Sumário
PREFÁCIO xi
C A P Í T U L O 1 I n t r o d u ç ã o 1
A . E n e r g i a : U m a D e f i n i ç ã o Inicial 1 B. U s o da E n e r g i a e A m b i e n t e 3
Nossa Terra - Antes e Agora 4 C. P a d r õ e s de U s o de E n e r g i a 6 D. R e c u r s o s E n e r g é t i c o s 11
E. C r e s c i m e n t o E x p o n e n c i a l e E s g o t a m e n t o d o s R e c u r s o s 13
Energia na China 14
F. P e t r ó l e o : Um R e c u r s o C r í t i c o 18 G . C o n s e r v a ç ã o d e E n e r g i a 2 0
H . C o n s i d e r a ç õ e s E c o n ô m i c a s e A m b i e n t a i s 2 3
O Protocolo de Kyoto sobre as Mudanças Climáticas 24 I. C e n á r i o s F u t u r o s 25
Os Green Games, 2000 27
= 2 M e c â n i c a da E n e r g i a 30 A . I n t r o d u ç ã o 3 0
B . F o r m a s d e E n e r g i a e C o n v e r s õ e s d e E n e r g i a 3 1 C M o v i m e n t o 35
Perdas de Energia em um Carro 38 D. Energia e Trabalho 40
C . E x e m p l o s d e C o n v e r s ã o d e E n e r g i a 6 6 D. E f i c i ê n c i a s na C o n v e r s ã o de E n e r g i a 68
E . U s o d a E n e r g i a n o s Países e m D e s e n v o l v i m e n t o 7 0
Desenvolvimento Sustentável 72
F . U m B a r r i l , u m a C a l o r i a , u m Btu? E q u i v a l ê n c i a d e E n e r g i a 7 3 G . R e s u m o 7 5
C A P Í T U L O 4 C a l o r e T r a b a l h o 8 0
A . I n t r o d u ç ã o 8 0
B. C a l o r e T r a b a l h o e a P r i m e i r a Lei da T e r m o d i n â m i c a 81 C. T e m p e r a t u r a e C a l o r 83
D. P r i n c í p i o s de T r a n s f e r ê n c i a de C a l o r 87
E. M á q u i n a s T é r m i c a s 95
F. A S e g u n d a Lei da T e r m o d i n â m i c a 98 G . R e s u m o 103
C A P Í T U L O 5 E n e r g i a S o l a r : C a r a c t e r í s t i c a s e A q u e c i m e n t o 1 0 8
A . I n t r o d u ç ã o 108
B. C a r a c t e r í s t i c a s da R a d i a ç ã o S o l a r I n c i d e n t e 110 C . H i s t ó r i a d o A q u e c i m e n t o S o l a r 117
Usina de Energia Solar Egípcia do Início do Século XX 118 D . V i s ã o G e r a l d o A q u e c i m e n t o S o l a r C o n t e m p o r â n e o 122 E . Á g u a Q u e n t e S o l a r R e s i d e n c i a l 123
Desempenho de Aquecedor de Água Solar 129
F . S i s t e m a s S o l a r e s P a s s i v o s d e A q u e c i m e n t o d e A m b i e n t e s 129 G . S i s t e m a s S o l a r e s A t i v o s d e A q u e c i m e n t o d e A m b i e n t e s 133 H . A r m a z e n a m e n t o d e E n e r g i a T é r m i c a 136
I. R e s u m o 138
C A P Í T U L O 6 E n e r g i a d e C o m b u s t í v e i s F ó s s e i s 1 4 6
A . I n t r o d u ç ã o 146
B. T e r m i n o l o g i a d o s R e c u r s o s 147 C. P e t r ó l e o 150
Política de Oleodutos na Antiga União Soviética 153
Derramamentos de Petróleo 155
Petróleo do Alasca: Passado, Presente e Dilemas Futuro 158 D. G á s N a t u r a l 159
E. Carvão: Um Papel em expansão 161
F. Fontes Futuras de Petróleo 167
G. R e s u m o 168
Tópico Especial: A Física da E x p l o r a ç ã o de G á s e Petróleo 171
C A P Í T U L O 7 P o l u i ç ã o d o A r e U s o d e E n e r g i a 1 7 8
A . I n t r o d u ç ã o 178
S u m á r i o
B. P r o p r i e d a d e s e M o v i m e n t o da A t m o s f e r a 180 C. P o l u e n t e s do Ar e S u a s F o n t e s 186
A Poluição do Ar e o Terceiro Mundo 190 D . P a d r õ e s d e Q u a l i d a d e d o A r 199
Reformas da Lei do Ar Limpo de 1990 2 0 3
E . D i s p o s i t i v o s d e C o n t r o l e d e E m i s s ã o e m A u t o m ó v e i s 2 0 3
Transporte Coletivo 2 0 5
F. S i s t e m a s de C o n t r o l e de P o l u i ç ã o de F o n t e s E s t a c i o n á r i a s 2 0 6
G . R e s u m o 211
Capitulo 8 A q u e c i m e n t o G l o b a l , D e s t r u i ç ã o d a C a m a d a d e O z ô n i o e R e s í d u o s d e C a l o r 2 1 7
A . I n t r o d u ç ã o 2 1 7
B. A q u e c i m e n t o G l o b a l e E f e i t o E s t u f a 217
Impostos do Carbono 2 2 8
África e Aquecimento Global 230 C . D e s t r u i ç ã o d a C a m a d a d e O z ô n i o 2 3 0 D . P o l u i ç ã o T é r m i c a 2 3 4
E . E f e i t o s E c o l ó g i c o s d a P o l u i ç ã o T é r m i c a 2 3 6 F. T o r r e s e L a g o a s de R e s f r i a m e n t o 2 4 0 G . U s a n d o o s R e s í d u o s d o C a l o r 2 4 2 H . R e s u m o 2 4 3
C A P Í T U L O 9 E l e t r i c i d a d e : C i r c u i t o s e S u p e r c o n d u t o r e s 247
A. I n t r o d u ç ã o à " E l e t r i f i c a ç ã o " 247
B . R e e s t r u t u r a ç ã o d a s C o m p a n h i a s d e E n e r g i a Elétrica 2 4 9
Gerenciamento da Demanda de Energia 251 C. C a r g a s e C o r r e n t e s E l é t r i c a s 252
D. B a t e r i a s e V e í c u l o s E l é t r i c o s 2 5 5
Baterias Comuns 255 E. A Lei d e O h m 259 F. S u p e r c o n d u t i v i d a d e 261 G . C i r c u i t o s E l e m e n t a r e s 2 6 3 H. P o t ê n c i a E l é t r i c a 2 6 5
As Lâmpadas de Edison Mazda, 1925 2 6 6
I. A v a l i a n d o o C u s t o do U s o da E n e r g i a Elétrica 267 J. C é l u l a s a C o m b u s t í v e l 2 7 2
K. R e s u m o 2 7 5
T ó p i c o E s p e c i a l : E l e t r o s t á t i c a 279
C A P Í T U L O 1 0 E l e t r o m a g n e t i s m o e G e r a ç ã o d e E l e t r i c i d a d e 283
A . M a g n e t i s m o 2 8 3
C. T r a n s m i s s ã o de E n e r g i a Elétrica 291
D. O Ciclo V a p o r — E l é t r i c o P a d r ã o em u m a U s i n a G e r a d o r a 2 9 9 E. C o g e r a ç ã o 302
F. Besumo 304
C A P Í T U L O 1 1 E l e t r i c i d a d e d e F o n t e s S o l a r e s , E ó l i c a s e H í d r i c a s 3 0 8
A . I n t r o d u ç ã o 3 0 8 B. Princípios das Células Solares 310
Carro FV: o S u n r a y c e r 312 C . M a n u f a t u r a d a s C é l u l a s 3 1 3
D. E c o n o m i a e S i s t e m a s F o t o v o l t a i c o s 3 1 4
Bombeando Água 3 1 7 E. E n e r g i a Eólica 3 1 8 F. E n e r g i a H i d r á u l i c a 3 2 5
Sistemas Hidrelétricos de Pequena Escala 3 2 9 G . I n s t a l a ç õ e s E l é t r i c a s T e r m a i s S o l a r e s 3 3 0 H . R e s u m o 331
C A P Í T U L O 1 2 O s B l o c o s d e C o n s t r u ç ã o d a M a t é r i a : o Á t o m o e s e u N ú c l e o 3 3 5
A . H i p ó t e s e A t ô m i c a 3 3 6
B . O s C o m p o n e n t e s d o Á t o m o 3 3 6 C. N í v e i s de E n e r g i a 341
D. E s t r u t u r a N u c l e a r 342 E. R a d i o a t i v i d a d e 3 4 3
F. C o l a N u c l e a r , ou E n e r g i a de I n t e r a ç ã o N u c l e a r F o r t e 3 4 6 G . A A l e g r i a d o s C h o q u e s N u c l e a r e s , o u
R e a ç õ e s N u c l e a r e s 349
Radônio 351 H. Fissão 351 I. R e s u m o 352
T ó p i c o E s p e c i a l : A T a b e l a P e r i ó d i c a 354
C A P Í T U L O 1 3 E n e r g i a N u c l e a r : F i s s ã o 3 5 6
A . I n t r o d u ç ã o 3 5 6
B . R e a ç õ e s e m C a d e i a 3 6 0
