54 Apo

io

Ener

gias

ren

ováv

eis

alte

rnat

ivas

Desde os primórdios de sua existência, o ser

humano busca na natureza não apenas o necessário à

sua subsistência, mas também recursos que permitam

melhorar progressivamente suas condições de vida. Além

das matérias-primas, a disponibilidade de energia, que

possibilite a transformação dos recursos naturais em bens

necessários (e até supérfluos), tornou-se fundamental.

Com a evolução da humanidade, o consumo de energia

cresceu sistematicamente, acelerando-se de forma tão

expressiva nas últimas décadas que a quantidade de

energia utilizada pelo homem apenas no século XX

superou a soma de todos os séculos anteriores.

A partir das descobertas e do uso da energia elétrica

na segunda metade do século XIX, o consumo de energia

passou a ser dividido em duas categorias: combustíveis

e eletricidade. Como diferentes combustíveis podem ser

utilizados para a geração de energia elétrica por meio

de termoelétricas, fontes como carvão, petróleo e gás

natural passaram a contribuir para as duas categorias.

Entretanto, ainda são muito pouco utilizados os processos

de produção de combustíveis por energia elétrica, de

forma que as fontes primárias de eletricidade, como

hidráulica, eólica e nuclear, contribuem apenas para a

segunda categoria.

Na matriz energética mundial atual predomina o uso

do petróleo e seus derivados (cerca de 34% do total),

utilizados principalmente nos setores de transporte e

industrial, com menor contribuição para a geração

Ennio Peres da Silva, João Carlos Camargo e Paula Duarte Chrestan*

Capítulo I

Recursos energéticos e meio ambiente: uma visão geral

Novo!Novo!

de eletricidade. Sendo a maior parte destes derivados

combustíveis líquidos nas condições ambientais, suas

aplicações em veículos automotivos são bastante usuais.

Associados com seus usos não energéticos, o setor

petroquímico se constitui em um dos mais importantes

ramos das atividades industriais da atualidade.

No caso da produção de eletricidade, prevalece o

uso do carvão mineral, que responde por cerca de 40%

do total consumido, sendo que suas reservas mostram

que essa fonte primária não renovável pode ser

explorada sem perspectiva de esgotamento pelo menos

nos dois próximos séculos. O carvão foi o combustível

da revolução industrial no século XIX, tornando-o

uma das fontes de energia elétrica mais baratas. No

entanto, seus efeitos deletérios são bem conhecidos

quanto à poluição ambiental, sendo uma das fontes

mais poluentes tanto no tocante à liberação de gases de

efeito estufa quanto com relação a gases que provocam

chuva ácida.

Apesar de abundante e relativamente barato, essa

característica de grande impacto ambiental foi um

dos principais fatores que impediram um aumento

significativo na importância do carvão na matriz

energética mundial. De fato, em mais de 30 anos, a

participação desta fonte passou de cerca de 38% da

produção mundial de energia elétrica (em 1973) para

41% atualmente (2009). Enquanto isso, fontes não

renováveis com menor impacto ambiental, como o gás

55Apo

io

natural e a energia nuclear, tiveram crescimento expressivo nesse

mesmo período, como pode ser visto no gráfico da Figura 1.

Por ter ainda grande importância como insumo energético, nas

últimas décadas foram desenvolvidas várias tecnologias visando a

diminuir o impacto ambiental da utilização do carvão para a geração

de energia elétrica como precipitadores eletrostáticos (ESP), redução

catalítica seletiva (SCR), captura e armazenamento de carbono (CCS)

e novos processos de dessulfurização.

Apesar desses avanços tecnológicos, o gás natural apresenta-se

como uma alternativa superior quanto aos impactos ambientais, pois

as modernas tecnologias de plantas termoelétricas que queimam

Figura 1 – Composição da oferta mundial de energia elétrica por fonte. International Energy Agency, 2011.

este combustível emitem a metade de CO2 que as mais modernas

plantas que processam carvão. Além disso, com as atuais taxas de

produção, as reservas mundiais recuperáveis de gás natural indicam

um horizonte de 250 anos.

