ANÁLISE DA SITUAÇÃO ENERGÉTICA GLOBAL E LEVANTAMENTO DAS POSSIBILIDADES SUSTENTÁVEIS COM FOCO NA ENERGIA EÓLICA

CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO UNIRADIAL DE SÃO PAULO

ANÁLISE DA SITUAÇÃO ENERGÉTICA GLOBAL E LEVANTAMENTO DAS POSSIBILIDADES SUSTENTÁVEIS COM FOCO NA ENERGIA EÓLICA

Lucas Renan Garbellini

Trabalho

de

apresentado ao

Conclusão

de

Curso

Centro Universitário

Estácio Uniradial como requisito para a conclusão

do

curso

de

Engenharia

Ambiental e Sanitária.

São Paulo 2013

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ANÁLISE DA SITUAÇÃO ENERGÉTICA GLOBAL E LEVANTAMENTO DAS POSSIBILIDADES SUSTENTÁVEIS COM FOCO NA ENERGIA EÓLICA

Lucas Renan Garbellini

Trabalho

de

apresentado ao

Conclusão

de

Curso

Centro Universitário

Estácio Uniradial como requisito para a conclusão

do

curso

de

Engenharia

Ambiental e Sanitária.

Orientadora: Profa. MSc. Marta Camila Mendes de Oliveira Carneiro

São Paulo 2013

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Garbellini, Lucas Renan, 2013 Análise da Situação Energética Global e Levantamento das Possibilidades Sustentáveis com Foco na Energia Eólica / Lucas Renan Garbellini – 2013. 54 f.: il. Color: 30 cm. Orientador: MSc. Marta Camila Mendes de Oliveira Carneiro Trabalho de conclusão de curso (graduação) – Centro Universitário Estácio Uniradial de São Paulo, 2013. 1. energias renováveis - 2. panorama energético - 3. energia eólica I. Garbellini, Lucas Renan

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“Não há crise de energia, somente crise de ignorância.” Richard Buckminster Fuller

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AGRADECIMENTOS

À minha família, pelo amor, carinho e incentivo dado no decorrer do curso e de minha vida;

À Professora MSc. Marta Camila Mendes de Oliveira Carneiro, pela orientação prestada;

Aos amigos e colegas Gilson Oliveira Julião, Dra. Adriana Ribeiro Francisco e Matilde Barga dos Santos Lopes, pelo incentivo, sugestões, conselhos e apoio;

Ao amigo Viktor Boyadjian, pelo compartilhamento de todo o conhecimento e pela costumeira gentileza;

Aos amigos Ernesto Gonzales, Eduardo Morelli e Luciano Araújo pelas grandes contribuições profissionais e pela companhia ao longo do tempo;

A todos os grandes amigos que tornam as risadas inevitáveis e vida muito mais agradável.

À Marcela Borges, por ser minha fonte de paz e tranquilidade.

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iv

SUMÁRIO

SIGLAS E ABREVIATURAS ...................................................................................... v LISTA DE FIGURAS .................................................................................................. vi 1.

INTRODUÇÃO .................................................................................................. 10

2.

OBJETIVOS ....................................................................................................... 12 2.1

Objetivos Gerais ........................................................................................... 12

2.2

Objetivos Específicos.................................................................................... 12

3.

METODOLOGIA ............................................................................................... 13

4.

RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 13 4.1

Definição de Energia..................................................................................... 13

4.2

Tipo de Energia Quanto à fonte geradora ...................................................... 16

4.2.1

4.2.1.1

Combustíveis Fósseis ...................................................................... 17

4.2.1.2

Energia Nuclear .............................................................................. 19

4.2.2

4.3

5.

6.

Energias não renováveis......................................................................... 16

Energias Renováveis .............................................................................. 20

4.2.2.1

Biomassa ........................................................................................ 21

4.2.2.2

Energia Solar .................................................................................. 22

4.2.2.3

Energia Geotérmica ........................................................................ 24

4.2.2.4

Energia Hidráulica .......................................................................... 26

4.2.2.5

Energias Oceânicas ......................................................................... 27

Panorama Atual e Previsões no Setor Energético Global ............................... 28

4.3.1

Energia Elétrica Residencial .................................................................. 29

4.3.2

Geração Energética em Função das Fontes ............................................. 30

4.3.3

Projeção das Fontes Renováveis ............................................................ 33

ENERGIA EÓLICA ............................................................................................ 34 5.1

Aerogeradores............................................................................................... 34

5.2

Fatores interferentes no aproveitamento energético ....................................... 39

5.3

Análise de Viabilidade .................................................................................. 41

5.4

Impactos Ambientais .................................................................................... 43

5.5

Parques eólicos offshore................................................................................ 44

5.6

Projeções e outros dados relevantes............................................................... 45

CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................. 48

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v

SIGLAS E ABREVIATURAS

ANEEL

Agência Nacional de Energia Elétrica

Btu

British thermal unit

CCS

Carbon Capture and Storage

CNEN

Comissão Nacional de Energia Nuclear

CRESESB

Centro de referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito

CSP

Concentrating Solar Power

DanishAssoc.

Danish Wind Turbine Manufacturers Association

EIA

U.S. Energy Information Administration

GEE

Gases do Efeito Estufa

GLP

Gás Liquefeito de Petróleo

GTO

Geothermal Technologies Office

IEA

International Energy Agency

IGA

International Geothermal Association

INPE

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

INB

Indústrias Nucleares do Brasil

IPCC

International Pannel for Climate Change

IWR

Internationales Wirtschaftsforum Regenerative Energien

MME

Ministério de Minas e Energia

OTEC

Ocean Thermal Energy Conversion

OECD

Organization for Economic Co-operation and Development

ONU

Organização das Nações Unidas

PIB

Produto Interno Bruto

PV

Photovoltaic

PS10

Planta Solar 10

SI

Sistema Internacional de Unidades

WEC

World Energy Council

WMO

World Meteorological Organization

WNA

World Nuclear Association

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LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema dos fluxos de energia primária, secundária, final e útil (fonte: ECEN, 2000) .............................................................................................................. 15 Figura 2 – Fontes de energias renováveis e não renováveis, respectivamente (fonte: GEOLISANE, 2011) ................................................................................................... 16 Figura 3 - Emissões mundiais de CO2 em Mega toneladas, entre 1971 e 2009, em função do tipo de combustível fóssil (fonte: Adaptado de IEA, 2011, por SILVA, 2012) ................................................................................................................................... 18 Figura 4 – Diagrama esquemático dos processos de conversão energética da biomassa (Fonte: adaptado de MME, 1982, citado por ANEEL, 2005) ....................................... 22 Figura 5 - Usina solar térmica PS10 na Espanha (Fonte: BOHNEN, 2010) .......... 23 Figura 6 – Consumo mundial de energia, de 1990 a 2040 (fonte: Adaptado de EIA, 2013a) ........................................................................................................................ 29 Figura 7 – Consumo mundial de energia por tipo de geração (fonte: Adaptado de EIA, 2013a) ........................................................................................................................ 30 Figura 8 - Geração de energia elétrica por tipo de combustível (fonte: Adaptado de EIA, 2013b) ........................................................................................................................ 31 Figura 9 - Histórico e projeções da geração mundial de energias renováveis (fonte: Adaptado de IEA, 2013e) ............................................................................................ 33 Figura 10 - Desenho esquemático de uma turbina eólica moderna (fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE /UFPE, 2003, citado por ANEEL, 2005) ........... 36 Figura 11 - Exemplo de turbina de eixo vertical (fonte: CASTRO, 2009) .................... 37 Figura 12 – exemplo de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte (fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE /UFPE, 2003, citado por ANEEL, 2006) ........... 38 Figura 13 - Relação do tamanho do rotor com a potência nominal em turbinas eólicas (fonte: DanishAssoc., 2012) ........................................................................................ 39 Figura 14 - Exemplo de perfil vertical para velocidade do vendo para rugosidade 0,055m (fonte: MIGUEL, 2004).................................................................................. 40 Figura 15 - Exemplo de rosa dos ventos (fonte: AUTODESK, 2012) .......................... 43 Figura 16 - Parque eólico de Vinderby na Dinamarca (fonte: DanishAssoc, citado por CASTRO, 2009) ......................................................................................................... 45 Figura 17 - Mapa global da velocidade média do vento a 80m de altura (fonte: Adaptado de 3TIER, 2011) ......................................................................................................... 46

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vii

RESUMO

A geração de energia pode ser seguramente considerada uma das maiores causas do aumento da poluição atmosférica, além da emissão dos conhecidos gases do efeito estufa, que são a principal questão ambiental de nível global. Evidenciando a urgência desta situação, existe a previsão de que a demanda global por energia tenda a se duplicar até o ano de 2040. E como alternativa, as matrizes energéticas renováveis têm ganhando destaque, devido à possibilidade de geração de energia através de processos limpos e praticamente livre de impactos ao meio ambiente. Com a intenção de aprofundamento na questão, foi realizada uma análise geral do conceito energia e de seus principais interferentes, para então elaborar o levantamento das principais fontes de geração energética no mundo, e das possibilidades de utilização de fontes renováveis e limpas. Na sequência, foi realizado uma pesquisa sobre o histórico e as projeções relativas à às questões energéticas globais para então se realizar estudo mais detalhado dos conceitos que envolvem o aproveitamento eólico, por ser este o principal representante das matrizes energéticas efetivamente limpas.

