Energias renovaveis book by Youssefbrasil

Este relatório foi produzido com o apoio da União Europeia. O conteúdo desta publicação é de responsabilidade exclusiva do consórcio do projeto JELARE e não pode, de forma alguma, ser tomado como expressão das propostas da União Europeia.

This publication has been produced with the assistance of the European Union. The content of this publication is the sole responsibility of the JELARE project consortium and can in no way be taken to reflect the views of the European Union.

Organizadores

José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra Youssef Ahmad Youssef

Os autores

José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra, Youssef Ahmad Youssef, Paola Beatriz May Rebollar e Paulo Roberto Rodrigues

colaboradores

Alek Suni, Erick Cerquera Diaz e Sierra Foster

Consórcio de Universidades Europeias e Latino-Americanas em Energias Renováveis

JUNHO/2012

Ailton Nazareno Soares

Assessoria de Comunicação e Marketing – C&M

Vice-Reitor

Assessor

Sebastião Salésio Herdt

Laudelino J. Sardá

Reitor

Chefe de Gabinete

Willian Corrêa Máximo Pró-Reitor de Ensino e Pró-Reitor de Pesquisa, Pós-Graduação e Inovação

Mauri Luiz Heerdt Pró-Reitora de Administração Acadêmica

Miriam de Fátima Bora Rosa Pró-Reitor de Desenvolvimento e Inovação Institucional

Assistente AdministrativoFinanceira

Alessandra Turnes Assistente Editorial

Vivian Mara Silva Garcia

Valter Alves Schmitz Neto

Assistentes de Marketing

Diretora do Campus Universitário de Tubarão

Elóy Simões e Robson Galvani Medeiros

Milene Pacheco Kindermann

Editoração

Diretor do Campus Universitário da Grande Florianópolis

Hércules Nunes de Araújo Diretora do Campus Universitário UnisulVirtual

Officio (officiocom.com.br) Revisão ortográfica

Amaline Mussi

Moacir Heerdt

L52

O legado do projeto Jelare e as energias renováveis / organizadores José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra, Youssef Ahmad Youssef. - Palhoça : Ed. Unisul, 2012. 330 p. : il. color. ; 21 cm Inclui bibliografias. ISBN 978-85-8019-034-2 1. Energia – Fontes alternativas. 2. Desenvolvimento sustentável. I. Guerra, José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade, 1968-. II. Youssef, Ahmad Youssef, 1967-. III. Jelare. CDD (21. ed.) – 333.794 Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Universitária da Unisul.

Lista de Figuras Figura 1.1 – Moinho 1.................................................................................................................................................... 56 Figura 1.2 – Sol .............................................................................................................................................................. 58 Figura 1.3 – Ciclo da águas............................................................................................................................................. 59 Figura 1.4 – Distribuição geral dos ventos ..................................................................................................................... 60 Figura 1.5 – Sistema eólico ............................................................................................................................................ 67 Figura 1.6 – Gerador eólico 2Mva .................................................................................................................................. 68 Figura 1.7 – Moinho com rotor multipás......................................................................................................................... 68 Figura 1.8 – Desenho de rotores de duas ou três pás ...................................................................................................... 69 Figura 1.9 – Rotor de uma pá ......................................................................................................................................... 69 Figura 1.10 – Rotores com eixo vertical ......................................................................................................................... 70 Figura 1.11 – Corte de gerador eólico ............................................................................................................................ 71 Figura 1.12 – Pá sob ação do vento ................................................................................................................................ 74 Figura 1.13 – Diagrama Gerador Eólico máquina de indução ......................................................................................... 75 Figura 1.14 – Diagrama Gerador Eólico máquinas síncronas .......................................................................................... 76 Figura 1.15 – Diagrama Gerador Eólico máquinas ind. rotor bobinado .......................................................................... 77 Figura 1.16 – Anemômetro digital de bolso .................................................................................................................. 78 Figura 1.17 – Anemômetro analógico de torre .............................................................................................................. 78 Figura 1.18 – Anemômetro utilizado em aeroportos ..................................................................................................... 78 Figura 1.19 – Sensor de direção ..................................................................................................................................... 80 Figura 1.20 – Esteira aerodinâmica e afastamento entre turbinas eólicas...................................................................... 83 Figura 1.21 – Usina Eólica Osório ................................................................................................................................... 84 Figura 1.22 – Configuração de um sistema eólico isolado .............................................................................................. 86 Figura 1.23 – Configuração de um sistema híbrido solar-eólico-diesel .......................................................................... 88 Figura 1.24 – Parque eólico conectado à rede - Parque Eólico da Prainha (CE) ............................................................... 88 Figura 1.25 – Parque eólico instalado no mar ................................................................................................................ 89 Figura 1.26 – Direções predominantes dos ventos do Brasil ........................................................................................... 95 Figura 1.27 – Levantamento eólico do Brasil ................................................................................................................. 96 Figura 1.28 – Capacidade instalada no Brasil................................................................................................................. 97 Figura 1.29 – Velocidade média anual de vento ............................................................................................................. 98 Figura 1.30 – Aerogerador instalado no interior de uma pequena cidade na Inglaterra................................................. 99 Figura 1.31 – Parque eólico instalado no Mar do Norte ................................................................................................. 100 Figura 2.1 – Roda d’água movida a energia potencial dos recursos hídricos .................................................................. 113 Figura 2.2 – Canal de irrigação utilizando energia potencial .......................................................................................... 114 Figura 2.3 – Aquedutos em Lisboa ................................................................................................................................. 114 Figura 2.4 – Sistema de compressão de ar da Usina do Rio Montreal, Ontário, Canadá .................................................. 115 Figura 2.5 – Barragem hidrelétrica ................................................................................................................................ 117 Figura 2.6 – Turbina de marés 49.................................................................................................................................... 143 Figura 2.7 – Turbina para aproveitamento de correntes marinhas (current-marine power) ........................................... 145 Figura 2.8 – Estação de elevação de ondas .................................................................................................................... 147 Figura 2.9 – Sistema Pendular de Geração de Hidreletricidade ...................................................................................... 149 Figura 2.10 – Grande planta de captação de energia cinética com reservatório (ROR) ................................................... 150 Figura 2.11 – Esquema simplificado do funcionamento de uma usina hidrelétrica com barragem ................................ 152

Figura 2.12 – Equipamentos utilizados em uma usina hidrelétrica ................................................................................ 155 Figura 2.13 – Turbina Francis ......................................................................................................................................... 156 Figura 2.14 – Turbina Pelton .......................................................................................................................................... 158 Figura 2.15 – Turbina Turgo ........................................................................................................................................... 159 Figura 2.16 – Turbo-gerador Simplificado ..................................................................................................................... 160 Figura 2.17 – Turbina Kaplan ......................................................................................................................................... 160 Figura 2.18 – Principais componentes de uma usina hidrelétrica .................................................................................. 161 Figura 2.19 – Barragem de gravidade ............................................................................................................................ 164 Figura 2.20 – Barragem em arco .................................................................................................................................... 165 Figura 2.21 – Comportas dos descarregadores abertas .................................................................................................. 166 Figura 2.22 – Aspectos-chave para o desenvolvimento da hidreletricidade ................................................................... 201 Figura 3.1 – Distribuição da energia solar em diferentes áreas do planeta ..................................................................... 216 Figura 3.2 – Usina Solar PS10, na Espanha ..................................................................................................................... 217 Figura 3.3 – Tipos de radiação solar ............................................................................................................................... 233 Figura 3.4 – Processos de interação entre a radiação solar e a atmosfera terrestre ......................................................... 238 Figura 3.5 – Bancada de medição de radiação solar na Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil ......................... 240 Figura 3.6 – Piranômetro de Radiação Global ................................................................................................................ 241 Figura 3.7 – Piranômetro de Radiação Direta 75............................................................................................................. 242 Figura 3.8 – Piranômetro de Radiação Difusa 76............................................................................................................ 242 Figura 3.9 – Heliógrafo 77.............................................................................................................................................. 243 Figura 3.10 – Irradiação global média no território brasileiro ........................................................................................ 243 Figura 3.11 – Carro solar ................................................................................................................................................ 248 Figura 3.12 – Avião movido à energia solar ................................................................................................................... 248 Figura 3.13 – Coletor solar termal .................................................................................................................................. 251 Figura 3.14 – Sistema de bombeamento direto ............................................................................................................. 253 Figura 3.15 – Sistema de bombeamento indireto........................................................................................................... 255 Figura 3.16 – Sistema de drenagem reversa................................................................................................................... 256 Figura 3.17 – Sistema de estocagem integral 85............................................................................................................ 258 Figura 3.18 – Sistema termossifão ................................................................................................................................. 259 Figura 3.19 – Coletor solar parabólico ........................................................................................................................... 268 Figura 3.20 – Torre solar ................................................................................................................................................ 269 Figura 3.21 – Disco coletor ............................................................................................................................................ 270 Figura 3.22 – Alteração da paisagem pela mineração .................................................................................................... 277 Figura 3.23 – Alteração da paisagem pela mineração .................................................................................................... 285 Figura 3.24 – Módulo fotovoltaico.................................................................................................................................. 289 Figura 3.25 – Célula de silício monocristalino e de silício policristalino .......................................................................... 290 Figura 3.26 – Telureto de cádmio - Painel solar solar fotovoltaico flexível 95.................................................................. 292 Figura 3.27 – Módulo fotovoltaico de CIS e CIGS ............................................................................................................ 293 Figura 3.28 – Célula fotovoltaica ................................................................................................................................... 294 Figura 3.29 – Células, módulos, painéis e arranjos fotovoltaicos .................................................................................... 295 Figura 3.30 – Baterias 100.............................................................................................................................................. 296 Figura 3.31 – Controlador de carga ................................................................................................................................ 297 Figura 3.32 – Inversor de CC para CA 102........................................................................................................................ 297 Figura 3.33 – Principais componentes de um sistema fotovoltaico ................................................................................ 298 Figura 3.34 – Sistema fotovoltaico individual direto com bateria de estocagem ............................................................ 300 Figura 3.35 – Sistema fotovoltaico individual híbrido .................................................................................................... 300

Lista de Gráficos Gráfico 1.1 – Relação de velocidade do vento X altura ........................................................................................ 62 Gráfico 1.2 – Velocidade/Altura........................................................................................................................... 79 Gráfico 1.3 – Exemplo de histograma de velocidade de vento medida ................................................................ 81 Gráfico 1.4 – Curva de potência medida com massa específica do ar padrão ...................................................... 81 Gráfico 1.5 – Exemplo de energia estimada no intervalo .................................................................................... 82 Gráfico 1.6 – Curva típica de potência de turbinas eólicas.................................................................................... 85 Gráfico 1.7 – Crescimento eólico a nível mundial (MW) ...................................................................................... 93 Gráfico 1.8 – Ranking eólico de capacidade mundial instalada (MW) ................................................................. 94 Gráfico 3.1 – Irradiância Horizontal x inclinada no verão .................................................................................... 236 Gráfico 3.2 – Irradiância Horizontal x inclinada no inverno ................................................................................. 237 Gráfico 3.3 – Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos.......................................................................... 305

Lista de Tabelas

Tabela 1.1 – Classificação dos ventos .................................................................................................................. 63 Tabela 2.1 – Índices de Hanzen-Willians.............................................................................................................. 170 Tabela 3.1 – Eficiência de conversão ................................................................................................................... 293

Lista de Quadros Quadro 1.1 – Possibilidade do uso de Energia Eólica ...................................................................................................... 83 Quadro 1.2 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica ............................................................................. 90 Quadro 3.1 – Relação entre ação, aspectos ambientais e impactos ambientais na utilização de sistemas solares termais.......................................................................................................................... 277 Quadro 3.2 – Relação ação/ aspectos ambientais e Impactos ambientais na utilização de sistemas solares fotovoltaicos ............................................................................................................................... 307 Quadro 3.3 – Aparelhos elétricos e suas propriedades .................................................................................... 316

Sumário A. RELATÓRIO DE RECOMENDAÇÕES DO PROJETO JELARE NO BRASIL..................... 11 1. O PROJETO JELARE ........................................................................................... 11 1.1 Introdução.................................................................................................... 15 1.1.1 O Projeto JELARE no Brasil................................................................................ 17 1.2 Recomendações no campo da educação................................................... 19 1.2.1 Educação: uma visão geral............................................................................... 19 1.2.2 Educação: recomendações................................................................................ 21 1.3 Recomendações no campo da pesquisa................................................... 29 1.3.1 Pesquisa: uma visão geral................................................................................ 29 1.3.2 Pesquisa: recomendações................................................................................. 30 1.4 Recomendações no campo da transferência de tecnologia.................. 38 1.4.1 Transferência de tecnologia: uma visão geral................................................... 38 1.4.2 Transferência de tecnologia: recomendações.................................................... 40 1.5

Conclusão Parcial......................................................................................... 48

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

Energia Eólica.............................................................................................. 53 Introdução.................................................................................................... 55 Energia eólica................................................................................................ 56 Sistemas eólicos............................................................................................ 66 Aplicações dos sistemas eólicos.................................................................. 86 Qualidade da energia.................................................................................. 90 A Energia eólica no mundo.......................................................................... 92 O Brasil e a energia eólica........................................................................... 95 Investimentos para aplicações da energia eólica.................................... 99 Vantagens e desvantagens da energia eólica.......................................... 101

Considerações finais.................................................................................. 103 REFERÊNCIAS ................................................................................................ 104 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Energia Hídrica............................................................................................ 107 Introdução..................................................................................................... 109 Aproveitamentos hídricos nas diferentes regiões do planeta............... 112 Impactos ambientais................................................................................... 125 Contabilidade ambiental............................................................................ 137 Aspectos técnicos de aproveitamentos hídricos..................................... 142 Princípios físicos da energia de barragens (Dam power)....................... 152 Equipamentos e design das instalações das barragens.......................... 155 Viabilidade dos aproveitamentos hídricos............................................... 171 Políticas públicas e regulamentações....................................................... 185

Considerações finais.................................................................................. 200 REFERÊNCIAS................................................................................................... 203 4 Energia Solar............................................................................................... 209 4.1 Introdução.................................................................................................... 211 4.2 Papel da energia solar no contexto internacional.................................. 215 4.3 A busca de estratégias para geração de energia limpa.......................... 219 4.4 Energia solar e sustentabilidade................................................................ 224 4.5 Radiação solar............................................................................................... 232 4.6 O aproveitamento da energia solar........................................................... 245 4.7 Energia termossolar..................................................................................... 250 4.8 Energia solar fotovoltaica........................................................................... 283 4.9 Estudo de caso: dimensionamento de um sistema fotovoltaico de uma pequena escola...................................................................................... 316 Considerações finais.................................................................................. 320 Referências .................................................................................................. 323

Relatório de Recomendações do Projeto JELARE no Brasil Promovendo abordagens de pesquisa e educação orientadas ao mercado de trabalho no campo das energias renováveis.

