UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CENTRO DE ARTES E COMUNICAÇÃO
DEPARTAMENTO DE DESIGN
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESIGN
ALBERES VASCONCELOS CAVALCANTI
DIRETRIZES PARA O DESIGN DE ARTEFATOS GERADORES DE
ENERGIA UTILIZANDO A CAPTAÇÃO DOS VENTOS RESULTANTES
DO DESLOCAMENTO DOS AUTOMÓVEIS EM VIAS EXPRESSAS.
RECIFE 2015
ALBERES VASCONCELOS CAVALCANTI
DIRETRIZES PARA O DESIGN DE ARTEFATOS GERADORES DE
ENERGIA UTILIZANDO A CAPTAÇÃO DOS VENTOS RESULTANTES
DO DESLOCAMENTO DOS AUTOMÓVEIS EM VIAS EXPRESSAS.
Dissertação apresentada à Coordenação do Programa de Pós Graduação em Design, da Universidade Federal de Pernambuco, para a obtenção do grau de Mestre em Design, sob orientação do Prof. Dr. Ney Brito Dantas.
Recife 2015
Catalogação na fonte
Bibliotecário Jonas Lucas Vieira, CRB4-1204
C376d Cavalcanti, Alberes Vasconcelos
Diretrizes para o design de artefatos geradores de energia utilizando a captação dos ventos resultantes do deslocamento dos automóveis em vias expressas / Alberes Vasconcelos Cavalcanti. – Recife: O Autor, 2015. 129 f.: il.
Orientador: Ney Brito Dantas.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco, Centro de Artes e Comunicação. Design, 2016.
Inclui referências.
1. Sustentabilidade. 2. Ecodesign. 3. Automóveis - Dinâmica. 4. Energia eólica. 5.Energia - Fontes alternativas. 6. Recursos energéticos. I. Dantas, Ney Brito (Orientador). II. Título.
745.2 CDD (22. ed.) UFPE (CAC 2016-45)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM DESIGN
PARECER DA COMISSÃO EXAMINADORA
DE DEFESA DE DISSERTAÇÃO DE
MESTRADO ACADÊMICO DE
Alberes Vasconcelos Cavalcanti
“DIRETRIZES PARA O DESIGN DE ARTEFATOS GERADORES DE ENERGIA UTILIZANDO A CAPTAÇÃO DOS VENTOS RESULTANTES DO DESLOCAMENTO DOS
AUTOMÓVEIS EM VIAS EXPRESSAS.”
ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: DESIGN E ERGONOMIA
A comissão examinadora, composta pelos professores abaixo, sob a presidência do primeiro, considera o(a) candidato(a) Alberes Vasconcelos Cavalcanti
______________.
Recife, 22 de dezembro de 2015.
Prof. Ney Brito Dantas (UFPE)
Prof. Leonardo Augusto Gómez Castillo (UFPE)
Prof. Heitor Scalambrini Costa (UFPE) APROVADO
Dedico aos meus pais, irmãos, tios e professores que ao longo da minha vida me apontaram o caminho de uma boa educação.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a meus pais, a minha mãe, Josefa Elisa, que sem sombra de dúvidas é a pessoa que esculpiu essa pessoa que sou hoje, incentivando-me sempre ir mais além. Ao meu pai, Alberides Vasconcelos, o apoio técnico e financeiro para que pudesse adquirir as ferramentas e equipamentos necessários para a realização desta minha pesquisa. Aos meus irmãos, Adalmeres Mota e Alberides Jr. presto aqui meus sinceros votos de respeito pelo simples fato de serem o que são, e poder descrever orgulhoso que tenho o imenso prazer de dizer a todos que me espelho em vossas ações e atitudes, nas quais me ajudam a tornar-me uma pessoa mais digna e melhor diante a sociedade.
Agradeço aos amigos Larri Eduardo e Jessé Silva pelo apoio no desenvolvimento de meu modelo funcional e por enfrentarem junto comigo os perigos contidos em meio às vias expressas para a realização das coletas de informações.
Agradeço também ao meu cunhado Ricardo Fortunato e a Senhora Florisa Vasconcelos por cederem generosamente estadia em suas residências para que eu pudesse efetuar minhas pesquisas realizadas no agreste e sertão pernambucano.
Por fim, agradeço a todos os meus professores e colegas de turma da Universidade Federal de Pernambuco, no qual tive o privilégio de compartilhar troca de experiências ao longo dos dois anos de convivência dentro e fora da instituição, em particular agradeço aos professores PhD Carlos Nome, PhD Leonardo Castillo e PhD Walter Franklin pelas trocas de ideias durante o curso. Por fim, um agradecimento em especial ao professor PhD Ney Dantas Brito que aceitou pacientemente o convite de orientação nessa minha pesquisa e por conduzir com sabedoria e paciência as orientações e esclarecimentos das mais diversas naturezas que surgiam ao longo da pesquisa.
No mais, agradeço a todos que participaram e colaboraram diretamente ou indiretamente nessa minha pesquisa.
“De nada adianta simplesmente reclamar, sem propor alternativas” Jacque Fresco
RESUMO
A energia, nas suas mais diversas formas, tornou-se indispensável à sobrevivência da espécie humana, porém, o consumo muitas vezes desnecessário, da energia elétrica é um dos fatores que contribuem diretamente nas mudanças em nosso clima e na degradação do nosso planeta devido aos meios nocivos de produção através da queima de combustíveis fósseis. Algumas das possíveis soluções para a reversão deste quadro podem ser facilmente encontradas através das energias renováveis, como a energia dos ventos, a energia do sol, a energia do mar, entre outras, essas, fontes inesgotáveis de energia, sendo algumas delas amplamente profusas em algumas regiões do planeta, inclusive no Brasil.
Esta pesquisa se baseia nos princípios da energia eólica apresentando um estudo sobre o comportamento dos ventos gerados pela passagem dos veículos em uma via expressa, com o principal propósito de contribuição para o campo do design, gerando diretrizes para a concepção de artefatos eólicos que sejam capazes de absorver um quantitativo significativo desses ventos para a produção de energia elétrica, de modo a minimizar a dependência das grandes geradoras atuais.
O local das realizações das pesquisas foi ocorrido em pontos distintos da BR-232, por se tratar de uma via de grande importância para o estado de Pernambuco por abranger grande parte de seu território e contar com um fluxo elevado dos mais diferentes tipos de veículos.
É descrito o processo de coleta e análise de informações referentes às velocidades dos ventos produzidas pelos veículos na via e a elaboração de um micro aerogerador no qual serviu como meio de análise na produção de energia elétrica.
ABSTRACT
Energy, in its various forms, has become indispensable to the survival of human species. However, the electric consumption often unnecessary is one of the factors that contributes directly to the changes in our climate and to the degradation of our planet, due to the harmful means of production mainly through the burning of the fossil fuels. Some of the possible solutions to reverse this situation can easily be found through renewable energy such as wind's, sun's, and the sea energy among other energy inexhaustible sources, some of which, are widely profuse in some regions of the planet including Brasil.
This research is based on the principles of wind energy presenting a study on the behavior of winds generated by the passage of vehicles on an expressway, with the primary purpose of contributing to the design of the field generating guidelines for design windy artifacts that are able to absorb a significant quantity of these winds for the production of electricity to minimize the dependence of large current generators.
The place taken for the research was the BR 232 highway because it is a route of great importance for the state of Pernambuco and also for covering a large or part of its territory, counting with a high flux of different types of vehicles.
It's also described in this study, the process of collecting and analyzing information referring to the wind speed produced by the vehicles on the track, as also the development of a micro aero generator which served as a means of analysis the production of electric energy.