C . M o n t a g e m d e u m R e a t o r N u c l e a r 363 D. T i p o s de R e a t o r e s a Á g u a L e v e 3 6 6 E. O C i c l o do C o m b u s t í v e l N u c l e a r 368
O Japão e o Plutônio 3 7 0 F. R e s í d u o s R a d i o a t i v o s 372
Monumentos para o Futuro 3 7 8 G . D e s a t i v a ç ã o 3 7 9
S u m á r i o
I. A v a l i a ç ã o de P r o b a b i l i d a d e de R i s c o e S e g u r a n ç a N u c l e a r 387 J . P r o j e t o s A l t e r n a t i v o s d e R e a t o r e s 3 9 0
K. P r o l i f e r a ç ã o N u c l e a r 3 9 4
Proliferação pós-Guerra Fria 3 9 4
L. R e s u m o A m b i e n t a l e E c o n ô m i c o da E n e r g i a N u c l e a r 3 9 5 M . R e s u m o 3 9 8
Capitulo 14 E f e i t o s e U s o s d a R a d i a ç ã o 401
A . I n t r o d u ç ã o 401 B. D o s e de R a d i a ç ã o 402
C. E f e i t o s B i o l ó g i c o s da R a d i a ç ã o 403
Segredos Nucleares da América: "Era Justificável?" 4 0 6 D . R a d i a ç ã o d e F u n d o , I n c l u i n d o R a d ô n i o 407
E. P a d r õ e s de R a d i a ç ã o 412
F. U s o s M é d i c o s e I n d u s t r i a i s da R a d i a ç ã o 4 1 3
Irradiação de Alimentos 4 1 6 G. P r o t e ç ã o c o n t r a a R a d i a ç ã o 417 H . R e s u m o 4 1 8
T ó p i c o E s p e c i a l : I n s t r u m e n t o s p a r a a D e t e c ç ã o de R a d i a ç ã o 421
1 5 A l t e r n a t i v a s F u t u r a s d e E n e r g i a : F u s ã o 4 2 4
A O P o t e n c i a l da E n e r g i a de F u s ã o 4 2 4
B. E n e r g i a d a s E s t r e l a s : o P r o c e s s o de F u s ã o 4 2 5 C. C o n d i ç õ e s p a r a a F u s ã o 426
D . R e a t o r e s d e F u s ã o d e C o n f i n a m e n t o M a g n é t i c o 427 E. F u s ã o I n d u z i d a p o r Laser 430
F. F u s ã o a Frio 433
G. P e r s p e c t i v a s p a r a a F u s ã o 434 H . R e s u m o 435
C a p i t u l o 1 6 B i o m a s s a : d a s P l a n t a s a o L i x o 4 3 7
A . I n t r o d u ç ã o 437
B . R e s í d u o s S ó l i d o s M u n i c i p a i s 439 C . C o n v e r s ã o d e B i o m a s s a 444
Programa Brasileiro de Etanol 449 D . C o m b u s t ã o d e M a d e i r a 4 5 0 E. P l a n t a ç õ e s de E n e r g i a 456
F. A l i m e n t o , C o m b u s t í v e l , F o m e 457 G . R e s u m o 460
C a p i t u l o 1 7 C a n a l i z a n d o o C a l o r d a T e r r a : E n e r g i a G e o t é r m i c a 4 6 3
A I n t r o d u ç ã o 4 6 3
C. S i s t e m a s H i d r o t é r m i c o s 466
D. E x p l o r a ç ã o e R e c u r s o s G e o t é r m i c o s 469
E . R e c u r s o s G e o t é r m i c o s d e B a i x a T e m p e r a t u r a 472 F. I m p a c t o s A m b i e n t a i s 472
G . R e s u m o 472
C A P Í T U L O 1 8 U m C o m p r o m i s s o N a c i o n a l e P e s s o a l 4 7 5
C A P Í T U L O 1 9 A Q u e s t ã o E n e r g é t i c a n o B r a s i l 479
A. A M a t r i z E n e r g é t i c a B r a s i l e i r a 480
B. E n e r g i a s N ã o - R e n o v á v e i s : P e t r ó l e o e G á s N a t u r a l 482 C. E t a n o l , o C o m b u s t í v e l A l t e r n a t i v o B r a s i l e i r o 486 D. E n e r g i a H i d r á u l i c a 490
E. E n e r g i a N u c l e a r 493
F. F o n t e s A l t e r n a t i v a s de E n e r g i a no B r a s i l 4 9 3
Características Técnicas Gerais do Biodiesel 4 9 6
Vantagens do Biodiesel 498
Impactos Ambientais Positivos da Utilização do Biodiesel 4 9 8
Impacto Econômico 499
Redução de Emissões Tóxicas 499
G . V a n t a g e n s C e n t r a i s d o B i o d i e s e l — R e s u m o 5 0 0
A P Ê N D I C E S 5 0 3
G L O S S Á R I O 5 1 9
Prefácio
Introdução a T e r c e i r a E d i ç ã o
Energia e Meio Ambiente é um livro-texto introdutório que enfatiza os princípios físicos por trás da energia e seus efeitos sobre nosso ambiente. Ele pode ser utilizado em cursos de Física, Tecnologia, Ciências Físicas e Ciências Ambientais para estudantes de áreas não es-tritamente científicas. Muito da pedagogia aqui utilizada vem de um curso de um semes-^ semes-^ H t a d u c a ç ã o geral que eu (R. H.) tenho dado na Universidade Estadual de Nova York,
COLLEGE at Oswego, durante os últimos 20 anos. Nenhum pré-requisito de matemática ou outra ciência é necessário.
Para esta edição, um segundo autor foi adicionado. Lin Kleinbach, como professor
emérito de Educação Tecnológica da SUNY-Oswego, traz uma riqueza de informações sobre tecnologias energéticas atuais e uma abordagem muito prática para a educação sobre o tema Energia. Ambos temos estado envolvidos com a condução de workshops educa-cionais sobre energia para os professores da Universidade Estadual de Nova York nos
últi-Esta edição fornece dados atualizados sobre recursos energéticos, utilização da ener-gia de tecnoloener-gias de enerener-gia. Desde a publicação da segunda edição norte-americana (ape-nas cinco anos atrás), temos observado a desregulação e o aumento da competição no setor da geração de energia, o aumento dos preços do petróleo e o crescente compromisso global com as fontes de energia renováveis. Estas tendências são enfatizadas no decorrer do livro,
COMO o campo da energia muda tão rapidamente, adicionamos a esta edição um website que fornece uma lista atualizada de material disponível na Internet e relacionado com o
conteúdo de cada capítulo.
Continuamos a enfatizar o impacto ambiental do consumo de combustíveis fósseis, em parte por meio da colocação, logo no início do livro, de capítulos que discutem o uso de combustíveis fósseis, a poluição atmosférica e o aquecimento global. Mais exemplos relacionados com a utilização de energia em vários países foram adicionados. Atividades adicionais de "mão na massa" foram inseridas dentro dos capítulos quando um tópico é introduzido e ao final dos mesmos.
O b j e t i v o s Deste L i v r o
Como o tema energia é multifacetado, este livro tem diversos propósitos. O primeiro é procurar explicar os princípios físicos básicos por trás do uso da energia, incluindo o
es-mecânica, da eletricidade e do magnetismo, da termodinâmica e da física atômica
E NUCLEAR. AO MESMO tempo, o livro aborda questões ambientais cruciais que cada vez mais TEM RECEBIDO maior atenção do público, como o aquecimento global, os resíduos
radioa-TIVOS E OS RESÍDUOS sólidos municipais. A melhor forma de entender as conseqüências das
delas decorrentes é entender os princípios científicos envolvidos. Estes princípios são apresentados com uma utilização mínima de matemática e com o auxílio de exemplos do dia-a-dia. Cada capítulo contém um conjunto de problemas (a maior parte não-matemáti-cos) que procuram enfatizar os princípios e aplicá-los a situações relacionadas com energia e meio ambiente. Muitos dos tópicos-padrão encontrados em livros-textos introdutórios de física são incluídos. Conseqüentemente, este livro pode ser utilizado em um curso con-ceituai de física que tenha a energia como tema central, como tem sido a minha prática.