Palavras-chave: energias renováveis, panorama energético, energia eólica

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1. INTRODUÇÃO Atualmente, a disponibilidade energética é um item indispensável para o desenvolvimento das atividades humanas no seu contexto mais amplo, como o exemplo das aglomerações urbanas, dos meios de transporte e das atividades industriais. O crescimento desta demanda se iniciou com os avanços tecnológicos trazidos pela Revolução Industrial, que viabilizou o uso da energia a vapor para abastecimento de máquinas e foi posteriormente consolidada com a globalização, devido às novas possibilidades de interação em tempo real nos meios de comunicação social e no acesso geral à informação. Em contrapartida, a problemática ambiental tem ganhado cada vez mais a atenção da população e das autoridades de um modo geral. Essa onda foi impulsionada principalmente pela ampla divulgação do conceito do Aquecimento Global, o qual supõe que o acúmulo de certos gases atmosféricos ao meio ambiente, os gases do efeito estufa (GEE), podem contribuir para o aumento da temperatura global. Esse processo ocorre por esses gases formarem uma camada que impede a dissipação do calor, e dentre as diversas consequências já previstas, aponta-se o derretimento de geleiras e a extinção de espécies de fauna e flora. Indo além dessa teoria, existe o já constatado impacto que a concentração elevada desses gases na atmosfera causa, podendo gerar reações adversas diretas aos todos seres vivos. Nota-se então a forte ligação da questão ambiental com as atividades de geração de energia, tendo em vista que a queima de combustíveis de origem fóssil, principal fonte de geração energética mundial, é também a maior responsável pelas emissões atmosféricas de origem antrópica. Como alternativa, existe a possibilidade do aproveitamento de matrizes energéticas efetivamente não poluentes e de disponibilidade ilimitada. Caso estas sejam priorizadas em escala global, existe grande possibilidade de se minimizar consideravelmente um dos grandes problemas da humanidade, sem que para isso seja necessário frear o desenvolvimento e a qualidade de vida que a disponibilidade energética possibilita, além de praticamente dispensar esforços com o controle de poluentes atmosféricos. Dentre estas matrizes, a eólica é a que tem maiores índices de crescimento e maior robustez tecnológica.

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Este trabalho objetiva esboçar um panorama da situação energética mundial e das possibilidades de utilização das matrizes renováveis conhecidas, afim de se buscar alternativas efetivas para as questões ambientais relativas ao tema.

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2. OBJETIVOS

2.1 Objetivos Gerais O presente trabalho tem como objetivo realizar uma análise geral do consumo e da geração de energia na atualidade, avaliando as formas mais comuns de obtenção de energia, bem como as possibilidades em relação à utilização de matrizes energéticas limpas. Sob esta ótica, por fim, será dado um maior foco à análise da Energia Eólica, por esta apresentar crescimento promissor, conforme será evidenciado, e comprovada maturidade tecnológica.

2.2 Objetivos Específicos 

Analisar o conceito de energia e fatores relativos ao assunto que sejam de

relevância para o trabalho; 

Realizar o levantamento das principais fontes de energias, renováveis ou

não, prioritariamente relacionadas com a geração de eletricidade, bem como os fatores de sustentabilidade em cada uma; 

Avaliar o panorama atual de produção energética, com relação à proporção

de geração de cada fonte, bem como as projeções existentes; 

Levantar e avaliar os detalhes do aproveitamento eólico para a produção

de eletricidade, bem como os principais fatores intervenientes à exploração desta matriz; 

Descrição de eventuais possibilidades visualizadas ao longo do estudo.

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3. METODOLOGIA

Para a realização deste estudo foram realizadas pesquisas bibliográficas em variada gama de publicações referentes ao tema, como artigos, revistas, livros, teses de mestrado; além de dados de organizações, entidades e grupos de pesquisa. Para o aprofundamento do assunto, de modo a levar em consideração o cenário global, foram utilizadas referências nacionais e, principalmente, internacionais.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1 Definição de Energia A palavra energia tem origem na língua grega, e significa “em ação”. Ainda que seja um conceito complexo e amplo, a definição científica mais utilizada é que energia é a capacidade de realizar trabalho. De acordo com a lei da conservação de energia, um dos pilares da física clássica, a energia existente em um sistema não aumenta ou diminui apenas se transforma em outra forma de energia. A ocorrência de praticamente qualquer energia existente no planeta Terra é desencadeada pela energia fornecida pelo Sol. A incidência dos raios solares é responsável pela ocorrência cíclica dos processos naturais, como a evaporação de água dos corpos hídricos e posterior precipitação, o aquecimento do solo e do ar que ocasiona a formação de ventos, e do fornecimento de energia luminosa que possibilita a realização da fotossíntese pelos seres autótrofos, que são a base de qualquer cadeia alimentar. Existem diversas formas ou modalidades de energia. Como exemplo, serão listadas as mais importantes para este estudo, utilizando-se de citações de Silva, 2012; Eletrobrás, 2013; e CNEN – Comissão Nacional de Energia Nuclear, 2013. 

Energia cinética: Energia relacionada com a quantidade de movimento de

um corpo, levando em consideração a massa e a velocidade do mesmo. O movimento dos ventos e o fluxo dos corpos hídricos são exemplos desta modalidade energética. 

Energia química: É a energia contida nas ligações entre os átomos de uma

molécula. Essa energia é liberada ou absorvida quando ocorrem reações químicas.

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Como exemplo, temos o processo de combustão de materiais, a realização de fotossíntese pelos vegetais e a digestão de alimentos feita por organismos vivos. 

Energia radiante: Energia que se manifesta sobre a forma de radiação e é

transmitida através de ondas eletromagnéticas. Esta modalidade apresenta a peculiaridade de ser a única a se propagar no vácuo, e quando visível a olho nu é classificada como energia luminosa. Compreende a energia solar. 

Energia Nuclear: É a energia liberada durante a fusão ou fissão (divisão)

de núcleos atômicos. A energia gerada no Sol provém deste tipo de reação. 

Energia Elétrica: Energia contida numa corrente elétrica, ocasionada pela

movimentação dos elétrons ao longo dos átomos de um corpo. As diferentes formas de energia podem se dividir nas categorias primária, secundária, final e útil. A energia primária corresponde aos recursos energéticos que se encontram disponíveis na natureza, como petróleo, gás natural, energia hídrica, energia eólica, biomassa ou solar. A energia secundária é obtida a partir da transformação das fontes primárias (SILVA, 2012). Para o abastecimento de residências, indústrias e centros urbanos, a utilização de parte das energias primárias ocorre após a transformação destas em energia elétrica, pois esta última pode ser facilmente transportada e transformada em outras formas de energia. A energia final, por sua vez, é a forma na qual a energia será utilizada, de acordo com o objetivo. Por exemplo, se a energia elétrica for utilizada com o intuito de se manter uma lâmpada acesa, esta será transformada em calor e luminosidade. Assim, a energia final será a energia luminosa e a energia térmica. Há que se comentar que nenhuma destas transformações de energia ocorre sem perdas, ou seja, sem dissipações energéticas indesejadas. A quantidade de dissipação indesejada está diretamente relacionada com a tecnologia que está sendo aplicada. Neste exemplo, a conversão da energia fornecida à lâmpada em energia térmica é de fato uma perda, pois a intenção é unicamente de gerar energia luminosa. A diferença entre a energia final e esta perda é chamada de energia útil. Ressalta-se ainda que estas perdas são de inevitável ocorrência, pois até o momento não foi desenvolvida tecnologia de equipamentos ou máquinas absolutamente eficientes. A figura 1 exemplifica o balanço energético, considerando as transformações de energia e as perdas em cada processo.

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Figura 1 - Esquema dos fluxos de energia primária, secundária, final e útil (fonte: ECEN, 2000)

A demanda energética é atribuída a quatro setores principais de consumo. São estes o Comercial, Industrial, Residencial e o de Transporte. O presente trabalho tem como prioridade o estudo de geração energética em escala macro, visando o atendimento residencial de aglomerações urbanas. Entretanto, é indispensável comentar da crescente tendência que se tem percebido na microgeração de energia, ou seja, a geração de energia elétrica ou térmica pelo próprio consumidor, por meio de equipamentos de menor porte. De acordo com Moreira (2010), relativamente aos recursos energéticos renováveis e respectivas tecnologias de microgeração, incluem-se as pequenas turbinas eólicas, os painéis fotovoltaicos, os coletores térmicos, as pequenas centrais hidroelétricas (PCH), entre outras. Uma vez que incidem essencialmente em fontes de energia renovável, este sistema de geração energética melhora o desempenho ambiental do sistema elétrico no seu todo, devido à possibilidade de descentralização da produção, e, em alguns locais é possível até com envio do excedente de energia gerada à rede de abastecimento, e obtendo descontos em contas futuras e contribuindo com a disponibilidade elétrica (ELETROPAULO, 2013).

