Energia e Meio Ambiente

Energia e meio ambiente é um livro que enfatiza os princípios físicos por trás do uso da energia e seus efeitos sobre nosso ambiente. Aborda a desregulação e o aumento da competição no setor de geração de energia, o aumento dos preços do petróleo e o crescente compromisso global com as fontes de energia renováveis. Ao examinar os diferentes aspectos de cada recurso energético, inclui os princípios envolvidos e as consequências ambientais e econômicas do seu uso, e enfatiza o impacto ambiental do consumo de combustíveis fósseis, a poluição atmosférica e o aquecimento global.

Esta nova edição traz artigos atualizados que discutem a questão energética no Brasil. São analisados os padrões de uso da energia no Brasil, a conservação, a energia de combustíveis fósseis, a energia solar, as fontes renováveis de energia e a energia nuclear entre outros importantes temas.

Trata-se de uma obra de referência para estudantes e profissionais das várias áreas da engenharia e das ciências exatas.

Aplicações: Cursos de graduação nas áreas relacionadas à geração, à distribuição e ao consumo de energia: Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica, Engenharia Ambiental, Química e Física.

Livro-texto para as disciplinas planejamento energético, geração, distribuição e consumo de energia elétrica, controle e redução da poluição causada pela geração e consumo de energia, e fontes alternativas de energia.

Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.

Roger A. Hinrichs

Merlin Kleinbach

Universidade de Nova York, Oswego

Lineu Belico dos Reis Universidade de São Paulo

Energia e Meio Ambiente Tradução da 5a edição norte-americana Tradução Técnica Lineu Belico dos Reis (4a e 5a edição) Engenheiro eletricista e professor livre docente da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Professor e consultor em Energia e Sustentabilidade Flávio Maron Vichi (3a edição) Doutor em Química pela Unicamp, pós-doutorado pela University of Wisconsin – Madison (EUA) e professor doutor do Instituto de Química da USP Leonardo Freire de Mello (3a edição) Engenheiro agrônomo pela Universidade Federal de Lavras, mestre em Planejamento Ambiental e doutorando em Demografia – População e Meio Ambiente pela Unicamp

Austrália

Brasil

Japão

Coreia

México

Cingapura

Espanha

Reino Unido

Estados Unidos

PREFÁCIO

Introdução à quinta edição Energia e meio ambiente é um livro introdutório que enfatiza os princípios físicos relacionados à energia, seus usos e seus efeitos em nosso ambiente. Ele pode ser utilizado em cursos de física, tecnologia, ciências físicas e ciências ambientais destinados a líderes que atuam em áreas não relacionadas a ciências. Não é necessário ter qualquer pré-requisito em matemática ou outra ciência. Grande parte da pedagogia aplicada aqui tem origem em um curso geral de educação, com duração de um semestre, que um de nós (R. H.) tem ministrado na State University de New York, Faculdade de Oswego, durante os últimos 25 anos. Nós dois estivemos envolvidos na realização de workshops na área de educação sobre energia para professores de ciência e tecnologia da escola secundária do estado de Nova York, nos últimos 25 anos.

Para esta quinta edição, todos os dados sobre recursos de energia, usos de energia e tecnologias de energia foram atualizados. No período decorrido desde a terceira edição, observamos o preço do petróleo atingir o maior valor já registrado e vimos um rápido crescimento no uso da energia pela China e pela Índia. A preocupação referente à grande dependência que o setor de transportes dos Estados Unidos tem em relação ao petróleo importado continua a crescer. Será que em breve atingiremos o pico da produção mundial de petróleo? Uma economia com base no hidrogênio e células a combustível parece estar próxima, mas existem muitos obstáculos no caminho. Os veículos elétricos estão começando a fazer pequenas, mas substanciais incursões no mercado. O mundo também está percebendo um interesse cada vez maior na energia renovável. O uso da energia eólica aumenta a uma taxa de cerca de 30% ao ano, embora as energias renováveis respondam atualmente por somente cerca de 7% do uso total de energia nos Estados Unidos e cerca de 14% do uso total mundial. Essas tendências são examinadas ao longo de todo este livro.

Continuamos a enfatizar o impacto ambiental do consumo de combustíveis fósseis, em parte, destinando capítulos a material sobre o uso de combustível fóssil, poluição do ar e aquecimento global, no início deste livro. Em virtude das preocupações ambientais, especialmente quanto ao aquecimento global novo material foi adicionado. O possível ressurgimento da energia nuclear é discutido nos capítulos finais à luz da catástrofe do terremoto e tsunami no Japão. A interdependência das economias e dos ambientes mundiais, principalmente no que se refere à energia, nos levou a acrescentar mais exemplos, abordando o uso da energia em outros paí-

VI Energia e meio ambiente ses, tanto nos industrializados como nos que estão em desenvolvimento. Incluímos a questão “Como você escolheria?”, no começo de cada capítulo, que propõe aos leitores desenvolverem suas próprias opiniões sobre uma questão específica relacionada à energia. Esta questão (Como você escolheria?) é revisitada ao final do capítulo e o leitor é solicitado a responder se o conteúdo aprendido modificou seu conceito sobre a mesma.

Objetivos deste livro Como o assunto energia é multifacetado, este livro tem diversos propósitos. O primeiro e mais importante é que o livro procura explicar os princípios físicos básicos relacionados às diferentes transformações de energia que ocorrem, incluindo o estudo da mecânica, da eletricidade e do magnetismo, da termodinâmica e da física atômica e nuclear. Ao mesmo tempo, ele aborda questões ambientais cruciais causadas pelo uso da energia que, atualmente, estão recebendo muita atenção pública, tais como aquecimento global, lixo radioativo e resíduos sólidos nos municípios. O melhor meio de compreender as consequências das alternativas energéticas atuais e futuras, assim como o equilíbrio ambiental, social e econômico que precisa ser atingido, é entender os princípios científicos envolvidos.

Esses princípios são apresentados com uma quantidade mínima de material de matemática e com a ajuda de exemplos do dia a dia. Cada capítulo traz um conjunto de problemas (principalmente, não relacionados à matemática) que visam enfatizar os princípios e aplicá-los a situações referentes à energia e ao ambiente. Também estão incluídos muitos dos tópicos padrão encontrados nos livros introdutórios à física. Como consequência, este livro pode ser utilizado como texto básico de um curso de física conceitual ou ciência física tendo a energia como o tema central, como tem sido a nossa prática.

Em segundo lugar, o livro examina diferentes aspectos de cada fonte de energia, incluindo os princípios envolvidos e as consequências ambientais e econômicas de seu uso. A energia renovável é abordada no início, depois da transferência de calor, e praticamente tudo, desde sistemas de aquecimento solar a dispositivos fotovoltaicos e geradores eólicos, é analisado.

Os princípios da energia nuclear e o debate sobre o descarte de lixo radioativo são analisados detalhadamente. No centro da maioria dos esquemas de conversão de energia estão as máquinas térmicas, por isso, os princípios gerais desta área são desenvolvidos no começo do livro (Capítulo 4). Os aspectos ambientais da geração e do uso da eletricidade são outro tema básico. A poluição do ar e o aquecimento global também são tratados no início, em capítulos separados, assim como alguns meios pelos quais seu impacto pode ser controlado ou diminuído.