A energia nuclear, por não emitir gás de efeito estufa, tem sido

defendida como uma alternativa às fontes fósseis. No entanto, os

acidentes nucleares ocorridos em Chernobyl em 1986 e nas usinas

de Fukushima no Japão em 2011 introduziram muitas incertezas no

futuro aproveitamento da energia nuclear para geração de energia

elétrica. Dois meses depois do acidente no Japão, a Alemanha

anunciou o fechamento definitivo de todas suas plantas nucleares até

56 Apo

io2022. Além disso, projetos de instalação de novas usinas nucleares

em alguns países foram paralisados ou adiados.

Nesse cenário cresce cada vez mais a importância das fontes

renováveis de energia, com destaque para as energias eólica e solar

fotovoltaica. Ambas têm apresentado grande crescimento na sua

participação na matriz energética mundial, principalmente na última

década. Além de terem impacto ambiental consideravelmente menor

que a geração com combustíveis fósseis, essas fontes contribuem

com a questão da segurança energética dos países que necessitam

importar petróleo para produção de energia elétrica, uma vez que

se encontram disponíveis em todas as regiões do planeta, enquanto

as reservas de petróleo, gás natural e carvão estão concentradas em

alguns países, muitos deles com elevada turbulência política interna

e externa.

Como um indicativo das tendências globais, o gráfico da Figura 2

mostra que na Europa, entre 2000 e 2011, os maiores acréscimos de

plantas de geração de eletricidade foram a partir do gás natural, eólica

e solar fotovoltaica, havendo diminuição de plantas termoelétricas a

carvão, nuclear e a óleo combustível.

A produção de energia elétrica com turbinas eólicas tornou-se

extremamente competitiva em relação às tecnologias não renováveis

nas últimas décadas graças à redução de custo por unidade de

potência dos aerogeradores. A capacidade instalada mundial atingiu

196 GW e gerou em 2010 cerca de 430 TWh (2,5 % do consumo

mundial de eletricidade). Na Dinamarca, a energia elétrica produzida

1Tarifa feed-in (FIT): mecanismo regulatório desenvolvido para acelerar o investimento nas tecnologias renováveis. Contratos de longo prazo são feitos entre o produtor que utiliza a tecnologia renovável e a entidade pública ou privada nos quais o segundo adquire a energia produzida pelo primeiro, por um valor superior ao valor de mercado (custo de geração), a fim de promover o desenvolvimento dessa tecnologia.

Ener

gias

ren

ováv

eis

alte

rnat

ivas

Figura 2 – Capacidade instalada acumulada na Europa entre 2000 e 2011. Fonte: World Wind Energy Association (WWEA).

pelo vento supriu 25% da demanda de eletricidade do país em 2010.

Nos últimos cinco anos, também é notável a expansão das

instalações de plantas fotovoltaicas no mundo, especialmente na

Europa. Graças à grande redução no preço dos painéis fotovoltaicos

e às políticas de incentivos às instalações com essa tecnologia, como

as tarifas feed-in1 , as plantas fotovoltaicas comissionadas em 2011

na Europa superaram as novas instalações de plantas a gás e eólicas,

como pode ser visto no gráfico da Figura 3.

Apesar do crescimento expressivo das fontes renováveis, o total

de energia consumida proveniente destas fontes ainda é muito

inferior ao uso das não renováveis, na proporção aproximada de

1 para 4 (19% e 81% respectivamente), como indicado na Figura

1. Do total, 67% corresponde a fontes emissoras de gás carbônico,

um gás de efeito estufa. Como consequência, as emissões de CO2

decorrentes da produção de energia cresceram aproximadamente

86% no período de 1973 até 2009, uma média anual de 3% ao

ano. A China, devido ao uso intensivo de fontes fósseis de energia

(principalmente carvão), foi o país que mais emitiu CO2 na produção

de energia, apresentando para o mesmo período um crescimento de

aproximadamente 315%, ou quase 9% de aumento de emissões ao

ano.

Em relação aos setores responsáveis pelas emissões de gases de

efeito estufa, a Figura 4 apresenta a distribuição referente a 2009.