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4.2 Tipo de Energia Quanto à fonte geradora A geração de energia pode ser classificada também quanto a sua fonte de origem, podendo estas ser renovável ou não. Obviamente, a diferença fundamental entre estas, é que as energias de origem renovável apresentam a possibilidade ilimitada de geração, em princípio, em uma base sustentável; enquanto as de origem não renovável são fundamentalmente finitas, devido à possibilidade de esgotamento do recurso utilizado para a geração (RERSCH et al., 2008). A figura 2 a seguir exemplifica algumas formas de ocorrência natural das principais fontes de energias renováveis e não renováveis, respectivamente.

Figura 2 – Fontes de energias renováveis e não renováveis, respectivamente (fonte: GEOLISANE, 2011)

4.2.1 Energias não renováveis As principais fontes de energia não renováveis utilizadas são os combustíveis fósseis e a energia nuclear. Ressalta-se que e exploração de minas e jazidas para obtenção dos recursos energéticos naturais relativo a estas energias já representam a princípio um impacto ambiental, pela possibilidade de esgotamento destes recursos, como pelas alterações ambientais que a exploração causará.

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4.2.1.1

Combustíveis Fósseis

Os combustíveis fósseis englobam o carvão mineral, o gás natural e o petróleo bruto. Os três são originados basicamente da decomposição de matéria orgânica fossilizada ao longo de milhões de anos, juntamente com os efeitos combinados de pressão e calor ao longo deste período. A formação do carvão mineral relaciona-se com a decomposição de vegetação que se consolidou entre outros estratos rochosos, e é composta predominantemente por carbono combinado a outros componentes como hidrogênio, oxigênio, enxofre e umidade (IEA – do inglês, Agencia Internacional de Energia, 2013a). Diversas classificações de carvão são usadas em todo o mundo, refletindo um amplo leque de idades, composições e propriedades. É a segunda maior fonte de consumo mundial de energia, e produz 40% da demanda elétrica global. (IEA, 2013b) Já o petróleo está mais ligado às matérias orgânicas ocorrentes em ecossistemas aquáticos, como o plâncton. O termo inclui uma imensa diversidade de derivados, como gasolina, querosene, diesel, gás GLP (Gás Liquefeito de Petróleo), ceras, asfalto, alcatrão e outros óleos lubrificantes e combustíveis (ANEEL – AGENCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA, 2005). Ainda segundo esta Agência, é a fonte de energia mais consumida no mundo atualmente. O gás natural por sua vez é uma mistura de hidrocarbonetos gasosos, como etano, propano, butano, como também dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), ácido sulfídrico (H2S), água (H2S), ácido clorídrico (HCl), metanol (CH3OH) e outras impurezas. Do trio de combustíveis fósseis, este é o que apresenta maior flexibilidade para transporte e aproveitamento (ANEEL, 2005). É também o combustível fóssil menos usado atualmente, mas será o mais importante no futuro, de acordo com projeções existentes. O uso desses combustíveis ocorre que por meio de processos de combustão. As usinas térmicas convencionais funcionam em duas etapas, sendo que a primeira consiste na queima do combustível para transformar a água ou outro fluido em vapor com o calor gerado na caldeira. A segunda consiste na utilização deste vapor, em alta pressão, para girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico (BEER, 2013). Este processo, entretanto, não gera apenas energia, mas também grandes quantidades de gases como o vapor de água, dióxido de carbono (CO2), metano (CH4) e óxido nitroso (N2O), todos enquadrados como gases do efeito estufa (GEE), responsáveis

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por contribuir para o aquecimento global no planeta. Além disso, é conhecida a relação da emissão dos óxidos de nitrogênio (NOx) e de enxofre (SOx), com a formação do smog fotoquímico, névoa acinzentada de poluição que envolve grande parte das cidades industrializadas, e é responsável por efeitos negativos sobre a vegetação e à saúde humana. Esses gases são também os principais responsáveis pela formação da chamada chuva ácida, que provoca a acidificação do solo e da água e consequentemente, alterações na biodiversidade, entre outros impactos negativos, como a corrosão de estruturas metálicas (ANEEL, 2005). O gráfico da figura 3 a seguir mostra a evolução das emissões mundiais de CO2 ocasionadas pelo consumo mundial de energia ao longo de do tempo. Devido à maior utilização dos combustíveis fósseis para atender às necessidades energéticas, as emissões do gás em questão aumentaram, passando de 15.624 Megatonelada (1 Mt = 1.10 6 t) no ano de 1973, para 28.999 Mt em 2009. Para o período em análise, o petróleo diminuiu a sua quota de emissões e o carvão e gás natural aumentaram.

Figura 3 - Emissões mundiais de CO2 em Mega toneladas, entre 1971 e 2009, em função do tipo de combustível fóssil (fonte: Adaptado de IEA, 2011, por SILVA, 2012)

Foi constato que a emissão global de carbono em 2009 foi estimada em 31.300 Megatoneladas (IWR – traduzido do alemão, Indústria de Energia Renovável, 2010), o que permite concluir que 92% das emissões do dióxido de carbono são oriundas da queima de combustíveis fósseis. Torna-se evidente que a geração de energia ainda está

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intimamente ligada com a utilização dos combustíveis fósseis. E, como será mostrado mais a diante de acordo com as projeções futuras, o ser humano ainda dependente destas fontes consideradas sujas, por pelo menos 50 anos. Em resposta à busca por ações mitigadoras dos impactos gerados, a tecnologia da Captura e Armazenamento de Carbono (CCS na sigla em inglês). O termo refere-se a um conjunto de tecnologias e técnicas que permitem a captura e o posterior transporte de CO₂ por navios ou dutos subterrâneos, para que então seja realizado o armazenamento do gás em jazidas de petróleo e gás já esgotados ou ainda em aquíferos salinos profundos. É o mecanismo paliativo mais comentado no sentido de neutralizar quase que totalmente as emissões deste gás, mas a quantidade de sistemas implantados ainda está longe de alcançar o desejado para manter essas emissões em valores aceitáveis (IEA, 2013a). Quanto à técnica ainda, pouco se conhece sobre os possíveis efeitos adversos, como o vazamento do gás à longo prazo. Para a mitigação da emissão dos demais compostos, existem as tecnologias de filtros de manga e lavador de gases.

4.2.1.2

Energia Nuclear

A utilização da energia nuclear abrange as técnicas de fusão e de fissão de núcleos moleculares. A fissão é a reação na qual o núcleo atômico é dividido em dois ou mais núcleos devido à captação de um nêutron, e com isso liberando uma quantidade significativa de energia, além de outros nêutrons que dividirão mais átomos e assim iniciarão uma reação em cadeia (EIA, 2013c). Atualmente, a energia nuclear é convertida em energia elétrica principalmente através da fissão atômica do urânio. Nas usinas nucleares mais comuns o sistema é constituído por três circuitos. No primeiro, a água é aquecida a aproximadamente 320°C, sob a pressão de 157 atmosferas, evitando assim a evaporação do líquido. Em seguida essa água é encaminhada ao gerador de vapor, onde irá vaporizar a água do circuito secundário, sem haver contato físico entre os dois circuitos (e assim evitando o material radioativo passe para a segunda etapa em caso de contaminação do sistema primário). O vapor gerado aciona uma turbina, que movimenta o gerador e produz corrente elétrica (ELETRONUCLEAR, 2001). O Urânio é um minério relativamente comum e aparece como um constituinte da maioria das rochas da crosta terrestre. A viabilidade de exploração do minério varia em

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função do teor de urânio existente em cada reserva, bem como da tecnologia usada para aproveitamento deste (INB – INSTITUTO NUCLEAR BRASILEIRO, 2013).

De acordo com a CNEN (2006), a grande vantagem das usinas termonucleares é que com apenas 10 g de Urânio é possível produzir a mesma quantidade que 700 Kg de petróleo, ou 1200 Kg carvão produziriam, e não contribuem com a emissão dos poluentes atmosféricos característicos dos combustíveis fósseis. Os resíduos gerados no processo necessitam apenas de um período de isolamento para que ocorra o decaimento da radioatividade. Em contrapartida, existe grande temor quanto à segurança que esta tecnologia oferece devido aos acidentes nucleares conhecidos, como o de Chernobyl em 1986, o qual gerou uma nuvem radioativa que cobriu grande parte do território europeu causando danos incalculáveis e sérias consequências até hoje ocorrentes, como mutações genéticas provocadas pela emissão de material radioativo e contaminação do solo, da vegetação e de corpos d’água (ANEEL, 2005). O recente acidente na usina de Fukushima, Japão fortalece ainda mais esse temor, ocasionando até incertezas quanto ao futuro da utilização desta fonte energética. Segundo o WNA (Associação Nuclear Mundial da sigla em inglês, citado por ELETRONUCLEAR, 2013), 14% da energia elétrica no mundo provem da energia nuclear. De acordo com Fresco (2002), um dos futuristas mais sensatos da atualidade, a fusão nuclear utiliza átomos leves, como o hidrogênio (o composto mais abundante no universo), e como resultado desta reação, o resíduo gerado seriam apenas as inertes cinzas de hélio. A técnica é intrinsecamente mais segura, e embora a tecnologia de utilização não esteja desenvolvida a ponto de ser implantada, seu potencial é substancial por se tratar de uma reação cerca de quatro milhões de vezes mais energética do que a queima de combustíveis fósseis (IEA, 2013c).

