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Energias Alternativas e Sustentabilidade Energética

Prof. Adiéliton Galvão

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Ementa:Introdução e conceitos fundamentais. Utilização dos recursos naturais. Desenvolvimento sustentável. Recursos naturais não renováveis. Recursos naturais renováveis. Fontes de energia. Energias renováveis. Energias não renováveis. Aproveitamentos energéticos. Aproveitamentos hidrelétricos de pequena escala. Aproveitamentos solares térmicos e fotovoltaicos. Aproveitamentos eólicos. Energia de biomassa. Uso racional de energia. Acumulação de energia. Transmissão e distribuição de energia. Estudos sobre a substituição de energéticos como alternativa de prevenção de poluição. Estudos de casos.

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Datas importantes• 16/09 – Prova 1 – 30 pts• 18/11– Prova 2‐ 40 pts• 25/11– segunda chance• – atividades em sala – 10 pts• 30/08, 02/09 e 09/09 apresentação do trabalho – 20 pts• Resumo do tema a ser entregue para os alunos da turma  ‐ 3 páginas• Temas (Status atual, custos, aplicabilidade, questões ambientais)

– Comercialização de energia– Geração de energia a partir do lixo urbano– Energia maremotriz– Gás de xisto– Energia das ondas– Veículos elétricos– Energia geotérmica– hidrogênio

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Conceitos básicos• Eletricidade – é a energia elétrica, independente da fonte ou da forma como foi 

gerada. • Volt – é a unidade em que se mede a tensão em que a energia elétrica é fornecida, 

normalmente 127 V ou 220 V. • Watt ‐ é a unidade em que se mede a potência de um aparelho ou máquina. • Potência – é a quantidade de energia necessária para que um aparelho ou 

máquina funcione de modo adequado; por exemplo, um secador de cabelo necessita de cerca de 500 W, uma bomba de água consome cerca de 300W, ou uma televisão de 20 polegadas precisa de 90 W. 

• KWh ‐ é a unidade em que se mede o consumo elétrico de máquinas e das instalações de uma residência, fábrica, escola e outros prédios. 

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Introdução• Energeia é o termo grego para Energia que segundo a física é a capacidade 

de realizar trabalho. É ela que faz com que as coisas se realizem.• A energia que a natureza nos oferece, ou que obtemos através de 

conversões de uma forma de energia em outra, irão se apresentar em uma das seis formas listadas a seguir.

• ‐ Química ‐ Radiante• ‐ Térmica  ‐ Nuclear• ‐ Elétrica ‐Mecânica

• Essas seis formas de energia estão relacionadas, e uma forma pode ser convertida em outras formas. Por exemplo, quando queimamos madeira a energia química se converte em energia térmica (calor) e radiante (luz).

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Eficiência EnergéticaLevantamento realizado em 13 setores industriais apontou que 82% das oportunidades de economia de energia na indústria estão nos processos térmicos. 

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Potenciais técnicos, absolutos, em tep, e relativos, em %, de conservação de energia térmica, eletricidade e consumo total de energia dos segmentos industriais analisados 

Segmentosindustriais

Ano Energia térmica Energia elétrica Total

Pot. abs. (tep) Pot. rel. (%) Pot. abs. (tep) Pot. rel. (%) Pot. abs. (tep) Pot. rel. (%)

