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ELETRONORTE - Centrais Elétricas do Norte do Brasil REALIZAÇÃO:

Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas GEDAE/FEE/ITEC/UFPA

O objetivo desta apostila é fornecer aos participantes do curso os conceitos básicos sobre as fontes renováveis de energia, familiarizando-os com suas características, impactos, vantagens, desvantagens, e aplicações práticas.

A abordagem utilizada é bastante sucinta, por tratar-se de um tema muito abrangente e que necessita de estudos mais aprofundados sobre cada uma das fontes aqui apresentadas. Dessa forma, este texto deve ser entendido como uma inicialização no assunto, que poderá ser mais aprofundada de acordo com o interesse de cada leitor, fazendo uso da bibliografia citada como passo inicial.

Introdução

1. Conceitos Básicos 1.1. A Importância da Energia 1.2. Energia e Potência 1.3. Unidades de Energia e Potência 1.4. Tipos e Fontes de Energia 1.5. Impactos Ambientais 1.6. O Efeito Estufa 1.7. Mecanismos de Desenvolvimento Limpo

2. Energia Solar 2.1. O Sol e suas Características 2.2. Geometria Sol-Terra 2.3. Radiação Solar Extraterrestre e Sobre a Terra 2.4. Potencial Solar e sua Avaliação 2.5. Energia Solar-Térmica 2.6. Energia Solar Fotovoltaica 2.7. Vantagens e Desvantagens da Energia Solar

3. Energia Eólica 3.1. O Vento e suas Características 3.2. Perfil do Vento e Influência do Terreno 3.3. Potencial Eólico e sua Avaliação 3.4. Aerogeradores 3.5. Aplicações de Sistemas Eólicos

4. Energia Hidráulica 4.1. Definição de PCH 4.2. Centrais Quanto à Capacidade de Regularização 4.3. Centrais Quanto ao Sistema de Adução 4.4. Centrais Quanto à Potência Instalada e Quanto à Queda de Projeto 4.5. Componentes de uma PCH 4.6. Estudos Necessários para Implantação do Empreendimento 4.7. Geradores Hidrocinéticos

5. Energia Oceânica 5.1. Energia das Marés 5.2. Energia das Ondas 5.3. Energia das Correntes Marítimas

6. Energia da Biomassa 6.1. Conceito de Biomassa 6.2. Tipos de Biomassa 6.3. Combustão 6.4. Gaseificação 6.5. Biodigestão 6.6. Limpeza dos Gases 6.7. Biodiesel

7. Energia do Hidrogênio 7.1. O Hidrogênio 7.2. Células a Combustível 7.3. Princípio de Funcionamento da Célula a Combustível 7.4. Principais Componentes de um Sistema com Célula a Combustível 7.5. Tecnologias Empregadas em Células a Combustível 7.6. Principais Aplicações

8. Sistemas Híbridos 8.1. Estratégias de Operação 8.2. Vantagens e Desvantagens 8.3. Características de Sistemas Isolados e Interligados

Considerações Finais Bibliografia

A energia é um bem indispensável à existência de qualquer ser vivo. Dentre as suas formas finais, a energia elétrica é uma das mais elegantes, e está presente na vida de muitos, mas não de todos os seres humanos. A busca pela universalização do atendimento elétrico constitui-se em um constante desafio vivido por cidadãos comuns, autoridades, governos e demais seguimentos da sociedade. Um dos principais motivos da ausência de energia elétrica na vida de milhares de pessoas no mundo é a condição de pobreza aliada à situação de isolamento geográfico em que elas se encontram. Apesar de ainda crítico, esse panorama vem se alterando com o passar do tempo.

O avanço na pesquisa e desenvolvimento de fontes alternativas baseadas em energias renováveis, somado a fortes programas governamentais e sociais, preocupados principalmente com a exclusão proporcionada pela ausência de energia elétrica e com os crescentes problemas ambientais, têm sido responsáveis por profundas e importantes mudanças. Países como a Alemanha, Espanha e Estados Unidos já contam com grande penetração de energias renováveis em suas matrizes energéticas. A nível nacional, programas governamentais como o PROINFA e o Luz Para Todos vêm se constituir em grandes incentivos ao desenvolvimento de estudos que visem tornar as fontes renováveis ainda mais competitivas.

A expansão do atendimento elétrico no Brasil, assim como em muitos outros países ao redor do mundo, dá-se, basicamente, através da extensão de linhas de transmissão pertencentes ao sistema interligado, ou através da geração térmica de pequeno, médio e, por vezes, até mesmo grande porte, usualmente com a utilização de grupos geradores com combustível de origem fóssil, principalmente óleo diesel.