4.2.2 Energias Renováveis As energias renováveis são conhecidas do ser humano desde os tempos primórdios, sendo que a maioria destas fontes é, há muito tempo, diretamente usada no cotidiano. Apenas recentemente, porém, estas fontes estão ganhando maior atenção da população e de pesquisas científicas, por despontarem como a alternativa com potencial

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real para tornar a vida humana mais sadia e harmonizar o convívio desta espécie com o planeta. A promoção e a utilização deste tipo de fontes alternativas não devem se concentrar apenas numa estrutura centralizada ou descentralizada, ou na tecnologia renovável que se afirmará no futuro. Todas as soluções e todos os tipos de energia renováveis devem ser considerados como interdependentes, de modo a permitir a diversificação do aprovisionamento energético, a mitigação das alterações climáticas e a garantia do desenvolvimento sustentável (SILVA, 2012). Como cita Resch et al. (2008), para garantir a sustentabilidade da exploração de qualquer matriz energética, se faz necessário a realização da análise do ciclo de vida dos projetos de aproveitamento de energias renováveis, pois, embora os fluxos de energia sejam sustentáveis, ainda se faz necessário a utilização de materiais como concreto e cobre para aplicação das tecnologias, a disponibilidade de área e de outros recursos, que pode indiretamente gerar impactos ambientais. Informa-se que, diferente das outras fontes renováveis, a energia eólica será explorada mais detalhadamente a partir do item 5, por se tratar do recurso renovável e efetivamente sustentável com maior projeção de crescimento, conforme será mostrado mais a diante.

4.2.2.1

Biomassa

A Produção energia pela Biomassa se dá pela utilização de recursos renováveis compostos de matéria orgânica. Diversos são os materiais passíveis de aproveitamento, e dentre eles estão as sobras obtidas na poda de vegetação e atividades de agricultura, como como lenha, bagaço da cana e casca de arroz; além dos demais resíduos orgânicos domésticos e de atividades pecuárias (EIA, 2013d). Como mostra a figura 4 a seguir, as formas de aproveitamento desta energia são através de combustão direta, de processos termoquímicos ou por processos biológicos, variando de acordo com a natureza do material. Percebe-se então que o termo biomassa pode se referir tanto à utilização direta de materiais orgânicos como combustíveis, quanto ao processamento destes visando à geração de líquidos ou gases para posterior aproveitamento.

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Figura 4 – Diagrama esquemático dos processos de conversão energética da biomassa (Fonte: adaptado de MME, 1982, citado por ANEEL, 2005)

Pela figura 4 é possível concluir que qualquer possibilidade de aproveitamento da biomassa utilizará a combustão em algum momento do processo, Desta maneira, é essencial que seja realizado o controle das emissões de CO2 e outros gases que ocorrerão por meio de tecnologias de lavagem de gases. Excetuando esse aspecto, a utilização dessa matriz energética é ambientalmente positiva por gerar energia de materiais que possivelmente seriam encaminhados para aterros sanitários. Segundo a IEA (2013d), o uso da Biomassa foi responsável por 1,5% da geração mundial de eletricidade em 2010.

4.2.2.2

Energia Solar

O aproveitamento direto da energia solar compreenderá a utilização da energia luminosa ou térmica que é fornecida pela estrela.

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Primeiramente, será comentando sobre a utilização através da utilização do calor para o aquecimento de água ou outros líquidos. Para a geração de água quente para fins domésticos é possível a utilização de aquecedores solares, equipamentos que compostos por um coletor solar acoplado a uma caixa d’água e a um boiler, recipiente que armazenará a água mantendo sua temperatura, podendo esta chegar aos 100º C. Esta tecnologia se baseia em princípios da hidrostática, e não necessita de energia elétrica para o funcionamento. Para a obtenção de temperaturas mais elevadas, utilizam-se a técnica de concentração solar (CSP – do inglês Concentrating Solar Power), que são sistemas que concentram a energia solar captada de uma grande área em um mesmo foco, através de espelhos ou outros materiais refletores em formato parabólico. Devido às maiores temperaturas alcançadas, a técnica possibilita a geração de vapor e, consequentemente energia elétrica (ANEEL, 2005). Uma aplicação desta tecnologia que apresenta um grau médio de maturidade são as torres solares. Neste sistema, usa-se um grande campo de espelhos direciona a radiação solar captada para uma torre com um elemento absorvedor, podendo este ser água, metais líquidos sais fundidos ou ar. O fluido aquecido é bombeado para um sistema de geração de vapor que por sua vez acionará o sistema turbina/gerador elétrico (PEREIRA, 2010). A figura 5 ilustra uma das usinas solares térmicas existentes, conhecida como PS10 (Planta Solar 10), e localizada em Sevilha - Espanha, com capacidade de geração de 11 Megawatts-hora.

Figura 5 - Usina solar térmica PS10 na Espanha (Fonte: BOHNEN, 2010)

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A obtenção de energia pode se dar através da incidência da energia luminosa do Sol em células fotovoltaicas (PV da sigla em inglês Photovoltaic), placas compostas de materiais semicondutores como o silício, que utilizam os fótons da luz alterar a carga elétrica de uma estrutura molecular e assim gerar uma corrente elétrica (EIA, 2011). Este uso é mais comum para a microgeração. Um relatório sobre energias renováveis, publicado pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC, 2011, citado por EIA, 2011) fornece estimativas do potencial técnico global das fontes de energia renovável a partir de um grande número de estudos, no qual, dentre os cenários estimados, até mesmo se for considerada a pior das hipóteses, o potencial técnico para a energia solar direta não só é maior do que a estimativa mais elevada de qualquer outro potencial de energia renovável, como é também é maior que a demanda global por toda energia primária. Para se ter ideia da proporção do potencial solar, na mesma publicação é citado que, enquanto a soma de todas as reservas fósseis conhecidas garantem 46 anos (petróleo), 58 anos (gás natural) e quase 150 anos (carvão) de consumo no ritmo atual, a energia recebida pelo sol em um único ano, se inteiramente capturado e armazenado, que representam mais de 6 000 anos de consumo total de energia. Segundo Resch et al. (2008), o potencial técnico global de aproveitamento desta matriz é de mais de 1.500.000 TWh. As tecnologias de aproveitamento solar apara geração de energia elétrica são promissoras, mas ainda não se encontram totalmente desenvolvidas, o que implica em altos custos de implantação e aquisição dos equipamentos, o que consequentemente têm limitado consideravelmente a disseminação da exploração dessa matriz (ANEEL, 2005).

4.2.2.3

Energia Geotérmica

Energia geotérmica é a energia em forma de calor proveniente do interior da Terra, que se dissipa em qualquer ponto da superfície, mas ocorrendo normalmente com mais intensidade nas zonas fronteiriças das placas tectônicas do globo (BICUBO, 2010). Este calor pode ser aproveitado para a produção de energia elétrica, ou utilizado diretamente para aquecimento de estufas, secagem de madeira, frutos e vegetais, no aquecimento de ambientes, em balneoterapia, entre outros usos. (IEA, 2010a). A exploração de um recurso geotérmico a fim de se gerar eletricidade requer quantidade suficiente fluido, calor e permeabilidade. Caso se faça necessário, existe a possibilidade de bombeamento de fluido para o interior da fonte geotérmica. E a

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Permeabilidade deve permitir o contato do fluido com a rocha aquecida, seja por meio de fraturas naturais ou por meio de estimulação da rocha (U.S. GEOTHERMAL TECHNOLOGIES OFFICE - GTO, 2012). Para a produção de eletricidade, genericamente são utilizados três tipos de tecnologias, que variam de acordo com as características da fonte geotérmica, de acordo com IGA – International Geothermal Association (2013), e GTO, 2012. As usinas que operam a seco geram energia através das turbinas geradoras convencionais que serão acionadas diretamente pelo vapor geotérmico, sendo necessário ocorrer a liberação de vapor seco, à temperatura mínima de 150ºC. Nas usinas movidas pelo vapor gasoso, a água termal – que nesse caso deve estar em 180°C de temperatura - será mantida sob alta pressão e encaminhada posteriormente ao tanque de baixa pressão. A mudança drástica ocasiona a vaporização da água e consequente movimentação da turbina. Já pela recente tecnologia binária, as plantas operam com um fluido secundário, normalmente de composição orgânica (tipicamente usa-se o n-pentano), que possui ponto de ebulição baixo e alta pressão de vapor a baixas temperaturas. Este composto será aquecido pelo fluido geotérmico através de um sistema de troca de calor, sem que haja contato entre as partes. O fluido então será rapidamente vaporizado (a chamada vaporização flash) e acionará a turbina. Esta tecnologia é utilizada para exploração de fontes geotérmicas de temperaturas moderadas (entre 85 e 180°C), e possivelmente será a mais ocorrente no futuro devido à maioria das fontes apresentarem estas características. Os impactos ambientais gerados pela exploração desta matriz energética são mínimos, de acordo com o IEA (2010a). O lançamento na natureza de águas residuais possivelmente em alta temperatura, e contendo quantidades de compostos químicos como boro, mercúrio e arsênio; e a emissão de gases como H2S, CO2, e CH4 são pontos consideráveis. Mas existem alternativas eficazes, como a reinjeção total da água e/ou dos gases drenados, ou o tratamento químico dos efluentes. Vale ressaltar que a emissão de dióxido de carbono é desprezível se comparada com os combustíveis fósseis. Deve-se considerar que existe a possibilidade de que este recurso seja exaurido pontualmente, caso não seja respeitado o tempo de descanso necessário para a retomada da temperatura natural. Há a necessidade de acompanhamento geológico em locais para de exploração desta fonte, devido à constante drenagem de água que pode comprometer o terreno, fazendo-o ceder.