Este projeto é financiado pela União Europeia.

Prefácio Caro leitor, No contexto da mudança climática associada ao consumo de combustíveis fósseis e problemas ambientais relacionados à energia nuclear, as energias renováveis tornaram-se recentemente um campo de grande relevância. Seja a produção de biogás a partir de resíduos, ou os grandes parques eólicos ou mesmo o uso de sistemas domésticos solares para prover energia a famílias rurais, os usos de energias renováveis são múltiplos em termos de escala, aplicação e fontes de energia. Não apenas em países menos desenvolvidos mas também em países altamente industrializados, o uso de recursos energéticos renováveis disponíveis localmente é um meio de aumentar a qualidade de vida e promover o desenvolvimento econômico. Entretanto, quando se implementam tecnologias, políticas ou imperativos políticos, é de importância central levar em conta suas consequências ambientais e sociais. Por exemplo, o cultivo de plantas para a produção de biodiesel e o impacto ecológico e social de barragens para usinas hidrelétricas dão origem a questões muito discutidas e controversas. Muitos países encaram os desafios sem o apoio de políticas e estruturas institucionais, com acesso limitado a tecnologia e a financiamentos, com infraestruturas locais inadequadas e, por fim, com falta de treinamento. Justamente, devido à natureza inovadora deste campo, universidades, como provedoras de pesquisa e educação, podem desempenhar um papel crucial na superação de tais problemas. No contexto do Projeto JELARE, implementado, de novembro de 2008 a novembro de 2011, sob a supervisão do Programa ALFA III da Comissão Europeia, várias iniciativas têm sido tomadas para desenvolver o setor de energias renováveis nos países participantes, tanto na Europa (Alemanha, Latvia) quanto na América Latina (Bolívia, Brasil, Chile, Guatemala). Ao longo dos últimos três anos, o JELARE colocou ênfase especial na necessidade de encaminhar os problemas colocados pela falta de experiência e trei-

namento nesse campo tão importante. As atividades do Projeto JELARE variaram da construção de capacidades, da criação de redes e do desenvolvimento de estratégias universitárias para a inclusão de tópicos de energias renováveis, até a implementação prática de módulos-piloto para educação, pesquisa e transferência de tecnologia no campo das energias renováveis. Todas essas atividades foram monitoradas e avaliadas de perto. As lições aprendidas durante a implementação do projeto no Brasil – tarefa que ficou a cargo da Universidade do Sul de Santa Catarina (UNISUL) – estão compiladas neste relatório de recomendações, o qual é especialmente destinado a outras instituições de ensino superior que planejam, igualmente, promover a educação, a pesquisa e a transferência de tecnologia no setor das energias renováveis. Agradecemos aos parceiros do Projeto JELARE, que desenvolveram propostas práticas para outras instituições de ensino superior com base nas experiências que tiveram no JELARE. Tais propostas estão apresentadas neste relatório, acompanhadas de exemplos de boas práticas. Gostaríamos de agradecer também ao Programa ALFA III da Comissão Europeia pelo apoio dado ao projeto. Esperamos que esta publicação, a qual será divulgada nas versões impressa e on-line, possa legar uma contribuição duradoura a futuras atividades de desenvolvimento de energias renováveis empreendidas em instituições de ensino superior na América Latina e na Europa. Faça bom uso do relatório!

relatÓrio de recomendações

1.1 Introdução À parte os benefícios ambientais, as energias renováveis oferecem um grande potencial para o desenvolvimento na América Latina. Como as energias renováveis podem ser produzidas localmente, elas proveem uma larga gama de oportunidades de emprego – desde trabalhos altamente especializados a empregos que exigem pouca especialização; desde alta tecnologia até a agricultura –, geram investimentos locais e reduzem a necessidade de importar combustíveis fósseis. Entretanto o setor de energias renováveis não pode ser desenvolvido adequadamente, quando há falta de expertise. No Brasil, por exemplo, as empresas locais e outras instituições públicas e privadas envolvidas no setor de energias renováveis são bastante carentes de suporte técnico e metodológico para implementar tecnologias, estratégias ou quadros políticos adequados. Devido à natureza inovadora desse campo, as Instituições de Ensino Superior (IES) são atores muito importantes aí, especialmente em termos de pesquisa e de educação de futuros trabalhadores. Com base em tais necessidades, iria desenvolver-se, no período de novembro de 2008 a novembro de 2011, o Projeto JELARE, com origem no Programa ALFA II, da União Europeia, para a cooperação entre Europa e América Latina no âmbito da educação superior

o legado do projeto jelare e as energias renováveis

e da formação profissional. A proposta do projeto não era apenas aumentar a qualidade acadêmica das IES europeias e latino-americanas mas também afirmar seu papel na contribuição para com o desenvolvimento econômico local e a coesão social. O projeto consistiu num esquema cooperativo que envolveu universidades da Alemanha, da Latvia, da Bolívia, do Brasil, do Chile e da Guatemala. Seu maior objetivo foi gerar abordagens inovadoras de pesquisa e educação orientadas ao mercado de trabalho no campo das energias renováveis.

O projeto estabeleceu, ainda, quatro objetivos específicos: • desenvolver e implementar pesquisa e educação orientadas ao mercado de trabalho no campo das energias renováveis; • aumentar a capacidade da equipe da universidade para modernizar seus programas de pesquisa e educação; • reforçar a ligação das universidades com o mercado de trabalho, o setor de negócios e o setor público no campo das energias renováveis; • estabelecer uma parceria a longo prazo entre universidades latino-americanas e europeias.

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1.1.1 O Projeto JELARE no Brasil A Europa contou com duas universidades representantes no projeto: uma da Alemanha, a Universidade de Ciências Aplicadas de Hamburgo (HAW), e outra da Latvia, o Instituto de Educação Superior Rezekne (RA). A América Latina teve, por sua vez, quatro representantes: a Universidade Galileo, da Guatemala, a Universidade Católica da Bolívia, a Universidade do Chile e a Universidade do Sul de Santa Catarina (UNISUL), do Brasil. A representante brasileira está entre as mais dinâmicas e inovadoras do país. Seus objetivos tradicionais – desenvolvimento, políticas e objetivos – estão rigorosamente adequados às abordagens de negócios mais atuais, trabalhando com estratégias globais, planejamento e ações estratégicas. Com quatro campi situados na capital e no sul do Estado de Santa Catarina, a UNISUL é uma instituição filantrópica sem fins lucrativos, que oferece mais de 40 programas de graduação em aproximadamente 60 cursos, bem como 42 programas de pós-graduação e 6 mestrados. Tem atualmente cerca de 38.000 estudantes, 1.742 professores e 644 funcionários. A UNISUL dispõe, também, do maior catálogo de cursos a distância no Brasil, figurando como instituição modelo para a América Latina nessa área. Além disso, já firmou mais 60 parcerias com universidades de 16 diferentes países em volta do mundo.

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Como parceira integrante do JELARE, a UNISUL comprometeu-se a atingir os seguintes objetivos: • conduzir a aplicação de um questionário sobre o mercado de trabalho na área de energias renováveis; • desenvolver concepções de ensino e pesquisa para energias renováveis; • desenvolver e implementar módulos-piloto de ensino e pesquisa para energias renováveis; • conduzir um programa de capacitação do quadro de funcionários da universidade; • estabelecer uma rede de contatos com os demais parceiros do Projeto JELARE. Um dos produtos finais da parceria JELARE é um relatório de recomendações para o aumento da qualidade das atividades de educação e pesquisa de instituições de ensino superior e para afirmação do seu papel no desenvolvimento socioeconômico regional. Essas recomendações são baseadas nas experiências adquiridas pela UNISUL durante os três anos do projeto. O relatório é também endereçado a outras universidades europeias e latino-americanas que planejam igualmente aumentar a atenção dada às energias renováveis nas atividades de ensino e pesquisa. Este relatório está estruturado em três seções temáticas: educação, pesquisa e transferência de tecnologia. Cada seção contém uma pequena introdução sobre a relevância do

relatÓrio de recomendações

assunto e traz recomendações práticas sobre como as instituições de ensino superior podem promover a inclusão das energias renováveis em seus projetos. As recomendações estão baseadas em experiências práticas vivenciadas pelos responsáveis por conduzir o JELARE no Brasil. Espera-se que essas recomendações venham inspirar muitas outras universidades na América Latina e na Europa a colocar mais ênfase no importante tópico das energias renováveis em suas atividades acadêmicas.

1.2 Recomendações no campo da educação 1.2.1 Educação: uma visão geral Para o desenvolvimento do setor das energias renováveis, assim como o de qualquer setor, é de central importância a disponibilidade local de recursos humanos bem educados. A aplicação do questionário sobre o mercado de trabalho, conduzida como parte do Projeto JELARE, indicou claramente que empregadores dos setores público e privado têm dificuldade em recrutar uma equipe apropriada para as suas atividades ligadas às energias renováveis, e esta é uma barreira ao desenvolvimento do setor.

o legado do projeto jelare e as energias renováveis

De acordo com os estudos sobre o mercado de trabalho feitos no contexto do JELARE, existe uma grande carência de programas de qualificação complementar no campo das energias renováveis. O questionário também identificou o fato de que não se trata apenas da necessidade de uma melhor inclusão do tópico das energias renováveis nos currículos dos cursos de bacharelado e mestrado mas também de oportunidades a curto prazo para trabalhadores em atividade, tais como cursos sob medida no próprio ambiente de trabalho, cursos de especialização, etc. Num setor jovem e dinâmico como o das energias renováveis, concepções de aprendizagem permanente são cruciais para manter-se lado a lado com os últimos desenvolvimentos tecnológicos. Além disso, em países onde a formação vocacional é menos desenvolvida, o papel das universidades estende-se à educação não acadêmica, tal como a formação de técnicos. As experiências do Projeto JELARE no Brasil mostram, ainda, que é importante focar não apenas os elementos tecnológicos das energias renováveis. Também é essencial construir capacidades em gestores responsáveis pelo estabelecimento de condições legais e econômicas apropriadas para as energias renováveis ou para ter acesso ao impacto ambiental dessa abordagem. Assim, a inclusão de tópicos de energias renováveis é importante, inclusive, para estudantes de direito, economia e disciplinas ligadas ao meio ambiente. O desenvolvimento de cursos interdisciplinares é, portanto, matéria de grande relevância. Talvez, uma das principais lições aprendidas com o JELARE é que as IES têm oportunidade de engajar-se em uma larga gama de opções de ensino para sustentar o desenvolvimento do setor de energias renováveis, e que elas podem tirar vantagem de muitos benefícios aos quais isso pode conduzir.

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1.2.2 Educação: recomendações Recomendação 1: A introdução de aulas sobre energias renováveis no currículo dos bacharelados em engenharia, ciência ambiental, economia, administração de empresas e direito. Nos últimos anos, vem crescendo a demanda pela introdução deste tema no currículo não apenas das graduações ligadas diretamente à geração de tecnologia, como as engenharias, mas também no de graduações como economia, administração de empresas, direito e ciência ambiental. Devido às mudanças nas condições do ambiente e à limitação de fontes não renováveis, universidades e empresas em todo o planeta estão investindo, para o futuro, em projetos de energia limpa. Diante disso, como dissemos, é necessário formar gestores responsáveis por estabelecer condições legais e econômicas apropriadas para as energias renováveis ou para ter acesso ao impacto ambiental dessa abordagem. Recomendação 2: Capacitação em design de currículos para os profissionais ligados às coordenações de cursos. Introduzir os estudos sobre as energias renováveis no âmbito do ensino universitário demanda que os profissionais responsáveis pelo currículo dos cursos estejam capacitados

o legado do projeto jelare e as energias renováveis

a realizar as intervenções necessárias. Para isso, é conveniente que esses profissionais recebam uma formação específica em design de currículos.

