UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAIBA

CENTRO DE ENERGIAS ALTERNATIVAS E RENOVÁVEIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE ENERGIAS RENOVÁVEIS

A ELETRICIDADE INTEGRADA ÀS ENERGIAS RENOVÁVEIS NO

CONTEXTO MUNDIAL

Enndy Alouin Sousa Semedo Soares – enndy.soares@cear.ufpb.br

Guilherme Henrique da Nóbrega Rozendo – guilherme.rozendo@cear.ufpb.br

Kallyelândia Ferreira Martins Sucupira – kallyelandia.sucupira@cear.ufpb.br

Universidade Federal da Paraíba, Departamento de Engenharia de Energias Renováveis

Resumo. Neste artigo abordamos a evolução histórica do uso da energia pelo homem até os dias atuais e suas

descobertas marcantes. Isso vai desde a utilização do vento como conversor energético, através da navegação com

barcos à vela e da Revolução Industrial com a ascensão da máquina a vapor, até as mais avançadas tecnologias

presentes até o momento, o que permitiu o desenvolvimento da sociedade e favoreceu a imersão das energias

renováveis. À medida que os combustíveis fósseis forem se tornando cada vez menos disponíveis e mais caros, a busca

por novas fontes alternativas e renováveis de energia será cada vez mais acentuada, principalmente no que diz respeito

às tecnologias de armazenamento da energia elétrica (células a combustível, flywheels) como forma de solucionar o

crescente uso dos combustíveis fósseis, produzindo assim energia elétrica com o mínimo de desperdício e sem

prejudicar o meio ambiente. Porém, vários fatores têm influenciado na integração dessas fontes limpas, tais como a

pouca motivação política, a falta de financiamento, problemas de capacitação tecnológica e de informação. O

conhecimento e confiança no potencial para o desenvolvimento das renováveis é também um dos pontos fundamentais.

Para que uma tecnologia tenha sucesso e possa ser difundida, é necessário que ela seja aceita no nível local.

Palavras-chave: Energia, Fontes alternativas e renováveis, Armazenamento.

1. INTRODUÇÃO

A eletricidade faz parte da natureza, sendo um das formas de energia mais utilizadas pelo homem. Ela é obtida de

forma secundária a partir de outras fontes como o carvão, o petróleo, a energia solar, a energia hidráulica, entre outras.

Os primeiros conhecimentos sobre a eletricidade são datados desde a antiguidade, mas a partir do século XVIII se

precedeu as descobertas de grande importância que permeiam até os dias atuais, como o advento da lâmpada, o

transporte de energia elétrica, e a criação do transformador.

“A energia elétrica é uma das principais fontes de energia da civilização contemporânea. O elétron, que apresenta

uma carga considerada, por convenção, de sinal negativo, constitui o fundamento dessa forma de energia, já que é o seu

movimento que possibilita a realização de trabalho. [...].”. (STANO JÚNIOR e TIAGO FILHO, 2007, p. 4).

Um dos métodos de se obter eletricidade é com o uso das energias renováveis, aquelas que não degradam o meio

ambiente, obtidas de fontes naturais como o sol, a água, o vento e a biomassa. Essas formas de energia sempre

existiram, mas passaram a ser enfatizadas logo após a Segunda Guerra Mundial onde o homem se viu necessitado a

procurar novas formas de gerar energia. Hoje a tecnologia aplicada nas fontes renováveis mostra seu potencial elevado,

fazendo com que essa forma de energia ganhasse espaço entre as fontes fósseis.

Com o crescente uso dos combustíveis fósseis a partir da Revolução Industrial, fez com houvesse um acréscimo na

temperatura do Planeta, aumentando o efeito estufa, que se caracteriza por um mecanismo natural, mas que, por

interferência do homem lançando na atmosfera grandes quantidades de gases do efeito estufa, passou a alterar

perigosamente a temperatura da Terra. As energias renováveis podem reverter esse quadro, com o seu crescimento as

fontes limpas podem ocasionar uma estabilização nas emissões de gases de efeito estufa, fazendo com que as alterações

climáticas ganhem menos proporção, ademais, sabendo que os combustíveis fósseis se tornarão menos disponíveis além

de uma possível escassez deste por causa de sua alta demanda, as energias renováveis são encaradas como as mais

promissoras fontes de energia.