Segundo, o livro examina os diferentes aspectos de cada recurso energético, incluindo os princípios envolvidos e as conseqüências ambientais e econômicas do seu uso. A energia renovável é abordada logo no início do livro, após o capítulo sobre transferência de calor, e tudo a ela relacionado, de sistemas de aquecimento solares a equipamentos fotovoltaicos e geradores de turbina eólica, é tratado. Os princípios da energia nuclear e o atual debate sobre a disposição de resíduos radioativos são abordados em profundidade. No centro de quase todos os esquemas de conversão de energia está o mecanismo de calor e, assim, os princípios gerais desta área são apresentados logo no Capítulo 4. Os aspectos ambientais da geração de energia elétrica, bem como a sua utilização, também são temas fundamentais. A poluição atmosférica e o aquecimento global também são tratados no início do livro, assim como algumas das formas por meio das quais seus impactos podem ser reduzidos.
Terceiro, o livro procura integrar as complexas questões das políticas e das possíveis estratégias energéticas. Não existem respostas simples ou alternativas únicas que possam satisfazer todas as nossas demandas por energia, preservar nossa prosperidade econômica e proteger nosso ambiente. Como conseqüência, questões (muitas delas ainda sem res-posta) são feitas no decorrer do texto para estimular os leitores a pensarem criticamente no que está por vir e, talvez, até mesmo começarem a desenvolver suas próprias soluções. O importante tema da conservação de energia é enfatizado com exemplos ao longo de todo o texto, e não em um capítulo específico, porque acreditamos que o uso eficiente da energia deveria ser a preocupação central em todas as áreas, da mecânica da energia à transferência de calor e uso da eletricidade. Sugestões práticas são dadas com o objetivo de fazer com que os leitores avaliem os papéis por eles desempenhados na utilização mais efetiva da energia. Muitos livros têm a energia como tema, mas poucos buscam tanto ensinar os princí-pios físicos gerais quanto analisar as muitas alternativas de abastecimento e conservação de energia. Estes temas são apresentados de tal forma que estimulem a crescente audiência de alunos de áreas não estritamente científicas, assim como forneçam informações rele-vantes para aqueles interessados nas áreas de ciência e engenharia.
C o b e r t u r a
Apesar de o texto deste livro ser organizado de modo a seguir uma seqüência mais ou menos tradicional de um curso de física, tentamos ordenar os tópicos de uma maneira que vá ao encontro dos interesses dos estudantes. O aquecimento solar é abordado logo no Capítulo 5, mas apenas após os conceitos de transferência de calor (Capítulo 4) terem sido discutidos. Os Capítulos 7 e 8 tratam dos aspectos ambientais do uso da energia, em espe-cial a poluição atmosférica (tanto de fontes estacionárias quanto de fontes móveis), o aque-cimento global e a poluição térmica. Estes tópicos vêm na seqüência do Capítulo 6, que trata dos combustíveis fósseis. A física da exploração e recuperação do petróleo é abordada no Capítulo 6 como um Tópico Especial. A energia fotovoltaica e a crescente área da energia eólica vêm na seqüência dos Capítulos 9 e 10, que abordam a produção de energia elétrica. As novas tecnologias automotivas, que incorporam células de energia e híbridas, bem como os veículos elétricos, são abordados nestes dois capítulos. A fissão nuclear é estudada no Capítulo 13, logo após um capítulo sobre os fundamentos da física atômica e nuclear. O Capítulo 16 cobre o amplo tópico da biomassa, indo da combustão de madeira aos resíduos
Prefácio x i i i
A s p e c t o s
Muitos aspectos são delineados para encorajar os estudantes a entender o papel crucial de-sempenhado pela energia em nossa sociedade e as implicações decorrentes do seu próprio padrão de consumo de energia. O texto é planejado para tornar a física e suas aplicações relevantes e interessantes para estudantes de todas as áreas. Estes aspectos incluem:
• Atividades práticas, as quais fornecem aos estudantes oportunidades de desenvolver experimentos que irão reforçar os conceitos apresentados. Estas
atividades estão tanto integradas aos capítulos quanto colocadas em seus
finais. Alguns exemplos são a construção de um modelo simples de caixa de
sapato para examinar o aquecimento solar, um experimento para estudar a
transferência de calor a partir de latas de refrigerante isoladas e a investigação
de particulados atmosféricos. Todas as atividades foram testadas, muitas delas nos workshops de verão direcionados para professores de ciência e
tecnologia de escolas secundárias.
• Uso residencial de energia, com a instalação de novos equipamentos de iluminação eficientes do ponto de vista da energia é discutida no Capítulo 9, que trata de eletricidade. A reciclagem e as questões relacionadas com a gestão de resíduos sólidos são abordadas no Capítulo 16.
• Perspectivas internacionais sobre energia, as quais são enfatizadas durante
todo o livro. Apesar de o livro primariamente focar o uso da energia nos Estados Unidos, todos somos partes interdependentes da aldeia global C o m o bem sabemos, acontecimentos políticos em outras partes do mundo podem ter importantes efeitos sobre a nossa economia. Atenção também é dada às
pessoas que vivem em países em desenvolvimento, onde a energia desempenha um papel crítico. Diversos novos boxes "Foco Em", os quais
realçam aplicações interessantes ou fatos pouco usuais sobre a energia, foram adicionados a esta área. Ambos os autores têm uma vasta experiência de trabalho em países em desenvolvimento.
• Referências da Internet, as quais são atualizadas e fornecidas em um website
para cada capítulo. Alguns sites de referência geral sobre energia são
apresentados no final do livro.
Outros aspectos incluem apêndices que fornecem informações atualizadas sobre o uso de
energia nos Estados Unidos e no mundo, sumários de fim de capítulo, questões e proble-mas, exemplos trabalhados e um Glossário.
O p ç õ e s d e E n s i n o
Por causa das muitas facetas do tema 'uso de energia e nosso ambiente', algumas seções e capitulos do livro podem ser omitidos sem nenhuma perda de continuidade. Por exemplo,
a seção sobre mecanismos de calor no Capítulo 4 pode ser omitida (especialmente para es-tudantes que não sejam da área de ciências); a eficiência de Carnot pode ser introduzida mais tarde, parte do Capítulo 8 que trata de poluição térmica. Para um curso mais
:é pode saltar o Capítulo 14 sobre efeitos biológicos da radiação e o Capítulo 15 sobre fusão, concentrando-se apenas na conversão de biomassa e resíduos sólidos municipais
A g r a d e c i m e n t o s
Muitas pessoas tiveram grande importância no apoio à construção e revisão deste livro contribuições seguintes ajudaram muito a refinar esta terceira edição: revisores dos manuscritos - Patrick Gleeson, Delaware State University e Daryl Prigmore, University of Colorado, Colorado Springs. Revisores da pré-revisão: Terry Carlton, Oberlin Colllege Laurent Hodges, Iowa State University; Jack Pinnix, Chicago State University; Robert Poel Western Michigan University; Don Reeder, University of Wisconsin, Madison; Karin Shasl Vanderbilt University. Dentre os revisores das versões anteriores, destacamos Davsr-Appenbrink, University of Chicago; Joseph Katz, Johns Hopkins University; PhüM Krasicky, Hamilton College; Wesley Lingren, Seattle Pacific University; Robert Poéü Western Michigan University; Ljubisa R. Radovic, Pennsylvania State University; D a l Reeder, University of Wisconsin; Peter Schroeder, Michigan State University; Carl Voiles Michigan State University; Thomas Weber, Iowa State University. Oferecemos nossos sin-ceros agradecimentos a todos eles.
Na Harcourt College Publishers, apreciamos e agradecemos o encorajamento em aconselhamento profissional de Peter McGahey, Editor de Desenvolvimento; ALICIA
Jackson, Gerente de Produção; Robin Bonner e Dana L. Passek, Editores de Projeto Jacqueline LeFranc, Diretora de Arte; e Kathleen Sharp McLellan, Estrategista de Mar-keting. Nestes dias de comunicação eletrônica, é uma vergonha não podermos agradecê-los de uma forma mais pessoal.
Roger Hinrichs e Merlin Kleinbach Oswego, New York dezembro, 2000
N o t a à E d i ç ã o B r a s i l e i r a
Para esta edição, os tradutores técnicos prepararam um capítulo complementar contex-tualizando o tema energia e meio ambiente na realidade brasileira. Nele, fazem uma descrição sucinta e precisa da matriz energética no país, especificando as fontes e o consumo. Os autores discutem as peculiaridades do sistema energético brasileiro, como a elevada participação de fontes renováveis, o uso da cana-de-açúcar e seus derivados, e os combustíveis alternativos que têm surgido, com especial destaque para o biodiesel. O capítulo traz ainda uma breve descrição do programa nuclear brasileiro e suas pers-pectivas, e uma visão crítica do racionamento de energia pelo qual o país passou em 2001/2002.
