ser usados: 
• Turbina bulbo convencional; 
• Turbina Straflo (Figura 29). 
 
Figura 29. Príncipio de funcionamento de uma turbina Straflo 
 
Fonte: <http://slideplayer.es/slide/1724833/> 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 61 
7.4 Geração na maré alta 
 
Durante a maré alta, a água entra na baía através das comportas e é mantida até a 
maré recuar suficientemente, criando um nível satisfatório no qual a água é liberada 
por meio das turbinas para geração de eletricidade (Figura 30). (DOS REIS, 2011) 
 
Figura 30. Princípio de funcionamento de geração de energia pelas marés 
 
 
 
Fonte: 
<http://www.apoioescolar24horas.com.br/salaaula/estudos/fisica/100_energias_alter
nativas/energiasalternativas.html> 
 
O processo de liberação das águas é mantido até a maré começar a subir novamente, 
fazendo com que a diferença de nível caia abaixo de um ponto de operação mínimo. 
Tão logo a água começa a subir, entra na baía novamente, repetindo o ciclo. (DOS 
REIS, 2011) 
 
7.4.1 Energia das marés 
 
A máxima energia que se pode retirar das marés é dada pela expressão: 
Emax= ηδgR2S 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 62 
Onde: 
δ= densidade da água do mar 
g= aceleração da gravidade 
R= altura da maré 
S= altura total da baía 
η= eficiência de conversão da energia mecânica em eletricidade 
 
 
7.4.2 Energia das ondas 
 
Tem como fonte os ventos originados pelo aquecimento das massas de ar pelo Sol. As 
ondas contêm energia cinética descrita pela velocidade das partículas de água. 
 
Energia potencial é uma função da quantidade de água deslocada do nível médio 
do mar. A conversão de energia das ondas em eletricidade não é simples por causa 
da baixa frequência das ondas (ao redor de 0,1 hertz), devendo ser aumentada para 
a velocidade de rotação das máquinas elétricas e mecânicas convencionais, em torno 
de 1500 e 1800 rpm. (DOS REIS, 2011) 
 
Existe uma grande variedade de tecnologias (Figura 31). 
• shoreline; 
• near-shore; 
• offshore. 
Figura 31. Tipos de tecnologias utilizadas para geração de energia das ondas 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 63 
 
 
Fonte: <http://www.alternative-energy-tutorials.com/wave-energy/wave-
energy.html> 
 
A conversão de energia a partir das ondas apresenta claras semelhanças com a eólica. 
Dado que as ondas são produzidas pela ação do vento, os dois recursos apresentam 
idêntica irregularidade e variação sazonal. Em ambos os casos, extrai-se energia de 
um meio fluido, em movimento e de extensão praticamente ilimitada. 
 
7.5 Energia do calor dos oceanos (gradiente térmico) 
 
Uma parte significativa da radiação solar incidente na superfície da Terra é usada no 
aquecimento das águas dos oceanos. Esta temperatura decresce com a profundidade 
dos oceanos. O conceito de conversão de energia térmica dos oceanos (Ocean Thermal 
Energy Conversion — OTEC) explora essa diferença de temperatura para produzir 
eletricidade. 
 
As plantas OTEC podem ser construídas em terra ou instaladas em plataformas 
flutuantes ou barcos no mar. Em ambos os casos, o componente essencial é o enorme 
tubo requerido para levar a água fria à superfície. Para uma planta de 100 MW o tubo 
pode alcançar 20 m de diâmetro e comprimento de 600 a 1000 m. (DOS REIS, 2011) 
 
Na Figura 32 podemos observar o funcionamento do tubo. A água quente da superfície 
é bombeada para um evaporador, no qual um fluido de trabalho (amônia, propano ou 
freon) é evaporado. O vapor flui através da turbina para o condensador, onde é 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 64 
refrigerado e condensado pela água fria bombeada da profundidade do oceano. O 
fluido condensado é bombeado de volta para o evaporador, fechando o ciclo. (DOS 
REIS, 2011) 
 
Figura 32. Geração de energia por gradiente térmico 
 
 
Fonte: <https://global.britannica.com/technology/ocean-thermal-energy-conversion> 
 
Essas plantas são projetadas para trabalhar em ciclos fechados ou abertos. A Figura 
33 representa uma OTEC operando em ciclo fechado. 
 
Figura 33. Representação de uma planta OTEC operando em ciclo fechado 
 
 
 
 
ENERGIAS ALTERNATIVAS E ENERGIAS LIMPAS II 65 
Fonte: <http://www.bluerise.nl/technology/ocean-thermal-energy-conversion/> 
 
UNIDADE 8. Outras fontes de energias alternativas – Parte II 
 
8.1 Sistemas híbridos 
 
Representam uma forma importante de uso das energias renováveis para aplicação no 
planejamento descentralizado e no suprimento energético de localidades isoladas. 
Combina diversas fontes e considera as características específicas de cada uma delas 
(por meio de melhor uso da sinergia global) e o perfil de consumo; tais sistemas 
buscam otimizar o uso global energético. 
 
Os sistemas híbridos podem ser formados apenas por fontes renováveis ou pela 
combinação das renováveis com as não renováveis. Os sistemas híbridos são 
concebidos de forma a maximizar a utilização de fontes de energia renováveis, 
obtendo-se assim menos emissões atmosféricas