Para os setores industrial e de geração de eletricidade,

responsáveis por 61% das emissões, além de medidas de conservação

57Apo

io

Figura 3 – Plantas de geração de energia elétrica instaladas na Europa em 2011. Fonte: World Wind Energy Association (WWEA).

e racionalização do uso de energia, substituição de combustíveis

fósseis por renováveis, também se está desenvolvendo a tecnologia

CCS (Carbon Capture and Sequestration), que consiste na captura e

no sequestro do carbono presente na composição dos combustíveis

fósseis, que se encontra normalmente na forma de CO2. Esse gás

pode então ser estocado em minas ou poços de petróleo e gás

natural esgotados, nas águas profundas dos oceanos e outros locais

adequados para isso.

Para o setor de transporte, responsável por quase um quarto

das emissões globais de CO2, esse processo não pode ser aplicado

58 Apo

io

Ener

gias

ren

ováv

eis

alte

rnat

ivas

Figura 4 – Distribuição das emissões globais de CO2 por setor. Fonte: International Energy Agency, 2011.

Figura 5 – Principais modos de produção do hidrogênio a partir das fontes renováveis de energia.

de forma prática, por serem os veículos automotores fontes móveis

de CO2. Além da substituição de combustíveis fósseis (gasolina

e diesel) por renováveis (etanol e biodiesel) e do uso de veículos

híbridos, mais eficientes, uma possibilidade é o uso dos combustíveis

em termoelétricas com CCS, produzindo eletricidade para uma

frota de veículos elétricos. Neste caso, o problema recai sobre o

armazenamento da energia elétrica nos veículos, uma vez que a

tecnologia atual das baterias eletroquímicas não permite autonomia

e tempo de abastecimento considerados satisfatórios.

Outra alternativa é a retirada do carbono (descarbonetação) antes

de o combustível ser introduzido nos veículos. Como a maior parte

dos combustíveis fósseis é constituída de carbono e hidrogênio, a

retirada do carbono implica a disponibilidade do uso do hidrogênio,

cujo produto da combustão é apenas água. Neste caso, o uso do

hidrogênio como um energético poderá representar no futuro um

importante papel na matriz energética mundial, principalmente no

setor de transporte.

Veículos movidos a hidrogênio utilizando célula a combustível

são veículos de praticamente emissão zero, o que representa um

ganho na qualidade ambiental dos grandes centros urbanos. Todos

os grandes fabricantes mundiais de veículos possuem modelos já

testados dessa tecnologia, sendo os custos destes veículos e a ausência

de infraestrutura (postos) os atuais entraves para a disseminação de

seu uso.

Além da redução das emissões de CO2, deve-se considerar ainda

que os veículos elétricos a baterias ou a hidrogênio representam

também uma grande redução das emissões atmosféricas de

poluentes. De fato, como os processos de queima da gasolina ou do

óleo diesel em um motor nunca são completos, eles inevitavelmente

lançam também para a atmosfera monóxido de carbono (CO),

hidrocarbonetos (HC), aldeídos (R-CHO), óxidos de nitrogênio

(NOx), óxidos de enxofre (SOx) e material particulado. A formação

de NOx ocorre devido ao nitrogênio e ao oxigênio existentes no ar

e a emissão de SOx devido ao enxofre geralmente contido nesses

combustíveis, principalmente no diesel. O ozônio troposférico (O3),

outro importante poluente, tem a sua formação associada à presença

de HC e NOx na atmosfera.

A alternativa do uso energético do hidrogênio ganha maior

importância quando se considera duas características das fontes

renováveis de energia: a produção direta de eletricidade pela

maioria delas e a elevada sazonalidade, que no caso extremo da

energia solar só está disponível, quando muito, no período diurno.

Os ventos variam de velocidade ao longo do dia e das estações do

ano, enquanto que a disponibilidade da energia hidráulica varia

ao longo dos meses e estações do ano. Entre estas, apenas a última

permite um armazenamento prático de sua forma primária, a água,

mas mesmo assim com restrições cada vez maiores, em vista dos

impactos ambientais provocados pelas barragens ao longo das

bacias hidrográficas.