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 01: Matriz Energética Mundial 2014 14
Gráfico 02: Investimento mundial em energias renováveis 15
Gráfico 03: Maiores produtores de energia geotérmica, 2014 20
Gráfico 04 Países que mais aumentaram sua capacidade hidrelétrica em 2014 22
Gráfico 05 Capacidade de energia solar mundial, 2004-2014 27
Gráfico 06 Energia solar: Capacidade e adicionais – top 10 países, 2014 27
Gráfico 07 Energia eólica, capacidade mundial existente 2004 - 2014 29
Gráfico 08 Capacidade de energia eólica, top 10 países, 2014 29
Gráfico 09 Valores médios dos ventos gerados pelos veículos
na cidade de Jaboatão 54
Gráfico 10 Valores médios dos ventos gerados pelos veículos
na cidade de Gravatá 56
Gráfico 11 Valores médios dos ventos gerados pelos veículos
na cidade de Caruaru 58
Gráfico 12 Valores médios dos ventos gerados pelos veículos
na cidade de Arcoverde 60
Gráfico 13 Valores médios dos ventos gerados pelos veículos
na cidade de Serra Talhada 62
LISTA DE IMAGENS
Figura 01: Mapa mental inicial da pesquisa 08
Figura 02: Princípio de uso da energia térmica 19
Figura 03: Esquema de usina hidrelétrica 21
Figura 04: Esquema de geração de energia em usina maremotriz 22
Figura 05: Esquema de geração de energia através da biomassa 24
Figura 06: Esquema de um coletor solar para aquecimento de água 25
Figura 07: Esquema de geração de energia fotovoltaica 26
Figura 08: Esquema da energia eólica 28
Figura 09: Turbinas com eixo horizontal e vertical 30
Figura 10: Modelos de turbinas eólicas horizontais 31
Figura 11: Modelos de turbinas de eixos verticais 31
Figura 12: Comportamento do vento sob a influência do terreno 38
Figura 13: Anemômetro tipo copo 39
Figura 14: Datalogger modelo Meteor-40 40
Figura 15: Modelo de estação meteorológica do tipo estaiada 41
Figura 16: Mapa das rodovias federais brasileiras 45
Figura 17: BR-232, PE – Pontos das realizações das coletas de dados 46
Figura 18: Anemômetro digital modelo Impac IP-720 47
Figura 19: Pistola para medição de velocidade 48
Figura 20: Multímetro digital Hikari 49
Figura 21: Equipamentos de proteção individual e coletivo 50
Figura 22: Micro estação de medição 51
Figura 23: Modelo da tabela para registro dos dados 52
Figura 24: Medição com ponto móvel 63
Figura 25: Aerogeradores residenciais 65
Figura 26: Princípio básico da micro geração eólica 66
Figura 27: Modelo funcional 67
Figura 28: Esquema de funcionamento do modelo funcional 68
Figura 29: Gerador 500w - AltinelEnergy 69
Figura 30: Bateria estacionária 70Ah - Freedom 69
Figura 32: Inversor de tensão 1500W - Meind 70
Figura 33: Teste de desempenho do modelo funcional 71
Figura 34: Turbine Light – TAK Studio 73
Figura 35: New Jersey Barrier 74
Figura 36: Illuminated Roads 74
Figura 37: Kinesis K3 Charger 75
LISTA DE QUADROS
Quadro 01: Seleção de indicadores 32
Quadro 02: Cinco principais países; acréscimos anuais em 2010 32
Quadro 03: Cinco principais países; capacidade existente até o final de 2010 33
Quadro 04: A Escala de Beaufort 37
Quadro 05: Modularização dos veículos 44
Quadro 06: Características Anemômetro Digital IP720 - IMPAC 48
Quadro 07: Características Pistola para medição de velocidade 49
Quadro 08: Características do multímetro digital HM-2000 da Hikari 50
Quadro 09: Dados obtidos: Jaboatão 53
Quadro 10: Dados obtidos: Gravatá 55
Quadro 11: Dados obtidos: Caruaru 57
Quadro 12: Dados obtidos: Arcoverde 59
Quadro 13: Dados obtidos: Serra Talhada 61
Quadro 14: Dados obtidos com ponto em deslocamento 64
LISTA DE ABREVIATURAS
ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica.
EEPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory GPRS - General Packet Radio Service
GSM - Global System for Mobile
OCDE - Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico. SMS - Short Message Service
SUMÁRIO
1 - INTRODUÇÃO ... 7 1.1 Objeto de estudo ... 8 1.2 Objetivo Geral ... 8 1.3 Objetivos específicos ... 8 1.4 Problema de pesquisa ... 91.5 Relevância do estudo para a área do Design e Tecnologia ... 9
1.6 Estrutura da dissertação ... 10
Parte I – Fundamentação Teórica... 10
Parte II – Metodologia de pesquisa ... 11
Fundamentação Teórica
... 122 – A Sustentabilidade ... 13
2.1 O Cenário atual da sustentabilidade ... 13
2.3 Sustentabilidade no setor elétrico ... 14
2.4 Produção, consumo e Desperdício. ... 16
3 – Recursos naturais e seu aproveitamento ... 18
3.1 A energia geotérmica ... 19
3.2 A energia hidráulica ... 21
3.3 A energia maremotriz ... 22
3.4 A energia por resíduos orgânicos - Biomassa ... 23
3.5 A energia solar ... 25
3.6 A energia dos Ventos ... 28
3.6.1 Vantagens e desvantagens ... 28
3.6.2 Os aerogeradores ... 30
3.7 Visão Geral das energias renováveis ... 32
4 – O Vento e suas características ... 33
4.1 As fontes do vento ... 34
4.2 Forças abrangidas no vento ... 34
4.2.1 Gradiente de pressão ... 35
4.2.3 Vento Geostrófico ... 36
4.2.4 Vento Gradiente ... 36
4.3 Escalas do vento ... 36
4.4 Fatores que influenciam no perfil do vento ... 38
4.5 A medição do vento ... 39
4.5.1 Instrumentos de medição... 39
4.5.2 A Estação de medição ... 41
Metodologia de pesquisa
... 435 - Metodologia empregada ... 44
5.1 Modularização dos veículos ... 44
5.2 Análise dos locais das pesquisas ... 45
5.3 Equipamentos de medição ... 47
5.3.1 Anemômetro digital... 47
5.3.2 Pistola de medição de velocidade ... 48
5.3.3 Multímetro digital... 49
5.4 Equipamentos de proteção Individual ... 50
5.5 Micro estação de medição ... 51
5.6 Realização das Medições ... 52
5.6.1 Primeiro Ponto: Jaboatão dos Guararapes ... 53
5.6.2 Segundo ponto: Gravatá ... 55
5.6.3 Terceiro ponto: Caruaru ... 57
5.6.4 Quarto ponto: Arcoverde ... 59
5.6.5 Quinto ponto: Serra Talhada ... 61
5.6.6 Sexto ponto: Ponto móvel ... 63
5.7 Análise geral das medições... 64
6. A Elaboração de artefatos geradores de energia ... 66
7. Elaboração de modelo funcional ... 67
7.1 Materiais ... 68
7.2 Componentes ... 69
7.2.1 Gerador de energia ... 69
7.2.2 Acumulador de carga ... 69
7.2.4 Inversor de tensão ... 70
7.3 Testes de desemprenho do Modelo Funcional ... 71
7.3.1 Análise de desempenho do Modelo Funcional ... 71
8. CONCLUSÕES ... 72
9. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 77
10. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 78
7
1 - INTRODUÇÃO
Algumas das grandes preocupações da sociedade atual podem ser observadas através dos acontecimentos recorrentes devido às alterações no clima, ondas de calor, maremotos, terremotos, entre outros, são cada vez mais frequentes nos quatro cantos do planeta. A queima de combustíveis fósseis, como o carvão e o petróleo são uma das principais causas por essas alterações no clima, isso devido ao lançamento na atmosfera de diversos compostos químicos prejudiciais ao meio ambiente, dentre eles, o mais conhecido o dióxido de carbono (CO2), um dos grandes responsáveis para o aquecimento do planeta.