Em terceiro lugar, o livro procura integrar as complexas questões relativas à política de energia e a possíveis estratégias de energia. Não existem respostas simples ou alter-

PR EFÁCI O VII

nativas únicas que possam atender a todas as nossas necessidades referentes à energia, a preservar nossa prosperidade econômica e a proteger nosso meio ambiente.

São apresentadas questões (muitas delas, não respondidas) ao longo de todo este livro, com o objetivo de incentivar os leitores a pensarem à frente, de modo crítico, e talvez até mesmo começarem a desenvolver suas próprias soluções. As questões “Como você escolheria?”, no começo de cada capítulo, encorajam uma abordagem mais crítica. O importante tema da conservação da energia é enfatizado com exemplos em todo o livro, em vez de em um capítulo separado, porque o uso eficiente da energia deve ser motivo da maior preocupação em cada área — da mecânica da energia à transferência de calor e ao uso da eletricidade. São fornecidas sugestões práticas, as quais esperamos que façam os leitores avaliarem, de modo mais efetivo, seu papel no uso mais eficiente da energia.

Muitos livros abordam o tema da energia, mas poucos procuram ensinar princípios gerais da física e falar das muitas alternativas de fornecimento e de conservação de energia.

Esses temas são apresentados de tal forma que apelam ao crescente público de líderes que atuam em áreas não relacionadas a ciências, assim como fornecem informações relevantes aos que estão interessados em ciências e em engenharia.

Abordagem Embora o material neste livro esteja organizado de modo a seguir uma sequência tradicional, apresentada em um curso de física, tentamos ordenar os tópicos para que atendessem aos interesses atuais dos estudantes. O aquecimento solar é abordado no começo (Capítulo 6), mas somente após os conceitos de transferência de calor (Capítulo 4) e de conservação de energia residencial (Capítulo 5) serem discutidos. Os capítulos 8 e 9 se referem aos aspectos ambientais do uso da energia, tais como poluição do ar (a partir de fontes estacionárias e móveis), aquecimento global e poluição térmica. Esses tópicos vêm depois do Capítulo 7, sobre combustíveis fósseis. A física da exploração e da recuperação de petróleo é abordada no Capítulo 7, como um tópico especial.

A energia fotovoltaica e também a área de energia eólica, atualmente em rápido crescimento, são apresentadas nos capítulos 10 e 11, sobre produção de energia elétrica. Novas tecnologias automotivas incorporando células a combustível e veículos híbridos e elétricos são discutidas nestes dois capítulos. A fissão nuclear é o assunto do Capítulo 14, diretamente após um capítulo sobre os fundamentos da física atômica e nuclear. O Capítulo 17 fala sobre o abrangente tópico da biomassa, desde a combustão de madeira até o tema dos resíduos sólidos em municípios, e também a produção de combustíveis de álcool a partir do milho.

VIII Energia e meio ambiente

Recursos Muitos recursos neste livro foram elaborados para incentivar os estudantes a compreenderem o papel fundamental da energia em nossa sociedade e as implicações que derivam de seu próprio consumo de energia. O livro foi projetado para tornar a física e suas aplicações relevantes e interessantes para líderes que atuam em áreas não relacionadas a ciências. A seguir, uma descrição desses recursos: • Questões da seção “Como você escolheria?” iniciam cada capítulo descrevendo uma situação do mundo real na qual se pede ao leitor para que tome uma decisão que utiliza os conceitos apresentados no capítulo. Essa questão é revisitada no final de cada capítulo, com a finalidade de examinar como a aplicação da ciência ali aprendida afeta a decisão que foi tomada.

• Atividades são experimentos interativos que os estudantes podem realizar em suas casas ou em seus quartos, utilizando itens comuns. Essas atividades oferecem oportunidades para reforçar experimentalmente o material abordado; elas são integradas aos capítulos e estão no final de cada um deles. Alguns exemplos são a construção de um modelo simples, utilizando uma caixa de sapatos, para examinar o aquecimento solar; um experimento que visa estudar a transferência de calor a partir de latas de refrigerante isoladas, e a investigação de partículas atmosféricas. Todas as atividades foram testadas, muitas delas, em workshops realizados no verão, que nós dirigimos e que foram direcionados a professores de ciência e tecnologia da escola secundária.

• O uso residencial da energia, que é enfatizado por meio de muitos exemplos relevantes para os lares. A análise das perdas de calor nas residências e os meios para reduzi-las são abordados no Capítulo 5. Novas alternativas de iluminação eficientes são abordadas no Capítulo 10, sobre eletricidade.

• Perspectivas internacionais sobre energia, que são enfatizadas em todo o livro.

Embora o livro tenha como foco principal o uso de energia nos Estados Unidos, somos parte de uma aldeia global interdependente. Como bem sabemos, eventos políticos em outras partes do mundo podem ter efeitos importantes na própria economia norte-americana. Também dedicamos atenção àquelas pessoas que vivem nos países em desenvolvimento, onde a energia representa um papel vital. Os quadros “Foco em”, que destacam aplicações interessantes ou fatos incomuns sobre energia, ajudam nesta área. Nós, os autores, temos muitos anos de experiência trabalhando em países em desenvolvimento (Etiópia, Quênia, Omã, Catar, Palestina).

PR EFÁCI O IX

Opções de ensino Em virtude das muitas facetas do uso da energia e do nosso ambiente, algumas seções e alguns capítulos deste livro poderão ser deixados de lado, sem que isso represente qualquer perda de continuidade, no caso de um curso abreviado. Por exemplo, a seção sobre máquinas térmicas, no Capítulo 4, poderá ser excluída (especialmente, no caso de líderes que atuam em áreas não relacionadas a ciências); o princípio de eficiência, de Carnot, poderá ser abordado posteriormente, como parte do Capítulo 9, que trata da poluição térmica. Para compor um curso mais resumido, você pode “pular” o Capítulo 15, sobre os efeitos biológicos da radiação, e o Capítulo 16, sobre fusão, e, em seu lugar, se concentrar no tema da conversão de biomassa, no Capítulo 17. Embora os capítulos 7 e 8 forneçam algum conhecimento de física relacionado a fluidos e à tecnologia de exploração de petróleo, eles podem ser ignorados, se o curso for planejado para diminuir a abordagem sobre alguns dos aspectos ambientais do uso da energia.

O estilo de redação sem um enfoque técnico permite ao instrutor destinar seções, em cada capítulo, como uma leitura auxiliar, o que possibilita abranger maior conteúdo do livro, em comparação ao que poderia ser abordado somente em discussões realizadas em classe. Os autores descobriram que a importância do assunto energia pode se tornar ainda mais relevante se levarem para as aulas artigos de jornais locais ou nacionais que trazem discussões sobre energia.