Indústria siderúrgica 2007 5.774.921 34,7 1.048.073 66,4 6.822.994 37,4

Indústria cerâmica 2007 1.464.345 41,0 28.427 10,0 1.492.772 38,9

Indústria química 2006 1.284.667 23,4 188.973 10,0 1.473.640 20,0

Papel e celulose 2006 1.273.035 19,0 160.259 12,0 1.433.294 17,9

Indústria cimenteira 2007 912.958 30,4 144.147 38,8 1.057.105 31,3

Metais não ferrosos 2006 415.132 16,5 398.981 12,6 814.113 14,3

Alimentos e bebidas 2004 260.404 1,6 257.113 15,1 517.517 2,9

Indústria vidreira 2007 222.831 46,3 0 0 222.831 44,5

Fabricantes de cal 2007 172.191 23,0 50.105 64,6 222.296 27,0

Ind. extrativa mineral 2007 0 0 212.921 22,9 212.921 6,4

Indústria têxtil 2005 129.990 24,0 62.219 9,4 192.209 16,0

Fundições 2007 57.328 22,2 65.881 24,1 123.208 23,1

Ind. de ferro-ligas 2007 0 0 87.725 11,8 87.725 4,9

Fonte: CNI / PROCEL

Eficiência energética

• Das expressões gerais:

• Pode‐se concluir que, para melhorar a eficiência energética (aumentar o rendimento) de um determinado processo ou sistema:– Mesma potência útil, menos energia consumida;– Maior potência útil, mesmo consumo;– Maior potência útil, menor consumo;– Diminuir o tempo de operação, realizando o mesmo trabalho.

• Tempo de funcionamento tem grande influência no tempo de retorno dos investimentos.

Energia =Potência TempoEnergia =Potência TempoPotência útil Potência útilPotência útil + Perdas Potência total

Potência útil Potência útil

Potência útil + Perdas Potência total

Potência útil TempoEnergia consumida = rendimento

Potência útil TempoEnergia consumida = rendimento

Energia = Potência x Tempo (Wh)• Diminuir a potência

• Diminuir o tempo de funcionamento

1o CaminhoUsar equipamentos mais eficientes, diminuir a simultaneidade

dos equipamentos ligados.

2o CaminhoAtuar na mudança de hábitos/processos.

Verificar a real utilização do equipamento.

Como reduzir o consumo de energia?

Sist.Hid.BombaAcopl.MotorAciona‐

mentoSistemaelétrico

industrialT&D

Energiaelétricagerada

• Sistemas de conversão, transporte, transmissão e utilização de energia sempre apresentam perdas.

Transporte e conversão de energ

Motor de InduçãoTrifásico

Acoplamentomecânico

BombaCentrífuga

Tubulação de sucção

Tubulação de recalque

Sistema hidráulico(carga hidráulica):

tubulações, válvulas reduções, curvas, derivações, reservatórios, etc.

Carga mecânica

Acionamento

Fonte primária

Perdas na geração

Perdasde T&D

Perdas no SEI

Perdas no acionamento Perdas no 

motorPerdas no 

acoplamento

Perdas na bomba

Perdas no sistema hidráulico

Energia útil 

(final)

Recalquedo

fluido

Gestão energética permanente

Motivação*:

• Atividade auto‐sustentável: normalmente, os resultados obtidos são mais que suficientes para cobrir as despesas associadas.

• Ganho de competitividade associado à redução de custos com energéticos.

• Acompanhamento sistemático e resposta rápida (adoção ou rejeição) às mudanças tecnológicas, em ritmo cada vez mais acelerado de chegada ao mercado.

• Gestão estratégica do suprimento energético – com destaque à gestão dos riscos de disponibilidade e de mercado (preços), no curto, médio e longo prazos.

* Adaptado de TURNER. Energy Management Handbook. EUA: Fairmont Press, 1997. 3ed.

Diretrizes para o sucesso*:• Patrocínio da alta direção.

• Plano formal, alinhado com o Planejamento Estratégico da organização.

• Ampla divulgação entre todos os envolvidos.

• Engajamento e participação efetiva dos colaboradores, especialmente da área operacional.

• Investimento em atualização e conhecimento técnico para os integrantes da equipe de energia.

• Tomada de decisões gerenciais levando em conta o aspecto energético (subsidiada pela equipe de energia).

• Emprego apenas de tecnologia de desempenho comprovado.

• Reconhecimento dos melhores: os melhores desempenhos entre as áreas devem ser conhecidos por todos.