Recomendação 3: Investimento em materiais e ambientes de estudo (salas, bibliotecas e laboratórios), a fim de adequá-los às exigências dos estudos ligados às energias renováveis e ao meio ambiente. Para que os alunos possam desenvolver e expandir seus conhecimentos em energias renováveis, é necessário efetuar estudos a partir das últimas informações disponíveis. Da mesma forma, os currículos dos cursos ligados a essa área devem ser constantemente atualizados em relação às universidades que são especialistas no assunto. Além disto, é preciso que professores e pesquisadores recebam formação continuada, de modo a poderem mediar a aprendizagem dos alunos com o conhecimento devidamente atualizado. Viabilizar estas condições requer investimentos para adequação da infraestrutura da universidade. Neste sentido, laboratórios e centros de pesquisa podem ser viabilizados tanto através de investimentos públicos como através de investimentos privados. Cabe aos gestores das universidades captar tais investimentos.

Recomendação 4: Alunos devem ser incentivados a envolver-se em pesquisas sobre energias renováveis, com vista ao desenvolvimento de suas capacidades de liderança, análise e empreendimento. Desenvolver no estudante as capacidades de liderança, análise e empreendimento é um dos compromissos do ensino universitário. Ora, se isso puder ser feito tendo como motivação a pesquisa sobre energias renováveis, o efeito pode ser surpreendente. Trata-se de um trabalho positivo, o qual conduz o aluno a trabalhar com autoconfiança e criatividade.

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O trabalho de motivação deve ser feito pelo professor, em sala de aula, mas pode partir da coordenação dos cursos ou mesmo de outros níveis dentro da universidade. Programas de incentivo à iniciação científica ligados às energias renováveis são uma boa opção.

Recomendação 5: A criação de um “observatório” para as energias renováveis e a sustentabilidade nas universidades. A existência de um espaço de referência dentro da universidade é essencial para suscitar um senso de responsabilidade nos alunos em relação ao assunto. Esse espaço pode servir como um modelo de inspiração e orientação para o uso de “melhores práticas” no momento de trabalho e pesquisa. Trata-se de um passo importante a ser dado nas universidades e instituições.

Recomendação 6: Cursos de capacitação permanente para os professores e pesquisadores envolvidos em estudos de energias renováveis e meio ambiente. O investimento para a infraestrutura de pesquisa em universidades e instituições tecnológicas deve levar em consideração a formação de seus docentes e pesquisadores. Para que os professores possam apresentar aos seus alunos conhecimentos relevantes, é preciso que eles

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estejam atualizados quanto ao estado da arte dessa linha de pesquisa. Por isso, paralelamente aos investimentos em infraestrutura física, é importante que as IES preocupem-se em garantir meios para que seus professores e pesquisadores mantenham-se atualizados. Isso pode acontecer com a contratação de profissionais externos que deem cursos de atualização, ou mesmo, com programas de incentivo à participação em congressos, simpósios e demais eventos da área.

Recomendação 7: A promoção de seminários nacionais e internacionais, congressos e workshops focados em energias renováveis contribui para compartilhar tecnologias, ampliando as relações entre pesquisadores, palestrantes, estudantes, políticos e pessoas de negócios. A promoção desses eventos traz uma grande vantagem aos programas, pois facilita a captação de conhecimento, patrocínio e recomendações. Além disso, também serve para apresentar ao público o trabalho e as tecnologias desenvolvidas pelos profissionais da própria instituição.

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Recomendação 8: Criação de cursos internacionais de mestrado e doutorado em energias renováveis e sustentabilidade, os quais permitam aos pesquisadores e professores especializarem-se na área. A criação de cursos de mestrado e doutorado internacional em energias renováveis e sustentabilidade vem a ser muito importante na promoção da investigação científica em tais áreas. Junto ao curso, com suas finalidades educacionais, surgem grupos de pesquisa especializados e, também, gera-se um ambiente favorável para a descoberta de talentos individuais na área da pesquisa. Tal programa de pós-graduação stricto sensu capacita pesquisadores e professores a contribuírem nos campos emergentes de energia renovável e meio ambiente sustentável. Os benefícios das pesquisas de ponta na área estimulam a economia e criam novas oportunidades de empregos.

Recomendação 9: Criação de um prêmio “Universidade Excelência” para os melhores trabalhos acadêmicos relacionados a energias renováveis e sustentabilidade. A criação de um prêmio para a melhor tese ou dissertação, monografia ou artigo, serve como inspiração para pesquisas de ponta e promove, por conseguinte, a inovação. Tal prêmio deve conceder um reconhecimento de excelência no domínio das energias renováveis e da sustentabilidade, estimulando uma competitividade saudável entre os futuros pesquisadores.

Recomendação 10: Criação de um programa de intercâmbio internacional de docentes especialistas em energias renováveis. O intercâmbio de docentes especialistas em energias renováveis é uma estratégia muito salutar para renovar as práticas de ensino e pesquisa nas universidades. A vinda de um

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professor-pesquisador de outra universidade tende a inspirar novas linhas de pesquisa e trazer novos conhecimentos, renovando a compreensão sobre o assunto em toda a comunidade acadêmica.

Recomendação 11: Modernização dos programas das disciplinas e dos cursos na área das energias renováveis e do meio ambiente, orientandoos para as demandas do mercado. O mercado de energia provou ter uma enorme influência sobre a economia mundial. Os combustíveis fósseis criaram numerosas relações internacionais, boas e ruins. O fato de a nossa principal fonte de energia tornar-se escassa crescentemente faz-nos repensar e reorganizar as estratégias e processos que temos usado nos últimos 80 anos, ou mais, nesse âmbito. Dito isto, um passo crucial é convencer as próximas gerações de que as energias renováveis são os novos combustíveis. A maioria das fortes relações internacionais futuras será baseada na oferta e procura de painéis solares, geradores eólicos e outras fontes de energia substitutas. Diante desse fato, os programas das disciplinas necessitam ser reformulados com vistas às demandas do mercado. Disciplinas de inovação tecnológica, por exemplo, podem levar os alunos a conceber invenções úteis para as comunidades que utilizem energias renováveis. Disciplinas de marketing, por outro lado, podem desenvolver estratégias para inserir essas novas tecnologias no mercado.

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Recomendação 12: Desenvolvimento de um programa de bolsas de estudo em energias renováveis. Os estudantes podem não ter capacidade financeira para permanecer na universidade e investir seu tempo em estudos sobre energias renováveis. Neste cenário, eles não seriam capazes de somar suas habilidades intelectuais ao trabalho crescente dentro da indústria e das instituições de ensino superior nesse ramo de atividade. Portanto, com a finalidade de evitar tal desperdício de recursos humanos, um programa de bolsas de estudo em energias renováveis pode ser desenvolvido, de modo a fornecer a todos a oportunidade de otimizar seus talentos. No caso de bolsas de estudo em energias renováveis, propomos, efetivamente, um incentivo aos jovens: mentes inovadoras participando do esforço para criar novas tecnologias energéticas limpas.

Recomendação 13: Desenvolvimento de programas interdisciplinares sobre energias renováveis nas universidades. Os campos diretamente relacionados às energias renováveis incluem estudos econômicos, sociais, antropológicos, políticos, populacionais, entre outros. Assim, estudar apenas um desses campos não trará ao aluno a base adequada para que possa compreender os problemas em matéria de energias renováveis. Em tal cenário, a abordagem interdisciplinar constitui um pressuposto. Estudantes e pesquisadores de energias renováveis necessitam entender o contexto em que sua inovação será aplicada. Por exemplo, eles terão de concluir se as suas invenções são politicamente viáveis,

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ou se elas são compatíveis com as necessidades da sociedade, etc. Para isso, é preciso que estejam munidos de conhecimentos diversos.

Recomendação 14: Desenvolver materiais educativos que disseminem, de forma simples e objetiva, as informações mais relevantes da área. Se o público a quem a informação se destina, não compreendê-la, gera-se um problema sério no âmbito da difusão dos conhecimentos produzidos pelas pesquisas. Assim, para evitar o problema e, ainda, para facilitar o acesso a esse conhecimento, seja aos estudantes envolvidos, seja à comunidade de uma forma geral, materiais educativos e publicações informativas devem ser desenvolvidos.

Recomendação 15: Buscar, no perfil exigido pelas empresas e pelas forças de organização do mercado, as diretrizes para o desenvolvimento de novos cursos e especializações em energias renováveis. Ao desenvolver currículos para cursos de energias renováveis, as universidades devem levar em conta a grande faixa de mercado à qual irá servir. Na maioria dos casos, eles são criados para a indústria, mas existem diversos segmentos aptos a receber profissionais formados nesta área do conhecimento. Assim, o perfil exigido pelas empresas e pelas forças de organização do mercado motiva as IES a repensarem suas práticas em busca de maior sinergia com seu público alvo.

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1.3 Recomendações no campo da pesquisa 1.3.1 Pesquisa: uma visão geral No setor das energias renováveis, ainda há uma grande carência de pesquisas, não apenas no campo tecnológico, mas também no contexto econômico, legal e social. É importante que todo país desenvolva sua própria capacidade de pesquisa, embora o foco possa divergir, dependendo do estado de desenvolvimento econômico dos países e de seu acesso a recursos econômicos para sustentar essas atividades. Para países cuja economia é fortemente baseada na exportação de altas tecnologias, o desenvolvimento de tecnologias de ponta e de inovações de base é uma matéria de grande importância. Assim, gerar uma capacidade de pesquisa e desenvolvimento (P&D) doméstica é também essencial, especialmente para países emergentes como o Brasil, que, historicamente, importa tecnologias de outros países. Em nosso caso, é mais importante identificar opções científicas e tecnológicas para adaptar as tecnologias existentes às necessidades locais e criar tecnologias que sejam exclusivas para essas necessidades. Ao lado da educação, P&D são cruciais para aumentar as capacidades tecnológicas em um país e reduzir as lacunas tecnológicas existentes, o que é também um pré-requisito importante para que a transferência internacional de tecnologia substitua o comércio ou o investimento estrangeiro direto, com um impacto sustentável subsequente no país que participa dessa transferência.

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O papel que as universidades, as instituições públicas de pesquisa e as companhias privadas desempenham no cenário científico nacional difere, amplamente, de país para país. O papel das universidades não deve limitar-se a conduzir pesquisas básicas. Para além disso, as universidades devem engajar-se em pesquisas aplicadas que ofereçam soluções ao mercado atual e às necessidades sociais. O recurso ao know-how disponível e a colaboração com o setor privado – através de projetos de pesquisa conjuntos, por exemplo – são formas promissoras de cooperação, mas seu potencial não tem sido plenamente realizado no Brasil, assim como na América Latina de um modo geral. Mudar esse estado das coisas precisa constituir uma prioridade, de modo a colocar, com o devido destaque, as pesquisas em energias renováveis nos programas universitários e permitir-lhes produzir os benefícios que essa abordagem origina.

1.3.2 Pesquisa: recomendações Recomendação 1: São necessárias infraestruturas modernas para os laboratórios, a fim de reter os pesquisadores e incentivá-los a se envolverem em projetos de energias renováveis. A falta de infraestrutura de pesquisa inibe severamente a qualidade e a quantidade de informações obtidas pelas universidades. Atualmente, muitos dos laboratórios no Brasil

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não dispõem de infraestrutura minimamente satisfatória para a realização de pesquisas de ponta. Como consequência, o país acaba perdendo muitos talentos, os quais partem para o exterior em busca de melhores condições. As áreas para testes, pesquisa e desenvolvimento têm de estar bem equipadas e oferecer boas instalações aos pesquisadores. Condições de trabalho adequadas permitem um ritmo acelerado de adaptação e desenvolvimento de tecnologias.

Recomendação 2: Redes internacionais de pesquisa, em função da cooperação, otimizam o trabalho dos cientistas. A criação de redes internacionais de pesquisa em energias renováveis, meio ambiente e sustentabilidade promove a cooperação entre os cientistas, o que leva a acelerar as descobertas e a produção de novas tecnologias e permite o monitoramento mútuo. O chamado networking internacional nesses assuntos já tem sido utilizado por muitas instituições. O consórcio do Projeto JELARE, a propósito, é um exemplo. Tal prática tem-se revelado de grande ajuda para o desenvolvimento e a expansão dos interesses sobre estes assuntos. Além disso, contribui, ainda, para fortalecer os laços entre instituições públicas e privadas.

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Recomendação 3: É preciso capacitar técnicos para operar os laboratórios e centros de pesquisa. Paralelamente aos investimentos em infraestrutura, é igualmente necessário investir na capacitação de funcionários técnicos para operar, em auxílio aos pesquisadores, os laboratórios e centros de pesquisa em energias renováveis. É muito comum, por exemplo, constatar, em países em desenvolvimento, estabelecimentos públicos que recebem recursos para a compra de aparatos tecnológicos, os quais, em contrapartida, não dispõem de recursos para capacitar devidamente os funcionários que virão a operar tais equipamentos. Isto ocorre, em geral, por falta de planejamento logístico e financeiro.