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Os pontos positivos de utilização da matriz geotérmica relacionam-se com a utilização de recurso renovável não passível de ser afetado por variação sazonal ou efeitos climáticos, e com a disponibilidade deste recurso em todas as regiões do mundo. As barreiras para implantação incluem o custo elevado e a necessidade de suscetibilidade do terreno, devido às condições tecnológicas limitadas quanto à profundidade de perfuração do solo. A EIA (2013e) cita que a matriz geotérmica foi responsável pela geração de 70 Terawatts-hora no ano de 2011. Ainda, Resch et al. (2008) diz que o potencial técnico disponível, com base nas limitações tecnológicas atuais pode ser de mais de 5000 TWh por ano.

4.2.2.4

Energia Hidráulica

O aproveitamento da energia hidráulica para obtenção de energia elétrica ocorre por meio de turbinas que são movimentadas pela corrente de água nos rios, com ou sem barragens artificiais que formam reservatórios (EIA, 2013e). A energia hidráulica a resulta da energia potencial gravitacional que provoca a evaporação, condensação, precipitação e escoamento superficial da água sobre a superfície terrestre (ANEEL, 2005). A quantidade de energia hidrelétrica a ser gerada depende do fluxo de água e a distância vertical de queda da água. Naturalmente, a energia hidráulica ocorre no percurso de cursos d’água até o nível do mar, e pode ser aproveitada nos pontos onde ocorrerem desníveis ou quedas d’água. Para o armazenamento e geração energética em momento oportuno, utiliza-se a implantação de reservatórios artificiais por meio do represamento de rios. A liberação da água represada movimentará a turbina geradora (WEC – World Energy Council, 2013b; EIA, 2010b). Outra forma possível é através do bombeamento de água para uma bacia de cota topográfica superior, sendo que esta ficará represada até o momento de aumento da demanda energética (WEC, 2013b; EIA, 2010b). Como a bomba utilizada dependerá de eletricidade, o processo usualmente é feito em momentos de baixa demanda energética. Ao contrário das demais fontes renováveis, esta representa uma parcela significativa da matriz energética do mundo (cerca de 17% do total) e possui tecnologias de aproveitamento devidamente consolidadas (EIA, 2010). Segundo a ONU (1992, citado por ANEEL, 2005) o potencial hidráulico tecnicamente aproveitável para geração de energia varia de 10.000 a 20.000 TWh por ano.

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Entretanto, mesmo se tratando de uma matriz renovável, o aproveitamento de potenciais hidráulicos para a geração de energia elétrica requer, na maior parte dos casos, a inundação de grandes terrenos para a formação dos reservatórios que, muito provavelmente, trata-se de áreas produtivas e/ou de grande diversidade biológica (ANEEL, 2006). Essa demanda torna necessária, previamente, a realocação de grandes contingentes de pessoas e animais silvestres como forma de mitigação dos impactos. Além disso, a inundação de solos causada pelo represamento de águas desencadeia uma atividade biológica de degradação da matéria orgânica e consequente geração de CO2, que será liberado para a atmosfera, mas antes disso estabelece condições anóxicas no corpo hídrico (sem a presença de oxigênio), que favorece a formação de metano (CH4) e nitrito (N2O) devido à atividade de bactérias anaeróbicas. (CARNIGAN et al., 1991; RUDD et al., 1980, citados por FURTADO, 2001).

4.2.2.5

Energias Oceânicas

De acordo com a EIA (2013) e Fleming (2012), Existem atualmente cinco tecnologias distintas que visam extrair energia dos oceanos, todas ainda em estágio de desenvolvimento. São estas: 

Energia das marés: a energia potencial associada a marés pode ser aproveitada através da construção de uma barragem ou de outras formas de construção através de um estuário.



Energia de Correntes: a energia cinética associada a correntes de maré pode ser aproveitada através de sistemas modulares.



Energia das ondas: a energia cinética e potencial associada às ondas do oceano pode ser aproveitada por uma série de tecnologias em desenvolvimento que aproveitem esse movimento.



Gradientes de temperatura: utiliza o diferencial de temperatura entre a superfície do mar e de águas profundas pode ser aproveitado usando processos de conversão de energia térmica oceânica (do inglês - OTEC).



Gradientes de salinidade: na foz dos rios, onde a água doce se mistura com a água salgada, a energia osmótica associada à diferença de salinidade pode ser aproveitada usando o processo de osmose reversa e outras tecnologias de conversão associadas.

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Nenhuma destas tecnologias é amplamente utilizada até o momento, embora exista um potencial significativo para tal. Acredita-se que as mesmas possam começar a desempenhar um papel considerável no mix de energia elétrica global em torno de 2030. Ainda assim, no ano de 2011 foi gerado cerca de 0,07 TWh por meio destas fontes (EIA, 2013).

4.3 Panorama Atual e Previsões no Setor Energético Global São consumidos no mundo cerca 15 bilhões de Btu (British thermal unit) de energia por segundo, o que corresponde em unidades do Sistema Internacional de Unidades (SI) a 1,1 TJ, ou 1,1x10 12 J por segundo (ExonMobil, 2010 citado por SILVA, 2012). Ainda, se transformado para a quilowatt-hora, a unidade de energia utilizada para medição de consumo residencial, o consumo energético mundial é aproximadamente 305,6 milhões de KWh por segundo. Para se entender essa unidade, 1Wh é a quantidade de energia que será necessária para manter uma carga de potência de 1 Watt por uma hora; e 1kWh é igual a 3,6x106 Joulies. Com relação às projeções futuras, de acordo com a Administração de Informações Energéticas dos Estados Unidos - EIA (2013), para o ano de 2040, estima-se que o consumo global de energia ira quase duplicar, aumentando para 820 quatrilhões de Btu (820x1015, ou ainda, 240.000 TWh), sendo que em 2010 o consumo foi de 160.000 TWh. A entidade atribui esse aumento às mudanças inéditas no estilo de vida da população, às evoluções tecnológicas e a consequente automatização de todos os setores econômicos. Conforme mostrado na figura 6 abaixo, os maiores responsáveis pelo aumento da produção energética serão os países que estão fora da OECD – Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico, grupo formado basicamente pelos principais países de maior PIB do mundo. Ou seja, o considerável aumento de consumo energético se dará nos países em desenvolvimento, como Brasil, Índia, Rússia e China. Este último pode ser seguramente considerado a principal força do grupo em ascensão. O motivo está relacionado com rápida urbanização desses países, juntamente com o aumento populacional que está sendo observado (ONU – Organização das Nações Unidas, 2013)

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Figura 6 – Consumo mundial de energia, de 1990 a 2040 (fonte: Adaptado de EIA, 2013a)

4.3.1 Energia Elétrica Residencial De acordo com o WEC (2013a) – World Energy Council (Conselho de Energia Mundial, em inglês) o valor médio do consumo residencial no ano de 2011 foi de 278,1 kWh/mês. Entretanto, deve-se considerar que este dado varia consideravelmente de acordo com a região de análise. Por exemplo, durante o mesmo ano na Arábia saudita, o consumo residencial médio de energia elétrica foi de 1743,83 kWh/mês, um dos maiores do mundo. O dos Estados Unidos, foi de 982,42 kWh/mês, enquanto no Brasil foi de apenas 159,17 kWh/mês. Os principais motivos associados a essa diferença de consumo incluem condições financeiras (o principal), tamanho físico das casas, condições climáticas, variação do custo de eletricidade em cada região do mundo, ou ainda a possibilidade de acesso a energias alternativas para cozinha e iluminação. Segundo o do estudo cujo título traduzido é “Perspectiva Energética Mundial 2012 – Medição do Progresso em relação a disponibilidade energética para todos” (IEA, 2012), cerca de 20% da população mundial não tem acesso à eletricidade – aproximadamente 1.3 bilhão de pessoas. Cerca de dois terços da energia primária mundial, em 2006, é consumida nas cidades embora apenas metade da população viva em áreas urbanas. A população residente nas cidades consome mais carvão, gás e eletricidade do que a média mundial,

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mas consome menos petróleo. Assim, em 2006 as cidades representaram mais de 70% das emissões de CO2 a nível mundial (IEA, 2011 citado por SILVA, 2012).

4.3.2 Geração Energética em Função das Fontes Até o ano de 2040, os combustíveis fósseis irão representar em média 80% da produção de energia, sendo que dentre estes, o gás natural é o combustível que apresentará maior crescimento. Dentre todas as fontes energéticas disponíveis, o petróleo é largamente o mais utilizado, em parte devido à grande variedade de derivados que o fluido pode gerar, mas ainda assim tem diminuído a sua quota, devido, sobretudo, à maior exploração de outras fontes, como o gás natural, carvão e a energia nuclear (SILVA, 2012). O gráfico da Figura 7 possibilita a visualização do consumo mundial de energia de acordo com a fonte de geração, bem com as projeções futuras até o ano de 2040, segundo estudos da entidade. O termo ‘combustíveis líquidos’ inclui o conjunto completo de suprimentos de produtos líquidos, tanto os líquidos de petróleo – como diesel, gasolina – quanto os líquidos naturais obtidos de plantas, como etanol e os biocombustíveis.