Além deste capítulo especial à edição brasileira, disponibilizamos também os capítulos "Conservação de Energia Residencial e Controle das Transferências de Calor" e "Análise de Aquecimento Doméstico", que abordam situações típicas e peculiares aos países que têm invernos rigorosos. Esses dois capítulos encontram-se disponíveis para download na página deste livro no site www.thomsonlearning.com.br.
1
Introdução
A . Energia: Uma Definição Inicial F . Petróleo: Um Recurso Crítico
B . Uso da Energia e Ambiente G . Conservação de Energia
Nossa Terra —Antes e Agora H . Considerações Econômicas e
C . Padrões de Uso de Energia Ambientais
D . Recursos Energéticos 0 Protocolo de Kyoto sobre as Mudanças
E . Crescimento Exponencial e Climáticas
Esgotamento dos Recursos 1. Cenários Futuros
Energia na China Os Green Games, 2000
A. Energia: Uma Definição Inicial
A energia é um dos principais constituintes da sociedade moderna. Ela é necessária para se criar bens a partir dos recursos naturais e para fornecer muitos dos serviços dos quais temos nos beneficiado. O desenvolvimento econômico e os altos padrões de vida são processos complexos que compartilham um denominador comum: a disponibilidade de um abastecimento adequado e confiável de energia. A modernização do Ocidente, pas-sando de uma sociedade rural para outra, urbana e rica, foi possível pela utilização de tec-nologia moderna baseada em uma ampla série de avanços científicos — os quais foram energizados por combustíveis fósseis. Eventos políticos, começando com o embargo do petróleo em 1973 e continuando com a Revolução Iraniana de 1979 e a Guerra do Golfo Pérsico de 1991, fizeram com que muitas pessoas passassem a atentar para o quanto a energia é crucial para o funcionamento cotidiano de nossa sociedade. As longas filas para comprar gasolina e os frios invernos com racionamento de gás natural na década de 70 ainda são memórias tristes para algumas pessoas. As crises energéticas dos anos 70 foram quase completamente esquecidas na década de 80. Contudo, aquela década trouxe uma crescente preocupação com o nosso ambiente. Inquietações relacionadas com o aqueci-mento global, a chuva ácida e os resíduos radioativos ainda nos perseguem hoje em dia, e cada um destes temas está relacionado com a forma como usamos a energia.
Apesar de o interesse em ser auto-suficiente em energia e de obter uma fonte energética própria ter sido forte nas décadas de 70 e 80, durante a segunda metade dos anos 90 todo o público passou a ter uma outra opção — ser capaz de escolher seu próprio fornecedor de energia. A indústria da energia elétrica mudou de um perfil tradicional e
altamente regulado para outro, de desregulação e competição. A partir de 1997, os consumidores passaram a poder comprar energia do fornecedor de sua preferência e o custo da energia passou a não ser o único critério nesta escolha. Muitas pessoas decidiram comprar energia de fornecedores que poluíssem menos, as chamadas alternativas de "energia verde".
A energia permeia todos os setores da sociedade — economia, trabalho, ambiente, relações internacionais —, assim como as nossas próprias vidas pessoais — moradia, alimentação, transporte, lazer e muito mais. O uso dos recursos energéticos nos libertou de muitos trabalhos penosos e tornou nossos esforços mais produtivos. Os seres humanos já dependeram de sua força muscular para gerar a energia necessária para a realização de seus trabalhos. Hoje, menos de 1% do trabalho feito nos países industrializados depende da força muscular como fonte de energia.
Os suprimentos de energia são fatores limitantes primordiais do desenvolvimento econômico. O mundo se tornou muito interdependente e, assim, o acesso a recursos energéticos adequados e confiáveis é central para o crescimento da economia. Em torno de 40% da energia global vem do petróleo, muito do qual é importado do Golfo Pérsico pelas nações industrializadas. Desta região, o Japão importa dois terços do seu petróleo, os Estados Unidos, 20%, e a França, um terço das suas necessidades de petróleo. Se os países industrializados fossem submetidos a alguma restrição significativa do seu acesso a estas fontes de petróleo, como a redução das jazidas ou grandes aumentos dos preços, com certeza suas economias iriam sofrer danos consideráveis.
Sua imagem da energia pode ser ilustrada de muitas formas pelas suas experiências particulares. Você pode pensar sobre a "energia" (ou a falta dela) que uma determinada pessoa tem ou sobre a energia cinética que uma pedra adquire ao ser jogada ou sobre a energia responsável pelo movimento dos automóveis ou, ainda, sobre a energia utilizada para a geração de luz e calor. O dicionário define energia como a "capacidade para a ação vigorosa; força inerente; forças potenciais". A energia é encontrada em muitas formas e um dos objetivos deste livro é identificá-las e estudar como elas podem ser usadas. A energia é encontrada em formas como o vento ou a água corrente e armazenada em matéria, como os combustíveis fósseis — petróleo, carvão, gás natural — que pode ser queimada para uma "ação vigorosa".
A energia é melhor descrita em termos do que ela pode fazer. Não podemos "ver" a energia, apenas seus efeitos; não podemos fazê-la, apenas usá-la; e não podemos destruí-la, apenas desperdiçá-la (ou seja, usá-la de forma ineficiente). Ao contrário da comida e da moradia, a energia não é valorizada por si própria, mas pelo que pode ser feito com ela.
Energia não é um fim em si mesma (declara Richard Balzhiser, ex-presidente do Electric Power Research Institute). Os objetivos fundamentais que devemos ter em mente são uma economia e um ambiente saudáveis. Temos que delinear nossa política energética como um meio para atingirmos estes objetivos, e não apenas para este país, mas também em termos globais.
Cap. 1 Introdução 3
B. Uso da Energia e Ambiente
Vivemos em uma era de preocupação ambiental. Políticos terão dificuldades para serem eleitos se não tiverem, pelo menos, uma clara preocupação com as questões ambientais. O vigésimo aniversário do Dia da Terra, em 22 de abril de 1990, tornou-se o centro das atenções de milhões de pessoas que queriam iniciar uma década de ativismo ambiental. Muitas mudanças no ambiente ocorreram nos 30 anos decorridos desde o primeiro Dia da Terra e algumas delas estão listadas no Quadro 1.1.
O vigésimo quinto aniversário do Dia da Terra, em 1995, focou o progresso feito na melhoria da qualidade do ar e das águas. Em termos de poluição atmosférica, o smog diminuiu em todos os Estados Unidos para algo em torno de dois terços do que era em 1970. Em 1999, Los Angeles não registrou nenhuma leitura de ozônio alta o suficiente para disparar um alerta de smog; 20 anos antes ocorreram 120 alertas em um ano. Os carros novos em 1995 emitiram algo em torno de 1% da poluição por milha dos modelos de 1970! As emissões de dióxido de enxofre, causa primária da chuva ácida, diminuíram um terço desde 1970. Em 1970, aproximadamente um quarto dos rios norte-americanos atendiam aos padrões federais para pesca e natação; em 1995, esta quantidade aumentou para 60% do total. Estas realizações não foram obtidas sem enormes esforços. Os gastos federais e estaduais para a redução e controle da poluição aumentaram sensivelmente desde 1970 (para 100 bilhões de dólares por ano). Todavia, as preocupações com os gastos federais, com a dívida nacional e com o papel do governo federal americano continuam a incitar as forças legislativas a realizarem reformas na legislação ambiental e modificações nas regulações, o que vem afetando a qualidade do ar e das águas, a gestão dos resíduos tóxi-cos e dos pesticidas, a proteção das espécies ameaçadas etc.
O uso dos nossos recursos energéticos é um dos principais fatores a afetar o ambiente. (Nosso uso de produtos químicos é outro.) O aumento da utilização de combustíveis fósseis observado desde o início da era industrial causou o aumento em torno de 30% da concentração de dióxido de carbono atmosférico e, provavelmente, o aumento da tempe-ratura global (Figura 1.1). Tempetempe-raturas globais elevadas podem levar ao derretimento das calotas polares e ao aumento dos níveis dos oceanos, o que irá provocar a migração das populações das regiões litorâneas do planeta para áreas mais altas. Isto também pode significar uma mudança nas áreas de agricultura, uma vez que os padrões de precipitação se deslocam em direção ao norte.