Recomendação 4: Criar centros de pesquisa interdisciplinar na área de energias renováveis. Conforme já expusemos antes, o campo das energias renováveis compreende uma série de conhecimentos de diferentes naturezas. Por esta razão, recomendamos a criação de centros de pesquisa que promovam o cruzamento de diferentes linhas: ambiente e sustentabilidade, engenharia, economia e administração de empresas, arquitetura e desenvolvimento urbano, etc. A necessidade de um projeto com todos esses assuntos trabalhados em conjunto deve-se a fatores não apenas ligados a tecnologias em desenvolvimento, mas a fatores que envolvem fornecimento, financiamento, gestão e estabelecimento de níveis de produção para as indústrias.

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Recomendação 5: Desenvolvimento de pesquisas aplicadas sobre as energias renováveis, nas universidades, com apoio e financiamento tanto do governo quanto das indústrias. As energias renováveis ainda representam um conceito muito recente, motivo pelo qual há falta de interesse público pelo assunto e, logo, de financiamento para as pesquisas. Alguns países ainda não compreendem que a reserva de combustíveis fósseis só vem diminuindo desde que atingimos o pico. É necessário atacar essa crise antes que ela se torne viral e cause um impacto irreversível sobre a economia mundial e sobre o estilo de vida humano. Os países comprometidos com o desenvolvimento de tecnologias alternativas não estarão apenas preparados para tal golpe mas também terão descoberto outra fonte primária de energia até lá. As universidades, por já possuírem um considerável preparo para empreender pesquisas na área, representam a solução mais viável para buscar respostas a esse problema. Diante disso, se houver uma mobilização adequada para sensibilizar a sociedade a respeito, aumentam as chances de que organizações governamentais e não governamentais financiem tais pesquisas.

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Recomendação 6: Publicação de um relatório anual com o mapeamento das atividades profissionais relacionadas ao setor de energias renováveis. Se as energias renováveis ainda não são uma realidade incontestável no mercado de trabalho do país, então é necessário provocar essa mudança. Assim, se pudermos armazenar dados sobre as ocupações relacionadas a este setor, vamos ser capazes de inferir se ele está crescendo, ou não. Caso os dados indiquem crescimento do número de ocupações, poderemos dizer, com alguma certeza, que existem fortes razões para que as pessoas busquem colocação no setor das energias renováveis. Portanto recomendamos a publicação de um relatório anual com o mapeamento e a descrição das atividades profissionais relacionadas ao setor de energias renováveis a ser divulgado no meio universitário, nos órgãos governamentais e no meio de negócios.

Recomendação 7: As universidades deverão focar, cada vez mais, a pesquisa aplicada e a inovação. As universidades dispõem de especialistas líderes em diversos campos de estudo, entre eles, o de energias renováveis. Estas pessoas têm o conhecimento necessário para ampliar a compreensão do assunto com vista às necessidades locais. Para isso, impõe que elas possam concentrar seu tempo em pesquisas aplicadas e em atividades de inovação, pois estes são os setores dentro da academia mais passíveis de aplicação no mundo real.

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Desta forma, a universidade não apenas cumpre seu papel com a comunidade mas também contribui decisivamente para o desenvolvimento doméstico de tecnologias, evitando sua importação.

Recomendação 8: Criação de um banco de dados científicos na área das energias renováveis. O campo das energias renováveis tem o objetivo comum da sustentabilidade. A falta de comunicação dentro da comunidade científica pode não apenas retardar o desenvolvimento desse campo, mas impedi-lo. Através da implementação de um banco de dados científicos, os cientistas têm a oportunidade de observar os trabalhos de seus colegas. Com isso, podem verificar em que estágio se encontram as pesquisas afins e, assim, evitar redundar em um mesmo problema. Um banco de dados unificado, por conectar diversos trabalhos que ocorrem simultaneamente, permite aos pesquisadores otimizar seus esforços e dar passos ainda maiores.

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Recomendação 9: Elaborar um orçamento plurianual para um programa permanente de pesquisa em energias renováveis. Ações isoladas no que se refere a investimentos em pesquisas na área de energias renováveis não são suficientes para surtir efeitos realmente significativos. A natureza desta área de conhecimento exige investimentos massivos e sistemáticos, de modo que as pesquisas tragam resultados visíveis e relevantes tanto em âmbito nacional quanto em âmbito global.

Portanto, apenas um programa de pesquisa permanente, destinado a centros de pesquisa e universidades de todo o país, e que ofereça oportunidades de financiamento regularmente, pode sustentar iniciativas robustas de pesquisa que rendam resultados a médio e longo prazo. Um primeiro passo para a criação de um programa como esse é a elaboração de um orçamento plurianual que possa ser submetido às devidas instâncias democráticas.

Recomendação 10: Promover pesquisas colaborativas entre as universidades, com a criação de “equipes virtuais”. Embora existam muitas áreas distintas dentro do setor das energias renováveis, todas elas se esforçam para atingir o mesmo objetivo final: a sustentabilidade energética. Muitos grupos separados fisicamente lidam com os mesmos problemas de pesquisa, por vezes, e poderiam obter resultados maiores caso pudessem trabalhar em conjunto. Ora, as atuais tecnologias de informação e comunicação já apresentam soluções para inúmeras atividades colaborativas, as quais, há pouco tempo, não se podiam realizar a distância. Diante disso, recomendamos a criação de equipes de pesquisa virtuais, isto é,

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grupos de pesquisadores situados em diferentes lugares, os quais atuem em conjunto, conectados por ambientes virtuais.

Recomendação 11: Desenvolvimento de atividades de investigação em bioenergia. Uma opção potencialmente importante para o futuro, no que diz respeito às energias renováveis, consiste na bioenergia – mais precisamente nos biocombustíveis. O etanol, em cuja produção o Brasil é, seguramente, o país mais avançado do mundo, constitui um grande exemplo da viabilidade desse tipo de combustível. Assim, é imperativo que os projetos de pesquisa na área de energias renováveis incluam atividades ligadas ao estudo da bioenergia, com ênfase especial nos biocombustíveis.

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1.4 Recomendações no campo da transferência de tecnologia 1.4.1 Transferência de tecnologia: uma visão geral A transferência de tecnologia ocorre em diferentes níveis e entre diferentes instituições. No contexto da cooperação entre universidades europeias e latino-americanas, as duas principais formas de transferência de tecnologia conhecidas como transferência de tecnologia universitária (TTU) e transferência de tecnologia internacional (TTI) são as mais relevantes. A transferência de tecnologia universitária refere-se à transferência de conhecimento e tecnologias desenvolvidas em universidades para indústrias; ou, em instituições públicas, para aplicações práticas. A transferência de tecnologia universitária é descrita muitas vezes como a terceira missão das universidades (sendo a educação e a pesquisa as duas primeiras). No Brasil, costuma-se atribuir às universidades os compromissos de educação, pesquisa e extensão. Portanto, nessa perspectiva, poderíamos entender a

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transferência de tecnologia como o quarto compromisso de uma universidade. Tal conceito surgiu nos EUA e na Europa nas últimas décadas e tornou-se uma grande fonte de rendimento para as universidades. Na América Latina, a maioria das universidades começou a engajar-se em atividades de transferência de tecnologia apenas recentemente. A TTU é associada, principalmente, a canais formais de transferência, tais como patentes, licenças ou produtos de pesquisa (spin-offs). Muitas universidades têm estabelecido escritórios dedicados à transferência de tecnologia (TTOs, na sigla inglesa), os quais representam os cientistas nas negociações do mercado de pesquisa e inovações. Entretanto a transferência de tecnologia também ocorre em um nível informal, através de projetos conjuntos, estudantes estagiários, visitas de estudo e seminários. As experiências adquiridas durante o Projeto JELARE mostraram que, especialmente na América Latina, o nível de comunicação e colaboração das universidades com os atores do mercado no setor de energias renováveis é ainda muito baixo. Uma das razões – de acordo com o questionário aplicado pelo Projeto JELARE – deve-se ao fato de que a maioria das empresas considera as universidades defasadas em relação ao atual mercado das energias renováveis. A busca de mais comunicação e parcerias entre as universidades e a indústria ou as instituições do setor público pode proporcionar oportunidades valiosas para ambos os lados. As universidades podem alinhar melhor suas atividades às necessidades do mercado e desenvolver novos campos de negócios, por exemplo, com pesquisas aplicadas, e as companhias podem beneficiar-se do suporte científico oferecido pela universidade em suas atividades relacionadas a energias renováveis. A transferência internacional de tecnologia (TTI), por seu turno, é geralmente associada à transferência de tecnologias ou conhecimento de países mais desenvolvidos para países em desenvolvimento, eventualmente descrita como transferência de tecnologia norte-sul. Atualmente, a TTI é promovida através de projetos conjuntos, relações de mercado ou investimento estrangeiro direto. No contexto da transferência de tecnologia internacional, o papel das universidades pode ser visto como suplementar

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às companhias locais na adaptação às tecnologias importadas, a fim de ajustá-las às necessidades do mercado local. Contudo a TTI acaba ocorrendo não apenas na forma de produtos mas também por meio de indivíduos – através de conferências, projetos, intercâmbio de equipes e networking informal – os quais representam atividades-chave para que as universidades operem internacionalmente. Há muitos exemplos de transferência de tecnologia bem-sucedida entre dois ou mais países em desenvolvimento. O Projeto JELARE adquiriu experiências positivas na transferência de tecnologia, não apenas entre duas universidades de países em desenvolvimento mas também de um país emergente para outro altamente desenvolvido.

1.4.2 Transferência de tecnologia: recomendações Recomendação 1: Oferecer cursos de formação em energias renováveis para técnicos e executivos de empresas do setor de energia.

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A oferta de cursos de formação em energias renováveis para técnicos e executivos de empresas do setor de energia é um passo fundamental no apoio às inovações. Este tipo de iniciativa fomenta as relações entre a universidade e mercado, incentivando a colaboração no domínio das energias renováveis. Tais cursos concedem às pessoas novos conhecimentos e habilidades, além de transmitirem a atitude e os valores necessários para que tomem decisões críticas no setor de energia. Tal sorte de empreendimento contribui, enfim, para tornar a comunidade e as empresas mais produtivas e abertas a novas ideias. Recomendação 2: Criação de espaços virtuais de aprendizagem para a oferta de cursos na área. O uso de plataformas virtuais em cursos de formação é comprovadamente eficiente. Um grande exemplo é o Building Information Modelim (BIM), que revolucionou a indústria da construção civil, permitindo integrar e gerenciar o ciclo de vida da construção. O BIM

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permite explorar a utilização de métodos e materiais alternativos sem o risco e o custo da construção real. Usado corretamente, pode identificar problemas. O uso de plataformas virtuais de aprendizagem tem crescido potencialmente, nas universidades e indústrias. Portanto constitui um elemento essencial no fomento da inovação, possibilitando a colaboração de suporte técnico e o gerenciamento de riscos. Recomendamos que plataformas virtuais de aprendizagem sejam empregadas na criação de programas e cursos de formação.

Recomendação 3: Criação de conselhos consultivos junto às direções e coordenações das universidades, compostos por pesquisadores, empresários, governantes e outros tomadores de decisão, a fim de promover a troca de conhecimentos entre o mercado, o governo e a universidade. Recomendamos, também, a criação de um conselho consultivo que inclua diretores e coordenadores de universidades, pesquisadores, empresários, funcionários do governo e outros agentes-chave que incentivem a troca de informações e o intercâmbio de conhecimentos entre o mercado, o governo e as instituições de pesquisa. Os conselhos consultivos podem direcionar as atividades de modo pioneiro no campo das energias renováveis. Em todo tipo de questão que favoreça o setor, os conselhos consultivos irão advogar para as partes interessadas, viabilizando a transmissão de tecnologia entre elas.

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Recomendação 4: Parcerias e associações entre instituições de ensino superior, promovendo a transferência de conhecimento no campo das energias renováveis e sustentabilidade. As universidades têm recursos financeiros e laços econômicos para desenvolver novos processos que, se compartilhados com outros agentes do segmento energético, promoveriam diferentes tipos de melhoria. Hoje, por exemplo, os painéis solares fotovoltaicos absorvem apenas uma parte da energia oferecida pela luz solar, o que significa que a tecnologia deles não é boa o suficiente para se tornar a principal fonte de energia, mas tem potencial para isto. No Brasil, há diferentes universidades que desenvolvem estudos neste assunto específico e, caso trocassem mais efetivamente informações entre si, poderiam aperfeiçoar esta tecnologia de modo significativo. Portanto a promoção de parcerias entre instituições de ensino superior que desenvolvem pesquisas afins pode ser uma boa saída para estimular a transferência de tecnologia universitária (TTU) e, assim, otimizar os avanços tecnológicos.

Recomendação 5: Participações das universidades em seminários, conferências e workshops promovidos pelas indústrias e pelo governo. Se as universidades, como geradoras de tecnologia, oferecem propostas de inovação às empresas e aos órgãos governamentais, estes, por sua vez, também assumem um papel na produção tecnológica e têm muito a contribuir com as universidades. Neste sentido, é necessário que a comunidade acadêmica seja incentivada a participar de eventos promovidos por esses agentes. Afinal, como dissemos na introdução desta seção do relatório, no Brasil, pelo menos, as universidades estão mais defasadas do que o setor privado no que se refere às tecnologias de energias renováveis.