O consumo, muitas vezes desnecessário, da energia elétrica também é um dos fatores que contribuem diretamente nas mudanças em nosso clima, nos últimos anos o consumo de energia vem aumentado significantemente, e o mais preocupante é que esse consumo tende a aumentar. Segundo o relatório divulgado pela petrolífera Exxon Mobil o consumo de energia mundial crescerá cerca de 35% até 2030, isso devido a demanda que será impulsionada pelo rápido crescimento de países que não integram a OCDE (Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico), como China e Índia (R7, 2011). Vale ressaltar que 81% da matriz energética mundial são constituídas por energias fósseis (REN21, 2011), o que agrava ainda mais esse quadro.
Algumas das possíveis soluções para a reversão deste quadro podem ser facilmente encontradas através das energias renováveis, como a energia dos ventos, a energia do sol, a energia do mar, entre outras, essas, fontes inesgotáveis de energia, sendo algumas delas largamente abundantes em algumas regiões do planeta, inclusive no Brasil.
O propósito da pesquisa foi a elaboração de um estudo que visasse formas de investigação de modo a gerar diretrizes para a elaboração de artefatos capazes de captar fluxos de ar gerado pelo deslocamento dos veículos em vias expressas, onde, utilizando os princípios da energia eólica criar novas possibilidades na produção de energia elétrica. Vale ressaltar que o intuito da pesquisa é focado na produção de energia em micro escala, portanto não se tem por objetivo a substituição dos meios de geração atuais de energia elétrica, e sim estudar meios autossustentáveis para que não fiquemos exclusivamente dependentes e que também de certa forma abrandem a produção de energias provenientes das geradoras convencionais.
8
1.1 Objeto de estudo
O propósito inicial da pesquisa foi a elaboração de um estudo que visasse formas de geração de alternativas para que se criem artefatos geradores de energia que sejam capazes de captar os fluxos de ar gerados pelos deslocamentos dos veículos em vias expressas.
Nesse contexto, o mapa mental apresenta-se da seguinte forma:
Figura 01: Mapa mental inicial da pesquisa
Fonte: Próprio autor, 2014
1.2 Objetivo Geral
Essa pesquisa tem por objetivo coletar e analisar o comportamento dos ventos gerados pelos veículos em vias expressas de modo a investigar possibilidades para o design de produtos na concepção de artefatos geradores de energia.
1.3 Objetivos específicos
- Analisar o comportamento dos ventos em vias expressas para produção de energia elétrica; - Avaliar formas que agreguem um melhor custo benefício na concepção de artefatos.
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1.4 Problema de pesquisa
Os atuais sistemas de abastecimento de energia vêm demonstrando nos últimos meses que estão trabalhando nos seus limites de produção, esse fato, atrelado ao alto consumo por parte de indústrias e população de forma geral são agravantes que podem trazer graves consequências futuras. Algumas dessas consequências já estamos vivenciando no presente, onde, tendo em vista os baixos níveis dos reservatórios das hidrelétricas em grande parte das regiões do Brasil juntamente com o consumo batendo recordes tende a afetar diretamente os preços de energia no mercado, onde na maioria das vezes repassados para os consumidores. Atrelado a esses fatores, não é descartada as possibilidades de novas ocorrências de cortes de luz e apagões no país ao longo dos próximos anos (OGLOBO, 2014).
Portanto, podemos propor, frente a essas advertências apontadas, de que é necessário refletirmos um pouco mais sobre o modo de vida demasiadamente consumista nos quais estamos convivendo no presente juntamente com os meios sobrecarregados de produção de energia, acarretando uma possível reação em cadeia, onde, quanto maior o consumo, consequentemente maior será a produção, quanto maior a produção, consequentemente maior será a produção de energia.
Com base nesses pontos expostos, propomos a seguinte questão: Até que ponto é possível converter a energia eólica gerada pelo deslocamento de ar dos automóveis em vias expressas de modo a se obter energia elétrica?
1.5 Relevância do estudo para a área do Design e Tecnologia
A presente pesquisa tem como finalidade colaborar com o Programa de Pós-Graduação em Design (Mestrado), da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), sendo Design e Tecnologia com ênfase na sustentabilidade ambiental a linha de pesquisa abordada.
Uma questão importante a ser observada é a multidisciplinaridade, nesse caso, a teoria trabalhando em conjunto com a prática, além da colaboração de outras áreas como a arquitetura, engenharia elétrica, física e gestão ambiental, onde, exercendo um trabalho em
10 conjunto com uma única finalidade, uma qualidade de vida próspera tanto para a geração presente quanto para as gerações futuras.
1.6 Estrutura da dissertação
Esta pesquisa está dividida em duas partes, sendo essas subdivididas em capítulos, que são nomeados e brevemente comentados. Em seguida, como forma de simplificar a visualização de sua estrutura.
Parte I – Fundamentação Teórica
Capítulo 2 - A sustentabilidade
Este capítulo traz a tona questão da sustentabilidade ambiental e a realidade que estamos convivendo no presente, destacando pontos como consumo, desperdício e mau uso dos recursos naturais, trazendo consigo dados preocupantes e que afetam diretamente a população de uma maneira geral.
Este capítulo traz também, de forma simplória, a questão de nossa matriz energética mundial, onde, constituída em maior parte por energias fósseis, é abordada uma visão que relata sua forma de atuação e que com o passar dos anos vem a cada dia atuando nocivamente e prejudicando nosso planeta.
Capítulo 3 – Recursos naturais e seu aproveitamento
Nesta parte da pesquisa é destacada o uso dos recursos naturais que temos a nossa disposição, como o uso das energias renováveis, trazendo de forma breve o conceito de algumas das mais conhecidas e inclusive utilizadas no Brasil.
11
Capítulo 4 – O vento e suas características
Nesta etapa, aparece de forma mais aprofundada o objeto principal de estudo dessa pesquisa, o vento. São demonstradas características como suas fontes, suas forças abrangidas, suas escalas, os fatores que influenciam no seu perfil e por fim algumas formas e equipamentos que auxiliam a sua medição.
Parte II – Metodologia de pesquisa
Capítulo 5 – Metodologia empregada
Nesta etapa são apresentados os métodos de pesquisa que foram utilizados para alcançar os objetivos propostos na pesquisa. São detalhados os processos de modularização dos veículos, análise dos locais para a realização das pesquisas e a coleta de dados referentes à velocidade dos ventos gerados pelos automóveis em vias expressas.
Capítulo 6 – Elaboração do Micro aerogerador
Esta etapa descreve a elaboração de um micro aerogerador de energia, esse, com o propósito de realizar na prática uma possível estimativa de produção de energia gerada pelo deslocamento de ar fornecido pelos veículos.
Capítulo 7 – Considerações Finais
Esta etapa descreve os principais resultados alcançados com o desenvolvimento desta pesquisa.
12
Parte I
Fundamentação Teórica
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2 – A Sustentabilidade
2.1 O Cenário atual da sustentabilidade
Svante Arhenius, físico sueco, em meados de 1896 deixou um recado à humanidade, neste mencionara que a continuidade na emissão de dióxido de carbono na atmosfera no mesmo ritmo da Revolução Industrial, em 1750, a temperatura média do planeta subiria de maneira dramática, em decorrência do efeito estufa (FONSECA, 2009). Muitos desses efeitos podem ser vistos hoje, onde o planeta vem sofrendo consequências drásticas devido a mudanças em seu clima, dentre os quais, o aumento de furacões, ciclones, ondas de calor, são fatores dessa consequência.
O conceito de sustentabilidade foi introduzido no início da década de 1980 por Lester Brown, fundador do Wordwatch Institute, que definiu comunidade sustentável como a que é capaz de satisfazer às próprias necessidades sem reduzir as oportunidades das gerações futuras (TRIGUEIRO, 2005).