AGRADECIMENTOS

Para produzir um bom livro, dependemos dos comentários e das sugestões daqueles que ministram o curso nos Estados Unidos. Suas contribuições são de grande ajuda na criação e na revisão deste livro. Agradecemos a Abdelkrim Boukahil (University of Wisconsin-Whitewater), Patricia A Cleary (University of Wisconsin-Parkside), Steve Hnetkovsky (Wabash Valley College), John Katers (University of Wisconsin-Green Bay), Charles Nickles (University of Massachusetts-Dartmouth), Rahim Setoodeh (Milwaukee Area Technical College) e Edward Stermer (Illinois Central College) por seus comentários sobre a quarta edição e por suas sugestões para o desenvolvimento da nova edição.

Também agradecemos a Abdelkrim Boukahil (University of WisconsinWhitewater), John Katers (University of Wisconsin-Green Bay) e Charles Nickles (University of Massachusetts-Dartmouth), por sua ajuda na revisão dos rascunhos dos capítulos da quinta edição.

Além disso, somos gratos pelos comentários sobre as edições anteriores, feito por David Appenbrink (University of Chicago), James Boyle (Western Connecticut State University), Terry Carlton (Oberlin College), Richard W. Fox (Chicago State University), Patrick Gleeson (Delaware State University), Laurent Hodges (Iowa State University), Daniel Holland (Illinois State University), Joseph Katz ( Johns Hopkins University), Philip Krasicky (Hamilton College), Wesley Lingren (Seattle Pacific University), Nebil Misconi (University of Central Florida), John Oughton (Century College), Jack Pinnix, (Chicago State University), Robert Poel (Western Michigan University), Daryl Prigmore (University of Colorado, Colorado Springs), Ljubisa R. Radovic (Pennsylvania State University), Don Reeder (University of Wisconsin, Madison), David Ruzic (University of Illinois, Champaign-Urbana), Peter Schroeder (Michigan State University), Karin Shen (Vanderbilt University), Sunil Somalwar (Rutgers University), Patricia Terry (University of Wisconsin, Green Bay), Carl Voiles (Michigan State University), and Thomas Weber (Iowa State University).

Na Brook/Cole Publishing, agradecemos pelo encorajamento e pelo aconselhamento profissional de Charles Hartford, editor de física; Ed Dodd, editor de desenvolvimento, e Jill Quinn, gerente de projetos, no setor de Produção Editorial.

Roger Hinrichs e Merlin Kleinbach Seattle, Washington, e Oswego, Nova York Outubro de 2011

INTRODUÇÃO À EDIÇÃO BRASILEIRA

O principal motivo de meu envolvimento na elaboração da edição brasileira desta quinta edição do livro Energia e meio ambiente foi que seus autores perseguem objetivos comuns aos que têm orientado meus passos profissionais nesta área.

Além disso, a experiência acumulada ao longo dos anos, nos trabalhos técnicos, nos diversos tipos de cursos multidisciplinares que tenho ministrado e nos livros e publicações, também me leva a enfatizar a importância primordial da divulgação das importantes questões atuais relacionadas à energia, meio ambiente e sustentabilidade, em forma de fácil entendimento aos profissionais não especializados nos assuntos e que se oriente a desenvolver um espírito crítico e criativo.

Fui motivado também, a partir da visão integrada e abrangente que temas tão importantes requerem, pela sinergia e pela complementaridade entre o conteúdo deste livro e minhas atividades. Minha experiência tem demonstrado que as mudanças de postura e as modificações necessárias para a construção de um modelo sustentável de desenvolvimento requerem ações ao mesmo tempo participativas e integradas que estão a solicitar maiores intercâmbios e debates, o que também está contido nos objetivos dos autores do livro.

Do ponto de vista prático, meu envolvimento nesta edição apresenta duas vertentes principais: uma relacionada com a revisão da edição anterior e tradução do material acrescentado à mesma e outra relacionada com a revisão e atualização de conteúdo referente ao cenário brasileiro atual a respeito dos tópicos enfocados.

Este conteúdo foi por mim incluído na edição anterior por meio dos tópicos denominados “Com o Foco no Brasil”, nos quais são apresentados os aspectos mais significativos no cenário nacional relacionados com o tema tratado nos capítulos do livro. Tópicos que foram inseridos na maioria dos capítulos do livro, mas não em todos, uma vez que alguns enfocam conceitos básicos, de aplicação geral.

Considero importante ressaltar novamente que os tópicos “Com o Foco no Brasil” foram elaborados principalmente com fins de informação e orientação, dada a abrangência dos temas, que poderia justificar a edição de diversas obras específicas. A ideia básica foi encaminhar o leitor a uma visualização do assunto em questão no cenário brasileiro, com informações que permitam seu aprofundamento no assunto e sua atualização com relação às alterações próprias da dinâmica energética. Neste sentido são também sugeridas referências básicas complementares para leitura e sites da Internet voltados ao acompanhamento e à coleta de dados sobre os temas abordados.

XIV Energia e meio ambiente Com isso, espero continuar a dar uma contribuição positiva à transposição de diversos temas importantes do livro para a realidade brasileira, o que certamente resultará em maior consciência em relação aos aspectos globais referentes à energia e ao meio ambiente, ao mesmo tempo em que ressaltará a importância de soluções criativas e locais no contexto da busca de um modelo sustentável de desenvolvimento.

Lineu Belico dos Reis São Paulo Dezembro de 2013

SUMÁRIO

capítulo 1 Introdução.......................................................................................................1 A. Energia: uma Definição Inicial.................................................................... 1 B. Uso da Energia e o Ambiente...................................................................... 4 C. Padrões de Uso de Energia.......................................................................... 8 D. Recursos Energéticos................................................................................. 15 E. Crescimento Exponencial e Esgotamento dos Recursos............................. 20 F. Petróleo: um Recurso Crítico..................................................................... 24 G. Conservação de Energia............................................................................ 28

H. Considerações Econômicas e Ambientais.................................................. 30

I. Cenários Futuros....................................................................................... 34

capítulo 2 Mecânica da Energia..................................................................................... 49 A. Introdução................................................................................................ 49 B. Formas de Energia e suas Conversões........................................................ 51 C. Movimento............................................................................................... 55 D. Energia e Trabalho..................................................................................... 61 E. Exemplos de Trabalho e Energia................................................................ 66 F. Potência.................................................................................................... 68 G. Resumo..................................................................................................... 73

capítulo 3 Conservação de Energia............................................................................. 95 A. Introdução................................................................................................ 95 B. Princípio da Conservação de Energia........................................................ 96 C. Exemplos de Conversão de Energia........................................................... 99 D. Eficiências na Conversão de Energia....................................................... 102 E. Uso da Energia nos Países em Desenvolvimento..................................... 104

XVI Energia e meio ambiente F. Um Barril, uma Caloria, um Btu? Equivalência de Energia...................... 110 G. Resumo................................................................................................... 114

capítulo 4 Calor e Trabalho......................................................................................... 125 A. Introdução.............................................................................................. 125

B. Calor e Trabalho e a Primeira Lei da Termodinâmica............................... 126

C. Temperatura e Calor................................................................................ 129 D. Princípios de Transferência de Calor....................................................... 134 E. Máquinas Térmicas ................................................................................ 145 F. A Segunda Lei da Termodinâmica........................................................... 150 G. Resumo................................................................................................... 155

capítulo 5 Conservação de energia residencial e controle de transferência de calor............................................................................. 161 A. Introdução.............................................................................................. 161