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Recomendação 6: Publicação de artigos com o tema de energias renováveis em revistas científicas. Assim como a participação em seminários, conferências e workshops é necessária para promover a aquisição e a oferta de novas tecnologias, a produção acadêmica também cumpre o seu papel nesse aspecto. Portanto a publicação de artigos em revistas relacionadas à área de energias renováveis deve ser incentivada de todas as maneiras cabíveis. Afinal, as revistas científicas continuam sendo o veículo, por excelência, da transferência de conhecimento acadêmico (TTU).

Recomendação 7: Programas e cursos de capacitação em planejamento estratégico, gestão, economia de energia, marketing e economia de recursos naturais para engenheiros e técnicos de indústrias de energias renováveis públicas e privadas. Enquanto estão nas universidades, os estudantes encontram-se em posição privilegiada, tendo a educação como seu foco principal. Uma vez que deixam a universidade e partem para o mercado, a obtenção de conhecimento não será mais seu foco principal, como era na universidade.

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Por esta razão, os alunos deveriam ser expostos às áreas de estudo nas quais irão trabalhar. Seria desejável, por exemplo, que futuros engenheiros, técnicos de empresas de energia ou membros de organizações governamentais aprendessem, ainda na época de sua formação, sobre planejamento e administração estratégica, economia de energia, marketing e economia de recursos naturais. Sabemos, entretanto, que a maioria dos profissionais que ocupam atualmente tais postos não tiveram esta formação ideal. Diante desta realidade, é necessário que a universidade recupere eventuais atrasos e promova cursos de capacitação para esse tipo de profissional, suprindo, deste modo, com a transferência de conhecimentos multidisciplinares úteis, eventuais lacunas existentes em sua formação.

Recomendação 8: Prestação, por parte das universidades, de serviços de consultoria ao governo nas áreas de regulação e gestão de projetos em energias renováveis.

O poder público deve legislar todos os setores da vida em benefício dos cidadãos. O mundo contemporâneo, porém, tornou-se imensamente complicado, sendo impossível para os políticos compreender adequadamente todas as questões que lhes são exigidas.

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Diante disto, as universidades, com seu corpo de especialistas, podem e devem prestar consultoria para que os legisladores criem a regulamentação adequada sempre que necessário. No âmbito das energias renováveis, em que as noções renovam-se a cada dia, tal serviço vem a ser ainda mais necessário.

Recomendação 9: Aumentar a colaboração entre as universidades e a indústria de energias renováveis. As universidades e a indústria de energias renováveis desempenham um papel complementar para atingir o objetivo comum da sustentabilidade. A academia dispõe de instituições aptas a realizar as pesquisas necessárias para criação de tecnologias inovadoras e para explicar fatores complexos que se combinam, determinando a realidade atual. No entanto, geralmente, a academia não tem onde aplicar os ganhos em conhecimento que adquiriu. A indústria, por sua vez, possui habilidade para aplicar o conhecimento, mas não para construí-lo. Sendo assim, uma colaboração constante e estreita faz-se necessária entre estas duas instituições para o alcance da sustentabilidade.

Recomendação 10: Programas de intercâmbio entre as IES e o mercado de energias renováveis. Devido à natureza complementar da relação entre a academia e a indústria de energias renováveis, ambos os lados devem compreender o trabalho realizado pelo outro e os processos necessários para desenvolvê-lo. Essa mútua compreensão, que pode render frutos às duas partes, pode dar-se por meio de um programa de intercâmbio ou de estágio dentro das duas organizações.

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Havendo um fluxo livre de capital humano nessas instituições, o lado acadêmico vai entender como a pesquisa que desenvolveu é aplicada, e a indústria vai entender como tal pesquisa é desenvolvida. Este entendimento recíproco resultará, por fim, em um aumento na produtividade.

Recomendação 11: O mercado vê as universidades não apenas como provedoras de pessoal qualificado mas também como parceiras em potencial para os problemas de tecnologia aplicada. Esta oportunidade não pode ser subestimada. Parte considerável dos trabalhadores da indústria foi, inicialmente, educada nas universidades. Como resultado, a relação entre a academia e a indústria poderia ser vista como uma fonte de capital humano. Todavia deve-se notar que, dentro da academia, os profissionais, têm conhecimento para resolver problemas tecnológicos aplicados, como, por exemplo, problemas relacionados a ajustes de tecnologias transferidas internacionalmente (TTI) às necessidades locais. Frente a isto, é importante que as autoridades de ambos os lados entrem em sintonia para que a cooperação seja promovida, e, assim, a universidade deixe de ser mera fornecedora de mão de obra e passe a ser uma parceira efetiva no desenvolvimento tecnológico.

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1.5 Conclusão parcial Estas recomendações estão baseadas nas experiências adquiridas, em especial, pelo parceiro do Projeto JELARE no Brasil, a UNISUL, durante os três anos do projeto, e são endereçadas a outras universidades europeias e latino-americanas que também planejem elevar o nível de atenção dedicada às energias renováveis em suas atividades de pesquisa e ensino. As experiências acumuladas durante o Projeto JELARE derivam, em grande parte, de insights obtidos a partir de um levantamento de dados sobre a realidade do mercado de trabalho e da universidade, durante o desenvolvimento de novas concepções de ensino e pesquisa, durante a implementação do módulo-piloto, e a partir do feedback fornecido pelos parceiros dos setores público e privado que apoiaram o projeto, durante conferências e mesas redondas. Uma síntese desses insights está delineada a seguir.

Educação Há, atualmente, uma grande carência de programas de qualificação adicional no campo das energias renováveis. Em um setor jovem e dinâmico como este, concepções de aprendizagem permanente são cruciais para manter-se a par dos últimos desenvolvimentos tecnológicos.

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As recomendações feitas para a educação neste relatório podem ser agrupadas da seguinte maneira: • desenvolver novos cursos de graduação na área de energias renováveis e incorporar tópicos de energias renováveis aos programas de estudo já existentes; • introduzir o assunto das energias renováveis nas graduações em engenharia, bem como em carreiras relacionadas, por exemplo, negócios e direito; • oferecer educação a distância, cursos semipresenciais ou cursos rápidos de formação para empresas, especialmente no contexto da aprendizagem permanente; • colaborar com outras universidades ou outras instituições dos setores público ou privado no desenho ou na oferta de cursos educacionais; • oferecer capacitações regulares também para o próprio corpo de funcionários; • promover a aprendizagem prática entre os estudantes, integrando elementos práticos tais como projetos, laboratórios próximos aos da vida real ou estágios em empresas da área de energias renováveis. Isso mostra que as instituições de ensino superior têm a oportunidade de envolver-se numa larga gama de opções de ensino, dando apoio ao setor das energias renováveis, e que elas podem tirar vantagem de muitos benefícios decorrentes desse envolvimento.

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Pesquisa É importante para setores inovadores, como o das energias renováveis, que as instituições de educação superior construam sua própria capacidade de pesquisa. O papel das universidades não deve limitar-se a conduzir pesquisas básicas, mas elas devem envolver-se, sobretudo, em pesquisas aplicadas que ofereçam soluções para as atuais necessidades sociais e do mercado. Para colocar a pesquisa sobre energias renováveis em proeminência nos programas universitários, as recomendações contidas neste relatório reforçam os seguintes aspectos em particular: • • • •

focar em pesquisas aplicadas, incluindo a implementação de projetos-piloto; aumentar a infraestrutura de pesquisas; aumentar a capacidade das IES para recorrerem a fundos de pesquisa; ampliar a colaboração entre diferentes disciplinas e campos próximos, ou com instituições dos setores público e privado. Ao aumentar as atividades de pesquisa em instituições de educação superior, pode-se legar uma contribuição essencial à performance nacional de inovação no setor de energias renováveis.

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Transferência de tecnologia As transferências de tecnologia internacional e universitária representam o que há de mais importante para universidades europeias e latino-americanas que procuram contribuir para o desenvolvimento socioeconômico de seus países e de toda a sua região. As recomendações contidas neste relatório pretendem aumentar o alcance das universidades no setor de energias renováveis e podem ser resumidas da seguinte forma: • promover alianças estratégicas entre governo, empresas privadas e universidades; • incentivar o networking tanto localmente quanto internacionalmente, por exemplo, organizando feiras, workshops e conferências ou participando desses eventos; • envolver-se em transferência de tecnologia entre países em desenvolvimento, e não apenas nas chamadas transferências norte-sul; • participar de projetos colaborativos com parceiros de pesquisa que não sejam da própria instituição; • criar serviços de suporte para energias renováveis, como, por exemplo, bancos de dados, instalações de demonstração, etc.; • implementar projetos práticos em colaboração com a comunidade local. Esperamos que este relatório de recomendações seja fonte de valor para a inspiração de outras instituições de educação superior, tanto da Europa quanto da América Latina, na promoção de educação, pesquisa e transferência de tecnologia em energias renováveis dentro de suas próprias organizações.

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Agradecimentos Gostaríamos, como representantes do Consórcio JELARE, de agradecer, primeiramente, ao programa ALFA III da União Europeia, pelo financiamento e pela colaboração positiva de seus coordenadores. Em nome de nossos demais parceiros, somos muito gratos pela oportunidade de participar dessa cooperação conjunta entre universidades europeias e latino-americanas, a qual ofereceu a necessária plataforma para uma cooperação transnacional frutífera e que continuará após o encerramento do projeto. Somos gratos, também, pelo suporte constante que a equipe do JELARE nos prestou ao longo dos últimos três anos, compartilhando informações, esclarecendo questões e processos, etc. Tal amparo foi de valor inestimável. E, finalmente, gostaríamos de expressar nossa gratidão às pessoas de todas as outras universidades, ministérios, ONGs e empresas que nos forneceram dados valiosos respondendo ao questionário, que proferiram palestras, ministraram cursos e colaboraram nos módulos-pilotos. A colaboração frutífera e a troca de ideias com esses vários parceiros ao longo do Projeto JELARE constituíram fonte de inspiração na elaboração deste relatório.

Equipe JELARE (da esquerda para a direita): Dr. Nelson Amarao (Guatemala), Isabel Ribeiro (Alemanha), Prof. Dr. Baltazar D‘Andrade Guerrra (Brasil), Dr. Guillermo Jiménez Estévez (Chile), Dr. Eric Roth (Bolívia), Prof. Dr. Youssef Ahmad Youssef (Brasil), Manuel Díaz Romero (Chile), Prof. Dr. Walter Leal (Alemanha), Aleksejs Zorins (Latvia), Franziska Buch (Bolívia), Veronika Schulte (Alemanha), Prof. Gotfrīds Noviks (Latvia), Prof. Dr. Cyrano Ruiz (Guatemala), Prof. Dr. Luis Vargas (Chile). Linha inferior (da esquerda para a direita): Julia Gottwald (Alemanha), Dr. Javier Aliaga (Bolívia)

Agradecemos também o empenho e a eficiência da equipe técnica que contribuiu nas partes 2, 3 e 4 desta obra: Aline Cassol Daga, Sabrina Bleicher, Jordana Paula Schulka e Jaqueline Tartari

2 Energia E贸lica

energia eólica

2.1 Introdução Em um significado amplo, a Física é o estudo da natureza, entendendo-se como tal tudo aquilo que existe no universo, independentemente da própria existência do ser humano. Dentro deste conceito, existem acontecimentos suscetíveis de serem vistos ou sentidos e que podem ser comparados com outros através de expressões numéricas: aqui, trata-se dos fenômenos medíveis. Agrupando-se esses fenômenos segundo sua espécie ou classe, chegamos ao conceito de grandeza. Como exemplos de grandezas fundamentais há o tempo, o espaço, a massa, a intensidade de corrente elétrica, a temperatura absoluta e a intensidade luminosa. Ao fazermos a comparação ou a relação entre elas, surge a necessidade de se definir um conceito geral que possa expressar tais relações de forma sistemática, para que seja possível estudá-las e explorá-las de acordo com nossas necessidades. A esse conceito dá-se o nome de energia. A energia pode ser definida como a capacidade de produzir ou a capacidade de realizar um trabalho. A energia não se cria do nada; ela já existe em nosso universo, e o que ocorre é a sua transformação de uma forma para outra ou outras. Tipos de energia atualmente conhecidos: atômica ou nuclear, cinética, potencial, calorífica ou calorífera, elétrica, radiante, química, mecânica, luminosa, geotérmica, eólica e solar.

Todas as questões que envolvem energia compõem um dos grandes tormentos do mundo de hoje: o seu aproveitamento ainda não atingiu um nível satisfatório, visto que a imensa maioria da energia utilizada no planeta é de origem não renovável, seja de fonte mineral, atômica ou térmica. A energia pode ser utilizada de forma mais civilizada e menos dispendiosa, por meio de fontes renováveis, como a energia hidroelétrica, eólica, solar, das marés, geotérmica e outras mais. Dentre os tipos de energia renovável, este estudo centrará seu foco na energia eólica.

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2.2 Energia Eólica O termo eólico vem do latim aeolicus, pertencente ou relativo a Eolo, Deus dos ventos na mitologia grega. A força dos ventos é uma fonte de energia já conhecida e utilizada há milhares de anos para girar as pás de moinhos e, assim, obter energia eólica. No presente, este tipo de energia é pesquisado para gerar eletricidade. Atualmente, já existe no mundo cerca de 20 mil geradores os quais produzem eletricidade a partir da força do vento. Para que possamos estudar a energia eólica, é importante conhecermos, antes, a origem, Figura 1.1 – Moinho 1 Fonte: Disponível em: <http://toforatodentro. a velocidade e a potência proporcionada blogspot.com/2010/11/meu-moninho.html>. pelo elemento gerador de tal tipo de ener- Acesso em: 4 mar. 2011. gia: o vento.