Existem várias formas de armazenar eletricidade, dentre os vários tipos estão as baterias, as células a combustível

e os flywheels. As baterias são um dos métodos mais conhecidos e que estão por todas as partes (carros, computadores,

celulares) age convertendo a energia química em eletricidade e de modo mútuo energia elétrica em química. Elas têm

uma particularidade em relação ao seu rendimento quanto a transformação de energia química em energia elétrica, pois

muita energia se perde na forma de calor. Outro método de acumular eletricidade são as células a combustível, que

produzem energia elétrica (e água) consumindo hidrogênio e oxigênio, o hidrogênio atua como o combustível para a

célula. Já os flywheels são dispositivos que atuam de forma “simples” baseado no princípio da inércia, em rotação o

volante (flywheel, em inglês) é colocado no vácuo onde não há a presença de atrito, fazendo com que o sistema possa

acumular energia cinética com bastante eficácia, e essa energia armazenada pode ser transformada em eletricidade.

Contudo, as fontes limpas têm algumas barreiras impostas, mesmo com os leilões de energia, certificados verdes,

dentre outras iniciativas que promovem o uso das fontes renováveis. Uma destas seria em relação aos aspectos

financeiros, onde nem toda parte do mundo há tecnologia suficiente para empregar essas fontes, muito menos um

mercado consolidado, além da falta de investimentos na área. Mesmo que existam aspectos que comprovam que as

fontes renováveis tem um grande potencial na geração de energia, ainda há certa desconfiança por parte de alguns

investidores.

2. A ELETRICIDADE INTEGRADA ÀS ENERGIAS RENOVÁVEIS NO CONTEXTO MUNDIAL

2.1 Histórico do uso de energia elétrica pelo homem

O Homem conhecia a eletricidade desde a antiguidade, mas durante o século XVIII, cientistas, físicos e

pesquisadores obtiveram descobertas marcantes no campo dessa forma de energia. Nesse mesmo período, sucedeu a

primeira forma de acumular energia elétrica com o surgimento da bateria, desenvolvida por Alessandro Volta. No

século XIX já se conhecia alguns princípios da energia elétrica, a iluminação estava em uso desde as décadas de 1860 e

1879, havia métodos de sinalização ferroviária, além de instrumentos como telégrafo e o dínamo, que foi o primeiro

gerador de corrente contínua, criado por Zénobe Gramme em 1871, onde possuía um sistema de auto ativamento que

possibilitou sua comercialização.

Um dos nomes da época foi o de Thomas Edison, em 1879, ele inventou a lâmpada incandescente e três anos

depois (1882), Edison inaugurou a primeira usina elétrica do mundo, Pearl Street (Fig. 1) no estado de Nova York. Essa

central elétrica continha geradores que funcionavam a vapor e abastecia energia para iluminação de casas e escritórios

da região em corrente contínua. Nos Estados Unidos, em meados dos anos 80, a energia elétrica passou a ser utilizada

no transporte público. Já no começo do século XX, a eletricidade foi inserida ao metrô e as ferrovias. As indústrias

também eram favorecidas com a eletricidade, onde foi frequente o aprimoramento dos componentes de corrente

contínua, como geradores e motores, para aplicação na mesma.

Figura 1 – Esboço do exterior da estação Pearl Street

(Adaptado de IEEE Global History Network)

Em 1883, Marcel Desprez provou que a energia elétrica (em corrente contínua) poderia ser transportada a longa

distância. Cerca de um ano depois Lucien Gaulard e John Gibbs permitiram o transporte de energia elétrica em alta

tensão através da criação do transformador (1884), dessa vez em corrente alternada. O transformador veio para facilitar

o transporte de energia sem perdas consideráveis, onde a energia elétrica era gerada em uma tensão mais baixa. Logo

depois essa tensão era aumentada, possibilitando o transporte desta por um longo percurso e quando chegava ao

consumidor final a tensão era baixada novamente. O emprego do transformador na indústria foi possível graças a

Nikola Tesla com o surgimento do motor trifásico de corrente alternada, em 1888. Dois anos após, Tesla o aperfeiçoou

fazendo com que o sistema de corrente alternada se assemelhasse ao de corrente contínua, oferecendo tanto força

quanto iluminação.

“[...] Logo o sistema de alta tensão alternada trifásica tornou-se universal. As linhas podiam ser ramificadas

livremente: em qualquer ponto da rede, o usuário podia retirar energia quer para iluminação, quer para força ou outros

usos. Graças aos transformadores, o fato de as redes não serem da mesma tensão não era mais um obstáculo.”

(LAMARÃO, 2012, p. 3).