MANZINI E VEZZOLI (2008, p. 27), definem o termo sustentabilidade ambiental como:
“(...) As condições sistêmicas segundo as quais, as atividades humanas não devem interferir nos ciclos naturais em que se baseia tudo o que a resiliência do planeta permite e, ao mesmo tempo, não devem empobrecer seu capital natural, que será transmitido a gerações futuras.”
Em 1973, a palavra sustentabilidade apareceu, pela primeira vez, no The New York
Times com o sentido atual exatamente, durante a crise do petróleo. A expressão
ambientalismo despontou um pouco antes, em 1957. Meio século mais cedo, Thomas Edison, o homem que tornou a lâmpada elétrica economicamente viável, já tinha preocupações que apenas recentemente os executivos mais sensatos começam a ter. Em um artigo de 1901, publicado pelo jornal The Atlanta Constitution, Thomas Edison já sugeria o uso de moinhos de vento de modo a produzir energia para os cidadãos do campo, “para que eles possam ter luz durante a noite”, sem depender do petróleo que movia as usinas de eletricidade (FONSECA, 2009).
Atualmente, o termo sustentabilidade está cada vez mais em evidência, a discussão sobre o “efeito estufa” é, isoladamente, a mais presente nas matérias sobre mudanças climáticas, tendo sido observada por 50 jornais, no período entre 2005 e 2007, apresentando-se como foco central em 21,6% dos textos (ANDI, 2007).
14 A necessidade ambiental emergente e urgente na qual convivemos atualmente obriga aos desenvolvedores e empresas a voltarem seus olhares para este assunto em seus projetos, visando desde a fase de concepção até o descarte do mesmo. Visando com isso à redução da geração de resíduos e a extração de matéria prima de forma consciente a fim de evitar malefícios ao meio ambiente.
2.3 Sustentabilidade no setor elétrico
A energia, nas suas mais diversas formas, tornou-se indispensável à sobrevivência da espécie humana. Mais do que sobreviver, o homem procura sempre evoluir, descobrindo fontes e formas alternativas de adaptação ao ambiente em que vive e de atendimento às suas necessidades. Dessa forma, a exaustão, a escassez ou a inconveniência de um dado recurso tendem a ser compensadas pelo surgimento de outros. Em termos de suprimento energético, a eletricidade se tornou uma das formas mais versáteis e convenientes de energia, passando a ser recurso indispensável e estratégico para o desenvolvimento socioeconômico de muitos países e regiões (ANEEL, 2002). Porém, devido ao consumo excessivo da energia durante as últimas décadas, surge a cada dia que passa a necessidade do aumento de sua produção, considerando que o setor elétrico atual ainda está longe de ser um modelo autossustentável, isso devido às fontes de geração não renováveis de energia da maior parte dos países (Gráfico 01), o que implica na aquisição de recursos que dia após dia tornam-se cada vez mais escassos.
Gráfico 01: Matriz Energética Mundial 2014
Fonte: Adaptação REN21, 2015
Fatores como o desenvolvimento e industrialização de países como a China e a Índia, também podem vir a preocupar o setor energético, isso devido ao aumento da
15 produção energia que até 2020 poderá ser dobrada (KAZAZIAN, 2005). Devido a esses e outros fatores, que surge a necessidade global em investimentos em novas fontes energéticas (Gráfico 02).
Gráfico 02: Investimento mundial em energias renováveis
Fonte: REN21, 2015
O Brasil, por sua vez, destaca-se por várias iniciativas governamentais que foram desenvolvidas nas últimas décadas onde teve destaque:
a) O Programa Nacional do Álcool – ProÁlcool, em 1975;
b) o Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica – Procel, em 1985;
c) o Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e Gás Natural – Conpet, em 1991;
d) o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica – Proinfa, em 2002. Todas estas iniciativas foram sistematizadas e demonstraram que havia, aparentemente, políticas públicas nacionais voltadas para uma agenda sustentável no contexto energético. Porém este cenário poderá vir a mudar no futuro, isso devido a atuais investimentos em combustíveis fósseis que faz com que o país caminhe na contramão da maioria dos países que tentam encontrar um meio de mudarem sua matriz energética de modo que se tornem mais autossustentáveis e renováveis. O compromisso do Brasil em
16 reduzir suas emissões de gases poluentes pode ser comprometido pelo investimento em combustíveis fósseis no período 2014-2023, com 71% do total, é o que adverte o relatório divulgado pela ONG WRI - World Resources Institute e pela USP (WRI, 2015).
Com um investimento de cerca de R$ 1 trilhão para o setor de energia até 2023, apenas 22% desse total previsto será destinada a investimentos no setor das energias renováveis no Brasil. O estudo alerta que, se os recursos destinados as energias renováveis não subirem nos próximos anos, o Brasil, que já é o sétimo maior emissor de gases poluentes no mundo, passará a ter um percentual maior de fontes poluentes em sua matriz energética (WRI, 2015).
2.4 Produção, consumo e Desperdício.
Atualmente se fazem cada vez mais presentes os debates nos quais se tem como referência o atual modo de consumo desenfreado que estamos vivenciando, onde, atrelado a fatores como a diminuição do tempo de vida útil de cada produto, fator este, presente no momento do desenvolvimento de qualquer artefato, fazendo com que sua reposição aconteça de forma antecipada. Um bom exemplo deste cenário é facilmente compreendida no documentário “The light bulb conspiracy” produzido pela cineasta Cosima Dannoritzer, neste, é retratada de forma bastante ressaltada a questão da “Obsolescência Programada”, onde são demonstrados diversos exemplos de produtos, na grande maioria composta por equipamentos eletrônicos, que por alguma razão tenham parado de funcionar, é efetivado o descarte de todo o produto, ao invés de ser reparado e realizado a troca apenas a parte danificada, tendo como consequência a grande quantidade de lixo que muitas vezes são despejados de maneira incorreta trazendo consequências graves para o meio ambiente.
Outro fator preocupante e que está diretamente ligado a questões de produção e consumo é a questão do desperdício, muitas vezes adquirindo patamares elevados.Segundo o Jornal Estado de S. Paulo entre os anos de 2000 e 2010, o consumidor brasileiro desembolsou quase R$ 5 bilhões na conta de luz para bancar projetos de eficiência energética e de soluções para melhorar a operação do sistema elétrico nacional. Até agora, no entanto, os resultados são questionáveis. O País continua desperdiçando cerca de R$ 16 bilhões por ano de energia elétrica - equivalente ao investimento total para a construção da
17 Hidrelétrica de Belo Monte (PA). Além disso, nos últimos anos, a qualidade da energia entregue aos consumidores tem piorado consideravelmente em algumas distribuidoras (ESTADÃO, 2010).
Dos R$ 16 bilhões de eletricidade desperdiçada, R$ 7,3 bilhões referem-se a furtos, fraudes e erros de medição. Só neste caso a quantidade de energia perdida, de 23 mil MWh, poderia abastecer por um ano 19 milhões de residências com consumo médio de 100 kWh por mês. Os outros R$ 8,7 bilhões referem-se a perdas ocorridas durante a transmissão da energia, da usina até o consumidor final.
A redução desses prejuízos, que também oneram o bolso dos brasileiros, foi um dos principais motivos da lei criada pelo governo federal, em 2000, que tornou obrigatório o investimento de 1% da receita líquida em P&D e eficiência energética. Parte desse dinheiro vai para o Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – FNDCT, do Ministério de Ciências e Tecnologia.
Segundo dados da Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, do total reservado para investimentos em pesquisa e eficiência energética, entre 2000 e outubro deste ano, R$ 1,92 bilhão ainda não havia sido gasto pelas empresas. Isso representa 42% do volume total recolhido desde 1998.