A primeira é uma solução viável quando o sistema de transmissão/distribuição não se encontra muito distante do centro de consumo a ser atendido, ou quando este tem porte suficiente para representar atratividade econômica para a concessionária. O segundo tem seus maiores atrativos na relativa facilidade de aquisição, instalação e uso, além do reduzido custo inicial.

Tais soluções, entretanto, não constituem alternativas únicas. Ao contrário, o acelerado crescimento técnico das fontes renováveis vem tornando-as competitivas, e por muitas vezes mais viáveis do que as fontes ditas convencionais. Sistemas renováveis, cujas fontes primárias são dos tipos solar fotovoltaica (FV) e eólica, estão entre as opções mais consideradas atualmente, embora haja também a possibilidade de utilização de sistemas a biomassa e pequenas centrais hidrelétricas.

Porém, para que se possa analisar de forma criteriosa em que situação e com que tipo de configuração o sistema é o mais viável para determinada aplicação, diversos fatores devem ser considerados. Dentre eles, os principais são os aspectos técnicos e econômicos de cada alternativa. Análises de viabilidade técnicoeconômica de sistemas de geração de energia elétrica, principalmente aqueles que visam ao atendimento de locais remotos, são associadas a aspectos como a logística de instalação, custos de capital, facilidades e custos de manutenção e operação, disponibilidade de combustível, seja ele renovável ou não, modularidade, confiabilidade, dentre outros.

CAPÍTULO 1 – CONCEITOS BÁSICOS

1.1. A Importância da Energia

A energia é fundamental para qualquer ser vivo, pois é utilizada no atendimento de suas necessidades básicas como a locomoção, a alimentação e a própria manutenção da vida. O homem, de modo especial, dentre todos os seres vivos, é o mais dependente da energia em todas as suas diversas formas, pois desenvolveu, ao longo da história, máquinas, usos e costumes que precisam cada vez mais de energia, principalmente a elétrica.

O homem busca melhor qualidade de vida, desde a pré-história, fundamentalmente através de uma maior disponibilidade de bens de consumo, o que implica em maior produção. A produção precisa ser processada, transformando a matéria-prima em produtos acabados, e a energia possibilita esse processo. Os produtos acabados precisam ser transportados, conservados e comercializados e, mais uma vez, a energia se faz necessária.

Muitas maneiras de transformar a energia foram sendo criadas pelo ser humano, diversas tecnologias energéticas foram consolidadas para que fossem melhor aproveitadas para o benefício da humanidade. Entretanto, hoje em dia uma grande parte da população mundial carece de uma vida mais digna e sobrevive isolada do mundo, sem condições decentes de saúde, higiene, lazer, educação e cidadania, em grande parte porque não dispõe de energia para satisfazer suas necessidades básicas.

No Brasil, com suas dimensões continentais, política energética de fontes renováveis não convencionais ainda carecendo de incentivos mais firmes e constantes, distribuição de renda desigual, e com uma população vivendo nos mais diversos climas e regiões – campos, cidades, ilhas, semi-árido, alagados, etc. – os benefícios da disponibilidade de energia não chegam a todos os brasileiros. Hoje, com a adoção de programas como o Luz Para Todos e o PROINFA, busca-se diminuir esta desigualdade.

A escolha da forma de energia ou dos mecanismos para processá-la não é única e depende de diversos fatores como: cultura do povo, disponibilidade de recursos energéticos, custo de implantação, operação e manutenção, viabilidade técnica, etc. A produção, armazenamento e utilização da energia pode ser feita através do uso de recursos naturais renováveis ou não-renováveis, com maior ou menor impacto no meio ambiente, com custos bastante diferenciados, com emprego imediato ou posterior, e com maior ou menor benefício ao homem. As energias química, nuclear, térmica, mecânica, potencial e elétrica são algumas das formas conhecidas de utilização da energia. A energia elétrica, por sua característica funcional e não poluente (pelo menos no que concerne ao seu uso final) é a mais difundida no mundo.

O Brasil, grande produtor de energia elétrica através de suas hidrelétricas, não consegue atender todos os seus habitantes e indústrias apenas com esse recurso, quer por insuficiência na produção, deficiências nos sistemas de transmissão e distribuição, questões geográficas, ou mesmo pelo elevado custo da energia. Em função dessa realidade, outras alternativas de produção estão sendo, ainda que timidamente, incorporadas à matriz energética brasileira. Além do já consagrado uso de termelétricas e grupos geradores a diesel, fontes alternativas e renováveis procuram ocupar seu espaço no mercado e na sociedade. As energias eólica e solar fotovoltaica destacam-se dentre elas, pois o Brasil possui as condições básicas, sol e vento, adequadas ao atendimento das demandas de várias regiões.