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O transporte de energia elétrica a longas distâncias em corrente alternada fez com que as fábricas que antes eram

localizadas as margens dos rios, onde se tinha energia hidráulica, deslocassem para outros lugares. Além de libertar

algumas outras fábricas do alto consumo de carvão, utilizado anteriormente para fazer funcionar os motores (máquinas

a vapor). Antes da chegada da energia elétrica, as indústrias possuíam suas próprias centrais de energia.

No Brasil o princípio da eletricidade ocorreu paralelo à chegada desta na Europa e Estados Unidos, a energia

elétrica agiu como intensificador nas mudanças sociais e econômicas, onde a maior cidade e então capital era o Rio de

Janeiro. O uso da energia elétrica fez o Brasil libertar-se da prática de importação do carvão e utilizar uma atividade na

qual o país era bem servido, a energia hidráulica. Assim, no final do século XIX, ocorreu o surgimento de modestas

hidrelétricas e termelétricas para o fornecimento de eletricidade, beneficiando as atividades econômicas, como

mineração, fábricas de tecidos, produtores agrícolas e também o setor público (iluminação). O uso da energia elétrica na

indústria brasileira, em 1920, apresentava uma considerável concentração na região Sudeste, principalmente no estado

de São Paulo, o parque fabril dessa região detinha 30,3% e no Distrito Federal concentrava-se cerca de 22,5% do total

nacional.

O gráfico 1 mostra a geração de energia elétrica no mundo por tipo de combustível nos anos de 1973 e 2006,onde

houve uma acréscimo por parte do uso do carvão e do gás natural para a produção da eletricidade, ambos são

combustíveis fósseis não-renováveis e que estão submetidos a um possível esgotamento das reservas no médio e longo

prazos.

Gráfico 1 – Geração de energia elétrica no mundo por tipo de combustível nos anos de 1973 e 2006.

(IEA, 2008 apud ANEEL, [ca. 2008])

Hoje a distribuição e geração de energia elétrica são encaradas com alguns dos desafios do século XXI, produzir

energia elétrica com o mínimo de desperdício e sem prejudicar o meio ambiente é com certeza um deles. Com o

advento da eletricidade, foi permitida a ascensão da produção industrial, economicamente falando, bem como a criação

de novas tecnologias e a geração de novos ofícios. O modo de vida contemporâneo não existiria sem energia elétrica, a

sociedade foi modernizada e ao seu entorno se construiu uma profunda dependência voltada para o seu uso.

2.2 Surgimento das energias renováveis

Há muito tempo, o homem vem explorando as energias renováveis. Desde a utilização do vento como conversor

energético, através da navegação com barcos à vela, até as mais avançadas tecnologias presentes até o momento. Antes

mesmo da Revolução Industrial em meados do século XVIII, as energias renováveis eram exploradas com tecnologias

rudimentares, tal como a biomassa (lenha) que posteriormente foi substituída pelo carvão associado à máquina a vapor.

Com a descoberta do petróleo e gás natural, essa diminuição se torna mais evidente, dando lugar à dominância do

petróleo como fonte energética. Em meados do século XX, com a 2ª Guerra Mundial, surge a energia atômica. Mais

tarde, nas últimas décadas do século XX, a informática e a robótica revelam o indício de uma nova era.

A partir das crises do petróleo nas décadas de 70 e 80 surgem novas técnicas de exploração de energias renováveis

visando desenvolvimento para o futuro. Conforme a evolução tecnológica e o desenvolvimento das sociedades, a busca

por novas fontes de energia se torna cada vez mais acentuada.

2.3 Armazenamento de energia elétrica e a integração das tecnologias renováveis

A utilização das energias renováveis está cada vez mais presente na produção de eletricidade.

“Para a utilidade ou integração das energias renováveis, a capacidade de armazenamento de energia, a potência e o

ciclo de vida são os critérios a avaliar. [...]” (EPRI, 2010 apud ABELHO, 2011, p. 15).

Segundo ABELHO (2011), a penetração das energias renováveis na rede traz um enorme benefício ambiental

mesmo considerando as intermitências das principais fontes energéticas renováveis, a energia solar e a eólica. Porém,

essas interrupções causam flutuações de frequência na rede elétrica, devido ao fato de essa produção depender da

imprevisibilidade das condições climáticas e da sazonalidade, por exemplo.

Existem diversas maneiras para armazenamento de energia elétrica. As baterias, as centrais reversíveis, as células

a combustível e os flywheels serão destacados a seguir.