B. Materiais de Construção......................................................................... 162

C. Isolamento da Casa e Cálculos de Aquecimento..................................... 164 D. Escolha de Local..................................................................................... 176 E. Impacto das medidas de conservação de energia..................................... 177 F. Resfriamento........................................................................................... 178 G. Condicionadores de ar e bombas de calor............................................. 181 H. Resumo................................................................................................... 186

capítulo 6 Energia Solar: Características e Aquecimento.................................. 195 A. Introdução.............................................................................................. 195 B. Características da Radiação Solar Incidente............................................ 199 C. História do Aquecimento Solar............................................................... 206 D. Visão Geral do Aquecimento Solar Contemporâneo............................... 213 E. Água Quente Solar Residencial............................................................... 214 F. Sistemas Solares Passivos de Aquecimento de Ambientes........................ 222 G. Sistemas Solares Ativos de Aquecimento de Ambientes........................... 228 H. Armazenamento de Energia Térmica....................................................... 231 I. Resumo................................................................................................... 234

su má ri o XVII

capítulo 7 Energia de Combustíveis Fósseis.............................................................. 253 A. Introdução.............................................................................................. 253 B. Terminologia dos Recursos...................................................................... 255 C. Petróleo.................................................................................................. 259 D. Gás Natural............................................................................................ 274 E. Carvão: Um Papel em Expansão.............................................................. 278 F. Fontes Futuras de Petróleo....................................................................... 286 G. Resumo................................................................................................... 288

capítulo 8 Poluição do Ar e Uso de Energia........................................................... 305 A. Introdução.............................................................................................. 305 B. Propriedades e Movimento da Atmosfera................................................ 308 C. Poluentes do Ar e suas Fontes................................................................. 317 D. Padrões de Qualidade do Ar................................................................... 334 E. Dispositivos de Controle de Emissão em Automóveis.............................. 339 F. Sistemas de Controle de Poluição de Fontes Estacionárias....................... 343 G. Resumo................................................................................................... 350

capítulo 9 Aquecimento global E poluição térmica............................................ 357 A. Introdução.............................................................................................. 357 B. Aquecimento Global e Efeito Estufa: Observações.................................. 359 C. Aquecimento Global: Possíveis Impactos................................................ 367 D. Aquecimento Global: Possíveis Ações..................................................... 374 E. Poluição Térmica .................................................................................... 378 F. Efeitos Ecológicos da Poluição Térmica................................................... 380 G. Torres e Lagoas de Resfriamento............................................................. 385 H. Usando os Resíduos de Calor.................................................................. 387 I. Resumo................................................................................................... 389

capítulo 10 Eletricidade: Circuitos e Supercondutores........................................ 395 A. Introdução à “Eletrificação”.................................................................... 395 B. Reestruturação das Companhias de Energia Elétrica................................ 397

XVIII Energia e meio ambiente C. Cargas e Correntes Elétricas.................................................................... 401 D. Baterias e Veículos Elétricos.................................................................... 405 E. A Lei de Ohm......................................................................................... 411

F. Supercondutividade................................................................................ 413

G. Circuitos Elementares.............................................................................. 416 H. Potência Elétrica..................................................................................... 419 I. Avaliando o Custo do Uso da Energia Elétrica......................................... 422 J. Células a Combustível............................................................................. 427

K. Resumo................................................................................................... 433

capítulo 11 Eletromagnetismo e Geração de Eletricidade................................... 443

A. Forças e Campos Magnéticos.................................................................. 444

B. A Geração de Eletricidade...................................................................... 451 C. Transmissão de Energia Elétrica .............................................................. 454 D. O Ciclo Vapor­‑Elétrico Padrão em uma Usina Geradora.......................... 464 E. Cogeração.............................................................................................. 467 F. Resumo................................................................................................... 471

capítulo 12 Eletricidade de Fontes Solares, Eólicas e Hídricas........................... 477

A. Introdução.............................................................................................. 477

B. Princípios das Células Solares................................................................. 481

C. Manufatura das Células........................................................................... 484 D. Economia e Sistemas Fotovoltaicos......................................................... 486 E. Energia Eólica......................................................................................... 493 F. Energia Hidráulica.................................................................................. 507 G. Instalações Elétricas Termossolares.......................................................... 514

H. Resumo................................................................................................... 516

capítulo 13 Os Blocos de Construção da Matéria: o Átomo e seu Núcleo..... 527

A. Hipótese Atômica................................................................................... 528

B. Os Componentes do Átomo.................................................................... 529 C. Níveis de Energia.................................................................................... 534 D. Estrutura Nuclear.................................................................................... 536

su má ri o XIX

E. Radioatividade........................................................................................ 538 F. Cola Nuclear ou Energia de Interação Nuclear Forte............................... 542 G. A Alegria dos Choques Nucleares ou Reações Nucleares........................ 544 H. Fissão...................................................................................................... 548 I. Resumo................................................................................................... 549

capítulo 14 Energia Nuclear: Fissão............................................................................. 555 A. Introdução.............................................................................................. 556 B. Reações em Cadeia................................................................................. 563

C. Montagem de um Reator Nuclear........................................................... 566

D. Tipos de Reatores a Água Leve................................................................ 571 E. O Ciclo do Combustível Nuclear............................................................ 571 F. Resíduos Radioativos.............................................................................. 577 G. Desativação............................................................................................ 587 H. Liberações de Radioatividade.................................................................. 587 I. Avaliação de Probabilidade de Risco e Segurança Nuclear..................... 599 J. Projetos Alternativos de Reatores............................................................ 602 K. Proliferação Nuclear............................................................................... 607 L. Resumo Ambiental e Econômico da Energia Nuclear.............................. 609 M. Resumo................................................................................................... 613

capítulo 15 Efeitos e Usos da Radiação....................................................................... 619 A. Introdução.............................................................................................. 619 B. Dose de Radiação................................................................................... 620 C. Efeitos Biológicos da Radiação................................................................ 622 D. Radiação de Fundo, Incluindo Radônio.................................................. 627 E. Padrões de Radiação............................................................................... 632 F. Usos Médicos e Industriais da Radiação................................................. 634 G. Proteção contra a Radiação.................................................................... 640

H. Resumo................................................................................................... 642

capítulo 16 Alternativas Futuras de Energia: Fusão............................................... 651 A. O Potencial da Energia de Fusão............................................................. 651

XX Energia e meio ambiente

B. Energia das Estrelas: o Processo de Fusão................................................ 652

C. Condições para a Fusão.......................................................................... 654 D. Reatores de Fusão de Confinamento Magnético...................................... 655 E. Fusão Induzida por Laser........................................................................ 659 F. Fusão a Frio............................................................................................ 663 G. Resumo e Perspectivas para a Fusão........................................................ 665

capítulo 17 Biomassa: das Plantas ao Lixo................................................................. 667 A. Introdução.............................................................................................. 667 B. Conversão de Biomassa.......................................................................... 668 C. Alimento, Combustível, Fome................................................................. 679 D. Resíduos Sólidos Municipais................................................................... 683 E. Combustão de Madeira........................................................................... 690 F. Resumo................................................................................................... 700

capítulo 18 Canalizando o Calor da Terra: Energia Geotérmica....................... 715 A. Introdução.............................................................................................. 715