Figura 7 – Consumo mundial de energia por tipo de geração (fonte: Adaptado de EIA, 2013a)

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As energias renováveis apresentarão um crescimento médio de 2,8% ao ano durante o período 2010-2040. Depois desta, o gás natural e a energia nuclear serão as fontes de maior utilização para a geração, ambas aumentando em 2,5 por cento ao ano. Estas perspectivas, no entanto, poderiam ser substancialmente alteradas por quaisquer políticas nacionais futuras ou acordos internacionais que visam reduzir ou limitar o crescimento das emissões de gases de efeito estufa. Como fomento para esta possibilidade cita-se que o potencial de aproveitamento das energias renováveis é enorme se comparado ao consumo de energia em geral. Segundo Resch et al. (2008), se forem consideradas todas as restrições técnicas, o potencial das renováveis permanece 16 vezes maior do que as necessidades atuais. O gráfico da Figura 8 mostra a evolução da demanda mundial especificamente para a geração de eletricidade, e as variações para cada fonte de origem. Estima-se que a geração de energia elétrica para o abastecimento da rede irá aumentar cerca de 93%, de acordo com o cenário de referência utilizado pela EIA (2013b), representando um aumento real de 20.2 trilhões de quilowatt-hora em 2010, para 39.0 trilhões de quilowatthora em 2040.

Figura 8 - Geração de energia elétrica por tipo de combustível (fonte: Adaptado de EIA, 2013b)

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Como pode ser visto, a geração de eletricidade também se baseia e continuará se embasando primeiramente no carvão e no gás natural de combustíveis fósseis. Diferentemente do gráfico da figura 7 porém, os combustíveis líquidos serão cada vez menos utilizados para esse propósito, principalmente em função da oscilação de seu valor. Embora as fontes de energia renováveis mostrem atributos positivos no viés ambiental, com exceção da hidroeletricidade, essas tecnologias ainda não estão em condições de competir economicamente com os combustíveis fósseis, salvo em algumas regiões pontuais ou em nichos de mercado (EIA, 2013b). Enquanto 19,5% da eletricidade global em 1990 foi produzida a partir de fontes renováveis, essa participação caiu para 19,3% em 2009, devido à lenta evolução das hidroelétricas nos países membros da OECD. Desta forma, Para se alcançar a meta de reduzir pela metade as emissões de CO2 relacionadas com a energia mundial até 2050 será necessária uma duplicação (em relação aos níveis de hoje) de geração de energia renovável até 2020 (IEA, 2013d).

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4.3.3 Projeção das Fontes Renováveis De acordo com estimativas da EIA (2013b), aproximadamente 80% do aumento previsto na geração de eletricidade renovável será gerado pelas energias hidrelétrica e eólica. A contribuição da energia eólica em particular, aumentou consideravelmente na última década, evoluindo de 18 Gigawatt de capacidade instalada ao final do ano de 2000 para 183 GW no final de 2010. Esta tendência de crescimento é mantida para as projeções futuras. Do total de energia gerada a partir de fontes renováveis ao longo do período de projeção, atribui-se 2,8 trilhões de quilowatt-hora (52%) à energia hidrelétrica e 1,5 trilhão de quilowatt-horas (28%) ao vento. A maior parte do crescimento da geração hidrelétrica (82%) ocorre em países não membros da OCDE, e mais da metade do crescimento da geração de energia eólica (52%) ocorre nos países membros da organização (EIA, 2013b). De acordo com informações da mesma organização, os elevados custos de implantação fazem com que custo total de construção e operação de geradores de energias renováveis superiores aos das plantas convencionais. Todavia, a melhoria da tecnologia de armazenamento da bateria e a implantação de instalações de aproveitamento eólico e solar em grandes áreas geográficas poderiam ajudar a atenuar alguns dos problemas associados com a intermitência ao longo do período de projeção. A figura 9 mostra o histórico e as projeções de utilização das energias renováveis entre o período 2000-2020.

Figura 9 - Histórico e projeções da geração mundial de energias renováveis (fonte: Adaptado de IEA, 2013e)

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Confirma-se então que, dentre as principais matrizes energéticas, a eólica é a matriz fundamente limpa (conforme será mostrado na sequência) que apresenta a projeção de ser a mais promissora.

5.

ENERGIA EÓLICA Denomina-se energia eólica a energia contida nos ventos, ou seja, na

movimentação das massas de ar na atmosfera. Essa movimentação se origina com a radiação solar que chega até o planeta e é absorvida e refletida em proporções diferentes, de acordo com as características da superfície terrestre atingida. Esse processo gera massas de ar com temperatura e pressão diferentes, e, como o ar quente é menos denso que o ar frio, as movimentações destas massas (ventos) são a reação natural de busca por equilíbrio no sistema. Existem também diversos fatores de larga escala que agem na dinâmica dos ventos como, por exemplo, a diferença de pressão entre os Polos do planeta e da região da linha do Equador (devido à irregularidade do aquecimento provocado pelo Sol), e o próprio movimento de rotação da Terra (AGUIAR, 2009). O aproveitamento da energia eólica pode se dar por várias formas, como para a movimentação de barcos à vela e para a moagem de grãos por meio de moinho de ventos. Para a conversão desta em eletricidade, se faz o uso de aerogeradores, e a energia gerada pode ser armazenada em pilhas, transformada diretamente em eletricidade, os chamados sistemas isolados; ou ainda vendida para a o sistema de abastecimento, havendo para este caso a necessidade de ligação à rede elétrica (MOREIRA, 2010).

5.1 Aerogeradores Os aerogeradores são as turbinas que transformam a energia do vento em eletricidade. Atualmente o modelo mais usado no mundo, como frisam Castro (2009) e Marques (2004), é o já consolidado conceito dinamarquês, no qual a turbina eólica apresenta três pás com rotação em eixo horizontal, e são posicionadas diretamente de frente para o vento (upwind). Segue breve descrição dos componentes de um aerogerador, bem como o processo geração de energia, utilizando esse modelo padrão como referência. O processo de transformação se inicia quando a energia cinética do vento movimenta as pás da turbina. Estas estão ligadas, por meio de um rolamento, ao eixo que

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as suspende, que por sua vez é ligado ao rotor. Este é responsável por transformar a energia cinética em energia mecânica e, deverá estar conectado ao gerador, que fará a conversão desta energia em eletricidade.

Nas turbinas mais comuns, todo esse

mecanismo fica instalado na nacele, o compartimento isolado acima da torre do aerogerador. O sensor de vento tem a função de coletar a direção e a velocidade do vento e, usualmente por meio de um sistema automático, dispor o rotor de frente para o vento, mesmo quando este mudar de direção. A figura 10 exemplifica o esquema comentado. Os ventos mais fortes, mais constantes e mais persistentes ocorrem em bandas situadas a cerca de 10 km da superfície da terra. Como não é possível colocar os conversores eólicos nessas zonas, o espaço de interesse encontra-se limitado a algumas dezenas de metros na atmosfera (CASTRO, 2009). Nota-se então a necessidade da utilização de torres de sustentação para as turbinas. Este fato será mais explorado na sequência do trabalho.

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Figura 10 - Desenho esquemático de uma turbina eólica moderna (fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE /UFPE, 2003, citado por ANEEL, 2005)

As turbinas de eixo vertical funcionam basicamente utilizando o mesmo processo descrito, sendo que apenas a disposição dos mecanismos é diferenciada. A maior vantagem que este modelo apresenta é de não sofrer interferência da direção do vento, o

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que torna desnecessário o uso de mecanismos de orientação direcional para a captação de energia. Pode-se dizer que sua estrutura é relativamente mais simples. Quanto aos pontos negativos, cita-se que, estas precisam de maior área disponível, principalmente por necessitar de cabos de amarração para a sustentação; e além de atingirem uma velocidade muito inferior por estarem mais próximas do solo, necessitam de meios externos para iniciar o movimento, ou seja, não apresentam a capacidade de auto arranque. Segue ilustração de uma turbina eólica de eixo vertical e de grande porte na figura 11. Entretanto, ressalta-se que atualmente esse modelo é mais utilizado para as turbinas de pequeno porte.

Figura 11 - Exemplo de turbina de eixo vertical (fonte: CASTRO, 2009)

O aerogerador deve ser selecionado ou projetado para trabalhar dentro da faixa de velocidade média local do vento, que deve ser constatada através de estudos in loco e levantamentos de dados nas estações meteorológicas mais próximas. Um projeto que almeje trabalhar com a velocidade máxima dos ventos locais não é compensatório economicamente, devido à baixa frequência de aproveitamento total dessa estrutura e do encarecimento do mesmo. Além disso, projetos mais robustos exigiriam uma maior velocidade mínima para o acionamento da turbina, pois neste caso as pás seriam mais pesadas, e consequentemente causaria mais tempo de ociosidade ao sistema.