NOSSA TERRA — ANTES E AGORA
1970 1997
População global 3,3 bilhões 5,8 bilhões
IO3
toneladas de chumbo emitidas (Estados Unidos) 204 4
Toneladas de lixo reciclado 8 milhões 49 milhões
Residências utilizando energia solar (Estados Unidos) 35.000 2 milhões
Toneladas de lixo geradas por ano (Estados Unidos) 121 milhões 217 milhões
Porcentagem de petróleo importado (Estados Unidos) 23% 56%
Porcentagem do orçamento federal investido no meio
ambiente (Estados Unidos) 3% 1,5%
CO-2 atmosférico — em ppM (Estados Unidos) 325 367
Emissões globais de C 02 — em IO
9
toneladas/ano 14 23
Livrarmo-nos do lixo que produzimos é, cada vez mais, um sério problema ambiental. Os americanos produzem aproximadamente quatro libras1 de lixo por pessoa por dia —
ou seja, três toneladas por família por ano, o que é o dobro da média da Europa. Estamos ficando sem lugares aceitáveis para enterrar nosso lixo. A quantidade de aterros sanitários nos Estados Unidos diminuiu de 14.000 em 1970 para aproximadamente 3.000 hoje em dia, com uma população maior.
Vamos lidar com os resíduos sólidos por meio da sua incineração (utilizando o calor gerado para propósitos industriais, para a geração de eletricidade ou para ambos) e da destinação apenas das cinzas para os aterros? Existe muita oposição a esta abordagem por causa da possível poluição do ar, das águas e térmica. Quanto deste problema pode ser resolvido pela reciclagem, pela redução das embalagens e por outros meios?
Em cada um destes exemplos, duras opções têm que ser feitas. Se, por causa da preocu-pação com o aquecimento global, queremos reduzir a quantidade de combustíveis fósseis consumidos, quais substitutos podem ser utilizados? Mais energia solar ou nuclear? Até que ponto podemos dizer que confiamos totalmente em sua segurança e efetividade para adotarmos os métodos de enterrar os resíduos radioativos gerados pelas usinas nucleares? O que podemos usar em substituição à gasolina em nossos amados carros? É o etanol produzido a partir de cereais um substituto energeticamente eficiente? (Hoje em dia, 10% da gasolina vendida nos Estados Unidos contém etanol, normalmente feito de milho.) De-vemos utilizar alimentos como combustível se existem muitas pessoas subnutridas? Deve-se subsidiar a energia solar para que ela Deve-se torne economicamente competitiva com os combustíveis fósseis (que são mais baratos), uma vez que sabemos que os estoques de com-bustível fóssil são finitos e que a sua utilização danifica o ambiente?
N.T.: O que é equivalente a 1,8 kg.
Cap. 1 Introdução 5
FIGURA 1.1
Correlação entre a mudança na temperatura global (A), as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono e metano (B, C) e a produção anual de carbono a partir da queima de combustíveis fósseis (D) (Houghton, R. A. e G. M. Woodwell, 1989. Global Climatic Change.
Existe uma conexão pouco entendida entre escolhas éticas que parecem muito pequenas em escala e aquelas cujas conseqüências aparentes são muito grandes, e que um esforço consciente para aderir a estes princípios em todas as nossas escolhas — mesmo que pequenas — é uma opção a favor da justiça no mundo. Tanto em nossas vidas pessoais quanto nas nossas decisões políticas, temos que atentar para a ética, resistir à distração, sermos honestos uns com os outros e aceitar a responsabilidade pelos nossos atos — sejam eles individuais ou coletivos... Podemos acreditar no futuro e trabalhar para atingi-lo e preservá-lo ou podemos andar cegamente em círculos, comportando-nos como se um dia não fosse mais existir crianças para herdar nosso legado. A escolha é nossa; a Terra está em jogo. Al Gore
C. Padrões de Uso de Energia
Até a década de 1980, o consumo de energia no mundo — especialmente nos Estados Unidos — vinha aumentando anualmente a uma taxa rápida. A Figura 1.2 mostra o con-sumo de energia nos Estados Unidos nos últimos 200 anos, por tipo de combustível uti-lizado. Entre 1850 e 2000, o uso de combustíveis comerciais aumentou por um fator de 100. No final da década de 1940 e na década de 1950, uma média de 2,9% mais energia, em re-lação ao ano anterior, foi usada nos Estados Unidos. Nos anos 60 e no início dos anos 1970, a taxa de crescimento foi ainda maior: 4,5% por ano. Tal taxa de crescimento iria fazer com que a quantidade de energia consumida dobrasse em apenas 15 anos. No final da década de 1970, a taxa de crescimento do consumo de energia nos Estados Unidos diminuiu para 3%, e no início dos anos 1980, realmente decaiu: em 1983 os Estados Unidos usaram 11% menos energia do que em 1979, mesmo com um aumento na população. Durante o final da década de 1980, o consumo de energia norte-americano aumentou de forma modesta, mesmo em uma taxa menor que o Produto Interno Bruto (PIB) do país, indicando tendên-cia rumo a uma maior eficiêntendên-cia energética. Nos anos 1990, o consumo de energia conti-nuou a crescer, mas em um ritmo um pouco maior do que nos anos 1980, já que a nação se recuperou economicamente. Entre 1978 e 1998, o consumo de energia foi aumentado em 17%, mas o PIB aumentou 67%.
FIGURA 1.2
Consumo de energia nos Estados Unidos durante os últimos 200 anos, por combustível usado. Um Btu é uma unidade de energia. Um quadrilhão de Btu (ou Quad) é igual a 1 01 5 Btu.
Cap. 1 Introdução 7
A demanda global por energia triplicou nos últimos 50 anos e pode triplicar nova-mente nos próximos 30 anos. A maioria desta demanda aumentada no passado ocorreu nos países industrializados, e 9 0 7 c dela foi satisfeita por combustíveis fósseis. Contudo, nos anos vindouros, a maior parte da demanda aumentada por energia virá dos países em desenvolvimento, já que eles buscam atingir objetivos e metas de desenvolvimento e têm experimentado aumentos populacionais muito maiores que os observados nos países in-dustrializados.
Projeta-se que o consumo de energia nos países industrializados irá aumentar apenas 1 % por ano nas próximas décadas, enquanto nos países em desenvolvimento esta taxa de crescimento será de aproximadamente 4% por ano. Se tais projeções se tornarem realidade, os países em desenvolvimento estarão consumindo mais energia que os países indus-trializados por volta de 2 0 2 0 . A Figura 1.3 mostra as projeções para 2 0 2 0 . Ela também exibe, de forma detalhada, a análise do consumo global de energia, por região, em 1 9 9 6 .
Os Estados Unidos, com apenas 4 , 6 % da população do mundo, consomem algo em torno de 2 5 % de toda a energia usada hoje no planeta (Figura 1 . 4 ) . O país tem a dúbia distinção de apresentar uma das mais altas taxas per capita de consumo de energia do mundo, equivalente à utilização de sete galões de óleo2
(ou aproximadamente 70 libras3
de carvão) por pessoa ao dia. Isto é mais ou menos cinco vezes a média global! Se os países em desenvolvimento decidissem aumentar seu consumo para o mesmo patamar, o consumo mundial de energia iria triplicar.
As principais fontes de energia usadas nos Estados Unidos e no mundo são apre-sentadas na Figura 1.5. Observe que em torno de 8 5 % da energia usada nos Estados Unidos vêm de combustíveis fósseis. No caso do mundo, se combustíveis não comerciais tradicionais como madeira e estéreo forem contabilizados, as fontes renováveis respondem por aproximadamente 2 0 % do total consumido. O mix de combustíveis certamente mudou com o passar do tempo. Originalmente, as pessoas adicionaram à força de seus músculos a tração animal, o uso da água e do vento para realizar seus trabalhos. A sociedade
pré-FIGURA 1.3
Consumo global de energia, 1970-2020 para países industrializados, países em
desenvolvimento e Leste Europeu / Antiga União Soviética. Também são mostradas as frações regionais do consumo total final em 1996. (OECD é a sigla em inglês para a Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico.)
( U N I T E D S T A T E S E N E R G Y I N F O R M A T I O N ADMINTSTRATION, U S E I A )
industrial contava apenas com fontes renováveis de energia, ou seja, aquelas fontes que não podem ser esgotadas, como a hídrica, a eólica, a solar e a de biomassa. A mudança para fontes não-renováveis começou no século XVIII, quando uma sociedade em cres-cente processo de industrialização passou a queimar combustíveis fósseis para produzir vapor para as máquinas a vapor (inventadas em 1763) e para fundir o ferro.
FIGURA 1.4
Consumo global de energia por país: 1998. (United States Energy Information Administration, Useia)
FIGURA 1.5
Cap. 1 Introdução 9
O primeiro poço de petróleo moderno foi escavado na Pensilvânia em 1 8 5 9 e o petróleo teve seu consumo aumentado após a invenção do motor de combustão interna na década de 1 8 7 0 . Como tanto o número de motores quanto a disponibilidade de petróleo cresceram, a contribuição deste último aumentou após 1 9 2 0 . Suas características de queima relativamente limpa eram desejáveis por razões ambientais. Eventualmente, o carvão foi substituído pelo petróleo nas indústrias e nas usinas de energia. Hoje em dia, o petróleo responde por aproximadamente 4 0 7 c do consumo de combustíveis nos Estados Unidos e no mundo.