Muito embora os números sejam alarmantes e que nos deixam bastante preocupados, temos que estar cientes que o desperdício seja ele na forma de produção e consumo de bens e materiais, na distribuição e consumo de água ou na produção e consumo de energia elétrica é realmente algo bastante difícil de ser controlado ou até mesmo abolido, independente de qual seja o setor. Porém esses desperdícios poderiam ser minimizados se tivéssemos fiscalizações mais rígidas e leis de incentivo que beneficiassem de algum modo à população e donos de empresas que conseguissem diminuir ao máximo os seus desperdícios.
Com base nesse contexto, fica notável que se não assumirmos uma postura mais sustentável no presente, sofreremos graves crises de energia no futuro, ou porque não questionar a conjectura de um colapso energético a ponto de ficarmos dependentes de outros países. Fatos que reforçam essa hipótese podem ser observados em dados referentes ao mês de fevereiro de 2015, pelas normas de segurança, o sistema elétrico brasileiro precisa trabalhar com sobra de energia equivalente a 5% da eletricidade consumida no País.
18 Para alguns especialistas, um piso de 3% ainda é aceitável. O fato é: sempre deve haver uma porção extra à disposição do sistema. Sem ela, um pico repentino de consumo pode criar uma sobrecarga e simplesmente desligar todo o País. Neste momento, porém, essa porção extra de estratégia está bem abaixo do recomendável. No dia três do referido mês, dia que inclusive houve um apagão, equivalia a cerca de apenas 2% do consumo (ESTADÃO, 2014).
3 – Recursos naturais e seu aproveitamento
A utilização das energias renováveis deixou há tempos de ser uma questão optativa, passando em termos a ser uma questão de necessidade em prol do meio ambiente. Essa necessidade é crescente e pode ser observada através dos meios de produção de energias não renováveis utilizadas, onde, o uso do petróleo, o gás e o carvão representam atualmente 81% do consumo energético mundial (REN21, 2011). Seu tempo de regeneração é tão longo, que logo se aplica o termo: “não renováveis”. Além do esgotamento das reservas, a produção de energia a partir de combustíveis fósseis tem por consequência a emissão no ar gases que contribuem para o efeito estufa, esse um dos principais responsáveis pelo aquecimento climático.
Por outro lado, o sol, os rios, o vento, o solo e os vegetais, principalmente a madeira, constituem recursos energéticos chamados “renováveis”: uma matéria prima inesgotável, caso seja bem gerenciada, que produz poucas emanações de poluentes na atmosfera (KAZAZIAN, 2005).
O aumento da quantidade e oferta de energia, a garantia da sustentabilidade, a renovação dos recursos, a redução das emissões atmosféricas de poluentes, esses e outros fatores são atribuídos ao uso das energias renováveis, que trazem diversos benefícios ao planeta e aos seus residentes. Principalmente para o quadro atual que vive a humanidade, onde, deslocando-se em um ritmo descontrolado rumo a novas catástrofes ambientais, problemas ecológicos e o aquecimento global. Com o aproveitamento das energias renováveis e dos recursos naturais de maneira correta é de fato o mais importante passo para reverter este quadro.
As energias renováveis se apresentam atualmente como forma menos agressiva no quesito produção de energia, onde cada uma delas contribui de formas diferentes,
19 porém, unidas com o mesmo propósito que é de garantir existência humana de forma harmônica com o planeta e os demais seres vivos nos quais convive.
Atualmente existem diversos meios de geração de energia de forma renovável, nesta parte da pesquisa são apresentados alguns desses meios, entretanto, foi dada mais ênfase a energia eólica devido à finalidade da pesquisa.
3.1 A energia geotérmica
A fonte de energia geotérmica é aproveitada do imenso calor que flui do núcleo da Terra e de seu manto.
O processo é dado através da perfuração do solo chegando às rochas porosas e permeáveis que contem reservatórios de água quente ou vapor, que são então trazidos à superfície para fazer girar uma turbina e produzir eletricidade (Figura 02).
Figura 02: Princípio de uso da energia térmica
Fonte: PORTALENERGIA, 2014
As vantagens da energia Geotérmica podem ser descritas de tal maneira: Não prejudica a terra, onde também não há a necessidade de barrar rios ou de colher florestas; há ausência da abertura de minas, túneis, covas, pilhas de lixo ou derramamentos de óleo; auxilia países em desenvolvimento a crescerem sem poluição.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Injecção perfurante com bomba perfuradora
Sistema de fractura estimulada
Produção da perfuração longa (“borehole”)
Permutador de calor
Edifício da turbina
Arrefecimento
Reservatório de calor, subterrâneo, para excesso de calor
Observatório da perfuração longa (“borehole”)
20 Em contrapartida, suas desvantagens estão no seu alto custo inicial para sua implementação; quando não usadas em pequenas zonas de calor do interior da Terra vem à superfície através de gêiseres e vulcões, a perfuração do solo para introdução dos canos é relativamente cara (PORTALENERGIA, 2014).
Aproximadamente 640 MW de nova geração de energia geotérmica capacidade foi concluída em 2014, elevando a capacidade total global na escala de 12,8 GW. Os países que mais aumentaram a sua capacidade de produção em 2014 foram Quênia, Turquia, Indonésia, Filipinas, Itália, Alemanha, Estados Unidos e Japão, respectivamente (Gráfico 03).
Gráfico 03: Maiores produtores de Energia Geotérmica, 2014.
Fonte: REN21, 2014
A Geração de energia geotérmica mundial em 2014 atingiu um total de 74 TWh. A capacidade total em operação cresceu a uma taxa anual de uma média de 3,6% nos últimos cinco anos. Um dos países de maior destaque na implantação da energia geotérmica em sua matriz energética no ano de 2014 foi o Quênia, adicionando um total de 358 MW mais que duplicando a sua capacidade, atingindo um total de 600MW de energia provenientes da produção de energia através das usinas geotérmicas.
21
3.2 A energia hidráulica
A energia hidráulica é a obtenção de energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico de um rio. Para que esse processo seja realizado é necessária a construção de usinas em rios, as hidrelétricas, onde, represam a água dos rios, constituindo um reservatório de água, interrompendo pontualmente o fluxo de água.
Seu processo ocorre através de uma fonte contínua, nesse caso, o movimento da água, onde a força da queda de um grande volume de água previamente represada é utilizada para movimentar turbinas que acionam um gerador elétrico (Figura 03).
Figura 03: Esquema de Usina Hidrelétrica
Fonte: ANEEL,2002
A energia hidráulica apresenta as seguintes vantagens: É uma energia renovável, portanto, não se esgota; seu custo de produção é relativamente baixo; não polui o ambiente; permite uma forma de abastecimento local para regadios.
As desvantagens se apresentam pela erosão do solo, o que consequentemente afeta a vegetação local; pode provocar o deslocamento de populações ribeirinhas; elevado custo de instalação e desativação (PORTALENERGIA, 2014).
Estima-se que 37 GW de capacidade hidrelétrica foram incluídas em 2014, aumentando a capacidade total global de 3,6%, o que representa um total de 1055 GW (Gráfico 04). Os principais países com maior capacidade de energia provenientes das hidrelétricas permanecem sendo: China, Brasil, Estados Unidos, Canadá, Rússia e Índia, que juntos representaram cerca de 60% da capacidade instalada global até o final de 2014.
22
Gráfico 04: Países que mais aumentaram sua capacidade hidrelétrica em 2014.
Fonte: REN21, 2015
A geração hidrelétrica global varia a cada ano devido à condições hidrológicas, foi estimado um total de cerda de 3.900 TWh em 2014, um aumento de mais de 3% a partir de 2013 (REN21, 2015).
3.3 A energia maremotriz
A energia maremotriz ou também conhecida como energia das marés, é uma das energias mais recentes quando comparadas as demais consideradas renováveis, onde, tem seu processo obtido pelas ondas do mar, que originadas pelo vento contêm uma grande quantidade de energia o que impulsionam o movimento rotacional de turbinas (Figura 04). A potência numa onda é proporcional ao quadrado da amplitude e ao período da onda, exercendo normalmente os 50 kW/m de onda (PORTALENERGIA, 2014).