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Da mesma forma, a ocorrência de velocidades superiores à prevista não é interessante para as turbinas. O efeito pode sobrecarregar o sistema, acarretando a redução da vida útil das peças devido ao desgaste.

Por esse motivo os equipamentos são

projetados com sistemas de freios, e geralmente com mecanismos para controle da inclinação das pás, que possibilita a redução força de arraste exercida pelo vento. Quanto ao porte, a ANEEL (2005) classifica as turbinas, conforme ilustrado na Figura 12, como pequenas – potência nominal menor que 500 kW; médias – potência nominal entre 500 kW e 1000 kW; e grandes – potência nominal maior que 1 MW.

Figura 12 – exemplo de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte (fonte: Centro Brasileiro de Energia Eólica – CBEE /UFPE, 2003, citado por ANEEL, 2006)

De acordo com a CRESESB (2012), as de pequeno porte são normalmente utilizadas em residências rurais, fazendas e aplicações remotas (microgeração); as de médio porte são destinadas à utilização em pequenas comunidades, sistemas híbridos (que utilizam mais de uma fonte de energia) e geração distribuída; e por fim as de grande porte são utilizadas em parques eólicos e visando a geração distribuída. A Figura 13 abaixo ilustra a relação do tamanho dos rotores mais comuns com a faixa de potência energética a ser gerada. Essa relação se baseia também na área de varredura das hélices.

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Figura 13 - Relação do tamanho do rotor com a potência nominal em turbinas eólicas (fonte: DanishAssoc., 2012)

Segundo Castro (2009), quando possível, optar pelo aumento do tamanho das turbinas é vantajoso do ponto de vista econômico e ambiental. Em geral, para um determinado local, quanto maior for a potência unitária da turbina, mais energia é produzida, e melhor aproveitadas são as infraestruturas elétricas e de construção civil. A redução da quantidade de turbinas em movimento contribui também com a diminuição do impacto visual. As microturbinas, turbinas destinas à microgeração, conforme ressalta Moreira (2010), estão em crescente ascensão na Europa e nos Estados Unidos e nos países emergentes, devido à necessidade de fornecimento de energia aos locais sem conexão com rede elétrica. Entretanto, o mesmo estudo aponta estas estão em um estágio prematuro se comparado com o mercado das turbinas de grande porte.

5.2 Fatores interferentes no aproveitamento energético Os fatores que influenciam no aproveitamento da energia eólica em um determinado local estão diretamente relacionados com características climáticas e

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geográficas deste. Os principais interferentes do recurso eólico são as características topográficas, a rugosidade do solo e a altura. Nas camadas de até 100 m de altura, os deslocamentos das massas de ar são chamados ventos de superfície. Nessa faixa, que é de específica importância para a energia eólica, os ventos sofrem influência da rugosidade da superfície e dos obstáculos naturais ou artificiais existentes, de acordo com suas dimensões e distribuições. Segundo o INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (2004, citado por MIGUEL, 2004), dentro da camada de superfície o perfil vertical do vento é logarítmico, sendo que o escoamento é nulo na superfície, conforme a figura 14 a seguir.

Figura 14 - Exemplo de perfil vertical para velocidade do vendo para rugosidade 0,055m (fonte: MIGUEL, 2004)

Assim, elevar a altura da torre da turbina eólica relativamente ao solo é também muito importante para se otimizar a geração de energia. De acordo com Moreira (2010), se a altura da torre aumentar de 10 para 50 metros, a quantidade de energia fornecida pelo vento duplica. Segundo Dutra (2001, citado por MIGUEL, 2004), a rugosidade de um terreno é o conjunto de elementos, formado por árvores, arbustos, vegetação rasteira e pequenas construções sobre a superfície do solo que oferecem resistência à passagem do vento e desviam sua rota, além de causar pequenas turbulências na superfície. Quanto mais densa e mais alta for a formação deste, maior será a rugosidade e, portanto, maior será a dificuldade que o vento encontrará para se deslocar. São atribuídos valores médios para cada tipo de terreno, como exemplificado na tabela 1 a seguir.

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Tabela 1- Fator de rugosidade do terreno (fonte: Aldabó, 2002)

Descrição do terreno

Fator de rugosidade (n)

Terreno sem vegetação

0,10

Terreno gramado

0,12

Terreno cultivado

0,19

Terreno com poucas árvores

0,23

Terreno com muitas árvores ou poucas edificações

0,26

Florestas

0,28

Zonas urbanas sem edifícios altos

0,32

Para sistemas com altura até 150 metros, a potência eólica aumenta em proporção direta com a altura acima do nível do terreno. De acordo com essa relação, a velocidade do Vento pode ser estimada pela fórmula: V= V0 (H / H0) n Onde, V: velocidade do vento na altura desejada; V0 : velocidade do vento disponível na altura conhecida; H: altura desejada; H0 :altura conhecida; n: fator de rugosidade do terreno.

5.3 Análise de Viabilidade Obviamente, para que o aproveitamento do recurso eólico se torne viável, devese assegurar a ocorrência de ventos em velocidades e frequências consideráveis. Com base nestes valores, bem como com o conhecimento das curvas de potência da turbina eólica é possível então calcular a energia gerada pelo sistema e assim fazer a análise da viabilidade técnica-econômica do projeto (MOREIRA, 2010). Sem os devidos estudos, a implantação de turbinas será um investimento de risco.

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Castro (2009) cita que, idealmente, a caracterização do recurso eólico num local deve ser feita com base em medições realizadas em vários pontos da zona envolvente e ao longo de um número significativo de anos. Como em geral não se dispõe desse tempo e do recurso para essa pesquisa, é comum usar dados de apenas um ano. Para estes casos, é essencial ter o conhecimento, com o auxílio de dados de estações meteorológicas próximas, se o ano no qual os dados foram obtidos é de fato representativo, ou seja, se não foi um ano excepcionalmente calmo ou intenso com relação aos ventos. Dentre os equipamentos específicos para a caracterização dos ventos visando aproveitamento eólico, os essenciais são os anemômetros, que medem a velocidade destes, e os sensores direção. Os dados obtidos podem ser dispostos em formato de rosa dos ventos, que permite visualizar graficamente, conforme exemplificado na Figura 15, a direção (de acordo com o sentido), a velocidade (de acordo com as cores) e a frequência (de acordo com a posição na escala radial de cada vento). Segundo a DanishAssoc. Danish Wind Tturbine Manufactures Association (2003, citado por MIGUEL, 2004), a possibilidade de desenhar a rosa dos ventos acontece após a observância de uma série meteorológica significativa, em relação ao período de coleta, onde podem ser detectadas com precisão as direções predominantes e a frequência de ocorrência dos mesmos.

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Figura 15 - Exemplo de rosa dos ventos (fonte: AUTODESK, 2012)

Além da análise de viabilidade, conforme Castro (2009) ressalta, a caracterização de um local em termos da velocidade do vento por direção também é importante para a orientação inicial das turbinas. Feitosa et al. (1993, citado por MIGUEL, 2004) cita que a existência de ventos com velocidades médias anuais de 6 m.s-1 são consideradas atrativas para a geração de eletricidade. Ventos de forte intensidade, ou seja, acima de 14 m.s-1 são importantes para o estudo da geração de energia, pois estão diretamente ligados ao dimensionamento dos aerogeradores (MIGUEL, 2004).

5.4 Impactos Ambientais Os principais impactos ambientais relacionados ao aproveitamento eólico estão diretamente associados com a escolha do local de implantação do empreendimento e do tamanho das turbinas utilizadas. Amaral (2009) comenta que mesmo, que sendo assumido que os impactos causados nas populações de aves sejam comparativamente menores que os impactos de outras indústrias energéticas, vários os trabalhos evidenciam os impactos negativos

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causados pelos parques eólicos em aves e morcegos, como exemplo da mortalidade direta devido à colisão, a perda ou alteração de habitat. Desta forma, é possível concluir que um estudo das rotas migratórias da avifauna da região na qual se pretende implantar o parque eólico é indispensável para evitar ou mitigar esses impactos. A mesma autora ainda cita que, no sentido de compatibilizar os interesses da conservação da natureza com o desenvolvimento da energia eólica, é fundamental que cada país identifique as áreas geográficas compatíveis com a instalação destes empreendimentos energéticos. Quanto aos impactos sociais, os mais citados pelos autores relacionam-se com o impacto visual que a implantação das turbinas pode causar, e aos ruídos característicos do empreendimento. Castro (2009) cita que basicamente há dois tipos de ruído: mecânico, associado à caixa de velocidades e ao gerador e motores auxiliares, e aerodinâmico,

relacionado com o movimento das pás no ar. O mesmo autor cita também que embora existam no mercado turbinas de baixo ruído, é inevitável a existência de um zumbido, principalmente a baixas velocidades do vento, uma vez que a altas velocidades do vento o ruído de fundo se sobrepõe ao ruído das turbinas. Caso possível, é aconselhável a busca por um consenso da população que eventualmente possa ser afetada pela implantação do empreendimento.