Baterias

As baterias são dispositivos capazes de converter a energia química em energia elétrica e vice versa com a função

de armazenar a energia elétrica sob a forma de energia química. De um modo geral, consistem em dois eletrodos

diferentes capazes de trocas positivas e negativas através de um eletrólito com cargas elétricas. Se os dois eletrodos são

conectados através de um cabo, uma corrente elétrica é produzida. As baterias têm rendimento limitado, pois muita

energia é perdida sob a forma de calor no processo de conversão de energia química em energia elétrica.

Usinas hidrelétricas reversíveis

O princípio de funcionamento de usinas elétricas reversíveis é simples: acumular o excesso de eletricidade que é

produzido por usinas térmicas em horários de pico. Durante esse período, a eletricidade em excesso é enviada para a

estação de bombeamento e um motor elétrico aciona as turbinas que bombeiam a água de um reservatório inferior para

um reservatório superior. No caso de um aumento da demanda de energia na rede o processo é revertido. Desse modo, a

água provoca a rotação das turbinas, acionando os geradores. Em seguida, a energia é produzida e injetada na rede.

Células a combustível

A célula a combustível é uma excelente solução para armazenamento de energia de maneira limpa e eficiente. Ela

consiste em um dispositivo eletroquímico capaz de converter a energia química contida nos combustíveis

(principalmente o H2), diretamente em eletricidade. Todas as células a combustível são constituídas por dois eletrodos,

um positivo e outro negativo, feitos de materiais bons condutores de elétrons e porosos para o fluxo de gases em seu

interior.

No polo negativo, também chamado de ânodo, o gás hidrogênio passa por canais de fluxo desenhados na placa do

eletrodo, participando da oxidação do hidrogênio através da Eq. (1) de reação:

(1)

No polo positivo, também chamado de cátodo, o gás oxigênio passa por canais de fluxo desenhados na placa do

eletrodo, participando da redução de oxigênio através da Eq. (2) de reação:

(2)

Eq. (3) de reação global:

(3)

A eletricidade é produzida pela combinação de íons hidrogênio - extraídos do gás combustível - com átomos de

oxigênio. Tem um funcionamento contínuo, onde um combustível é alimentado continuamente no ânodo e um oxidante

é alimentado no cátodo. As células a combustível produzem eletricidade sem a necessidade de combustão e a conversão

da energia química em eletricidade resulta também em produção de calor.

Flywheels

De acordo com a Primeira Lei de Newton, ou lei da inércia, a tendência dos corpos é manter-se no seu estado

natural. Se um corpo está em repouso, este fica parado, se está em movimento uniforme logo permanecerá em

movimento uniforme até que haja uma força contrária (como por exemplo, o atrito). Mas, o flywheel tem uma

particularidade que é de conservar sua energia. Prontamente quando posto no vácuo, aumenta sua capacidade de

conservar esta energia, permanecendo em movimento por muito tempo.

“Este sistema permite armazenar energia elétrica sob a forma de energia cinética, daí os flywheels terem elevados

requisitos, de modo a poderem atingir elevadas velocidades.” (IEC, 2011 apud PEREIRA, 2013, p. 25).

2.4 Estratégias e soluções para combustíveis fósseis

Os combustíveis fósseis estão presentes em quase tudo que utilizamos (objetos plásticos, roupas), abandonar essa

fonte é algo que não se põe em prática de um dia para outro, mas o que pode ocorrer é a utilização de novas fontes de

maneira que amenize o uso contínuo e progressivo das fontes fósseis. Investir em empresas que praticam o

desenvolvimento sustentável e que visam a captura de carbono ao invés de patrocinar ações de petróleo é uma das

estratégias. Atualmente o petróleo é a principal fonte de energia mundial, a queima de seus derivados (gasolina e diesel)

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tem gerado uma grande quantidade de monóxido e dióxido de carbono para a atmosfera, que são partes dos gases

responsáveis pelo efeito estufa. A produção de energia limpa interfere no aumento da poluição e emissão de gases de

efeito estufa minimizando o aquecimento global.

Outros incentivos estão voltados para o âmbito pessoal, como utilizar mais a bicicleta, morar perto do seu trabalho,

o uso de transporte coletivo. Não significa que todas essas mudanças serão realizadas, mas é algo que pode ser feito

para ajudar a poluir menos. Segundo Bielo (2008) um litro de combustível queimado para ir ao trabalho, por exemplo,

produz cerca de 2 Kg de CO2. Por isso que é tão importante reduzir viagens extensas, substituir os vôos em relação às

viagens curtas pelos trens é outra medida que pode ser adotada.