B. Origem e Natureza da Energia Geotérmica............................................. 717

C. Sistemas Hidrotérmicos........................................................................... 719 D. Exploração e Recursos Geotérmicos....................................................... 723 E. Recursos Geotérmicos de Baixa Temperatura.......................................... 726 F. Impactos Ambientais............................................................................... 727 G. Resumo................................................................................................... 728

capítulo 19 Um Compromisso Nacional e Pessoal................................................... 731

APÊNDICE a..................................................................................... 737 APÊNDICE B..................................................................................... 739 APÊNDICE C..................................................................................... 741 GLOSSÁRIO..................................................................................... 745 ÍNDICE REMISSIVO......................................................................... 753

Capítulo 1 Introdução

Conteúdo A. Energia: uma Definição Inicial B. Uso da Energia e o Ambiente

Foco em 1.1: Nossa Terra – Antes e Agora C. Padrões de Uso de Energia D. Recursos Energéticos Foco em 1.2: Uso da energia na China E. Crescimento Exponencial e Esgotamento dos Recursos F. Petróleo: um Recurso Crítico G. Conservação de Energia H. Considerações Econômicas e Ambientais

Foco em 1.3: O Protocolo de Kyoto sobre as Mudanças Climáticas I. Cenários Futuros Com o Foco no Brasil: Introdução

A. Energia: uma Definição Inicial A energia é um dos principais constituintes da sociedade moderna. Ela é necessária para se criar bens com base em recursos naturais e para fornecer muitos dos serviços com os 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, passando de uma sociedade rural para outra, urbana e rica, foi possível pela utilização de tecnologia moderna firmada 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, a Guerra do Golfo Pérsico de 1991 e a invasão do Iraque em 2003, fizeram muitos passarem a perceber 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 1970 ainda são memórias tristes para algumas pessoas. Apesar dessas tristes lembranças, as crises energéticas dessa década foram quase completamente esquecidas nos

2 Energia e meio ambiente anos 1980. Contudo, trouxeram uma crescente preocupação com o nosso ambiente.

Inquietações relacionadas com o aquecimento global, a chuva ácida e os resíduos radioativos ainda hoje nos perseguem, e cada um desses temas está relacionado à forma como usamos a energia.

Apesar de o interesse em ser autossuficiente em energia e obter uma fonte energética própria ter sido forte nas décadas de 1970 e 1980, durante a segunda metade dos anos 1990, todo o público pôde ter 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 podiam comprar energia do fornecedor de sua preferência e o custo da energia passou a não ser o único critério nessa escolha. Muitas pessoas decidiram comprar energia de fornecedores que poluíssem menos, as chamadas alternativas de “energia verde”.

Os trágicos eventos de 11 de setembro de 2001 mudaram o mundo para sempre.

Ameaças e ações continuadas de terroristas têm tanto impacto na questão energética quanto na segurança pública. Os Estados Unidos (assim como muitos outros países do mundo industrializado e em desenvolvimento) importam mais que a metade do petróleo que consomem. Há muitos e diversos grupos pedindo ações em relação a isso, pois a forte dependência da importação de petróleo coloca em risco a segurança doméstica e o bem­‑estar econômico dos Estados Unidos. Grande parte da importação de petróleo americana é utilizada no setor de transporte e, assim, deve haver ações em busca de aumento da eficiência dos automóveis, de combustíveis alternativos e de conservação de energia. Tais mudanças levam tempo, mas um aumento do preço do petróleo para quase o dobro pode não levar tanto, como se viu em 2008.

A energia permeia todos os setores da sociedade – economia, trabalho, ambiente, relações internacionais –, assim como as nossas próprias vidas – moradia, alimentação, saúde, 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 à 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 tornou­‑se 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 vêm do petróleo, boa parte importada do Golfo Pérsico pelas nações industrializadas. Dessa região, o Japão importa 80% do seu petróleo e os Estados Unidos, 18%. Enquanto a França importa quase todo o seu petróleo, apenas 15% vêm do Golfo Pérsico. Se os países industrializados fossem submetidos a alguma restrição significativa de acesso a essas fontes de petróleo, como a redução das jazidas ou grandes aumentos dos preços, com certeza suas economias sofreriam danos consideráveis.

A imagem que se tem de energia pode ser ilustrada de muitas formas em virtude de experiências particulares. Você pode pensar na “energia” (ou na falta dela)

Capítulo 1 introdução 3

que uma determinada pessoa tem, ou na energia cinética que uma pedra adquire ao ser jogada, ou na energia responsável pelo movimento dos automóveis, ou, ainda, na energia utilizada para a geração de luz e calor. O dicionário define energia como a “capacidade para a ação vigorosa; força inerente; forças potenciais”. É encontrada em muitas 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”. Um dos objetivos deste livro é identificar essas formas e estudar como podem ser usadas.

A energia é mais bem descrita pelo 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, utilizá­‑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.

Segundo Richard Balzhiser, ex­‑presidente do Electric Power Research Institute: Energia não é um fim em si mesma. 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 atingir esses objetivos, e não apenas para este país, mas também em termos globais.

Energia é um conceito básico em todas as disciplinas das ciências e das engenharias. Como vamos discutir no próximo capítulo, um princípio muito importante é a energia como uma quantidade conservada, ou seja, a quantidade total de energia no universo é uma constante. A energia não é criada ou destruída, mas apenas convertida ou redistribuída de uma forma para outra, como, por exemplo, a energia eólica transformada em energia elétrica, ou a energia química, em calor. Estudaremos as várias formas de energia – química, nuclear, solar, térmica, mecânica, elétrica – e o trabalho útil que ela pode realizar para nós. Vamos explorar tanto os recursos energéticos como os processos de conversão de energia.

Entender a energia significa entender os recursos energéticos e suas limitações, bem como as consequências ambientais da sua utilização. Energia, meio ambiente e desenvolvimento econômico estão forte e intimamente conectados.

Durante as últimas três décadas, o consumo de energia global praticamente dobrou, enquanto, apenas nos Estados Unidos, aumentou 25%. Muito desse crescimento global aconteceu nos países menos desenvolvidos. (Nas próximas duas décadas, estima­‑se que o consumo de energia vá aumentar em torno de 100% nos países em desenvolvimento, o que corresponde a um crescimento médio de 3% ao ano. A maior parte desse crescimento deverá ocorrer nas nações em desenvolvimento da Ásia, principalmente China e Índia). Juntamente com tal crescimento, observou­‑se o declínio da qualidade do ar urbano e a grave e intensa degradação do solo e das águas. Como os combustíveis fósseis representam 90% do nosso consumo de recursos energéticos, continuamos a aumentar as emissões de dió­

4 Energia e meio ambiente xido de carbono, que podem alterar irreversivelmente o clima da Terra. O uso adequado da energia requer que se leve em consideração tanto as questões sociais como as tecnológicas. O crescimento econômico sustentável neste século, juntamente com o incremento da qualidade de vida de todos os habitantes do planeta, apenas pode ser possível com o uso bem planejado e eficiente dos limitados recursos energéticos e o desenvolvimento de novas tecnologias de energia.