GESTÃO DE ENERGIA E UTILIDADESGESTÃO DE ENERGIA E UTILIDADES

Acompanhamento de KPIs*

• Níveis de desdobramento: – Planta industrial (Cubatão, Ipatinga, etc);

– Macro‐processo (redução, aciaria, laminação, etc);

– Processo (despoeiramento, resfriamento);– Sub‐processo (despoeiramento da linha X de descarga 

de carvão).

• Tipos de indicadores:– Consumo específico ([kWh/unidade, [kcal/ton]);– Custo específico ([R$/unidade, [R$/ton]);– Consumo e custo periódico ([kWh/mês], [R$/ano]).

• Detalhamento:– Índices específicos para cada tipo de insumo ou 

produto envolvido, bem como fonte energética;– Rateio do custo administrativo entre os centros de 

custo;– Rateio do custo das utilidades de uso comum.– Etc.

* KPI – key performance indicators (indicadores chave de performance).

Nível de produção da planta [t/dia]

[kWh/t]

Melhordesempenho energético

Capacidade nominal

Motores elétricos:– controle de vibrações;– lubrificação, mancais, 

rolamentos;– ajuste de acoplamentos, 

polias, correias;– limpeza;– temperatura;– Etc.

Linhas de ar comprimido: vazamentos na tubulação, válvulas, conexões, pontos de utilização;

Programa de Manutenção Preventiva

ManutençãoManutenção

Distribuição de vapor: isolamento térmico; redução das perdas carga;

Sistemas de ar condicionado

• Diferença em Potência : 60 W (incandescente) – 15 W (fluorescente) = 45 W; • Diferença Financeira: R$ 6,00; • Economia mensal de consumo (tempo de uso=6h por dia): 8.100 Wh = 8,1 

kWh; • Preço médio da energia: R$ 0,63; • Economia mensal $: R$ 5,10; • A diferença inicial será paga em: 1,17 mês (R$ 6,00/ R$ 5,10); • Economia durante vida útil: R$ 226,44 (8.000h/180h= 44,4 meses x R$ 5,10). • Se cada um dos 6 milhões de clientes residenciais da CEMIG substituir uma 

lâmpada incandescente de 60 W por uma fluorescente de 15 W, teremos uma gigantesca economia: 

• Financeira: R$ 61 milhões/mês; • Energética: 97 milhões de kWh (energia suficiente para suprir uma cidade do 

porte de Belo Horizonte durante dois meses e meio). 

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As energias

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Os caminhos da energia

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• Desde o apagão do governo FHC que se diz que o horário de pico de consumo de energia no país ocorre das 18h às 20h, em razão, entre outros motivos, do aumento do uso de chuveiros elétricos nesse horário, com a chegada das pessoas as suas casas após o horário comercial tradicional.

• Verões intensos e o novo perfil da economia, mais baseado no setor de serviços em detrimento do industrial, têm feito, contudo, com que esse pico de consumo de energia mude para o meio da tarde, entre as 14h30 e as 15h30.

• "As pessoas não estão em casa, mas estão no shopping center, no restaurante, no escritório. E em todos esses locais o ar‐condicionado está no máximo“

• O chuveiro elétrico, antigo "vilão" do consumo, deu lugar ao ar‐condicionado, que, ainda que a uma potência menor, fica ligado, em média, oito horas por dia nas residências. No comércio, essa média sobe para dez.

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A matriz energética mundial

• Esta predominância de fontes térmicas determina dois grandes e graves problemas:

• i. Oferta de energia elétrica poluidora; e

• ii. Forte exposição à volatilidade do preço internacional do petróleo

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Demanda de energia 2030

Fonte: IEA 2008 20

Investimento por país e setor, 2011 (Bilhões de USD)

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Matriz energética brasileira

BEN, 211 22

Consumo final energético: estrutura por fonte ‐Brasil

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Fontes de energia ‐ Carvão

• A diferença entre a geração do carvão mineral e petróleo está na matéria de origem:– Petróleo e gás natural: decomposição de algas, animais e plantas.– Carvão mineral: decomposição de material lenhoso

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Impactos Ambientais

• Emissão de particulados;• Emissões de enxofre (SOx) e

nitrogênio (NOx), que causam chuva ácida;

• Emissão de CO2, CO e outros gases do efeito estufa;

• Presença de elementos tóxicos ou mesmo radioativos em suas cinzas.

http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev26‐34/text/colmain.html

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Potencial do Brasil

Localização das principais jazidas de carvão da bacia do Paraná.