Figura 04: Esquema de geração de energia em usina maremotriz
23 As vantagens de seu uso podem ser vistas de diversas maneiras, dentre algumas, destaca-se pelo fato de ser uma energia com índices mínimos de poluição; ser uma fonte inesgotável de energia; ter previsibilidade das ocorrências das marés; sua confiabilidade.
As desvantagens são o seu alto custo de instalação; sua construção pode acarretar impactos ambientais; fornecimento não contínuo de energia; as instalações devem ser resistentes o bastante para suportar possíveis tempestades.
A barragem La Rance situada no largo da costa francesa é uma das pioneiras de produção de energia através das marés, incialmente com uma produção de 240MW, desde 1966 vem produzindo energia com o auxílio das marés, atualmente a La Rance produz anualmente cerca de 600 GWh (REN21, 2011).
Por ser um tipo de aproveitamento recente de obtenção de energia, boa parte dos projetos atuais ainda se encontram em fase de desenvolvimento (PORTALENERGIA, 2014). Entretanto é uma das energias mais promissoras e que vem despertando o interesse de diversos países, onde em 2010, instalações de testes foram implantadas no Reino Unido, Dinamarca, Suécia e Canadá, no início de 2011 novas instalações estavam sob desenvolvimento em Portugal, Espanha, Noruega, Irlanda e Estados Unidos (REN21, 2011).
3.4 A energia por resíduos orgânicos - Biomassa
Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia mecânica, térmica ou elétrica é classificada como biomassa. De acordo com a sua origem, pode ser: florestal (madeira, principalmente), agrícola (soja, arroz e cana-de-açúcar, entre outras) e rejeitos urbanos e industriais (sólidos ou líquidos, como o lixo). Os derivados obtidos dependem tanto da matéria-prima utilizada (cujo potencial energético varia de tipo para tipo) quanto da tecnologia de processamento para obtenção dos energéticos (ANEEL, 2002).
O Processo para transformar matéria-prima em energia dá-se através de diversos meios, dentre eles, cada um dá origem a um determinado derivado e está em um nível diferente do ponto de vista tecnológico. Há, por exemplo, a combustão direta para obtenção do calor (Figura 05), esses através de fogões, fornos para metalurgia e caldeiras, para a geração de vapor.
24
Figura 05: Esquema de geração de energia através da Biomassa
Fonte: ENERGIASALTERNATIVAS, 2014
As vantagens do uso dessa energia é a de ser renovável; a biomassa sólida é de baixo custo; o índice de poluição é baixo; o índice de corrosão em equipamentos como caldeiras e fornos são bem baixos.
As desvantagens são o desflorestamento; dificuldade para o transporte da biomassa sólida; baixo poder calorífico quando comparado as demais fontes de energia.
A biomassa é uma das fontes para produção de energia com maior potencial de crescimento nos próximos anos. Tanto no mercado internacional quanto no interno, ela é considerada uma das principais alternativas para a diversificação da matriz energética e a consequente redução da dependência dos combustíveis fósseis. Dela é possível obter energia elétrica e biocombustíveis, como o biodiesel e o etanol, cujo consumo é crescente em substituição a derivados de petróleo como o óleo diesel e a gasolina.
Ao contrário do que ocorre com outras fontes, não existe um ranking mundial dos maiores produtores de biomassa, apenas estatísticas sobre os principais derivados (ANEEL, 2002).
1
2
3
4
O bagaço da cana abastece o forno responsável pelo aquecimento da caldeira.
A água em ebulição produz grande quantidade de vapor, que é conduzido por uma tubulação até a turbina.
A turbina é movimentada pelo vapor sob pressão, fazendo com que o gerador produza energia.
Geração de energia elétrica 1 2 3 4 Caldeira Forno Vapor Turbina Água em ebulição Gerador Eletroimã Bagaço da cana Tubulação
25
3.5 A energia solar
Como o próprio nome já diz, a energia solar é a energia obtida através do sol, onde quase todas as fontes de energia existentes, sejam elas hidráulicas, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos são formas indiretas da energia solar.
A radiação solar pode ser utilizada de diversas formas, diretamente como fonte de energia térmica para aquecimento de fluidos e ambientes ou na geração de potência mecânica ou elétrica (ANEEL, 2002).
O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais para o aquecimento de água (Figura 06).
Figura 06: Esquema de um coletor solar para aquecimento de água
Fonte: ANEEL,2002
Por sua vez, o aproveitamento para geração de energia elétrica é realizada através da captação da luz solar através de módulos solares, também conhecidos como placas fotovoltaicas ou placas solares, o processo ainda pode ocorrer de duas maneiras, sejam elas autônomas ou integradas à rede, sendo a primeira, independente da rede elétrica, onde a energia é captada pelas placas fotovoltaicas e armazenadas em baterias (Figura 07-A). O uso do sistema autônomo requer ainda um controlador de carga e um inversor de corrente contínua para corrente alternada.
Nos sistemas integrados à rede, dispensam o uso do controlador de carga e as baterias, onde nesse caso, não existe o armazenamento de energia, a captação obtida pelas
26 placas fotovoltaicas é injetada na própria rede elétrica, trabalhando juntamente com a energia que vem das distribuidoras (Figura 07-B).
(A) – Sistema autônomo da rede elétrica.
(B) – Sistema integrado à rede elétrica.
Figura 07: Esquema de geração de energia fotovoltaica Fonte: Adaptação ANEEL, 2002
A energia solar oferece diversas vantagens, como o fator de não poluir o ambiente durante o seu uso; exige mínima manutenção; é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão.
Entretanto, as desvantagens são a ausência da produção em períodos noturnos havendo a necessidade de meios de armazenamento da energia; Locais em latitudes médias e altas sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de Inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar (PORTALENERGIA, 2014).
27 A implementação da energia solar fotovoltaica vem crescendo aos poucos ao longo dos anos, em especial, o ano de 2014 onde foi comemorado o 60º aniversário da primeira demonstração pública de uma célula solar Fotovoltaica ficou marcado por outro recorde, um acréscimo no setor de cerca 40 GW à capacidade mundial, chegando a marca de 177 GW na produção de energia elétrica mundial proveniente da energia fotovoltaica (Gráfico 05).
Gráfico 05: Capacidade de energia solar mundial, 2004-2014.
Fonte: REN21, 2015
Mais de 60% de toda a capacidade de energia solar fotovoltaica em operação em todo o mundo até o final de 2014 foram adicionadas ao longo dos últimos três anos. Neste cenário destacam-se países como a China, o Japão e os Estados Unidos, seguidos pelo Reino Unido e Alemanha. Outros no top 10 para as adições foram a França, Austrália, Coréia do Sul, África do Sul e Índia (Gráfico 06).
Gráfico 06: Energia solar: Capacidade e adicionais – top 10 países, 2014.
28
3.6 A energia dos Ventos
A energia dos ventos ou energia eólica é a energia cinética contida nas massas de ar em movimento, o vento (ANEEL, 2014). A energia eólica é abundante, renovável, limpa e disponível em muitos lugares, onde, aerogeradores ficam com a responsabilidade da geração da energia (Figura 08).
Figura 08: Esquema da Energia Eólica
Fonte: BBC, 2007
3.6.1 Vantagens e desvantagens
A energia eólica como outras fontes de energia, possuem vantagens e desvantagens na sua aplicação, uma das principais vantagens é seu uso inesgotável; não emite gases poluentes nem geram resíduos; contribui com a diminuição da emissão de gases de efeito
29 estufa; requer baixa manutenção; entre outros. Por outro lado, as principais desvantagens é o impacto sonoro, provocado pelo ruído das pás quando atingidas pelas correntes de ventos; impactos de aves migratórias que se chocam contra as hélices dos aerogeradores; dependência das correntes de ar para o movimento das hélices. (PORTALENERGIA, 2014).
