Energia elétrica renovável: hidrelétricas, solar, eólica e biomassa, Manuais, Projetos, Pesquisas de Engenharia Civil

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Fontes

alternativas

de energia

2017 Editora e Distribuidora Educacional S.A. Avenida Paris, 675 – Parque Residencial João Piza CEP: 86041-100 — Londrina — PR e-mail: editora.educacional@kroton.com.br Homepage: http://www.kroton.com.br/ Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) Lima, Gabriela Marcomini de ISBN 978-85-522-0175-

1. Recursos energéticos. I. Título. CDD 333. Lima. – Londrina : Editora e Distribuidora Educacional S.A.,

192 p. L732f Fontes alternativas de energia / Gabriela Marcomini de © 2017 por Editora e Distribuidora Educacional S.A. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio, eletrônico ou mecânico, incluindo fotocópia, gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação, sem prévia autorização, por escrito, da Editora e Distribuidora Educacional S.A. Presidente Rodrigo Galindo Vice-Presidente Acadêmico de Graduação Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Alberto S. Santana Ana Lucia Jankovic Barduchi Camila Cardoso Rotella Cristiane Lisandra Danna Danielly Nunes Andrade Noé Emanuel Santana Grasiele Aparecida Lourenço Lidiane Cristina Vivaldini Olo Paulo Heraldo Costa do Valle Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica Carolina Belei Saldanha Mauricio Dester Paulo Sérgio Siberti da Silva Editorial Adilson Braga Fontes André Augusto de Andrade Ramos Cristiane Lisandra Danna Diogo Ribeiro Garcia Emanuel Santana Erick Silva Griep Lidiane Cristina Vivaldini Olo

Sumário Unidade 1 | Energia elétrica e o desenvolvimento social Seção 1.1 - Fontes de energia Seção 1.2 - Matriz energética nacional Seção 1.3 - Fontes de energia renovável e não renovável 7 9 24 37 Unidade 4 | Biocombustíveis, célula a combustível e aproveitamento de resíduos Seção 4.1 - Biocombustíveis Seção 4.2 - Célula a combustível Seção 4.3 - Aproveitamento energético do lixo urbano e resíduos industriais 145 148 162 176 Unidade 2 | Energia solar, eólica e de biomassa Seção 2.1 - Energia solar Seção 2.2 - Energia eólica Seção 2.3 - Energia de biomassa 53 56 69 84 Unidade 3 | Energia hidráulica e gaseificação Seção 3.1 - Carneiro hidráulico e roda d'água Seção 3.2 - Microcentrais hidroelétricas Seção 3.3 - Gaseificação 101 104 117 130

Palavras do autor Bem-vindo à disciplina Fontes alternativas de energia. Você certamente tem conhecimento de toda a problemática ambiental envolvida na exploração e utilização de algumas fontes de energia, principalmente as ditas “não renováveis”. Aliado a isso, o modelo de desenvolvimento econômico atual, pautado no uso intenso de energia e no crescente aumento de sua demanda, tem exigido que sejam adotadas estratégias para o aumento da eficiência energética de produtos e processos e que ocorra diversificação da matriz energética pela inserção de fontes alternativas de energia. Nesse contexto, é importante que você tenha uma visão crítica sobre a matriz energética brasileira e tenha conhecimento sobre as fontes de energia disponíveis, sobre as vantagens e desvantagens de sua exploração e sobre as situações em que elas poderão ser exploradas. Ao término desta disciplina, espera-se que você conheça e compreenda a matriz energética nacional e as diferentes fontes alternativas de energia, suas principais características, vantagens e impactos socioambientais. Para isso, é importante que você leia atentamente o material de estudos, que é composto por quatro unidades. São elas: Unidade 1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social: nessa unidade você conhecerá, compreenderá e saberá discutir a matriz energética nacional, considerando as perspectivas de tendências passada e futura; Unidade 2 - Energia solar, eólica e de biomassa: aqui você identificará as aplicações da energia solar, eólica e biomassa e conhecerá suas principais características, sob as óticas técnica, econômica e socioambiental; Unidade 3 -Energia hidráulica e gaseificação: esta unidade proporcionará a você o conhecimento sobre as aplicações e o funcionamento do Carneiro Hidráulico e Roda d'água, Microcentrais Hidrelétricas e Gaseificadores e Unidade 4 - Biocombustíveis, célula a combustível e aproveitamento de resíduos: o objetivo da unidade é fazer com que você saiba as características e os fatores que possibilitam a viabilidade da utilização de biogás, da célula a combustível e do aproveitamento de resíduos. Antes de começar o seu estudo sobre energias alternativas, reforçamos a importância de você realizar as leituras