Como a maioria das fontes renováveis produz eletricidade,

60 Apo

ioa geração de hidrogênio pelo processo de eletrólise da água (decomposição em

hidrogênio e oxigênio), de elevada eficiência energética, permite a estocagem da energia

fornecida pelas fontes, regularizando o atendimento das demandas de eletricidade. O

hidrogênio armazenado pode ser novamente convertido em energia elétrica por célula

a combustível, também com eficiências superiores aos sistemas convencionais (motores

geradores e turbinas a gás). Além disso, o hidrogênio pode ser produzido a partir de várias

fontes locais, tanto renováveis como não renováveis, contribuindo para a segurança

do suprimento energético. A Figura 5 mostra as várias alternativas para produção de

hidrogênio

ReferênciasKey World Energy Statistics 2011, International Energy Agency, OECD/IEA, 2011.

CRISTÓBAL, J.; GUILLÉN-GOSÁLBEZ, G.; JIMÉNEZ, L.; IRABIEN, A. Optimization of global

and local pollution control in electricity production from coal burning. Applied Energy, v. 92,

Apr. 2012, p. 369-378, ISSN 0306-2619, 10.1016/j.apenergy.2011.11.028. Disponível em:

<http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261911007252>.

VOSER, P. The natural gas revolution. Energy Strategy Reviews, Available online 4 January 2012,

ISSN 2211-467X, 10.1016/j.esr.2011.12.001. Disponível em: <http://www.sciencedirect.

com/science/article/pii/S2211467X1100006X>.

Alemanha anuncia fechamento de todas as usinas nucleares até 2022. Disponível em: <http://

www.bbc.co.uk/portuguese/noticias/2011/05/110530_alemanha_nuclear_rw.shtml>.

World Wind Energy Report 2010. World Wind Energy Association – WWEA.

Wind in Power 2011 European Statistics. The European Wind Association. Disponível em:

<http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/statistics/

Stats_2011.pdf>.

CO2 Emissions from Fuel Combustion – Highlights, 2011 Edition, International Energy Agency,

OECD/IEA, 2011.

SALDIVA, P. H. N.; BRAGA, A.; PEREIRA, L. A. A. Poluição atmosférica e seus efeitos na saúde

humana. In: Sustentabilidade na geração e uso de energia no Brasil: os próximos 20 anos.

2001, Unicamp. Anais, CD-ROM.

SILVA, S. T. A proteção da qualidade do ar. Disponível em: <http://www.jus.com.br/doutrina/

qualiar.html>.

SILVA, E. P. Introdução à tecnologia e economia do hidrogênio. Editora da Unicamp, 1991.

Continua na próxima ediçãoConfira todos os artigos deste fascículo em

www.osetoreletrico.com.brDúvidas, sugestões e comentários podem ser encaminhados para o e-mail redacao@

atitudeeditorial.com.br

Ener

gias

ren

ováv

eis

alte

rnat

ivas

60

*Ennio Peres da Silva é físico, mestre em Física pela Unicamp e Doutor em Engenharia Mecânica também pela Unicamp. É professor Doutor e coordenador do Laboratório de Hidrogênio do Instituto de Física “Gleb Wataghin” da Unicamp. É professor colaborador do curso de Pós-Graduação em Planejamento de Sistemas Energéticos da FEM/Unicamp. Atua nas áreas experimentais das aplicações energéticas (veiculares e estacionárias) e não energéticas do hidrogênio, em planejamento energético regional e em estudos sobre os usos das fontes renováveis de energia. É também o secretário executivo do Centro Nacional de Referência em Energia do Hidrogênio (CENEH).

João Carlos Camargo é engenheiro eletricista, mestre e doutor em Planejamento de Sistemas Energéticos pela Unicamp. É sócio-fundador da empresa Hytron Indústria e Comércio Ltda. Atualmente trabalha junto a projetos de pesquisa do NIPE/UNICAMP principalmente em temas relacionados à economia do hidrogênio, produção do hidrogênio, geração distribuída de energia elétrica e energia solar fotovoltaica.

Paula Duarte Araújo Chrestan é engenheira mecânica, Doutora em Planejamento Energético pela Unicamp. É professora da PUC-Campinas, consultora e pesquisadora autônoma. Desenvolve projetos no Instituto AQUA GENESIS, analisando e estimando as reduções de emissões de CO2 em projetos que utilizam hidrogênio para geração de energia elétrica. Coordenou o Caderno Setor Energético do Inventário Paulista de Gases de Efeito Estufa (2011).