B. Uso da Energia e o Ambiente Vivemos em uma era de preocupação ambiental. Políticos terão dificuldades para ser eleitos se não tiverem, pelo menos, uma clara preocupação com as questões ambientais. Muitas modificações no ambiente ocorreram nos quarenta anos passados desde o primeiro Dia da Terra, em 22 de abril de 1970. Algumas delas estão listadas no quadro Foco em 1.1.

O 25o aniversário do Dia da Terra, em 1995, focou o progresso conseguido na melhoria da qualidade do ar e das águas. Em relação à poluição atmosférica, o smog1 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. Novas normas relacionadas às emissões e aumento da eficiência no uso dos combustíveis (ver também Capítulo 8) fizeram de 2010 um ano ainda melhor quanto às emissões. As emissões de dióxido de enxofre, causa primária da chuva ácida, diminuíram um terço desde 1970. Nesse ano, aproximadamente um quarto dos rios norte­‑americanos atendia aos padrões federais para pesca e natação; em 1995, essa quantidade aumentou para 60% do total. Tais realizações não foram obtidas sem enormes esforços. Os gastos federais e estaduais para a redução e o controle da poluição aumentaram sensivelmente desde 1970. 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 tóxicos e dos pesticidas, a proteção das espécies ameaçadas, entre outras.

O uso dos nossos recursos energéticos é um dos principais fatores a afetar o ambiente (e a aplicação de produtos químicos é outro). O crescimento da utilização de combustíveis fósseis observado desde o início da era industrial causou o aumento da concentração de dióxido de carbono atmosférico em torno de 30%, 1

No original: smog. Não há tradução literal desta palavra para o português. A definição em inglês é: uma mistura de fumaça e poluição criada fotoquimicamente, com ou sem a presença de neblina. Usaremos aqui o termo original. (N.T.)

Capítulo 1 introdução 5

assim como a elevação da temperatura global (Figura 1.1). Temperaturas globais altas podem levar ao derretimento das calotas polares e ao aumento dos níveis dos oceanos, o que vai provocar a migração das populações das regiões litorâneas do planeta para áreas mais altas. Isso também pode significar uma mudança nas áreas de agricultura, uma vez que os padrões de precipitação se deslocam em direção ao norte, assim como aumento de doenças.

Além do uso dos recursos energéticos, a exploração desses recursos pode impactar o ambiente. Um caso recente é o vazamento de petróleo no Golfo do México em abril de 2010. Danos num poço, 1 milha (cerca de 1,5 km) abaixo da superfície do mar, permitiram vazamento continuado de petróleo bruto durante três meses, liberando 200 milhões de galões – o maior desastre de vazamento de petróleo do mundo (ver Figura 1.2).

FOCO EM 1.1 NOSSA TERRA – ANTES E AGORA 1970

1990

2010

População global

3,3 bilhões

5,4 bilhões

6,8 bilhões

103 toneladas de chumbo emitidas (Estados Unidos)

204

5

1

Toneladas de lixo reciclado

8 milhões

49 milhões

83 milhões

Toneladas de lixo geradas por ano (Estados Unidos)

121 milhões

160 milhões

250 milhões

Porcentagem de petróleo importado (Estados Unidos)

23%

51%

53%

Porcentagem do orçamento federal investido no meio ambiente (Estados Unidos)

3%

1,5%

1,2%

CO2 atmosférico – em ppm (Estados Unidos)

325

350

384

Emissões globais de CO2 – em 109 toneladas/ano

14

21

31,0

Fonte: eia.gov e epa.gov.

Um problema ambiental cada vez mais grave é o descarte do lixo que produzimos. Os Estados Unidos geram aproximadamente 4,5 libras2 de lixo por pessoa por dia – ou seja, mais de 3 toneladas por família por ano –, que é o dobro da média da Equivalente a cerca de 2,03 kg. (N.T.)

2

6 Energia e meio ambiente Figura 1.1

Correlação entre a mudança na temperatura global e as concentrações atmosféricas de dióxido de carbono e de metano apresentadas nessa ordem

(Intergovernmental Panel on Climate Change – IPCC). Uma

correlação mais convincente entre as concentrações de dióxido de carbono e a temperatura da Terra durante os últimos apresentada na

400 mil anos é

Figura 9.1, no capítulo 9.

Desvio-padrão da temperatura em °C (em relação à média de 1961 a 1990)

(Fonte: Mudanças Climáticas, 2001: Relatório Síntese. Uma contribuição dos grupos de trabalho I, II e III ao terceiro relatório do “Intergovernmental Panel on Climate Change”, IPCC, Figure 2-3, Figure 2-1, Cambridge University Press. Reproduzido com permissão.)

0,8

0,8

0,4

0,4

0,0

0,0

–0,4

–0,8

A

–0,4

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

–0,8

B 1,5

Concentração de CO2 (partes por milhão)

360 340

1,0

320 0,5

300 280

0,0

260 1000

1200

1400

1600

1800

2000

Concentração de metano (partes por milhão)

C 1.750

0,50

1.500 1.250

0,25

1.000 750 1000

0,00 1200

1400

1600

1800

2000

Capítulo 1 introdução 7

Europa. Estamos ficando sem lugares adequados para enterrar nosso lixo. A quantidade de aterros sanitários nos Estados Unidos diminuiu de 14 mil em 1970 para menos de 1.600 hoje, com uma população maior. Como vamos lidar com os resíduos sólidos? Por meio da incineração, utilizando o calor produzido para propósitos industriais, para a geração de eletricidade ou para ambos, e destinando apenas as cinzas para os aterros? Existe muita oposição a essa abordagem por causa da possível poluição térmica, do ar e das águas. Quanto desse problema pode ser resolvido pela reciclagem, pela redução de embalagens e por outros meios?

Foto aérea do vazamento de petróleo no Golfo do México, em 2010.

U.S. Navy photo by Mass Communication Specialist 2nd Class Justin Stumberg/Released

Figura 1.2

A cada um desses exemplos, difíceis decisões precisam ser tomadas. Se, em virtude da preocupação com o aquecimento global, queremos reduzir a quantidade de combustíveis fósseis consumidos, quais substitutos podem ser utilizados? Mais energia solar ou nuclear? E quanto aos efeitos de longo prazo das emissões radioativas de usinas nucleares do Japão que foram causadas pelo terremoto e pelo tsunami de março de 2011? Até que ponto podemos dizer que confiamos totalmente na segurança e na efetividade dos 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 com cereais, um substituto energeticamente eficiente? Atualmente, 10% da gasolina vendida nos Estados Unidos contêm etanol, normalmente feito de milho. A Environmental Protection Agency (EPA) aprovou o uso de 15% de etanol para os veículos construídos após 2007. Devemos utilizar alimentos como combustível, quando existem muitas pessoas subnutridas?

Deve­‑se subsidiar a energia solar para que ela possa competir economicamente com os combustíveis fósseis (que são mais baratos), uma vez que eles são finitos e sua utilização danifica o ambiente? Como devemos considerar economicamente no longo prazo os impactos ambientais e os danos à saúde?