O uso de gás natural nos Estados Unidos foi em pequena escala e localizado, até a descoberta de grandes jazidas no Texas e na Louisiana e a construção de uma rede de gasodutos de longa distância em direção ao norte do país. Atualmente, o gás natural res-ponde por 2 3 7 c do consumo de energia nos Estados Unidos, primeiramente para aque-cimento doméstico/residencial e operações industriais. Em função do aumento das descobertas e da desregulação do setor elétrico, a contribuição percentual do gás natural para o consumo total de energia nos Estados Unidos e no mundo tem aumentado rapidamente.
Na história da humanidade, a era do combustível fóssil será lembrada como um pequeno intervalo de tempo. A Figura 1.6 mostra a contribuição percentual de cada um dos principais recursos energéticos nos Estados Unidos durante o último século. Observe a grande diminuição nas contribuições percentuais da madeira e do carvão e o rápido crescimento da participação do petróleo e do gás natural após a Segunda Guerra Mundial. Até a década de 1 9 4 0 , os Estados Unidos produziam praticamente todo o petróleo que precisavam. Contudo, a crescente demanda por energia e o declínio da produção forçaram o país a importar petróleo a partir do final da década de 1 9 5 0 . A produção atingiu seu ápice em 1 9 7 0 (com 11 milhões de barris por dia, abreviado como MBPD). Ela foi aumentada no final da década pelo petróleo vindo do Alaska, mas esta fonte entrou em declínio em 1 9 8 8 . Atualmente, a produção total do país é de menos de 8 MBPD. A Figura 1.7 mostra a produção e o consumo de petróleo na última metade do século X X . Após 1 9 9 2 , as importações ultrapassaram a produção interna — dobrando entre 1 9 8 5 e 1 9 9 7 . O custo destas importações é de aproximadamente 60 bilhões de dólares por ano. Os cinco maiores fornecedores de petróleo para os Estados Unidos em 1 9 9 9 foram a Venezuela, o Canadá, a Arábia Saudita, o México e a Nigéria.
FIGURA 1.6
FIGURA 1.7
Produção e importações de petróleo dos Estados Unidos: 1949-1999. (Petróleo inclui óleo cru e líquidos de refinaria.) (U N I T E D STATES E N E R G Y I N F O R M A T I O N A D M I N I S T R A T I O N , U S E I A )
Fontes alternativas de energia incluem a energia hidrelétrica, a biomassa (madeira e derivados), o vento (energia eólica), a energia fotovoltaica e a energia radiante solar para aquecimento, refrigeração e a produção de eletricidade. Apesar de elas ainda contribuírem com menos de 10% do total da demanda energética dos Estados Unidos, algumas destas tecnologias estão crescendo rapidamente em importância. A energia eólica, em particular, é a fonte de energia que mais rapidamente cresce em todo o mundo. Apesar de, atual-mente, ainda só responder por 0,2% da energia total nos Estados Unidos, sua taxa de crescimento é de aproximadamente 10% por ano no país e de surpreendentes 37% ao ano na Europa. Hoje em dia, a Dinamarca já supre 8% da sua demanda por eletricidade utilizando turbinas de vento.
FIGURA 1.8
Cap. 1 Introdução 11
Relembrando o início do capítulo, energia não é um fim em si mesma, mas é valo-rizada pelo que pode ser feito com ela. Conseqüentemente, é importante examinar onde a energia é usada. Os usos finais da energia são tradicionalmente divididos em quatro setores: transporte, industrial, residencial (habitações uni e multifamiliares) e comercial (escritórios, lojas, escolas etc). A Figura 1.8 mostra estes usos nos Estados Unidos em 1998. A Figura 1.9 ilustra a complexidade do fluxo de energia da fonte até o uso final. No lado esquerdo da figura estão as entradas de energia, por quantidade e por fonte, incluindo as importações de petróleo e gás natural. O lado direito mostra os setores que consomem a energia.
D. Recursos Energéticos
Para entender a energia, é preciso entender os recursos energéticos, suas limitações e seus usos. Deve-se ter alguma idéia do tamanho que cada recurso energético tem e quanto ele irá durar. Ambas as questões são difíceis de responder porque terão que ser feitas pressu-posições a respeito das tecnologias futuras de extração destes recursos, dos preços futuros dos combustíveis e da taxa de crescimento do consumo.
As estimativas de recursos de combustíveis fósseis são mais simples para o carvão porque seus depósitos ocorrem em extensos filões que se expandem por grandes áreas e freqüentemente ele é coletado na superfície da terra. Estimativas de recursos de petróleo e gás natural são mais difíceis porque estes depósitos ocorrem de forma dispersa e debaixo da superfície, em profundidades que variam de alguns metros até vários quilômetros; eles só podem ser encontrados pela exploração. A Tabela 1.1 lista as estimativas, para os Estados Unidos e o mundo, da extensão dos recursos combustíveis fósseis que podem ser recuperados de forma lucrativa com a tecnologia atual. Estes recursos são chamados de
reservas. Reservas não têm uma quantidade estática — elas são adicionadas a cada ano por causa da descoberta e do incremento dos métodos de extrair, de uma maneira economicamente viável, o recurso em questão. Cada um destes recursos será abordado em um dos capítulos seguintes.
Tabela 1.1 RESERVAS MUNDIAIS E NORTE-AMERICANAS COMPROVADAS: 1998
Recurso Mundo Estados Unidos Duração*
Óleo/petróleo 1.020 x 109
barris 5 , 9 x 1 0 '8B t u
21 x 109 barris 0,11 x 1 0l 8B t u
8 anos
Gás natural 5.090 x 1012 pés cúbicos4
5 x 1 0 ¹8 B t u
165 x 1 01 2 pés cúbicos 0 , 1 7 x 1 0l 8
B t u
9 anos
Carvão 1,09 x 1 01 2
toneladas 2 7 x 1 01 8B t u
0,58x 101 2toneladas 1 4 x 1 0 '8B t u
500 anos
Areia alcatroada 300 x 109 barris
1 , 7 x 1 0l 8B t u
2 2 x 109 barris 0 , 1 2 x 1 0 ¹8
B t u
8 anos
*Razão entre as reservas norte-americanas e a taxa de produção do país em 1998.
Fonte: U.S. Energy I n f o r m a t i o n A d m i n i s t r a t i o n .
4 N.T.: 1 pé cúbico ou 1 ft3
FIGURA 1.9
Fluxo total de energia nos Estados Unidos em 1999 (quadrilhões de
Btu). A energia total consumida — 96,6 Quads — inclui as perdas na
Cap. 1 Introdução 13
Cada tipo de recurso energético é mensurado em unidades adequadas à sua forma física: toneladas de carvão, barris de petróleo (onde um barril eqüivale a 42 galões americanos) e trilhões de metros cúbicos de gás natural. Para permitir que você compare, por assim dizer, maçãs e laranjas, a Tabela 1.1 mostra o equivalente de cada reserva em uma unidade de energia comum, a unidade térmica britânica (Btu). Esta unidade5 é definida como a
quan-tidade de energia necessária para aumentar em 1°F a temperatura de 1 lb de água. Um Btu é aproximadamente a energia liberada pela combustão de um fósforo de madeira.
E X E M P L O
As reservas de petróleo norte-americanas são estimadas em 21 bilhões de barris e atualmente o país produz aproximadamente 8 MBPD. Quanto tempo estas reservas irão durar com esta taxa de exploração?
S o l u ç ã o
A produção anual é de
8.000.000 barris/dia x 365 d/dias/ano = 2.920.000.000 barris/ano A duração estimada da reserva será de
Para a grande maioria dos norte-americanos ainda é difícil entender que o seu país está ficando sem os combustíveis que impulsionaram os Estados Unidos para a posição de liderança econômica global que eles ocupam. A nação progrediu por meio do não reconhe-cimento de limites, da exploração da ingenuidade da maioria dos seus cidadãos e do posi-cionamento de correr riscos. A economia foi construída sobre um preço de 3 dólares por barril de petróleo. Esta não é mais a situação atual. Para permanecer forte economica-mente, o país tem que reconhecer os limites de seus recursos. Falhar neste reconhecimento foi, certamente, um dos elementos responsáveis pelas crises energéticas do passado. A questão da exaustão dos recursos é tratada na próxima seção.