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Reservas de carvão

Apesar de sua abundância, o crescimentoda exploração do carvão é hoje ameaçado pelas preocupações ambientais

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Custos de geração de energia

• O carvão é o mais barato nos USA, China e Índia na EU tem taxação de CO2 28

Eficiência em usinas térmicas a carvão

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O CCS

• Trata‐se de uma tecnologia que permite extrair o CO2 no momento da queima do carvão e injetá‐lo em depósitos subterrâneos, como poços de petróleo esgotados

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CCS é vital para combater asmudanças climáticas

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O Petróleo

• O petróleo é o sangue da economia moderna global, como ficou claro na crise de fornecimento da década de 70. 

• É a fonte mais importante de energia, suprindo 36% das necessidades mundiais. O petróleo é empregado quase que exclusivamente para usos essenciais como transporte.

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• Formação do gás natural e petróleo

– Decomposição da matéria orgânica durante milhões de anos.

– Encontrado no subsolo, em rochas porosas isoladas do meio ambiente por uma camada impermeável.

– Em suas primeiras etapas de decomposição, esta matéria orgânica de origem animal produz o petróleo.

– Em estágios de degradação,o gás natural.

– Associação da presença de gás e petróleo.

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Uso final

Tecnologias de conversão

Energia primária

Petróleo

GasolinaGLP

Turbina a vapor

Óleo CombustívelDieselQuerosene

Combustão

Calor Energia Motora

Motor a combustão

Eletricidade

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Produtores• Líderes Mundiais (em reservas):

http://www.petrostrategies.org/Links/Worlds_Largest_Oil_and_Gas_Companies_Sites.htm

Posição País Barris de petróleo (em bilhões)

Data dainformação

— Mundo 1,532 2012 est.

1 Arábia Saudita 264,6 2012 est.

2 Venezuela 209,4 2012

3 Canadá 173,6 2012

4 Irã 151,2 2009 est.

5 Iraque 143,1 2010 est.

6 Kuwait 101,5 2003 est.

7 Emirados Árabes Unidos 97,8 2012 est.

8 Rússia 60,0 2012 est.

9 Argélia 12,26 2012 est.

10 Líbia 48,1 2012 est.

11 Nigéria 38,5 2012

12 Cazaquistão 30,0 2012

13 Brasil 25,21 2012

14 Estados Unidos 19,1 2011 [

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Cenário Petróleo

• Insegurança energética em função:– Crescimento acelerado da demanda: apesar dos preços  elevados, o consumo de petróleo tem aumentado. Os Estados Unidos e a China são os principais consumidores.

– 85% das reservas mundiais de petróleo estão concentradas em dez países. Destes, nove estão ou estiveram envolvidos em turbulências geopolíticas (Oriente Médio).

– As 13 maiores empresas são empresas nacionais.

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Preços

preços vêm se mantendo acima do patamar de US$100/barril diante do acordo tácito do conjunto dos participantes relevantes, viabilizando o desenvolvimento de novas áreas de produção (pré-sal e alternativas ao petróleo convencional (como os biocombustíveis).

0

20

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jan/12

jul/1

2

jan/13

US$/bep

Preço Médio do Barril Importado US$/bep

Fonte: Secretaria de Comércio Exterior (SECEX) - Ministério do Desenvolvimento, Indústria e Comércio Exterior.

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Impactos ambientais

• Emissões de enxofre (SOx) e nitrogênio (NOx), que causam chuva ácida.

• Emissão de CO2, CO e outros gases do efeito estufa.• Derramamentos de óleo em caso de dano a navio petroleiro.