complementares, pois, assim como o livro didático, elas são essenciais para a construção de seu conhecimento. Bons estudos!

que aprenderá nesta unidade. Isso também irá prepará-lo para possíveis situações parecidas como essa, em seu futuro profissional. Assim, imagine-se na seguinte situação: você foi convidado para compor uma comissão de discussão, na qual será realizada uma análise da matriz energética brasileira e do potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição. A partir dessa análise, será redigido um relatório destinado ao Governo Federal, com o objetivo de incentivar uma mudança na matriz energética nacional. A sua participação nesta comissão está detalhada em três etapas, seção após seção, nas situações-problemas propostas ao longo desta unidade de ensino. Você conhece a matriz energética brasileira? Sabe que outras fontes de energia são exploradas no Brasil? As respostas para estes e outros questionamentos poderão ser encontradas adiante. Portanto, inicie os seus estudos!

U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social 9 Seção 1.

Fontes de energia

Muitas críticas têm sido direcionadas à matriz energética nacional, que ainda tem o petróleo, uma fonte não renovável de energia, como principal fonte explorada no Brasil. Quando o assunto é a matriz energética elétrica, as hidrelétricas também têm levantado muitos questionamentos, principalmente direcionados aos impactos ambientais e sociais, resultantes da construção das grandes barragens. Não é incomum que tais questões caiam nas rodas de discussões populares, já que frequentemente os noticiários anunciam o aumento nos preços da gasolina ou na tarifa de energia elétrica, causando certo fervor na população. Como vimos anteriormente, você foi inserido em uma comissão que realiza uma análise da matriz energética brasileira e do potencial da participação de fontes alternativas de energia na sua composição. Isso gerará um relatório para incentivar uma alteração na matriz energética nacional. Imagine que no primeiro dia de debate da comissão para a formulação do relatório, foi feito um alerta sobre os problemas relacionados à exploração e uso do petróleo, que apesar dos impactos ambientais associados, ainda é a fonte energética mais explorada mundialmente. Nesse contexto, a comissão decidiu inserir uma consideração sobre as fontes de energia alternativas que poderiam ser melhor exploradas no Brasil, visando minimizar os prejuízos ambientais decorrentes do uso de combustíveis fósseis. A esse respeito, os seguintes pontos foram discutidos: que fontes de energia poderiam ser incluídas nesse relatório? Como essas fontes são utilizadas? Qual seria um argumento favorável à substituição do petróleo como principal fonte energética? Qual seria o seu posicionamento a respeito dessas questões? As respostas a esses questionamentos integrarão a primeira parte do relatório e, nesta seção, você poderá obter informações para a resolução desse problema, enfocando principalmente os conteúdos que tratam das fontes de energia e sua utilização. Diálogo aberto