De acordo com Bielo (2008)

[...] os cidadãos americanos gastam mais dinheiro em eletricidade para alimentar aparelhos desligados

do que ligados. Televisores, equipamento de som, computadores, carregadores de bateria e uma série

de outros aparelhos consomem mais energia quando estão aparentemente desligados. Assim, é melhor

tirá-los da tomada.

A compra de aparelhos eficientes em energia também pode economizar tanto dinheiro quanto energia

– e assim prevenir mais emissões de gases de efeito estufa. Como um exemplo, carregadores de

bateria eficientes poderiam economizar mais de um bilhão de quilowatts/hora de eletricidade –US$

100 milhões, ao preço atual da energia elétrica – e conseqüentemente impedir a emissão de mais de

um milhão de toneladas métricas de gases de efeito estufa.

Trocar as velhas lâmpadas incandescentes por substitutas mais eficientes, como as fluorescentes

compactas (alerta: estas lâmpadas contêm mercúrio e devem ser descartadas de forma apropriada ao

final de sua vida útil mais longa), economizaria bilhões de quilowatts/hora. Na verdade, segundo a

EPA, a substituição de apenas uma lâmpada incandescente em cada lar americano economizaria

energia suficiente para fornecer eletricidade para três milhões de lares americanos.

Realizar periodicamente manutenções no carro, como assegurar que os pneus estejam devidamente calibrados,

usar o biodiesel nos veículos, reduzir o consumo de eletricidade, e o principal seria investir em energias renováveis. São

várias as soluções impostas para diminuir a dependência das fontes fósseis, cada uma destas medidas está diretamente

associada na decisão de se tornar eficiente, abrindo mão de práticas que prejudiquem o meio ambiente, o que causaria

grandes benefícios para o mundo.

2.5 Barreiras à integração das energias renováveis

Há uma diversidade de fatores que têm influenciado negativamente na implantação das energias renováveis. Os

principais deles estão relacionados com a motivação política, problemas financeiros, custos iniciais de produção e

capacitação tecnológica.

“[...] as fontes renováveis de energia necessitam obrigatoriamente de recursos públicos, seja para pesquisa e

desenvolvimento, seja para subsidiar os custos iniciais de produção.” (COSTA e PRATES, 2005, p. 16-17).

A maior participação das energias renováveis significa uma redução no consumo de combustíveis fósseis bem

como uma diversificação na matriz energética, reduzindo o risco de abastecimento e aumentando a segurança. Porém, a

falta de motivação política para apoiar essas novas ideias pode afetar de forma significativa.

Outro ponto que pode afetar negativamente é a falta de financiamento de longo prazo. Devido ao alto custo de

produção das renováveis, a aversão dos financiadores ao risco é muito grande. O mercado ainda não está consolidado, a

tecnologia muitas vezes não está bem difundida e a escala de produção ainda é bem reduzida.

As tecnologias para a inserção das renováveis sofrem uma competição desvantajosa em relação às tecnologias

aplicáveis aos combustíveis fósseis em relação aos preços dos usos finais. Há várias formas de corrigir isso. Isentar ou

reduzir as taxas sobre as renováveis é uma boa alternativa para o incentivo dessas fontes, por exemplo.

COSTA e PRATES (2005, p. 21) afirmam que os obstáculos na fase de pesquisa são enormes. Para se

comercializar plenamente essa nova tecnologia se faz necessário um aparato industrial preparado para dar suporte e que

esteja em harmonia com os objetivos traçados para as fontes renováveis.

É importante ressaltar que o direcionamento de recursos em excesso para o setor energético, pode reduzir o

investimento em outros setores e, desse modo, provocar uma queda de produtividade e redução de crescimento

econômico.

2.6 Conclusões

O uso das energias renováveis está cada vez mais tradicional. Além de atender a compromissos e obrigações

ambientais, elas também visam o desenvolvimento de tecnologias reduzindo uma possível dependência de tecnologias

de ponta. No entanto, a dependência de fontes fósseis ainda é muito grande. A substituição do petróleo por outra forma

de energia não é algo tão fácil e uma pequena mudança pode afetar consideravelmente os setores energéticos. O custo

de investimentos das fontes renováveis ainda é elevado quando comparado às tecnologias convencionais. Embora essas

diferenças de custos sejam bem expressivas, é importante observar que o tempo de maturação de uma tecnologia é

longo, porém os ganhos com a experiência são expressivos.

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