A utilização dessa fonte para geração de eletricidade, em escala comercial, começou nos anos 70, quando se acentuou a crise do petróleo no mundo (IDEC, 2011), desde então sua produção vem crescendo com o passar dos anos (Gráfico 07).
Gráfico 07: Energia eólica, capacidade mundial existente 2004 - 2014.
Fonte: REN21, 2015
Vários países do mundo aumentam substancialmente seu interesse pelo desenvolvimento de fontes de energia eólica para a produção de energia elétrica (Gráfico 08), buscando minimizar as produções através de meios nocivos ao meio ambiente.
Gráfico 08: Capacidade de energia eólica, top 10 países, 2014.
30 Recentes desenvolvimentos tecnológicos (sistemas avançados de transmissão, melhor aerodinâmica, estratégias de controle e operação das turbinas etc.) têm reduzido custos e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos. O custo dos equipamentos, que era um dos principais entraves ao aproveitamento comercial da energia eólica, reduziu-se significativamente nas últimas duas décadas.
3.6.2 Os aerogeradores
A energia eólica sem sombra de dúvidas é marcada muitas vezes por suas grandes turbinas que rasgam os céus trabalhando de forma contínua e incansável de modo a gerar energia elétrica através dos ventos. Um dos meios mais simples de classificação dos aerogeradores é através do seu eixo nas quais as pás das turbinas giram, apresentando-se em duas configurações básicas: turbinas de eixo horizontal e turbinas de eixo vertical (Figura 09).
Figura 09: Turbinas com eixo horizontal (a e b) e vertical (c).
Fonte: PINTO, 2013
As turbinas de eixo horizontal geralmente possuem em média duas ou três pás, não havendo o impedimento de haver um número maior dessas pás (Figura 10). Turbinas com uma grande quantidade de pás normalmente são utilizadas na conversão da energia eólica em energia mecânica tendo a sua aplicação voltada para bombeamento de água em sítios e fazendas (Fadigas, 2011).
31 (A) (B) (C)
Figura 10: Modelos de turbinas eólicas horizontais
Fonte: (A) http://www.baixaki.com.br - (B) http://www.plainswindeis.anl.gov/guide/basics/index.cfm
(C) https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_wind_turbines
Por sua vez, as turbinas de eixo vertical (Figura 11) possuem vantagens e desvantagens quando comparadas as de eixo horizontal. Algumas dessas vantagens consistem na possibilidade de prevalecer-se dos ventos vindos de qualquer direção, descartando a necessidade de possuir algum tipo de mecanismo que direcione o rotor com a mudança de direção do vento. Outra vantagem seria em relação aos seus componentes estarem próximos ao solo, o que facilita consideravelmente possíveis trabalhos de manutenção das turbinas.
Figura 11: Modelos de turbinas eólicas de eixo vertical: (a) Darrieus; (b) Savonius; (c)
solarwind; (d) Helicoidal; (e) Noguchi; (f) Maglev e (g) Cochrane.
32
3.7 Visão Geral das energias renováveis
De um modo geral, como já citado, a matriz energética mundial está longe de ser um meio de produção de energia totalmente limpa, porém como visto em tópicos anteriores, diversos países buscam reverter esse quadro atribuindo através de políticas e meios de energias renováveis a seus meios de produção de energia, o que vem aumentando nos últimos anos (Quadro 01).
Quadro 01: Seleção de Indicadores
Fonte: Adaptação REN21, 2011
2008 2009 2010 Novos investimentos globais em energias renováveis (anual) U$ Bilhões 130 160 211
Capacidade de energia renováveis (existente, não incluindo
hidrelétricas) GW 200 250 312
Capacidade de energia renováveis (existente, incluindo
hidrelétricas) GW 1.150 1.230 1.320
Capacidade hidrelétrica (existente) GW 950 980 1.010
Capacidade de energia eólica (existente) GW 121 159 198
Capacidade de Energia Solar existente GW 16 23 40
Produção de células solares (anual) GW 6.9 11 24
Capacidade solar de água quente (existente) GW 130 160 185
Produção de etanol (anual) Bilhões de litros 67 76 86
Biodiesel de produção (anual) Bilhões de litros 12 17 19
Países com política de metas - 79 89 96
Deve-se entender que a mudança de uma matriz energética de um determinado país não é um processo simples nem tão pouco rápido, países como China e Estados Unidos que encabeçam a lista de países mais poluentes devido aos seus meios de produção atuais, também encabeçam as listas de investidores e produtores de energias renováveis (Quadro 02 e 03), contribuindo na medida do possível pra um desenvolvimento sustentável.
Quadro 02: Cinco principais países; acréscimos anuais em 2010
Fonte: REN21, 2011
Nova capacidade
de investimento Energia Eólica Energia Solar
Energia solar p/ aquecimento Produção de Etanol Produção de Biodiesel
China China Alemanha China EUA Alemanha
Alemanha EUA Itália Alemanha Brasil Brasil
EUA Índia Rep. Tcheca Turquia China Argentina
Itália Espanha Japão Índia Canadá França
33
Quadro 03: Cinco principais países; capacidade existente até o final de 2010
Fonte: REN21, 2011 Capacidade de energias renováveis1 Capacidade de energias renováveis2 Energia Eólica Energia de Biomassa Energia
Geotérmica Energia Solar
Energia solar p/ aquecimento
EUA China China EUA EUA Alemanha China
China EUA EUA Brasil Filipinas Espanha Turquia
Alemanha Canadá Alemanha Alemanha Indonésia Japão Alemanha
Espanha Brasil Espanha China México Itália Japão
Índia Alemanha Índia Suécia Itália EUA Grécia
1 - Não incluindo energia hidráulica / 2 - Incluindo energia hidráulica
Por fim, é importante ainda salientar que, para que haja melhorias a fim de obter um desenvolvimento sustentável, é imprescindível que não baste apenas a mudança do setor elétrico, e sim um trabalho em conjunto com a consciência focada nas formas de produção e consumo, ou seja, indústria e consumidor devem exercer um trabalho mútuo, visando pontos como produção, desperdício, consumo e descarte.
4 – O Vento e suas características
Por vezes surgem silenciosos através das brisas que amenizam e confortam gerando sensação de bem estar, por outros, manifestam-se através de perigosos tornados nos quais dependendo de sua intensidade, podendo devastar grandes áreas nas quais estejam em seu trajeto. O vento em si é um elemento de fundamental importância para o ser humano e principalmente a natureza, pois entre diversas finalidades surge como meio facilitador para a dispersão dos poluentes e nas últimas décadas está cada vez mais presente o seu uso para geração de energia, nesse caso, através da energia eólica.
Segundo o dicionário Aurélio da Língua Portuguesa, destaca a seguinte definição para o termo vento: Ar em movimento, que se desloca de uma zona de altas pressões para uma zona de baixas pressões. / Ar mecanicamente agitado: fazer vento com o leque. / Atmosfera, ar. / Fig. Influência malévola, ou benévola; fado, sorte: o vento da fortuna. // Ir de vento em popa, navegar com vento favorável, e, figuradamente, ser favorecido pelas circunstâncias; prosperar.
Segundo Cerqueira (2014), o vento consiste no deslocamento de massas de ar, sendo que esse fenômeno é consequência do movimento do ar de um ponto no qual a pressão
34 atmosférica é mais alta em direção a um ponto onde ela é mais baixa. Os principais elementos que interferem na pressão atmosférica são a temperatura e a altitude: zonas de baixa altitude = zona de alta pressão atmosférica; zona de elevada altitude = zona de baixa pressão atmosférica.
A distribuição de radiação solar sobre a superfície terrestre ocorre de forma desigual, criando diferentes zonas térmicas e regiões de alta e baixa pressão atmosférica. A variação da pressão atmosférica é responsável pelo movimento das massas de ar, onde as áreas com temperaturas mais elevadas formam as zonas de baixa pressão, cujo ar, por ser mais leve, está em constante ascensão, podendo atingir até 10 mil metros de altitude.