U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social 11 Agora que você já está familiarizado com os termos “energia cinética”, “energia potencial” e “energia mecânica”, chegou a hora de compreendê-los de forma mais detalhada. A energia pode ser classificada quanto ao movimento das partículas ou corpos e quanto à sua natureza física. Quanto ao Pesquise mais Para que você entenda com clareza a relação entre trabalho e energia, é necessário que você recorde alguns princípios fundamentais de física, com destaque para as três leis de Newton, que regem a mecânica básica e buscam explicar os fenômenos envolvidos na força e movimento dos corpos. Para isso, leia o artigo Mecânica, calor e ondas, Capítulo 4: As leis de Newton, de Zilio e Bagnato (2008). Disponível em: http://www.fotonica.ifsc.usp.br/ebook/book3/Capitulo4. Acesso em: 3 abr. 2017. Assimile Determinados sistemas mecânicos, que não sofrem influência de fenômenos térmicos ou eletromagnéticos, são regidos pelo “Princípio da conservação da energia”. Este princípio embasa a afirmação de que a energia não pode ser criada e nem destruída, mas somente transformada de uma forma em outra. A energia mecânica é a soma da energia cinética a energia potencial. As energias potencial e cinética podem variar em um sistema fechado e ideal, mas a soma de ambas é constante e igual à energia mecânica. Relembrando o exemplo da usina hidrelétrica: a energia potencial é transformada gradativamente em energia cinética, nos condutos forçados. Inicialmente, a água possui apenas energia potencial. Na medida em que uma massa de água se aproxima da turbina, percorrendo os condutos forçados, a energia potencial inicial vai se transformando em energia cinética. Ao chegar na turbina, quase toda energia potencial foi transformada em energia cinética. Todavia, a soma de ambas resulta sempre na energia mecânica do sistema (energia potencial mais energia cinética).

12 U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social movimento, a energia pode ser cinética ou potencial e quanto à natureza física, classifica-se em mecânica, eletromagnética, química, nuclear etc. Em termos gerais, a energia potencial relaciona-se com a energia que é armazenada nas partículas e a energia cinética tem relação com a velocidade dos objetos (SGUAZZARDI, 2014, p. 92). Já a energia mecânica é formada pela junção da energia potencial, energia cinética e energia interna (grau de agitação das moléculas ou partículas que constituem a substância e que está associado à temperatura da substância, ou seja, quanto maior a temperatura, maior o grau de agitação das moléculas ou partículas). Além da energia cinética e potencial, que juntas formam a energia mecânica, podemos encontrar outros tipos de energia, dentre as quais destacam-se: eletromagnética, química e nuclear. A energia eletromagnética (por exemplo, a radiação solar) pode ser transformada em energia elétrica (geração fotovoltaica) ou em calor (aquecedor solar). Sempre que colocamos corpos com diferentes temperaturas em contato, ocorrerá uma transferência de calor, partindo do corpo de maior para o de menor temperatura. Essa transferência de calor entre os corpos pode ocorrer por meio de condução, convecção ou radiação. A condução ocorre quando existe contato físico entre superfícies com temperaturas diferentes e, nesse caso, a transferência de energia ocorrerá por meio da vibração das moléculas que compõem a substância. Na convecção, que ocorre mais comumente em meio líquido e gasoso, as moléculas aquecidas ascendem, promovendo o surgimento de correntes de água e movimentação do ar na atmosfera. A radiação promove transferência de calor pela emissão de ondas eletromagnéticas, sendo a forma como a energia solar atinge a Terra, já que essas ondas podem se propagar no vácuo, sem a necessidade de massa para que a energia seja transferida aos corpos. Essa forma de energia é essencial para a sobrevivência dos seres vivos e precursora de diversas fontes de energia exploradas pelo homem, com destaque especial para a energia solar.