1.2. Energia e Potência

O conceito de energia é bastante amplo e essencial na Física. Qualquer objeto que desenvolva trabalho está fazendo uso de energia para tal. Pode-se, por exemplo, usar energia na forma de eletricidade para aquecer um material, ou energia potencial para armazenar água em um reservatório. A própria etimologia da palavra energia vem do grego εργοs (ergos) que significa trabalho. Nos dicionários da língua portuguesa também encontra-se a definição de energia como sendo a capacidade dos corpos de desenvolver uma força ou produzir trabalho.

A potência, por sua vez, é a taxa com que se produz trabalho. Assim a potência relaciona-se com a energia através da relação dt dEP= sendo P a potência, E a energia e dt dE a taxa de variação da energia no tempo.

Quando a variação da energia no tempo é constante, a expressão anterior reduz-se a t EP=

As expressões anteriores podem ser reescritas colocando a energia em função da potência, das seguintes formas, respectivamente

e tPE.=

1.3. Unidades de Energia e Potência

O Princípio de Conservação da Energia implica em que todos os tipos de energia podem ser medidos através de uma única unidade. Entretanto, antes do conhecimento desse princípio, algumas formas de energia foram sendo descobertas e utilizadas e, com elas, suas respectivas unidades. Em função disto, foi necessária a criação de fatores de conversão que relacionassem as diversas unidades de energia conhecidas. A energia térmica, por exemplo, tem como unidade comum a caloria (cal), que indica a quantidade de calor necessária para elevar em 1 oC a temperatura de 1 g de água. Já o sistema de medidas britânico adota o BTU como unidade para o calor. Entre essas duas unidades a relação de conversão é

1 BTU = 252 cal

No Sistema Internacional de Unidades (SI), a energia é medida em joules (J), determinando o trabalho realizado por uma força de 1 newton (N) em um deslocamento de 1 m na direção desse deslocamento. A relação entre joule e caloria é

1 cal = 4,18 J

O uso de cada uma delas é característico de cada área. Por exemplo, na área de sistemas elétricos de potência é usual medir energia através do Wh (watt-hora) e seus múltiplos, kWh, MWh e GWh. O kWh equivale à aplicação de uma potência de 1.0 W durante o tempo de uma hora. Portanto:

Em relação à potência, no Sistema Internacional de Unidades (SI), essa grandeza é expressa em watts, sendo que 1 watt (W) é a potência desenvolvida quando se gasta 1 joule de energia em 1 segundo.

Outras unidades comuns de potência são o cavalo-vapor (CV) e o horse-power (HP), sendo:

1.4. Tipos e Fontes de Energia

Fontes de energia são substâncias e meios que permitem produzir energia útil diretamente ou por transformação. Podem ser dos tipos renováveis (natural ou artificialmente) e não renováveis.

Entre as renováveis naturalmente estão os rios, a radiação solar e os ventos; entre as renováveis artificialmente podem ser citados o reflorestamento e os resíduos em geral; e entre as não renováveis, o petróleo, o gás natural, o carvão mineral e o urânio.

Algumas das fontes energéticas mais conhecidas para a geração de energia elétrica são a solar, a eólica, a térmica, a química, a hidráulica e a nuclear.

A energia solar na Terra decorre da incidência dos raios solares na forma de luz e calor e é, na realidade, a origem de todas as outras formas de energia conhecidas. Seu aproveitamento estende-se desde a secagem de produtos até os mais modernos coletores solares planos e parabólicos e os painéis fotovoltaicos.

A energia eólica decorre do movimento dos ventos e tem sido aproveitada há séculos em embarcações à vela, moinhos de vento e cata-ventos para bombeamento de água. Modernamente, essa forma de energia tem sido utilizada através dos aerogeradores, ou turbinas eólicas, que convertem a energia eólica em energia elétrica.

A energia térmica manifesta-se sob forma de calor, podendo ser armazenada em determinados sistemas, sendo que quanto mais quente estiver um corpo, maior a energia armazenada. Os exemplos de utilização dessa forma de energia vão desde corriqueiras aplicações domésticas, como o ferro de engomar e os aquecedores, até os fornos de alta temperatura utilizados na indústria e as centrais termelétricas, que utilizam geralmente o óleo diesel como combustível.

A energia química é liberada durante uma reação química. Alguns exemplos são a queima do carvão, da gasolina e de óleos combustíveis, e as pilhas e baterias elétricas.

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