4.1 As fontes do vento
O vento é simplesmente o ar em movimento. O que gera tal movimento é a circulação das camadas de ar provocada pelo aquecimento desigual do planeta. No topo da atmosfera, a energia solar que incide sobre uma superfície perpendicular aos raios do sol permanece relativamente constante em torno de 2 calorias em cada centímetro quadrado por um período de 1 minuto, 1,96 cal/cm2/min ou 1,367 kW/m2, esse valor é chamado de constante solar, no qual é adotado como padrão pela organização meteorológica mundial.
A radiação que chega à Terra, algo próximo a 1,58 bilhão de TWh/ano, o que corresponde a uma média de 350W/m2 sobre a superfície do planeta, no qual se distribui bem mais próximo a linha do equador do que nos polos. A radiação que chega, apenas de 3 a 5% é convertida em energia cinética no qual possa provocar o movimento da atmosfera por meio de diferenças de temperatura, o que forma a base para a fonte de energia eólica (PINTO, 2013). Embora este percentual pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas no mundo (CRESESB, 2011).
4.2 Forças abrangidas no vento
O vento é a movimentação das massas de ar na atmosfera, nas quais é considerado uma corrente contínua de parcelas de ar. Existem algumas forças que atuam sobre essas parcelas, dentre elas:
35 a) força do gradiente de pressão;
b) força de Coriolis; c) força centrífuga; d) força de atrito; e) força da gravidade.
4.2.1 Gradiente de pressão
A força do gradiente de pressão ocorre quando existe uma mudança de pressão do ar de um lugar para o outro. Existe um dado percentual de gradiente de pressão quando a pressão assim varia. O ar tende a mover-se das áreas de pressão mais alta para as de pressão mais baixa. Tendo em vista que o aquecimento desigual da superfície da Terra gera esses diferentes níveis de pressão, a radiação solar é a força que produz o vento. O não equilíbrio das forças produz o movimento, que parte da região de maior para a menor pressão (PINTO,2013).
4.2.2 Força de Coriolis
Também conhecido como efeito de Coriolis, atribuído em homenagem ao engenheiro e matemático francês Gaspard Gustave de Coriolis, que em 1835 descreveu as leis da mecânica para um sistema de referência em rotação, é uma aceleração aparente que tende a desviar um objeto que se movimenta livremente devido a rotação da Terra.
A força de Coriolis surge como consequência de observarmos os movimentos do ar num sistema de coordenadas não inercial, isto é, um sistema de coordenadas fixo sobre a superfície, que gira com ela.
As leis de Newton do movimento são válidas para sistemas de referência inerciais (sem aceleração). Para usá-las num sistema não inercial pode-se adaptar as leis de Newton introduzindo forças fictícias.
36 4.2.3 Vento Geostrófico
O vento Geostrófico é encontrado na maioria das vezes em grandes altitudes, normalmente acima de 600m. O ar tende a se mover ao longo de linhas que possuem a mesma pressão, denominadas isóbaras.
O vento Geostrófico é o vento horizontal que sopra ao longo de trajetórias retilíneas, sendo paralelos às linhas isóbaras, resultante de uma força de equilíbrio entre a força gradiente de pressão (horizontal e perpendicular às linhas isóbaras) e a força de Coriolis. Esse equilíbrio só é aproximadamente possível em altitudes nas quais o efeito do atrito possa ser desprezado (PINTO, 2013).
4.2.4 Vento Gradiente
Denomina-se vento gradiente aquele que escoa em torno de uma trajetória curva, paralelo às isóbaras, devido ao balanço entre três forças: A gradiente de pressão, a força de Coriolis e a força centrífuga (PINTO, 2013). Nos ventos gradientes, são compostos por curvas abertas ou ocasionalmente se conectam formando células aproximadamente circulares de alta ou baixa pressão. A forma curva do campo de pressão tende a modificar o vento geostrófico, afetando sua velocidade, embora a direção continue aproximadamente paralela às isóbaras. Os desvios em relação ao balanço geostrófico são uma consequência da grande aceleração centrípeta associada com a trajetória curva do vento nessas regiões.
4.3 Escalas do vento
Atualmente existem várias escalas nas quais servem como referência para análises referentes à intensidade dos ventos, uma delas é a escala de Beaufort (Quadro 01), considerada uma das mais famosas no mundo. A escala de Beaufort foi criada em 1805 pelo irlandês Francis Beaufort (1774-1857), onde se tinha o intuito inicial não aferir a intensidade da força dos ventos, mas sim aos efeitos deste nas velas do navio, onde atualmente, devido ao desenvolvimento dos aparelhos de medição dos ventos e da meteorologia a escala sofreu modificações de maneira a torna-la mais atualizada.
37
Quadro 04: A Escala de Beaufort Fonte: PINTO, 2013
Nº de Beaufort
Velocidade
Classificação Em terra No mar Altura da onda (m) (Km/h) (m/s)
0 <1 <0,3 Calmaria A fumaça se eleva na
vertical. Espelhado. 0
1 1,1 – 5,5 0,3 – 2 Aragem leve A fumaça indica a direção do vento.
Pequenas rugas na superfície
do mar. 0 – 0,2
2 5,6 – 11 2 – 3 Brisa leve
As folhas das árvores se movem.
Pequenos cata-ventos começam a girar.
Ondas, mas sem rebentação. 0.2 – 0,5
3 12 – 19 3 – 5 Brisa suave As folhas e os pequenos ramos se agitam.
Ondas com algumas cristas e
principio de rebentação. 0,5 - 1
4 20 – 28 6 – 8 Brisa moderada
Poeira e pequenos papéis levantados. Movem-se os galhos das árvores.
Ondas com cristas
frequentes. 1 – 2 5 29 – 38 8,1 – 10,6 Brisa fresca Movimentação de grandes galhos e árvores pequenas. Ondas e possibilidade de borrifos. 2 – 3 6 39 – 49 10,8 – 13,6 Brisa forte
Movem-se os ramos das árvores. Dificuldade de manter um guarda-chuva aberto.
Ondas grandes e borrifos. 3 – 4
7 50 – 61 13,9 – 16,9 Vento moderado
Árvores se agitam. Pedestres andam com dificuldade.
Mar agitado. 4 – 5,5
8 62 – 74 17,2 – 20,6 Vento fresco Galhos se quebram. Difícil andar contra o vento.
Mar agitado. Rebentação e
faixa de espuma. 5,5 – 7,5
9 75 – 88 20,8 – 24,4 Vento forte
Danos em árvores e pequenas construções. Impossível andar contra o vento.
Mar agitado. Visibilidade
precária. 7 – 10
10 89 – 102 24,7 – 28,3 Tempestade
Árvores arrancadas. Danos estruturais em
construções.
Mar agitado. Superfície do
mar branca. 9 – 12,5
11 103 – 117 28,6 – 32,5 Temp. violenta
Estragos generalizados em construções.
Mar agitado. Pequenos navios sobem no cavado das ondas. 11,5 – 16 12 ≥ 118 ≥ 32,8 Furacão Efeitos graves e generalizados em construções.
Mar todo de espuma, com
visibilidade quase nula. ≥ 14
Existem ainda outras escalas que surgem com o propósito de qualificar alguns outros fenômenos atmosféricos, como é o caso da escala de Saffir-Simpson, que é destinada a medir a intensidade de um furacão, podendo variar entre 0 e 5, onde o valor máximo de 5 equivale a ventos superiores a 249 Km/h. Com o propósito de medir a intensidade dos tornados, temos a escala Fujita, que pode variar entre “F0”, classificação atribuída a ventos que podem variar aproximadamente entre 65 e 115Km/h a classificação “F5” onde nesse caso, os ventos alcançam números entre 420 e 510Km/h, essa última podendo arremessar um veículo de passeio a centenas de metros.