14 U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social sofrem decaimento nuclear. Esse processo libera uma grande quantidade de energia, que é denominada radioatividade. A energia armazenada no núcleo do átomo pode ser obtida por meio da fusão e da fissão nuclear. Na fusão nuclear, dois núcleos de átomos unem-se para formar um único núcleo, reação que libera uma quantidade enorme de energia. A reação de fusão nuclear ocorre no Sol e pode ser empregada artificialmente na reação entre átomos de hidrogênio produzindo hélio, visando à geração de energia. Na fissão nuclear, um núcleo de átomo é dividido em dois, liberando grande quantidade de energia. Um exemplo de fissão é a que ocorre nos átomos de urânio, com potencial para a geração de energia. A energia nuclear tem grande potencial na substituição de combustíveis fósseis, no entanto, durante muito tempo discutiu- se a respeito dos problemas relacionados ao descarte de resíduos que sua exploração produz. Atualmente, a grande preocupação reside na garantia da segurança para evitar ou mitigar da forma correta possíveis acidentes que possam ocorrer. Os rejeitos radioativos são controlados e classificados de acordo com o seu teor de radioatividade. Alguns podem sofrer reciclagem e, na sua inviabilidade, são armazenados em recipientes que impedem a passagem de radiação. Até agora você estudou sobre como se manifestam os diferentes tipos de energia. É importante que você saiba que existe uma relação entre o tipo de energia e as fontes das quais ela é explorada: a energia mecânica pode ser obtida de fontes como os ventos, marés e água; o Sol é uma fonte de energia eletromagnética; a energia química provém de fontes como biomassas e combustíveis fósseis e a fusão de núcleos de hidrogênio ou fissão de urânio são fontes de energia nuclear. Veremos, a seguir, um pouco mais sobre as fontes de energia e suas formas de utilização. Podemos classificar as fontes de energia em renováveis e não renováveis. As fontes de energia renováveis são derivadas direta ou indiretamente da luz solar, com exceção da energia geotérmica, proveniente do calor emanado do núcleo da Terra. A característica “inesgotável” dessas fontes, aliada à introdução de novas tecnologias,

U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social 15 tornam a sua exploração atrativa em países que carecem de uma rede elétrica desenvolvida, já que o custo-benefício de geradores de pequeno porte movidos à energia eólica e solar, por exemplo, é mais vantajoso do que a instalação de extensas redes elétricas (SPIRO; STIGLIANI, 2009). Tal exploração é dita descentralizada, pois privilegia a construção de centrais elétricas de pequeno e médio portes, visando ao abastecimento local e regional. Como exemplo, podemos citar os sistemas descentralizados eólicos, solares, as mini, micro e pequenas centrais hidrelétricas. Já os sistemas centralizados, muito explorados no Brasil, são projetos de grande porte, como as hidrelétricas e usinas eólicas, que geralmente localizam-se longe dos centros consumidores e necessitam de transporte da energia gerada. É importante ressaltar que a opção por um planejamento centralizado ou descentralizado de fornecimento de energia deve ser precedida por estudos para a análise de qual alternativa é mais adequada. Os combustíveis fósseis, como o carvão, o gás natural e o petróleo, são classificados como fontes de energia não renováveis, pois são originados a partir de reservas fossilíferas que se formaram há milhares de anos, a partir do soterramento e decomposição de matéria orgânica. Além de existirem em quantidade limitada no planeta, tanto a extração quanto a utilização desses combustíveis geram impactos ambientais negativos. Dando maior enfoque ao petróleo, existe o risco de vazamentos que podem afetar todo o ecossistema marinho, assim como a própria instalação das plataformas; além disso, a sua queima libera uma grande quantidade de carbono na atmosfera, alterando o ciclo biogeoquímico deste elemento, fato relacionado há tempos ao aumento da temperatura média global. Apesar de todos os problemas ambientais relacionados ao uso de combustíveis fósseis, o petróleo ainda é o principal combustível explorado no mundo. Molina Júnior e Romanelli (2015) atribuem esse fato ao menor custo de extração e uso do petróleo, se comparado a outras fontes de energia menos poluentes. Segundo os autores, investimentos para a instalação de usinas termoelétricas que queimam petróleo são menores do que a instalação de