• Derramamento de óleo e contaminação de aquífero, em caso de acidente com veículo terrestre transportando ou usando como combustível.

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Pesquisa & Desenvolvimento• Motores bicombustível, motor limpo a diesel, combustíveis com menos poluentes.• Diesel limpo (Petrobrás):

– Já existe o S-10 (diesel com 10 ppm de enxofre), e há perspectivas de baixar ainda mais.

Flex Diesel/Gas

http://www.editorauto.com.br/158/imagens/flex/DG-Flex_big.jpg 39

Gás natural ‐ usos

• Usinas termelétricas, inclusive com recolhimento do calor (cogeração), em que substitui de maneira vantajosa o carvão e o diesel.• Com cogeração:

rendimentos de até 85%. Sem cogeração: entre 35% e 55%.

• Motores de combustão interna para automóveis (GNV). Não deixa resíduos nas partes internas do motor. 40

Tecnologias Atuais

http://www.epa.gov/oaintrnt/images/cogen_shematic.jpg

Planta com Cogeração.

Planta com Ciclo Combinado

http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/fig5BraytonOpenCycle_web.jpg

Planta com Ciclo Aberto

http://www.edison.it/edison/site/en/activities/energy/combined/

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Potencial Mundial

• Fragilidade de suprimento do GN: conflitos e interrupção no fornecimento:

• suspensão do envio da Rússia para a Ucrânia, no inverno europeu de 2005/2006.

• Na região do Mercosul, a Argentina vem, desde 2004, interrompendo o suprimento de gás contratado com o Chile, sem perspectivas de melhora nos próximos anos.

• Também no Brasil, o suprimento de gás proveniente da Bolívia, que chegou a ser brevemente interrompido em 2005.

ountry NameGás natural ‐ reservas provadas (metros cúbicos)

Year of Estimate

Rússia 44,800,000,000,000 2011Irão 29,610,000,000,000 2011Catar 25,370,000,000,000 2011Arábia Saudita 7,807,000,000,000 2011Estados Unidos 7,716,000,000,000 2009Turquemenistão 7,504,000,000,000 2011Emiratos Árabes Unidos 6,453,000,000,000 2011Nigéria 5,292,000,000,000 2011Venezuela 5,065,000,000,000 2011Argélia 4,502,000,000,000 2011Iraque 3,170,000,000,000 2011Austrália 3,115,000,000,000 2011Indonésia 3,001,000,000,000 2011Cazaquistão 2,407,000,000,000 2011Kuwait 1,798,000,000,000 2011Canadá 1,754,000,000,000 2011Líbia 1,548,000,000,000 2011Trindade e Tobago 408,200,000,000 2011Brunei 390,800,000,000 2011Argentina 378,800,000,000 2011Colômbia 377,000,000,000 2011Brasil 366,400,000,000 2011

Fonte: CIA World Factbook 2012 42

Gás natural no Brasil

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O Gás de xisto

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Impactos ambientais

• Emissão de CO2 e outros gases do efeito estufa.

• Contaminação do subsolo quando escavado em terra firme.

• Emissão dos transportes de gás e a gás.• Mais limpo que petróleo e carvão, mas

ainda assim poluente.• Tem sido amplamente utilizado para

substituir térmicas a óleo e carvão.

http://www.naturalgas.org/environment/naturalgas.asp

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Petróleo e gás no Brasil

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O pré‐sal

• A descoberta de reservas gigantes de petróleo e gás na camada do présal trouxe um grande desafio para o país, a Petrobras e a comunidade científica brasileira: transpor o patamar tecnológico para viabilizar a exploração em poços situados a 300 quilômetros da costa, sob uma camada de até 3 mil metros de água e 4 mil metros de sal e sedimentos.

• Estima‐se que a primeira produção significativa de óleo e gás do pré‐sal ocorrerá em 2014 e que, em 2020, vários campos estarão em operação.