8 Energia e meio ambiente Existe uma conexão pouco entendida entre escolhas éticas que parecem muito pequenas em escala e aquelas cujas consequências aparentes são muito grandes, e que um esforço consciente para aderir a esses 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 fossem 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 Figura 1.3 mostra o consumo de energia nesse país nos últimos 200 anos, por tipo de combustível utilizado.

Entre 1850 e 2000, o uso de combustíveis comerciais subiu por um fator de 100.

No fim da década de 1940 e na década de 1950, uma média de 2,9% a mais de energia, em relação ao ano anterior, foi usada nos Estados Unidos. Nos anos 1960 e no início dos 1970, a taxa de crescimento foi ainda maior: 4,5% por ano. Tal taxa iria fazer a quantidade de energia consumida dobrar, em apenas 15 anos. No fim da década de 1970, a taxa de crescimento do consumo de energia nos Estados Unidos caiu para 3% e, no início dos anos 1980, realmente decaiu: em 1983 foram usados 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 Figura 1.3

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 1015 Btu. (Fonte: United States Energy Information Administration, USEIA.)

Petróleo

Quadrilhões de Btu

40

30 Gás natural 20

Carvão

10

Energia Hidrelétrica

Madeira 0 1800

1825

1850

1875

1900

1925

1950

1975

Energia elétrica nuclear

2000 2010

Capítulo 1 introdução 9

‑americano subiu de forma modesta, em uma taxa menor que o produto interno bruto (PIB) do país, indicando tendência rumo a uma maior eficiência energética. Nos anos 1990, o consumo de energia continuou a crescer, mas em um ritmo um pouco maior do que nos anos 1980. A crise econômica global em 2008 também resultou em diminuição do consumo total de energia.

A demanda global por energia triplicou nos últimos 50 anos, e pode triplicar novamente nos próximos 30 anos. A maioria dessa demanda aumentada no passado ocorreu nos países industrializados, e 90% dela foram satisfeitos 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 crescimento (ver Figura 1.4). É difícil acreditar que 1,4 bilhões de pessoas têm pouco ou nenhum acesso à eletricidade e que 2,7 bilhões dependem basicamente de combustíveis tradicionais (como biomassa – madeira e resíduos animais). Tais deficiências colocam sérias restrições ao desenvolvimento social e à saúde dessas populações. Projeta­‑se que o consumo de energia nos países industrializados vá aumentar apenas 1% por ano nas próximas décadas, enquanto nos países em desenvolvimento essa taxa de crescimento será de aproximadamente 3% por ano. Se tais projeções se tornarem realidade, os países em desenvolvimento estarão consumindo mais energia que os industrializados por volta de 2025. A Figura 1.5 mostra as projeções para 2025. Ela também exibe, de forma detalhada, a análise do consumo global de energia, por região, em 2007.

Horário de pico pela manhã, China.

Jon Arnold Images Ltd / Alamy

Figura 1.4

Os Estados Unidos, com apenas 4,5% da população mundial, consomem algo em torno de 25% de toda a energia usada hoje no planeta (Figura 1.6). Têm a dúbia distinção de apresentar uma das mais altas taxas per capita de consumo de energia do

10 Energia e meio ambiente mundo, equivalente à utilização de sete galões3 de petróleo (ou aproximadamente 70 libras4 de carvão) por pessoa ao dia. Isso 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 triplicaria.

As principais fontes de energia usadas nos Estados Unidos e no mundo são apresentadas na Figura 1.7. A participação de cada combustível certamente mudou ao longo dos anos. Originalmente, para produzir trabalho, os seres humanos utilizaram, além de seus músculos, os animais, a água e o vento. A sociedade pré­‑industrial assentava­‑se no uso de fontes renováveis de energia, como a água, o vento, o sol e a biomassa. A mudança para o uso de recursos não renováveis começou no século XVIII, quando uma sociedade cada vez mais industrializada passou a queimar combustíveis fósseis para fazer funcionar as máquinas a vapor (inventadas em 1763) e para fundir o ferro. Observe que em torno de 80% da energia usada nos Estados Unidos vêm de combustíveis fósseis. No caso do mundo, se combustíveis não comerciais tradicionais como madeira e esterco forem contabilizados, as fontes renováveis respondem por aproximadamente 20% do total consumido.

Consumo global de energia, 1970­‑2025, para países industrializados, em desenvolvimento e antiga União Soviética. Também são mostradas as participações regionais no consumo total final em 2007. (OECD é a sigla em inglês da Organização para a Cooperação e o Desenvolvimento Econômico.)

Figura 1.5

(Fonte: United States Energy Information Administration, Useia.)

300

História

Projeções

Japão 4,7%

Quadrilhões de Btu

250 200

Em desenvolvimento

100 50 0 1970

3 4

Antiga União Soviética 1980

1990

América do Norte 25,4%

Rússia 6,2%

Industrializados

150

China 16,1%

2001

Equivalente a 26,5 l de petróleo. (N.T.) Equivalente a 31,75 kg de carvão. (N.T.)

2010

2025

África 3,1% Oriente Médio 5,2% Ásia 13,1% América do Sul e Central 5,2%

Europa Ocidental 17,7% Europa Oriental e Antiga União Soviética 3,3%

Consumo global de energia – 2007

Capítulo 1 introdução 11

Consumo global de energia por país: 2008.

Figura 1.6

(Fonte: The World Fact Book, United States Central Intelligence Agency.)

Consumo de energia (quadrilhões de Btu)

100

99,9

90 80

73,8

70

Consumo global de energia em 2008

60 50 40

(Total global = 491 Quads) 30,4

30

22,8

20

17,7

14,6

13,1

10

11,4

9,8

ça an

ra

In

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C

Fr

á

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Ja

si ús

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hi C

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U

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do

na

s

0

Figura 1.7

Consumo de energia por fonte para o mundo e para os Estados Unidos.

(Fonte: Useia.)

Hídrica 2%

Renováveis 10% Hídrica Nuclear 6%

2%

Petróleo 34%

Renováveis 5%

Nuclear 9% Petróleo 38%

Carvão 21%

Carvão 27%

Gás Natural 21% Mundo 2008

Gás Natural 25% Estados Unidos 2009

12 Energia e meio ambiente O primeiro poço de petróleo moderno foi escavado na Pensilvânia, em 1859, e o petróleo teve seu consumo aumentado após a invenção do motor de combustão interna na década de 1870. Como tanto o número de motores quanto a disponibilidade de petróleo cresceram, a contribuição deste último aumentou após 1920.

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, este último responde por aproximadamente 40% do consumo de combustíveis nos Estados Unidos e no mundo.

O uso de gás natural nos Estados Unidos deu-se em pequena escala e localizado, até a descoberta de grandes jazidas no Texas (Figura 1.8) e na Louisiana e a construção de uma rede de gasodutos de longa distância em direção ao norte do país. Atualmente, ele responde por 23% do consumo de energia nesse país, principalmente para aquecimento doméstico/residencial e operações industriais. Em virtude do aumento das descobertas nas formações de óleo de xisto na área continental dos Estados Unidos e seu uso para gerar eletricidade, a contribuição percentual do gás natural para o consumo total de energia nesse país e no mundo tem aumentado rapidamente.