5.5 Parques eólicos offshore As instalações offshore de refere-se à instalação das turbinas geradores em alto mar. Castro (2009) cita que o fato de a rugosidade do mar apresentar valores baixos, faz com que a variação da velocidade do vento com a altura seja pequena, e, portanto, a necessidade de haver torres elevadas não seja imprescindível. Ainda devido à baixa rugosidade, o vento no mar é, normalmente, menos turbulento do que em terra, o que faz esperar uma vida útil mais longa para as turbinas. A figura 16 abaixo retrata o parque eólico de Vinderby, na Dinamarca. Este foi o primeiro parque eólico offshore a ser construído, e abrange a implantação de 11 turbinas de 450 kW cada uma, instaladas a uma profundidade média de 5 metros (ESTANQUEIRO, 2009). Castro (2009) cita que a experiência com esse e com outros parques eólicos que foram construídos e estão em operação no mar da Dinamarca revela que o efeito dos obstáculos em terra, mesmo para distâncias superiores a 20 km, parece ser superior ao inicialmente previsto. Por outro lado, os resultados obtidos até ao

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momento indicam que o recurso eólico no mar poderá ser superior às estimativas disponíveis em cerca de 5 a 10%. A maior dificuldade da instalação de turbinas offshore relaciona-se com a seleção e o projeto das fundações, sendo que existem diferentes tecnologias que variam primeiramente de acordo com a profundidade do local. As aplicações eólicas offshore estão atualmente numa fase de grande progresso tecnológico. Alemanha tem o objetivo de implantação de um complexo parque eólico dessa modalidade, que deverá passar por um minucioso programa de análises preliminares, e após sua conclusão poderá culminar na instalação de 25GW em turbinas (ESTANQUEIRO, 2009).

Figura 16 - Parque eólico de Vinderby na Dinamarca (fonte: DanishAssoc, citado por CASTRO, 2009)

5.6 Projeções e outros dados relevantes Segue alguns dados relevantes à utilização da energia eólica e sua evolução, de acordo com o estudo exclusivo sobre o assunto publicado pela EIA (2013g). As demais informações de autoria diferente desta estão devidamente referenciadas. Através de uma perspectiva global, o aproveitamento da energia eólica terrestre está projetado para alcançar capacidade instalada superior à 500GW de potência até 2018. A China será o país com maior capacidade acumulada (185GW), seguida dos Estados

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Unidos (92GW), Alemanha (44GW) e Índia (34 GW). No total a produção energética pela matriz eólica está prevista pra chegar a 144 TWh em 2018, sendo que os países não membros da OECD produzirão cerca de 44% desta energia. Avanços no desenho das hélices, muitas vezes com a utilização de melhores materiais, além de estratégias avançadas de controle, têm contribuído para o aumento do rendimento das turbinas em relação à sua capacidade instalada. O aumento do tamanho dos aerogeradores ao longo da evolução da tecnologia foi um avanço efetivo para reduzir os custos até o momento, mas não é certo que essa tendência poderá ser seguida indefinidamente. Os custos de investimento para a Energia Eólica irão cair 25% para a tecnologia terrestre, e 45% para a tecnologia offshore em 2050. Está em andamento a elaboração de um Atlas Eólico Internacional de acesso público, que conterá informações e condições sobre os ventos, em área terrestre e oceânica. A previsão de conclusão é para 2015. Segue na figura 17 mapa eólico elaborado pela empresa 3TIER, que exibe graficamente as velocidades médias do vento nas áreas terrestres a uma altura de 80 metros, considerando áreas de 5km² para referência dos cálculos dos modelos matemáticos utilizados para a previsão da dinâmica atmosférica. Nota-se por este que a maior parte do terreno global apresenta velocidade média anual

Figura 17 - Mapa global da velocidade média do vento a 80m de altura (fonte: Adaptado de 3TIER, 2011)

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47 superior a 6 m.s-1, limiar da atratividade para a geração de energia elétrica a partir dos ventos.

O potencial final de eletricidade gerada a partir dos ventos ao redor do mundo pode de fato ser 50 vezes superior ao consumo de eletricidade atual (Grubb and Meyer, 1993; Rogner et al, 2004; Haefele et al., 1981, citados por Resch et al, 2008).

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6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Pelo presente trabalho foi possível avaliar o conceito de energia e as particularidades do mesmo, como as formas ocorrentes de energia natural e as transformações que são realizadas para seu aproveitamento. A análise das matrizes energéticas permitiu a compreensão das principais formas de aproveitamento destas, bem como os fatores de sustentabilidade e os de risco ambiental. A utilização dos combustíveis fósseis foi evidenciada como a principal origem das emissões de GEEs e outros gases poluentes, e embora já exista tecnologia para mitigar esses impactos, até então as reduções de emissão não têm sido satisfatória. A utilização da energia nuclear é uma opção que não deve ser totalmente descartada, principalmente caso se alcance o domínio da técnica de fusão, que oferece menores riscos do que a conhecida fissão. Foram levantadas as principais formas de obtenção de energia a partir de fontes renováveis. As informações obtidas permitem as seguintes análises: A energia geotérmica aparenta ser uma atrativa opção para geração de energia elétrica nos locais em que exista a pré-disposição natural para aproveitamento do recurso. É uma fonte sustentável para geração de eletricidade desde que sejam considerados todos os aspectos envolvidos na sua utilização, e seu potencial técnico possibilita. O uso da biomassa pode ser útil, principalmente por oferecer uma destinação mais vantajosa ambiental e economicamente, para resíduos urbanos e sobras vegetais que o encaminhamento para aterros sanitários. Deve-se, no entanto, considerar os impactos gerados pela emissão de gases atmosféricos ao longo do processo de utilização, bem como as respectivas possibilidades de tratamento para estas emissões. A energia hidráulica, na maior parte dos casos demanda o represamento de cursos d’água, o que gera grandes impactos ambientais, causando profundas alterações locais de ordem biológica e social, além da emissão de gases poluentes. Ainda assim, sua utilização é amplamente considerada devido à praticidade e a maturidade tecnológica. Tendo em vista os pontos negativos citados, sua utilização deve ser minuciosamente ponderada. A energia solar e eólica são as matrizes energéticas ambas de aproveitamento efetivamente limpo – em geral não apresentando grandes impactos ambientais durante sua utilização – além de apresentar potenciais promissores; pontos que as tornam as mais

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relevantes para este estudo. Atualmente é alto o custo de implantação das mesmas, mas as evoluções tecnológicas serão positivas nesse sentido, além de contribuir para o aperfeiçoamento da eficiência na obtenção de energia. A análise detalhada da matriz eólica possibilitou ter conhecimento da diversidade de interferentes, internos e externos à tecnologia, que possam ser significativos no seu aproveitamento. Desta forma, evidenciou-se a quantidade e a natureza dos estudos que se fazem necessários para avaliação da viabilidade de aproveitamento energético, bem como par análise das possibilidades de otimização deste processo. Foi possível ter ideia também da complexidade que envolve a utilização de outras fontes renováveis, pois, assim como a eólica, a maior parte destas está sujeita às condições climáticas locais e globais, cuja previsão e o aproveitamento envolve inúmeros fatores ainda não conhecidos em sua totalidade. A análise do panorama energético global permitiu constatar que a geração de energia ocorre predominantemente pela utilização de combustíveis fósseis. De modo análogo avaliou-se que, de acordo com as projeções futuras, este cenário não apresentará grandes alterações, a não ser pela demanda energética que se manterá em constante ascendência, praticamente duplicando seu valor até o ano de 2040. A participação das energias renováveis no mix global será crescente, mas não o suficiente a ponto de causar mudanças significativas nas emissões dos gases do efeito estufa, de acordo com as projeções. Desta forma, pode-se concluir que as alternativas disponíveis para a substituição dos combustíveis fósseis ainda estão em processo de amadurecimento tecnológico, mas que a possibilidade de se ter um mundo energeticamente sustentável é real. Para o momento, o mais adequado é haver o máximo de incentivo para o desenvolvimento de pesquisas no setor energético com foco nas energéticas sustentáveis promissoras, de modo a tornar as tecnologias mais robustas e passíveis de utilização em larga escala. Como o aumento na demanda energética ocorrerá quase que em sua totalidade nos países em desenvolvimento, o apoio dos países desenvolvidos poderia ser significativo no sentido de compartilhamento das tecnologias existentes que possam contribuir para a geração energética ambientalmente favorável. Foi visto que a utilização das matrizes energéticas renováveis deve ser feita de forma descentralizada e interdependente. Com base nesta informação e indo mais além na questão anterior, caso realmente exista a intenção de se avançar no sentido de

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eliminação das emissões dos Gases do Efeito Estufa, conclui-se (com um nível saudável de utopismo) que a melhor alternativa seria a existência de um acordo entre as nações que tratasse a questão energética como uma questão global e transpassasse as questões fronteiriças, de modo a tornar viável a exploração efetiva do potencial apresentado pelas fontes renováveis. Desta forma, poderá ser priorizado o desenvolvimento e utilização das possibilidades menos impactantes para obtenção de energia em cada local, o que contribuiria para a evolução da qualidade de vida da população mundial. Esta audaciosa realidade é possível, pois, de acordo com os potenciais apresentados pelas matrizes mais limpas, existe uma real possibilidade de eliminação da escassez energética. Para tanto, se faz necessário a realização de novos estudos dedicados exclusivamente a essa intenção.

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