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A questão ambiental do pré‐sal• Carbono

– A destinação a ser dada ao CO2, é um desafio ambiental. Segundo informação do MME, o teor de carbono no campo de Tupi, o primeiro descoberto na região do pré‐sal, é de 8% a 12%, ao passo que a média nacional é de 4%.

• A possibilidade do aumento das estatísticas relacionadas a acidentes ambientais também deve ser avaliada. 

• A exploração do petróleo na camada pré‐sal é complexa, além de ser uma novidade tecnológica – a partir disso, pequenos deslizes podem acarretar grandes desastres ambientais, mesmo com todos os cuidados que possam ser tomados.

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Energia nuclear

• É a energia de ligação das partículas do núcleo que mantém os nêutrons e os prótons juntos no núcleo. 

• A geração de energia elétrica em centrais nucleares ocorre baseada no princípio da fissão nuclear. Tal processo consiste na divisão do núcleo de um átomo pesado, com muitos prótons e nêutrons, em dois núcleos menores a partir do impacto de um nêutron. Desta forma, a energia que mantinha o núcleo unido é liberada sob a forma de energia térmica.

• A fissão nuclear é um processo que ocorre sob a forma de cadeia porque a fissão inicial gera dois a três nêutrons, além dos núcleos menores. Estes nêutrons atingem outros núcleos liberando mais energia térmica.

• De acordo com a CNEN ‐ Comissão Nacional de Energia Nuclear, 10 gramas de U235 possuem energia equivalente àquela contida em 700 kg de óleo ou em 1.200 kg de carvão.

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Reação em cadeia

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• O urânio é o insumo energético dos reatores nucleares. O U235 é extremamente físsil, porém, este elemento representa apenas 0,7% do urânio natural. 

• Os outros 99,3% do urânio natural são representados pelo U238 que também sofre fissão, porém com uma probabilidade muito menor. 

• A fim de superar esta restrição, foram desenvolvidos reatores que utilizam urânio enriquecido como combustível e água como moderador e refrigerador.

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• As centrais nucleares podem ser definidas, de forma sucinta, como usinas térmicas de geração elétrica onde a fissão nuclear, que ocorre no reator, é a fonte de calor.

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Potencial Mundial

• O maior produtor de urânio do mundo é a Austrália. Em 2007, o país continha 23% das reservas mundiais do metal. Logo abaixo, vêm o Cazaquistão, com 15% e a Rússia, com 10%.

http://app.chinamining.com.cn/bbs/uchome/space.php?uid=3361&do=blog&id=5114

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Potencial do Brasil

Consumo: 0,5% da energia nuclear consumida no mundo.

Reservas recuperáveis de urânio: 278000 toneladas, ou 5% das reservas mundiais (7º país do ranking).

Distribuição percentual da matriz energética brasileira.

Depósitos de urânio no Brasil.

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Custos

Custos de produção de eletricidade ao longo do tempo (cents/kWh): a vantagem da usina nuclear.

Custos de produção: operação + manutenção + combustível.

http://www.world‐nuclear.org/info/inf02.html

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As questões ambientais• Existência de vários sistemas passivos de segurança: 

– varetas de combustível; barras de controle constituídas de cádmio ou boro que controlam a reação de fissão nuclear; vaso de pressão; carcaça de aço que contém o vaso de pressão e o gerador de vapor do circuito secundário; e o edifício do reator e sistemas ativos de segurança, que devem ser acionados para reter efeitos da contaminação do sistema no caso de acidentes.

• Dificuldades para analisar os prováveis e potenciais impactos sobre a sociedade derivados de um acidente em uma usina nuclear. Quais são as consequencias do acidente de Fukushima?

• Lixo radioativo, quer da mineração, quer da geração de energia;

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• Discutir o artigo e responder às seguintes questões:• O Brasil possui uma grande reserva de urânio. • E uma fonte não geradora de GEE.• O custo de geração é competitivo• Se o grupo fosse o responsável pelas decisões do setor energético 

brasileiro:– Interromperia imediatamente o funcionamento das usinas nucleares 

do Brasil?– Investiria na construção de novas usinas?

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