E. Crescimento Exponencial e Esgotamento dos
Recursos
Um importante fator na estimativa das durações dos recursos energéticos é a taxa de crescimento do consumo. Figuras anteriores neste capítulo apresentaram estes dados. Por exemplo, entre 1960 e 1970, o consumo de energia nos Estados Unidos cresceu a uma taxa média de 4,5% ao ano. É inútil determinar a duração de um recurso se nada é dito sobre a velocidade com que o uso deste recurso está aumentando (ou diminuindo). Existem muitos tipos de crescimento, mas um que é de particular interesse na nossa discussão é o
crescimento exponencial. Se uma quantidade está aumentando na mesma taxa percentual a cada ano, então dizemos que seu crescimento é exponencial. Dito de outra forma, uma quantidade que está crescendo exponencialmente sempre irá aumentar em tamanho por
um mesmo fator em um determinado período de tempo — o tempo requerido para dobrar
a quantidade será o mesmo, independentemente da quantidade inicial.
5 N.T.: 1 Btu = 2,930 x 1 0 -4
| Quadro 1.2
ENERGIA NA CHINA
Apesar de 20% da população do planeta viver na China, os chineses foram responsáveis por menos de 10% do consumo total de energia no mundo em 1997. O consumo de energia per capita foi menos de um décimo do norte-americano e um terço da média global. Contudo, o PIB da China cresceu aproximadamente 8% por ano durante a década de 90. Em 1982, 3% das residências de Beijing possuíam refrigeradores. Em 1995 este número subiu para 81% (usando três vezes mais energia que os modelos norte-americanos). Ao contrário dos padrões predominantes na maioria dos países do Oriente, o carvão domina os recursos energéticos comerciais da China, sendo
responsável pela satisfação de 71% das demandas por energia do país (Figura 1.10). A China é o maior produtor e, também, o maior consumidor mundial de carvão. Entretanto, as formas de consumo urbano e rural de recursos
energéticos são completamente diferentes. De um bilhão de chineses, 80% vivem em áreas rurais e consomem apenas 40% da energia total. Do consumo rural, 90% é suprido por fontes vegetais e animais (chamadas de biomassa) e 4,5 milhões de digestores anaeróbicos produzem gás natural para cozinha e iluminação a partir de resíduos animais.
FIGURA 1.10
Recursos energéticos usados na China: 1997. (U N I T E D STATES E N E R G Y I N F O R M A T I O N A D M I N I S T R A T I O N , U S E I A )
Carvão 71%
Cap. 1 Introdução 15
Considere o crescimento de uma quantia de dinheiro, digamos mil dólares, em uma conta de poupança que paga uma taxa anual de lucro de 10%. A Tabela 1.2 mostra a quan-tidade de dinheiro no banco ao final de cada ano, pressupondo-se que não são feitas reti-radas. A cada ano, a quantia aumenta em 10% dela mesma no início do ano. Ao final do sétimo ano, o investimento de mil dólares terá chegado a 1.948 dólares, ou seja, quase do-brado. No décimo quarto ano a quantia terá quase dobrado novamente, chegando a um valor próximo de 3.800 dólares. No vigésimo segundo ano, existirão 8.000 dólares na conta, dobrando a quantia existente sete anos antes. Esta quantia está crescendo exponen-cialmente porque a quantidade de dinheiro depositado no banco está aumentando a uma taxa percentual fixa e o tempo necessário para se dobrar o valor é constante — aproxi-madamente sete anos.
Uma relação aproximada e muito útil entre o tempo necessário para dobrar a quantidade (em anos) e a taxa percentual de crescimento é
Se tivéssemos uma taxa de crescimento de 7% ao ano para a energia elétrica, a quantidade de energia elétrica consumida iria dobrar em aproximadamente 70 / 7 = 10 anos. Em outras palavras, o número de usinas elétricas necessárias iria dobrar em dez anos e quadruplicar em 20. Para determinar a duração de um recurso, você deve especificar a taxa esperada de crescimento do seu uso. Com uma taxa de crescimento da produção de carvão igual a zero, as reservas de carvão norte-americanas irão durar por volta de 500 anos. Contudo, se a mesma taxa fosse de 5% ao ano, esta vida útil cairia para menos de 70 anos!
recurso. A curva de produção terá a forma de sino, como apresentado nas Figuras 1.11, 1.12 e 1.13. Como o recurso começa a ser esgotado, a descoberta e a produção se tornam mais difíceis, os preços sobem e outros recursos começam a tomar o lugar do combustível original. Ao se ilustrar graficamente a produção anual em função do tempo, a área total sob a curva representa a quantidade total do recurso que se pode recuperar. A quantidade usada até então é a área sob a curva até o ano em questão.
Estas curvas de produção em forma de sino permitem uma estimativa do tempo até a completa exaustão do recurso; elas também fornecem uma estimativa de quando a produção máxima irá ocorrer. A Figura 1.11 mostra uma curva para a produção de carvão no mundo. O gráfico implica que os depósitos de carvão são grandes o bastante para durar mais de 500 anos e que o pico da produção não deverá acontecer por pelo menos 200 anos. A situação é consideravelmente diferente para o petróleo e o gás natural.
A Figura 1.12 mostra a produção norte-americana de petróleo. Ela sugere que dentro de 20 anos a taxa de produção de petróleo no país será um terço da atual. Ela também indica que o pico da produção deve ter ocorrido por volta de 1970, o que realmente aconteceu. As mesmas conclusões podem ser obtidas para o gás natural, a partir da Figura 1.13; a produção norte-americana atingiu seu ápice em 1973. Contudo, a taxa de produção de gás natural não decaiu tão rapidamente como a curva de Hubbert indicou. Técnicas avançadas de perfuração, depósitos em alto mar e as crescentes demandas de usinas elétricas e da indústria empurraram a produção de gás natural para valores acima dos previstos. Entretanto, o consumo supera a produção e as importações foram rapidamente aumentadas para um patamar no qual, atualmente, respondem por um quinto do gás natural usado no país.
Tabela 1.2 DINHEIRO NO BANCO — UM EXEMPLO DE CRESCIMENTO EXPONENCIAL ANUAL DE 10%
Fim do Ano Quantia
(em dólares)
Fim do Ano Quantia
(em dólares)
0 1.000 12 3.138
1 1.100 13 3.453
2 1.210 14 3.798
3 1.331 15 4.178
4 1.464 16 4.596
5 1.610 17 5.056
6 1.771 18 5.562
7 1.948 19 6.118
8 2.143 20 6.730
9 2.357 21 7.403
10 2.594 22 8.143
Cap. 1 Introdução
Figura 1.11
Ciclo da produção de carvão no mundo. A exploração provável de um combustível fóssil (carvão neste caso) pode ser
caracterizada pela curva sólida. A produção a princípio aumenta exponencialmente (como mostrado pela linha pontilhada), mas
sua taxa de crescimento eventualmente diminui. Então, a produção declina, pois a extração se torna mais difícil e a taxa de
descobertas diminui. Conhecendo a quantidade de combustível
inicialmente presente, podemos usar este padrão para
determinar a duração de um recurso; neste exemplo, a duração das reservas de carvão está entre 400 e 600 anos (a quantidade de carvão já usada até o momento é mostrada pela área
sombreada). (As
C U R V A S S Ã O D E M. K. H U B B E R T , U.S. G E O L O G I C A L S U R V E Y . A D A P T A D O D O A M E R I C A N J O U R N A L O F P H Y S I C S , N O V E M B R O , 1981)Figura 1.12
Produção de petróleo dos Estados Unidos. Comparação da estimativa (Hubbert) da curva de produção (linha pontilhada) e da produção real
(linha contínua).
FIGURA 1.13
Produção de gás natural dos Estados Unidos.
Comparação da estimativa (Hubbert) da curva de produção (linha pontilhada) e da produção real (linha contínua).
F. Petróleo: Um Recurso Crítico
O petróleo alimentou a maior parte do aumento do consumo global de energia desde a Segunda Guerra Mundial. Em 1950, o petróleo era responsável por menos de um terço do uso de energia mundial e hoje esta parcela já é de quase metade do total. O baixo custo do petróleo e a sua adaptabilidade para diversos usos — de aquecimento a transporte e pro-dução de energia elétrica — o tornaram a escolha mais adequada para uma economia em expansão. A rápida taxa de crescimento do consumo de petróleo nos Estados Unidos, em torno de 5% ao ano, é apresentada na Figura 1.12.
As últimas três décadas têm sido extremamente voláteis para o quadro global da energia e para a economia mundial. Uma análise dos preços do petróleo em função do tempo reflete estes eventos internacionais (Figura 1.14).