Origem do vento e sua classificação A energia eólica provém da radiação solar, uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total dos ventos disponível ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que aproximadamente 2% da energia solar absorvida pela Terra são convertidos em energia cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa uma centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo.

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O vento e as influências Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos, entre os quais se destacam a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo.

A energia eólica pode ser considerada uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol. As mais diversas formas de energia são, de alguma maneira, originadas pela influência da luz solar em processos físicos, químicos ou biológicos, com as poucas exceções de alguns seres microscópicos que vivem próximos às zonas vulcânicas submersas, delas tirando seu sustento vital. A origem da energia que o Sol produz e irradia está nas reações nucleares que se realizam ininterruptamente em seu interior, a partir da monstruosa pressão existente em seu núcleo. Nessas reações, os átomos de hidrogênio, que é o elemento mais abundante do Sol, se combinam para formar átomos de hélio. Ao mesmo tempo, uma pequena parte da massa desses átomos se converte em energia, sendo daí irradiada em todas as direções do espaço. Apesar de o Sol também emitir partículas materiais, a maior parte da energia irradiada é transportada na forma de ondas eletromagnéticas (os fótons). Como o Sol é 334.000 vezes maior do que a Terra e pelo fato de a energia radiante se dispersar à medida que se afasta de sua fonte de emissão, a Terra acaba por receber somente dois milionésimos de toda a energia emitida por essa estrela. Mesmo assim, apenas quatro dias dessa pequena fração podem ser comparados a toda a energia possível de ser produzida em nosso planeta por todas as fontes de combustíveis fósseis existentes. E, se considerarmos a energia total emitida pelo Sol, ele irradia muito mais energia no breve intervalo de um segundo do que a que foi consumida por toda a raça humana desde o princípio de sua evolução até os nossos dias.

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Figura 1.2 – Sol

Fonte: Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Sol>. Acesso em: 11 maio 2011.

O Sol é uma estrela relativamente jovem, com cerca de cinco bilhões de anos. Presume-se que deva durar ainda outros cinco bilhões de anos, ou um pouco mais.

Além da manutenção das formas de vida, é a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas (observe como se dá este ciclo na Figura 1.3), o que possibilita a alimentação dos rios e o seu represamento para a produção de eletricidade ou para o consumo. A radiação solar também induz a formação dos ventos, o que permite a circulação atmosférica em larga escala, por todo o planeta. Os ventos acontecem devido ao aquecimento diferenciado da atmosfera. A não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra.

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Figura 1.3 – Ciclo da águas

Fonte: Disponível em: <http://segundoan2.blogspot.com>. Acesso em: 7 jun. 2011.

As regiões tropicais – aí, os raios solares incidem quase que perpendicularmente – , são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. A Figura 1.4, a seguir, apresenta esse mecanismo.

Origem do vento O vento – atmosfera em movimento – tem sua origem na associação entre a energia solar e a rotação planetária. Todos os planetas envoltos por gases em nosso sistema solar demonstram a existência de distintas formas de circulação atmosférica e apresentam ventos em suas superfícies. Trata-se de um mecanismo solar-planetário permanente. Sua duração é mensurável na escala de bilhões de anos e, por esta razão, o vento é considerado fonte renovável de energia.

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Figura 1.4 – Distribuição geral dos ventos

Fonte: Adaptado de <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

A diferença de temperatura entre a camada próxima da superfície da Terra aquecida pelos raios solares e as camadas superiores da nossa atmosfera gera correntes convectivas. A energia da radiação solar, sendo responsável pelo movimento convectivo do ar, direciona as correntes da nossa atmosfera, que sobem no equador e descem nos polos, condensando vapores, precipitando energia sob a forma de chuva. As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras zonas da Terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários, e a rotação da Terra interfere na direção dos ventos, entre os polos e o equador, provocando uma resultante inclinada em relação à perpendicular pelo equador.

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Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes, conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro. Estudos mais acurados comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para economizar combustível nos voos intercontinentais. Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da Terra produzem correntes ascendentes de 100 milhas por hora e ventos de superfície de igual intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos desvios da rotação da Terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões, tão comuns na região do equador. Na região sul do Brasil, por exemplo, estão os planaltos do sul, que se estendem, aproximadamente, de 24o S (São Paulo) até os limites ao sul do Rio Grande do Sul. O escoamento geral atmosférico nessa área é controlado pela depressão do nordeste da Argentina, uma área quase permanente de baixas pressões, geralmente estacionárias ao leste dos Andes sobre planícies secas e o anticiclone subtropical Atlântico. A posição média da depressão do nordeste da Argentina é de, aproximadamente, 29o S e 66o W, sendo criada pelo bloqueio da circulação atmosférica geral pelos Andes e por intenso aquecimento da superfície na região. O gradiente de pressão entre a depressão do nordeste da Argentina e o anticiclone subtropical atlântico induz a um escoamento persistente de nordeste ao longo dessa área. Desse escoamento resultam velocidades médias anuais de 5.5 m/s a 6.5 m/s sobre as grandes áreas da região. Entretanto esse escoamento é significativamente influenciado pelo relevo e pela rugosidade do terreno. Os ventos mais intensos estão entre 7m/s e 8m/s e ocorrem nas elevações montanhosas do continente, bem como em planaltos de baixa rugosidade, como os campos de Palmas (PR-SC). Outra área com velocidades superiores a 7m/s encontra-se ao longo do litoral Sul (Laguna, Imbituba – SC), onde os ventos predominantes leste-nordeste são acentuados pela persistente ação diurna das brisas marinhas.

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Velocidades médias e fluxos de potência eólica Apresentamos no Gráfico 1.1, a seguir, a relação entre as alturas e velocidades de ventos nas diferentes áreas (urbana, subúrbio ou nível do mar).

Gráfico 1.1 – Relação de velocidade do vento X altura

Fonte: Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Com este esquema, podemos perceber que regiões que possuem construções elevadas, como prédios, só atingem velocidades razoáveis de vento após uma elevada altura. Já, nas áreas em que só existem casas e pequenas construções, essa taxa diminui e, assim, em alturas um pouco menores, já temos ventos satisfatórios. No último caso mostrado, ao nível do mar, vê-se que os ventos já são muito mais rápidos em altitudes menos elevadas que nos exemplos anteriores.

Como avaliar a velocidade do vento Por ser um fenômeno natural, o vento pode variar, dependendo do dia e da estação do ano. Para um bom aproveitamento do vento, não se deve ter nenhum obstáculo como morros, mata fechada, prédios, etc. Observando a Tabela 1.1, você poderá ter uma ideia de como é o vento na sua região.

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Tabela 1.1 – Classificação dos ventos Escala Denominação 0

Calmo

Quase calmo

Brisa leve

Vento fresco

Vento moderado

Vento regular

Vento meio forte

Vento forte

Vento muito forte

Ventania

Vendaval

Furacão

Velocidade em m/s Avaliação do vento em Terra 0 a 0,4 Não se nota nenhum movimento nos galhos das árvores. 1,44 km/h 0,5 a 1,5 A direção da fumaça sofre um pequeno desvio. 1.8-5.4 km/h 1,6 a 3,4 As folhas são levemente agitadas. 6-12 km/h 3,5 a 5,5 13-20 km/h 5,6 a 8 20.6-29 km/h 8,1 a 10,9 29-39 km/ 11,4 a 13,9 41-50 km/h 14,1 a 16,9 50-60 km/h 17,4 a 20,4 61-73 km/h 20,5 a 23,9 74-86 km/ 24,4 a 28 88-100 km/h 83,0 a 125 298-450 km/h

As folhas ficam em agitação contínua. Poeira e pedaços de madeira são levantados. As árvores pequenas começam oscilar. Galhos maiores ficam agitados. Torna-se difícil andar contra o vento. Fica impossível andar contra o vento. Telhas podem ser arrancadas. Árvores são derrubadas. Produz efeitos devastadores.

Fonte: Disponível em: <http://www.cerpch.unifei.edu.br/eolica.php>. Acesso em: 6 jun. 2011.

Potência gerada por uma turbina eólica Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento. É importante ressaltar que esta regra é teórica e, na prática, não conseguimos converter toda essa potência (teórica) em potência útil. Em condições ideais, o valor máximo teórico da energia contida no fluxo de ar e que pode ser extraída por uma turbina eólica é de aproximadamente 59,3%; a esse percentual dá-se o nome de coeficiente de potência (Cp). Sob condições reais, o coeficiente de potência alcança não mais do que 50%, porque inclui todas as perdas aerodinâmicas do aerogerador.

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Tentaremos apresentar de forma sucinta esta fórmula:

Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:

mas o trabalho realizado pelo vento, que neste caso é igual a sua energia cinética, é:

Substituindo na primeira equação, temos:

Mas, como temos:

onde ρ é a densidade do ar em Kg/m3, V é a velocidade do vento e A é a área varrida pelas hélices do rotor, talvez seja essa a fórmula mais importante para se conhecer o aproveitamento da energia eólica. Como não conseguimos extrair toda a potência contida no vento e por existirem perdas mecânicas e aerodinâmicas, a fórmula se transforma em:

Onde: η - eficiência do conjunto gerador/transmissão Cp - coeficiente aerodinâmico de potência do rotor

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Analisando a fórmula anterior e supondo um aerogerador onde a velocidade do vento passa de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10%), a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a escolha de um lugar com ventos mais velozes, para o melhor aproveitamento da energia eólica.

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2.3 Sistemas Eólicos Um sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia, de forma a propiciar um maior rendimento final. Para efeito de estudo global da conversão eólica, devem ser considerados os seguintes componentes: • Vento: disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico. • Rotor: responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação. • Transmissão e Caixa Multiplicadora: responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; neste caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga. • Gerador Elétrico: responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica. • Mecanismo de Controle: responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga, etc. • Torre: responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente. • Transformador: responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica. • Acessórios: são os componentes periféricos.

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Figura 1.5 – Sistema eólico

Fonte: Disponível em: <http://www.bohnen.com.br/Noticia.aspx?NoticiaID=154>. Acesso em: 2 maio 2011.

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Tipos de Rotores Os aerogeradores costumam ser classificados pela posição do eixo do seu rotor, que pode ser vertical ou horizontal. A seguir, mencionaremos os principais modelos relativos aos tipos de classificação mencionados. Eixo Horizontal Esta disposição necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde ocorre muita mudança na direção dos ventos. Os principais modelos diferem quanto às características que definem o uso mais indicado, sendo eles:

Figura 1.6 – Gerador eólico 2Mva Fonte: Disponível em: <http://eco4u. wordpress.com/2010/10/25/forca-dos-ventos-gera-energia-enegocios-no-pais/ energia-eolica>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Figura 1.7 – Moinho com rotor multipás

Fonte: Disponível em: <http://alfredoneves.zip.net/arch2007-08-26_2007-09-01. html>. Acesso em: 7 jun. 2011.

1. Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo sua maior aplicação no bombeamento d´água. Suas características tornam seu uso mais próprio para aeromotores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida/área de varredura do rotor, mesmo para ventos fracos. Em contrapartida, seu melhor rendimento encontra-se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraída por área do rotor, a qual não é das melhores, o que torna esse tipo pouco indicado para geração de energia elétrica. Com o desen-

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volvimento da eletrônica, os sistemas atuais podem ser facilmente projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação à área de varredura, em que os modelos de duas e três pás se destacam com um rendimento muito superior. 2. Rotor de três ou duas pás - é praticamente o padrão de rotores utilizados nos aerogeradores modernos. Isso se deve à grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isso só ocorra em velocidades de vento superiores), pois, além do seu rendimento máximo ser o melhor entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas.

Figura 1.9 – Rotor de uma pá Fonte: Elaboração do autor (2011).

Figura 1.8 – Desenho de rotores de duas ou três pás Fonte: Elaboração do autor (2011).

3. Rotor de uma pá – a razão para o desenvolvimento de aerogeradores com uma pá é diminuir através de uma alta velocidade rotacional o número de pás do rotor e, com isso, diminuir o custo dos aerogeradores. Mas, devido ao fato de esse tipo de rotor possuir um desbalanceamento aerodinâmico que introduz movimentos adicionais, ele provoca cargas extras e necessita de construção de eixos complicados (juntas, amortecedores, etc) para manter os movimentos sob controle.

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A principal desvantagem para a sua aplicação comercial é o alto nível de ruído aerodinâmico do rotor, causado por uma velocidade de ponte de pá de cerca de 120m/s. Comparando com os rotores de três pás, essa velocidade de ponta é duas vezes mais elevada, o que significa que os aerogeradores de uma pá são muitas vezes mais barulhentos do que os de três pás. Ao menos na Alemanha, com sua alta densidade populacional, esses aerogeradores barulhentos não têm chance no mercado. Muitas pessoas também reclamam que uma só pá girando proporciona um distúrbio visual na paisagem. Algumas comunidades na Alemanha, portanto, não permitem a montagem de rotores de uma pá. Eixo Vertical A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismo de direcionamento, o que se evidencia nos aerogeradores, por simplificar bastante os meios de transmissão de potência. Como desvantagens, apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação, terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em relação à direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que, além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda a sua estrutura.