Campos de petróleo no Texas em 1901.

Getty Images

Figura 1.8

Na história da humanidade, a era do combustível fóssil será lembrada como um pequeno intervalo de tempo. A Figura 1.9 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 1940, os Estados Unidos produziam praticamente todo o petróleo de que precisavam. Contudo, a crescente demanda por energia e o declínio da produção forçaram o país a importar petróleo a partir do fim da década de 1950. A produção atingiu seu ápice em 1970 (com 11 milhões de barris por dia, abreviado como MBPD) e aumentou no fim da década pelo

Capítulo 1 introdução 13

petróleo vindo do Alasca, mas essa fonte entrou em declínio em 1988. Atualmente, a produção total do país é de menos de 5 MBPD. A Figura 1.10 indica a produção e o consumo de petróleo na última metade do século XX. Após 1998, as importações ultrapassaram a produção interna, dobrando entre 1985 e 1997. Hoje, os Estados Unidos importam cerca de metade do petróleo consumido, e espera­‑se que esse número aumente. O custo dessas importações é de aproximadamente 300 bilhões de dólares por ano, um quarto do deficit da balança comercial americana. Os cinco maiores fornecedores de petróleo para os Estados Unidos em 2010 foram a Venezuela, o Canadá, a Arábia Saudita, o México e a Nigéria.

Fontes renováveis de energia incluem a energia hidrelétrica, a biomassa (madeira e derivados), o vento (energia eólica), a energia fotovoltaica (Figura 1.11) e a energia radiante solar para aquecimento, refrigeração e a produção de eletricidade. Apesar de contribuírem com menos de 10% do total da demanda energética dos Estados Unidos, algumas dessas tecnologias estão ganhando importância. A eólica, em particular, é a fonte de energia que mais rapidamente cresce em todo o mundo. Embora, atualmente, ainda só responda por menos de 1% da energia total nos Estados Unidos, sua taxa de crescimento é de aproximadamente 25% por ano no país e de surpreendentes 35% por ano na Europa.

Hoje, a Dinamarca já supre 20% da sua demanda por eletricidade utilizando turbinas eólicas.

Consumo de energia nos Estados Unidos por combustível durante o último século.

(Fonte: Useia.)

Combustível de madeira

Energia hídrica ou hidráulica

Nuclear

100 90 Porcentagem do consumo total

Figura 1.9

Gás natural

80 70 60 50

Carvão Petróleo

40 30 20 10 0 1900

1920

1940

1960 Ano

1980

2000

14 Energia e meio ambiente Produção, importação e consumo de petróleo dos Estados Unidos: 1949­‑2010. (Petróleo inclui óleo bruto e líquidos de refinaria e petroquímicos.)

Figura 1.10

(Fonte: United States Energy Information Administration, Useia.)

25

Milhões de barris por dia

20

Consumo

15

Produção

10

5

0

Importação

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

Relembrando o início do capítulo, a energia não é um fim em si mesma, mas é valorizada pelo que pode ser feito com ela. Consequentemente, é importante examinar onde a energia é usada. Os usos finais da energia são tradicionalmente divididos em quatro setores: de transporte, industrial, residencial (habitações unifamiliares e multifamiliares) e comercial (escritórios, lojas, escolas e outros). A Figura 1.12 mostra esses usos nos Estados Unidos em 2009. A Figura 1.13 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 apresenta os setores que consomem essa energia.

Central fotovoltaica de 350 kw na Estação Rodoviária Gun Hill em Nova York. As células solares complementam o suprimento elétrico do terminal.

New York Power Authority

Figura 1.11

Capítulo 1 introdução 15

Figura 1.12

Usos finais da energia nos Estados Unidos por setor: 2009.

(Fonte: Useia.)

Comercial 19,2% Industrial 29,8% Residencial 22,3%

Transporte 28,7%

D. Recursos Energéticos Para entender a energia, é preciso conhecer os recursos energéticos, suas limitações e seus usos. Deve­‑se ter alguma ideia do tamanho que cada recurso energético tem e quanto ele vai durar. Ambas as questões são difíceis de responder porque terão de ser feitas pressuposições a respeito das tecnologias futuras de extração desses recursos, dos preços dos combustíveis e da taxa de crescimento do consumo.

As estimativas de recursos de combustíveis fósseis são mais simples em relação ao carvão, pois seus depósitos ocorrem em extensos filões que se expandem por grandes áreas e em geral é coletado na superfície da terra. Estimativas de recursos de petróleo e gás natural são mais difíceis, uma vez que tais depósitos ocorrem de forma dispersa (Figura 1.14) e em profundidades que variam de alguns metros até vários quilômetros, bem como só podem ser encontrados pela exploração. A Tabela 1.1 lista as estimativas, referentes aos Estados Unidos e ao mundo, da extensão dos recursos combustíveis fósseis que podem ser recuperados de maneira lucrativa com a tecnologia atual. Esses recursos são chamados reservas. Reservas não têm uma quantidade estática, elas são adicionadas a cada ano pela descoberta e pelo incremento dos métodos para se extrair o recurso em questão de uma maneira economicamente viável.

Cada um desses recursos será abordado em um dos capítulos seguintes.

Cada tipo de recurso energético é medido em unidades adequadas a sua forma física: toneladas de carvão, barris de petróleo (1 barril equivale 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). Essa unidade5 é definida como a quantidade de energia necessária para aumentar em 1 °F 1 Btu = 2,930 × 10­‑4 kWh = 252,0 calorias = 1.055 joules. (N.T.)

5

Energia e meio ambiente é um livro que enfatiza os princípios físicos por trás do uso da energia e seus efeitos sobre nosso ambiente. Aborda a desregulação e o aumento da competição no setor de geração de energia, o aumento dos preços do petróleo e o crescente compromisso global com as fontes de energia renováveis. Ao examinar os diferentes aspectos de cada recurso energético, inclui os princípios envolvidos e as consequências ambientais e econômicas do seu uso, e enfatiza o impacto ambiental do consumo de combustíveis fósseis, a poluição atmosférica e o aquecimento global.

Esta nova edição traz artigos atualizados que discutem a questão energética no Brasil. São analisados os padrões de uso da energia no Brasil, a conservação, a energia de combustíveis fósseis, a energia solar, as fontes renováveis de energia e a energia nuclear entre outros importantes temas.

Trata-se de uma obra de referência para estudantes e profissionais das várias áreas da engenharia e das ciências exatas.

Aplicações: Cursos de graduação nas áreas relacionadas à geração, à distribuição e ao consumo de energia: Engenharia Elétrica, Engenharia Mecânica, Engenharia Ambiental, Química e Física.

Livro-texto para as disciplinas planejamento energético, geração, distribuição e consumo de energia elétrica, controle e redução da poluição causada pela geração e consumo de energia, e fontes alternativas de energia.

Trilha é uma solução digital, com plataforma de acesso em português, que disponibiliza ferramentas multimídia para uma nova estratégia de ensino e aprendizagem.