Em dólares com valor constante, o preço real do petróleo diminuiu durante as décadas de 1950 e 1960, estimulando um rápido incremento na sua taxa de uso. Durante a fase inicial desta expansão, a maior parte da produção de petróleo era controlada por grandes companhias multinacionais. Contudo, os países produtores pressionaram por um maior controle das operações. Um cartel de países produtores chamado Organização dos Países Exportadores de Petróleo (Opep)6 foi formado em 1960 e sua influência aumentou
por causa das mudanças políticas e da crescente demanda global por petróleo. Como os países da Opep aumentaram a sua participação no mercado de venda de petróleo no início da década de 1970, eles começaram a estabelecer seus próprios preços para as exportações de petróleo e tomaram o controle das mãos das companhias estrangeiras. Diversos eventos ocorridos na década de 1970 e no início da década de 1980 provocaram uma série de repentinos aumentos nos preços do petróleo, que tenderam a permanecer efetivos mesmo após a mudança do cenário político.
1. No início da guerra entre árabes e israelenses em outubro de 1973, os países árabes membros da Opep impuseram um embargo do petróleo contra alguns países ocidentais, dentre os quais os Estados Unidos, e reduziram a
produção. Esta interrupção no abastecimento fez com que os preços do petróleo no mercado mundial triplicassem, de aproximadamente oito dólares por barril para mais de 25 dólares por barril (dólar com valor de 1985).
Cap. 1 Introdução 19
FIGURA 1.14
Preços do petróleo no mundo: 1970—2000. Os preços do petróleo refletem os eventos internacionais. (U N I T E D STATES E N E R G Y I N F O R M A T I O N A D M I N I S T R A T I O N , U S E I A )
2. A revolução iraniana em 1978 e 1979 interrompeu a produção de quase seis milhões de barris de petróleo por dia do país. Apesar de outros países terem aumentado suas produções e reduzido um pouco o impacto deste evento, o efeito cascata do conflito iraniano foi uma redução do mercado mundial de aproximadamente dois milhões de barris de petróleo por dia. Durante este evento o valor do barril dobrou, passando de 22 para 44 dólares.
3. A resposta do mercado mundial de energia aos altos preços do petróleo foi a redução do consumo, o estabelecimento de padrões de consumo mais eficientes e o desenvolvimento de fontes alternativas de energia. Nos Estados Unidos, o presidente Ronald Reagan cancelou o controle sobre o preço do petróleo em 1981. A produção doméstica do país aumentou e a taxa de perfuração atingiu um valor recorde. Como resultado destas respostas do mercado, a dependência mundial do petróleo da Opep diminuiu de 28 MBPD em 1980 para aproximadamente 17 MBPD em 1985. O consumo mundial de petróleo caiu em torno de 14% durante o período.
4. Os preços do petróleo começaram a cair em 1981. Em 1986, os preços diminuíram em três vezes o valor inicial, em função de a Opep tentar recuperar sua participação no mercado que se reduzia, aumentando sua produção e reduzindo os preços. Em menos de um ano a Arábia Saudita triplicou sua produção para quase seis MBPD.
6. Em termos mundiais, as importações de petróleo estão aumentando, delineando uma futura crise energética. Os preços mundiais do barril de petróleo são muito difíceis de ser previstos. Enquanto apresentaram, em 1994, o seu valor mais baixo desde 1988 em função do excesso de oferta de petróleo no mercado, no início do século XXI os preços atingiram o seu maior valor desde 1990 (aproximadamente 30 dólares por barril) por causa da redução na produção dos países membros da Opep e de a maioria dos países do mundo estarem experimentando aumentos em suas demandas por petróleo. Os altos preços da gasolina em 2000 podem ter irritado muitos motoristas, mas não parecem ter desestimulado os hábitos de alto consumo do combustível nos países centrais. Nos anos que virão, provavelmente o maior crescimento na demanda será observado nos países do Leste Europeu e na China, enquanto os maiores aumentos na oferta de petróleo deverão vir de países como a Arábia Saudita, o Kuwait e os Emirados Árabes Unidos.
G. Conservação de Energia
Cap. 1 Introdução 21
Consumo total de energia =
energia demandada pela atividade (intensidade) x freqüência da atividade O fator que chamamos de intensidade de uso é a quantidade de energia necessária para rea-lizar a tarefa uma vez e o nível de atividade é o número de vezes que a tarefa é realizada — a freqüência. Por exemplo, se o seu carro usa um galão7
de gasolina para fazer o trajeto entre sua casa e seu trabalho (a atividade) e você realiza o trajeto dez vezes por semana (a freqüên-cia), então o consumo de energia desta atividade é de dez galões de gasolina por semana.
Podemos representar estes dois fatores em um gráfico (Figura 1.15), no qual as quanti-dades estão indicadas pelos eixos x e y. O produto deles, o consumo total de energia pela atividade, é representado pela área do retângulo. A figura mostra dois retângulos, ambos com a mesma área representando a mesma quantidade total de energia consumida. No caso do retângulo (a), uma alta freqüência de atividade foi possível porque a intensidade do uso (energia requerida pela atividade) foi baixa. No retângulo (b), a mesma quantidade de energia foi consumida, e mas com uma maior intensidade (mais energia requerida pela atividade), e então foi necessário reduzir a freqüência daquela atividade.
Os esforços de conservação de energia normalmente se concentram em um ou outro destes fatores. No contexto da Figura 1.15, a conservação de energia se esforça para reduzir o tamanho do retângulo que representa o total de energia usada. As duas abordagens são:
1. O "ajuste técnico", que consiste na utilização mais eficiente do combustível para desempenhar a mesma tarefa, como, por exemplo, dirigir um carro com um motor mais eficiente, reduzindo a energia requerida por esta atividade.
2. A "mudança no estilo de vida", que significa a utilização consciente de uma menor quantidade de combustível, por meio de comportamentos como desligar o ar-condicionado ou dirigir por percursos menores — reduzindo, assim, a freqüência da atividade.
O sucesso máximo possível dos ajustes técnicos para conservação de energia é limitado pelas leis da física (a primeira e a segunda leis da termodinâmica, que serão discutidas no Capítulo 4). Entretanto, ainda existe muito campo para melhoramentos nesta abordagem da conservação de energia, especialmente com relação ao uso eficiente de energia para a realização de determinadas tarefas. Por exemplo, uma lâmpada fluorescente de 20 watts produz a mesma quantidade de luz que uma lâmpada incan-descente de 75 watts e dura dez vezes mais. O custo inicial da lâmpada fluorescente é maior, mas a economia nos custos de eletricidade durante o uso médio por um ano irá
FIGURA 1.15
Caracterização do uso total de energia como uma função da intensidade do uso e da freqüência da atividade.
pagar o investimento. Se substituirmos as lâmpadas incandescentes por fluorescentes, um número menor de usinas elétricas será necessário. O investimento na construção de uma planta industrial para a produção de lâmpadas eficientes no uso de energia será muito menor que o necessário para a construção de uma usina de geração de eletricidade. Este tipo de raciocínio econômico é de vital importância, principalmente no caso dos países em desenvolvimento.
Na conservação de energia, as questões são muito mais do que apenas tecnológicas, porque o consumo de energia também depende da "freqüência da atividade". Existem muitas barreiras para a adoção das medidas que iremos discutir neste livro, como, por
exemplo, as restrições de mercado (como p custo inicial do isolamento térmico residen-cial). Também existe uma relutância geral com relação à adoção das chamadas "mudanças de estilo de vida", por exemplo, as mudanças nas preferências por determinados materiais ou no controle do conforto térmico.
Muitas pessoas afirmam que os preços da energia deveriam refletir mais o que irá custar para substituir os decrescentes suprimentos de combustíveis não-renováveis, como o petróleo e o gás natural, do que apenas o que custa para obtê-los. As sociedades não irão mudar para tecnologias de energia renovável e equipamentos mais eficientes se os
combustíveis fósseis forem cobrados como se fossem quase gratuitos. Uma das principais forças por trás da redução per capita no uso de energia nos Estados Unidos durante o
início da década de 1980 foram os altos preços do petróleo (Figura 1.16). Até aquele momento se podia observar um aumento constante no uso de energia por pessoa. Entre 1900 e 1980, o uso de energia per capita nos Estados Unidos aumentou de 80 milhões para 320 milhões de Btu por ano. A qualidade de vida melhorou o mesmo tanto? Você acredita que um americano médio, hoje em dia, tem uma qualidade de vida quatro vezes melhor que a de seus bisavós? O uso per capita norte-americano de eletricidade foi seis vezes maior em 1988 do que em 1950.
O aumento da ênfase na conservação de energia é baseado em alguns argumentos convincentes:
1. As tecnologias de conservação são alternativas mais efetivas com relação aos custos do que o desenvolvimento de tecnologias de abastecimento adicionais. Isto quer dizer que, na maioria dos casos, será mais barato economizar um barril de petróleo do que desenvolver um barril de um novo substituto do petróleo. "O investimento em conservação de energia gera um retorno melhor do que o investimento em suprimentos de energia", afirmou a International Energy Agency em 1987.
FIGURA 1.16
Consumo per capita de energia nos Estados Unidos durante os últimos 130 anos.