Figura 1.10 – Rotores com eixo vertical

Disponível em: <http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/meio-ambiente-energia-eolica/energia-eolica-4. php>. Acesso em: 2 maio 2011.

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Figura 1.11 – Corte de gerador eólico

Fonte: Adaptado de: <http:// www1.folha.uol.com.br/ mercado/855129-energia-eolicadeve-crescer-320-nesta-decadano-brasil-preve-governo.shtml>. Acesso em: 10 jun. 2011.

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Transmissão e Caixa Multiplicadora A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A Figura a seguir apresenta a localização da caixa multiplicadora dentro do sistema de geração eólica. O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador, de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais. A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150 RPM, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham a rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1200 a 1800 RPM), tornando necessária a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos. Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas eólicas. Assim, ao invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessárias para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores múltiplos de baixa velocidade e grandes dimensões.

Vantagens e desvantagens Os dois tipos de projetos possuem vantagens e desvantagens, e a decisão de utilizar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é, antes de tudo, uma questão de filosofia do fabricante.

Mecanismos de Controle Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade

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de mecanismos, que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga). Devido à atuação das forças aerodinâmicas nas pás do rotor, uma turbina eólica converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotacional. Essas forças aerodinâmicas são geradas ao longo das pás do rotor as quais necessitam de perfis especialmente projetados e que são muito similares àqueles usados para asas de aviões.

Controle aerodinâmico Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência nominal do aerogerador. São chamados de Controle Stall e Controle de Passo - Pitch.

No passado, a maioria dos aerogeradores usava o Controle Stall simples; atualmente, entretanto, com o aumento do tamanho das máquinas, os fabricantes estão optando pelo sistema de Controle de Passo - Pitch -, que oferece maior flexibilidade na operação das turbinas eólicas.

Controle de Passo - Pitch O Controle de Passo é um sistema ativo que, normalmente, necessita de uma informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada devido a um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo, para reduzir o ângulo de ataque. Essa redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e, consequentemente, a extração de potência. Para todas as velocidades do vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que a turbina produza apenas a potência nominal. Sob todas as condições

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de vento, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é bastante aderente à superfície, produzindo sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto.

Figura 1.12 – Pá sob ação do vento

Fonte: Disponível em: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Sob todas as condições de vento, o fluxo em torno dos perfis da pá do rotor é bem aderente à superfície, produzindo, portanto, sustentação aerodinâmica a pequenas forças de arrasto.

Controle Stall Controle Stall é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de forma que, para velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá (Stall), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as forças de arrasto. Sob todas as condições de ventos, superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é, pelo menos parcialmente, descolado da superfície, produzindo menores forças de sustentação e elevadas forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam contra um aumento da potência do rotor.

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Turbinas com Controle Stall são mais simples do que as de Controle de Passo, porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo.

Tipos de geradores empregados na geração eólica Os primeiros geradores instalados no final dos anos 1980 e início dos anos 1990 encontravam-se equipados com máquinas de indução de rotor em gaiola (MIRG). Esses geradores caracterizavam-se por possuírem uma velocidade de rotação praticamente constante e por possuírem caixas de velocidade para adaptação da velocidade de rotação nominal da turbina (cerca de 38 rpm) à velocidade de sincronismo da máquina de indução (tipicamente 1500 rpm). O controle da potência mecânica era conseguido por meio do desenho das pás, denominadas turbinas tipo “Stall”. A máquina de indução com o rotor em gaiola funciona como gerador nas situações em que a velocidade angular do rotor é superior à velocidade angular do campo girante, ou seja, para escorregamentos negativos.

Figura 1.13 – Diagrama Gerador Eólico máquina de indução

Fonte: Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

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Figura 1.14 – Diagrama Gerador Eólico máquinas síncronas

Fonte: Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

No final da década de 1990, foram instalados geradores eólicos equipados com máquinas síncronas (MS), operadas à velocidade variável. Eles se caracterizavam pela ausência de caixa de velocidades, sendo a adaptação da frequência das grandezas elétricas do gerador a frequência da rede, realizada por meio de um sistema de conversão corrente alternada / corrente contínua / corrente alternada (ca/cc/ca). As turbinas que equipam esses geradores são do tipo “Pitch” (Controle de Passo). No final dessa mesma década (anos 1990), foram instalados geradores eólicos equipados com máquinas de indução com rotor bobinado (MIDA), em que existia a possibilidade de variar uma resistência colocada em série com o rotor da máquina e, consequentemente, a gama de variação de velocidade do rotor. As turbinas que equipam esses aerogeradores são do tipo “Pitch”, sendo a adaptação da velocidade do rotor da turbina ao rotor da máquina de indução realizada por meio de uma caixa de velocidades.

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Figura 1.15 – Diagrama Gerador Eólico máquinas ind. rotor bobinado

Fonte: Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Medições da velocidade do vento e perfis do vento A medição da velocidade do vento é o ponto mais crítico para a avaliação do recurso de vento, determinação do desempenho e predição da energia anual gerada. Em termos econômicos, erros traduzem-se diretamente em risco financeiro. Não há outro setor em que a importância das incertezas nas medições da velocidade do vento seja tão grande como na energia eólica. Devido à falta de experiência, muitas medições de velocidade do vento possuem incertezas inaceitavelmente altas, pois não são aplicadas boas práticas na seleção, calibração e montagem dos anemômetros e na seleção do local de medição.

Anemômetro O anemômetro é um instrumento utilizado para medir a velocidade do vento.

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Figura 1.16 – Anemômetro digital de bolso

Fonte: Disponível em: <http://netserv6.siteseguro.ws/ ecommerce_site/produto_80712_2085_Anemometro-Digital--De-Bolso>. Acesso em: 6 jun. 2011.

O anemômetro analógico de torre fica instalado no local, possui três ou quatro braços, cujas extremidades são formadas por duas metades ocas de esferas que o vento faz rodar. O movimento de rotação aciona uma vareta central, que está ligada a um registrador usado para marcar a velocidade do vento. Tão importante quanto a calibração, é a seleção dos anemômetros. Anemômetros de má qualidade causam altas incertezas nas medições da velocidade do vento, mesmo se eles forem individualmente calibrados num túnel de vento.

Figura 1.17 – Anemômetro analógico de torre

Fonte: Disponível em: <http://swankanddirect. blogspot.com/2011/03/dating-anemometer.html>. Acesso em: 6 jun. 2011.

Figura 1.18 – Anemômetro utilizado em aeroportos Fonte: Disponível em: <http://www.cerpch. unifei.edu.br/eolica.php>.

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Convém destacar algumas observações importantes: • O período mínimo de medições da velocidade de vento é de um ano, o que diminui significativamente o risco financeiro de um parque eólico. • As medições de velocidade de vento são de suma importância ao se considerarem os aspectos econômicos de projetos de turbinas eólicas. Um erro de 3% nas medições leva a erros de 10% na produção de energia e, por essa razão, não é aceitável. • A rugosidade da superfície do terreno diminui a velocidade do vento. Em alturas superiores ao nível do solo, a rugosidade influencia menos e a velocidade do vento aumenta. O gráfico a seguir dá uma ideia de uma possível forma de camada limite da velocidade do vento.

Gráfico 1.2 – Velocidade/Altura Fonte: Elaboração do autor (2011).

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Sensor de direção O sensor de direção é um instrumento utilizado para medir a direção do vento. A direção dos ventos é importante para o cálculo da energia gerada por determinada usina eólica e, também, para a otimização da escolha dos locais e da direção em que ficarão alinhados os aerogeradores. Figura 1.19 – Sensor de direção

Fonte: Disponível em: <http://www.proviento.com.pe/anemometros.html>. Acesso em: 4 maio 2011.

Estimativa de produção de energia A produção anual de energia de um aerogerador é o fator econômico mais importante. Incertezas na determinação da velocidade de vento anual e da curva de potência contribuem para a incerteza total na predição da energia anual gerada e leva a um risco financeiro mais elevado. Enquanto a estimativa da produção de energia ainda é difícil de ser efetuada devido à ausência de controle das variantes envolvidas, é possível mensurar outras propriedades da energia eólica. A seguir, é mostrado como calcular a produção anual de energia (PAE). A produção anual de energia pode ser estimada pelo método do histograma de velocidade do vento e curva de potência. Se o histograma da velocidade do vento é conhecido a partir de medições, uma boa estimativa de PAE pode ser efetuada, utilizando-se o histograma de velocidades medidas e a curva de potência. Para cada intervalo de velocidade de vento, o número de horas no intervalo é multiplicado pela potência correspondente gerada pela turbina para se obter a produção anual de energia (observe nos gráficos).

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Assim sendo, a produção anual total de energia (PAE) pode ser calculada por meio da fórmula: E = ∑ P[i] * h[i].

Gráfico 1.3 – Exemplo de histograma de velocidade de vento medida Fonte: Elaboração do autor (2011).

Gráfico 1.4 – Curva de potência medida com massa específica do ar padrão Fonte: Elaboração do autor (2011).

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Gráfico 1.5 – Exemplo de energia estimada no intervalo Fonte: Elaboração do autor (2011).

A quantidade de energia que pode ser gerada depende dos seguintes fatores: 1. quantidade de vento que passa pela hélice; 2. diâmetro da hélice; 3. dimensão do gerador; 4. rendimento de todo o sistema; 5. altura da máquina; 6. espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados.

Princípio e tecnologia A absorção de energia cinética reduz a velocidade do vento a jusante do disco rotor; gradualmente essa velocidade recupera-se, ao misturar-se com as massas de ar predominantes do escoamento livre. Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás do rotor resulta uma esteira helicoidal de vértices, a qual também gradualmente se dissipa. Após alguma distância a jusante da turbina, o escoamento recupera as condições de velocidade originais, e turbinas adicionais podem ser instaladas, minimizando as perdas

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de desempenho causadas pela interferência das turbinas anteriores. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições da turbina, a rugosidade do terreno e a estabilidade térmica vertical da atmosfera. De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação de novas turbinas é da ordem de 10 vezes o diâmetro D, se instalada ao lado, em relação ao vento predominante. Velocidade média anual 10 m acima do nível do solo

Possibilidades de uso para a energia eólica

Abaixo de 3 m/s

Usualmente não viável, a menos em ocasiões especiais.

3-4 m/s

Pode ser uma opção para bombas eólicas, improvável para geradores eólicos.

4-5 m/s

Pode ser viável para geradores eólicos isolados. Bombas eólicas podem ser competitivas com bombas a Diesel.

Mais que 5 m/s

Viável tanto para bombas eólicas quanto para geradores eólicos isolados.

Mais que 7 m/s

Viável para bombas eólicas, geradores eólicos isolados e conectados à rede.

Quadro 1.1 – Possibilidade do uso de Energia Eólica Fonte: Elaboração do autor (2011).

Figura 1.20 – Esteira aerodinâmica e afastamento entre turbinas eólicas Fonte: AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasília: MME, 2001.

A velocidade angular do rotor é inversamente proporcional ao diâmetro D. Usualmente, a rotação é otimizada no projeto, para minimizar a emissão de ruído aerodinâmico pe-

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las pás. Uma fórmula prática para a avaliação da rotação nominal de operação de uma turbina eólica é: RPM = 1150 / D À medida que a tecnologia propicia dimensões maiores para as turbinas, a rotação reduz-se: os diâmetros de rotores no mercado atual variam de 40 e 80m, o que resulta em rotações da ordem entre 15 rpm e 30 rpm, respectivamente. As baixas rotações atuais tornam as pás visíveis e evitáveis por pássaros em voo. Quanto aos níveis de ruído, turbinas eólicas satisfazem os requisitos ambientais mesmo quando instaladas na ordem de 300 m de áreas residenciais. Esses aspectos contribuem para que a eolioelétrica apresente o mínimo de impacto ambiental entre as fontes de geração na ordem de gigawatts.

Figura 1.21 – Usina Eólica Osório

Fonte: Disponível em: <http://osoriobeleza.blogspot.com/2010/04/imagens-osorio.html>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Uma usina eólica é um conjunto de turbinas dispostas, adequadamente, em uma mesma área. Essa proximidade geográfica tem a vantagem econômica da diluição de custos: arredondamento de área, fundações, aluguel de guindastes e montagem, equipes de operação, manutenção e estoques de reposição.

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O Gráfico 1.6 mostra a forma típica de curva de potência de turbinas eólicas. Usualmente, a geração elétrica inicia-se com velocidades de vento da ordem de 2,5 – 3,0 m/s; abaixo desses valores, o conteúdo energético não justifica aproveitamento. Velocidades superiores à faixa de 12,0 m/s a 15,0 m/s (43 a 54 km/h) ativam o sistema automático, que pode ser por controle de ângulo das pás ou por estol aerodinâmico, dependendo do modelo de turbina. Em ventos muito fortes (> 25 m/s 90 km/h), atua o sistema automático de proteção.

Gráfico 1.6 – Curva típica de potência de turbinas eólicas

Fonte: AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasília, 2001.