U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social 17 direções classifica os ventos em horizontais (ascendentes) ou verticais (descendentes). Os ventos horizontais formam-se quando as massas de ar quente, que estão próximas à superfície, elevam- se e são ocupadas pelas massas de ar frio que estão ao redor. Os ventos verticais ocorrem quando o ar quente próximo a superfície se aquece, eleva-se e é substituído pelo ar que estava na camada de cima. No Brasil, a distribuição dos ventos é controlada pelos sistemas de Alta Pressão Anticiclone Subtropical do Atlântico Sul e do Atlântico Norte, e pela faixa de baixas pressões da Depressão Equatorial, que se estende pelo Oceano Atlântico e ao longo da Região Norte. Esse perfil de circulação atmosférica induz ventos persistentes ao Norte da Bacia Amazônica e no litoral da Região Nordeste. Ressalta-se que a altitude de um terreno, o seu modelo de vegetação e a disponibilidade hídrica de um local podem influenciar significativamente no perfil geral de circulação atmosférica, promovendo a formação de ventos locais que possuem condições diferentes do perfil geral de circulação atmosférica. De acordo com o Atlas de potencial eólico brasileiro (AMARANTE; BROWER; SÁ, 2001), as maiores velocidades médias anuais de ventos no Brasil são registradas na Zona litorânea do Nordeste - Sudeste, uma faixa de 100 km que se estende do Rio Grande do Norte ao Rio de Janeiro. Na porção mais ao Norte desta faixa, as velocidades médias anuais são de 8 - 9 m/s (sendo as maiores médias registradas nas áreas de picos). Outro destaque encontra-se ao longo do Litoral Sul, com velocidades superiores à 7 m/s, influenciados, além dos fatores citados, pelas brisas marinhas.

• Água: a água é um recurso renovável graças ao seu constante ciclo: as águas superficiais são aquecidas pela radiação solar e com o complemento da evapotranspiração de vegetais e animais, chega à atmosfera e se condensa formando nuvens. A precipitação da água, que pode ocorrer na forma líquida ou sólida, abastece superficialmente os rios, os lagos, os oceanos e as geleiras, bem como as reservas de água subterrânea, por infiltração. O Brasil é um país privilegiado com a maior reserva de água doce do mundo e com uma costa de 7367 km banhada pelo Oceano Atlântico. Não é difícil entender porque a água é tão explorada como fonte de energia em nosso país.

18 U1 - Energia elétrica e o desenvolvimento social

• Biomassa: a biomassa pode ser conceituada como a matéria orgânica produzida por seres vivos em diferentes processos vitais e que está disponível na cadeia alimentar; trata-se, portanto, de um recurso renovável e que pode ser utilizado para a produção de energia elétrica e biocombustíveis, em substituição às fontes não renováveis de energia. A celulose presente nos vegetais é uma fonte biológica de energia muito abundante; tal energia vem de sua estrutura química, formada por hidrogênio, carbono e oxigênio, unidos entre si por ligações químicas. Qualquer fonte de matéria orgânica constitui biomassa com potencial energético, no entanto, algumas são mais amplamente utilizadas para essa finalidade do que outras, com destaque para a vegetação de florestas, os resíduos do agronegócio, os resíduos urbanos, os lodos e os gases de aterros sanitários. O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo, cujo aproveitamento ocorre na produção de biocombustível (etanol) e queima do bagaço da cana para geração de calor e eletricidade. Ao longo de seu dia, você faz uso das fontes de energia que possui em seu corpo para diversas finalidades. Para algumas atividades, será utilizada uma quantidade maior de energia, para outras, a energia dispensada será menor. Se a sua reserva energética está limitada, você precisará utilizá-la da melhor forma possível para realizar as atividades sem que falte energia para os processos vitais. Nesse caso, você precisará melhorar a sua eficiência energética. Assim como no exemplo citado, a eficiência energética é uma palavra de ordem quando o assunto é utilização das fontes de energia. É importante ficar atento à perda de energia útil, que ocorre quando convertemos a energia de uma forma para outra. Melhorar a eficiência de equipamentos que fazem a conversão energética ainda é um desafio, no entanto, o desenvolvimento tecnológico tem propiciado um grande avanço na área. As fontes de energia podem ser utilizadas para a geração de eletricidade e produção de calor, de tal forma que é possível converter calor em energia elétrica e vice-versa. Além disso, ambas podem ser convertidas em trabalho mecânico. Motores térmicos podem ser movidos a petróleo e derivados, carvão mineral, gás natural e biomassa; os sistemas fotovoltaicos