Ventos muito fortes têm ocorrência rara e negligenciável em termos de aproveitamento, e a turbulência associada é indesejável para a estrutura da máquina; neste caso, a rotação das pás é reduzida (passo ou estol), e o sistema elétrico do gerador é desconectado da rede elétrica. Turbinas elétricas de grande porte têm controle inteiramente automático, através de atuadores rápidos, software e microprocessadores alimentados por sensores duplos em todos os parâmetros relevantes. Usualmente, utiliza-se telemetria de dados para monitoramento de operação e auxílio a diagnósticos/operação. O cálculo da energia gerada – anual ou mensal – é realizado pela multiplicação dos valores de potência gerada pelo tempo de duração associados a intervalos de velocidade do vento.

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2.4 Aplicações dos Sistemas Eólicos Um sistema eólico pode ser utilizado em quatro aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos, sistemas interligados à rede e sistemas Off-Shore. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, de uma unidade de armazenamento.

Sistemas Isolados

Figura 1.22 – Configuração de um sistema eólico isolado

Fonte: Adaptado de: <http://www.brasilhobby.com.br/descricao.asp?CodProd=EL1000>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Os sistemas isolados, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia, que pode ser feito por meio de baterias, com o objetivo de utilizar aparelhos elétricos,

energia eólica

ou na forma de energia gravitacional, com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios, para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação em que toda a água bombeada é diretamente consumida. Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria. O controlador de carga tem como principal objetivo evitar danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda. Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA), é necessária a utilização de um inversor. Esse dispositivo geralmente incorpora um seguidor do ponto de máxima potência, necessário para otimização da potência produzida. Esse sistema é usado, quando se deseja utilizar eletrodomésticos convencionais.

Sistemas Híbridos Os sistemas híbridos são aqueles que, desconectados da rede convencional, apresentam várias fontes de geração de energia como, por exemplo, turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos, entre outras. A utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das fontes. Nestes casos, é necessário realizar um controle de todas as fontes, para que haja máxima eficiência na entrega da energia para o usuário. Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio a grande porte, destinados a atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas em corrente alternada, o sistema híbrido também necessita de um inversor. Devido à grande complexidade de arranjos e multiplicidade de opções, a forma de otimização do sistema torna-se um estudo particular a cada caso.

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Figura 1.23 – Configuração de um sistema híbrido solar-eólico-diesel

Fonte: Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

Sistemas interligados à rede Os sistemas interligados à rede utilizam um grande número de aerogeradores e não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. O total de potência instalada no mundo de sistemas eólicos interligados à rede soma aproximadamente 120 GW. (WWEA, 2009).

Figura 1.24 – Parque eólico conectado à rede - Parque Eólico da Prainha (CE)

Fonte: Disponível em: <http://www.wobben.com.br/usinas_CE.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

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Sistemas Off-Shore - Energia eólica no mar As instalações off-shore representam as novas fronteiras da utilização da energia eólica. Embora representem instalações de maior custo de transporte, instalação e manutenção, as instalações off-shore têm crescido a cada ano, principalmente com o esgotamento de áreas de grande potencial eólico em terra. A indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico da adaptação das turbinas eólicas convencionais para uso no mar. Além do desenvolvimento tecnológico, os projetos off-shore necessitam de estratégias especiais quanto ao tipo de transporte das máquinas, sua instalação e operação. Todo o projeto deve ser coordenado de forma a utilizar os períodos em que as condições marítimas propiciem deslocamento e instalação com segurança.

Figura 1.25 – Parque eólico instalado no mar

Fonte: Disponível em: <https://www.swe.siemens.com/portugal/web/pt/power/imprensa/imagens/Pages/Siemens_fornece_maior_parque_eolico_do_mundo_construido_no_mar.aspx>. Acesso em: 7 jun. 2011.

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2.5 Qualidade da Energia A qualidade da energia no contexto da geração eólica descreve o desempenho elétrico do sistema de geração de eletricidade do aerogerador, em que quaisquer perturbações sobre a rede elétrica devem ser mantidas dentro de limites técnicos estabelecidos conforme o nível de exigência imposto pelo gerente de operações da rede. Para a maior parte das aplicações de unidades eólicas, a rede pode ser considerada como um componente capaz de absorver toda a potência gerada por essas unidades, com tensão e frequência constantes. No caso, por exemplo, de sistemas isolados de pequeno porte, podem ser encontradas situações em que a potência elétrica fornecida pelo aerogerador alcance valores compatíveis com a capacidade da rede. Onde a rede é fraca, a qualidade da energia deve ser uma das principais questões a serem observadas sobre a utilização de aerogeradores (tamanho, tipo de controle, etc.) O Quadro 1.2 a seguir descreve os principais distúrbios causados por aerogeradores na rede elétrica e as respectivas causas, as quais podem ser resumidas em condições meteorológicas, do terreno, e, especificamente, sobre as características elétricas, aerodinâmicas, mecânicas e de controle presentes no aerogerador. Distúrbios Elevação / queda de tensão Flutuações de tensão e cintilação

Harmônicos

Consumo de potência reativa

Causa Valor médio da potência entregue • Operações de chaveamento • Efeito de sombreamento da torre • Erro de passo da pá • Erro de mudança de direção • Distribuição vertical do vento • Flutuações da velocidade do vento • Intensidade de turbulências 9. Conversores de freqüência 10. Controladores tiristorizados 11. Capacitores Componentes indutivos ou sistemas de geração

Quadro 1.2 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica Fonte: CARVALHO, P. Geração eólica. Fortaleza: Imprensa Universitária, 2003.

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É importante observar que os cuidados na conexão à rede elétrica devem ser observados e avaliados ainda na fase de planejamento. Quando várias máquinas eólicas são conectadas em um parque, o nível de potência entregue por unidade pode variar devido à localização das máquinas no parque e o efeito de “sombra” causado pelos aerogeradores a montante daqueles que se encontram em fileiras mais afastadas em relação à direção do vento predominante. O tipo de gerador utilizado (síncrono ou assíncrono) produz diferentes níveis de flutuação nas variáveis elétricas de saída. Isso pode ser verificado, particularmente, para as unidades de grande porte, com potência superior a 1 MW, visto que as de pequeno e médio porte podem influenciar a rede apenas quando estão conectadas em grande número. Devido aos baixos valores de escorregamento, geradores assíncronos conectados diretamente à rede elétrica, operando com velocidade quase constante, geram flutuações mais significativas do que geradores síncronos em velocidade variável, conectados à rede via unidade retificadora/inversora. (CARVALHO, 2003). No caso específico de distribuições de harmônicos, considerado como um grave problema para a manutenção da qualidade de energia, a principal fonte de harmônicos são os conversores de frequência empregados para conectar os geradores eólicos à rede elétrica. Assim, os geradores eólicos assíncronos ou síncronos ligados diretamente à rede elétrica não necessitam de maiores atenções neste aspecto.

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2.6 A Energia Eólica no Mundo A energia eólica foi a responsável pela instalação de 16GW em novas usinas, em todo o mundo, no primeiro semestre de 2010. O desempenho foi considerado pela Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA) como “um crescimento robusto” e teve como principal destaque, novamente, a China. O país adicionou 7.800MW em potência instalada durante aqueles seis meses, fazendo com que a fonte passasse a responder por quase 34GW em seu sistema elétrico. A capacidade eólica total do globo alcançou 175GW até o final de julho de 2010, contra 159GW totalizados em dezembro de 2009. A WWEA afirmou, então, esperar que o mercado para novas turbinas crescesse entre 35 e 40GW naquele ano. Nos cálculos da associação, a potência eólica no mundo deveria chegar a 200GW ao final de 2010. Com isso, a China ultrapassaria os Estados Unidos e se tornaria a líder mundial em potência eólica.

Mercado eólico global “O mercado mundial para turbinas eólicas teve uma ligeira baixa na primeira metade de 2010. No entanto, ainda há um robusto desenvolvimento em muitos países. A Ásia e especialmente a China, com seu crescimento impressionante, continuam a ser os principais condutores do mercado eólico global”, analisa o presidente da WWEA, Anil Kane.

O secretário-global da associação, Stefan Gsänger, porém, faz um alerta. Para ele, o desenvolvimento dos financiamentos nos países em desenvolvimento e o enfraquecimento da fonte em alguns países mostram que “a energia eólica ainda não é um sucesso garantido automaticamente”. O executivo pede por aprimoramentos legislativos e mais facilidades na obtenção de licença para as construções. Tarifas “mais compreensivas” de

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incentivo e soluções para conexão das usinas à rede também estão entre os pontos para os quais Gsänger pede atenção.

Energias renováveis Diversos governos têm feito investimentos em fontes de energia renováveis. A redução na emissão de gases nocivos na atmosfera é a principal responsável pela procura de fontes de energia renováveis como a energia eólica. Não há dúvida de que o custo da energia hoje é maior que o de outras fontes, como a hidráulica e a térmica. Mas, apesar disso, a energia eólica possui aspectos muito importantes, como a segurança e a limpeza, além de ser uma energia renovável “verde”.

A Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA), que representa todas as organizações de energia eólica ao redor do mundo, prevê uma taxa de crescimento anual para o segmento de 21%, o que permitirá, em 2010, uma capacidade instalada de geração mundial de 200GW de energia eólica.

Gráfico 1.7 – Crescimento eólico a nível mundial (MW) Fonte: Elaboração do autor (2011).

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Alemanha (20.622 MW), Estados Unidos da América (11.603 MW), Índia (6.270 MW) e Dinamarca (3.136 MW) são os maiores produtores e os responsáveis por mais de 70% da geração de energia eólica do mundo.

Gráfico 1.8 – Ranking eólico de capacidade mundial instalada (MW) Fonte: Elaboração do autor (2011).

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2.7 O Brasil e a Energia Eólica O potencial eólico brasileiro para aproveitamento tem sido objeto de estudos e inventários desde os anos de 1970, e seu histórico revela o lento mas progressivo descortinamento de um potencial energético natural de relevante magnitude existente no país. O Ministério de Minas e Energia (MME), por exemplo, coordena atualmente o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia (Proinfa), que é um importante instrumento para diversificação da matriz energética brasileira.

Figura 1.26 – Direções predominantes dos ventos do Brasil

Fonte: AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasília: MME, 2001.

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O Brasil se tornou a bola da vez em energia eólica na visão das empresas que atuam no setor, posição detida pela Argentina no final dos anos 1990. Essa é a razão do desembarque das grandes empresas do segmento para disputar os leilões que vêm sendo promovidos pelo governo federal desde o final de 2009. (ROCCO, 2011). “Todos querem encontrar a nova China, e o Brasil está no topo da lista”, diz Steve Sawyer, secretário-geral da Global Wind Energy Council (GWEC). No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito, tradicionalmente, com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento d’água, algumas medidas precisas de vento, realizadas, recentemente, em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico ainda não explorado. A taxa de geração de energia de uma turbina de um megawatt é, aproximadamente, 27% da capacidade plena, na média de diversas usinas no mundo, por ano. No Brasil, há locais em que essa taxa chega a 45% ou 50%. Pode-se dizer que os melhores locais estão no Ceará e no Rio Grande do Norte, com duas vezes mais capacidade de geração que a Alemanha.

Figura 1.27 – Levantamento eólico do Brasil

Fonte: AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasília: MME, 2001.

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Pelas razões expostas, grande atenção vem sendo dirigida ao Estado do Ceará, pelo fato de ter sido um dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico por meio de medidas de vento com modernos anemógrafos computadorizados. Entretanto não apenas na costa do Nordeste foram identificadas áreas de grande potencial eólico. Em Minas Gerais, por exemplo, uma central eólica está em funcionamento, desde 1994, em um local (afastado mais de 1000 km da costa) com excelentes condições de vento, como pode ser observado nas manchas coloridas da Figura 1.27, onde a cor mais avermelhada indica maior potencial eólico. Baseado no Atlas Eólico do Nordeste, o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) estima que o potencial eólico existente no Nordeste seja de 6.000MW.

Figura 1.28 – Capacidade instalada no Brasil Fonte: Elaboração do autor (2011).

O Brasil tem um potencial real de geração, desconsiderando as áreas urbanas e de proteção ambiental, de 30 GW, em terra. Em 2009, a capacidade instalada de energia eólica no País era de 606 megawatts segundo dados da GWEC – organização não governamental com sede em Bruxelas, na Bélgica, que trabalha pelo desenvolvimento do setor em todo o mundo. Em 2010, diz a entidade, foram acrescentados mais 326 megawatts à

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capacidade brasileira, elevando o total para cerca de 930 megawatts, quase metade do que, então, está estava disponível em toda a América Latina.

Figura 1.29 – Velocidade média anual de vento

Fonte: AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasília: MME, 2001.

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2.8 Investimentos para aplicações da Energia Eólica A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol, isto porque os ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera. Essa não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra. Embora o emprego da energia eólica apresente alguns fatores inconvenientes, como por exemplo, a questão da disponibilidade, pois o vento não sopra todo o tempo e as plantas eólicas exigem elevado investimento inicial, há uma série de fatores favoráveis a sua utilização, tais como:

Figura 1.30 – Aerogerador instalado no interior de uma pequena cidade na Inglaterra Fonte: Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/ Imagem:Greenpark_wind_turbine_arp.jpg>. Acesso em: 19 abr. 2011.

» combustível: não há necessidade, portanto, não há emissões de CO2; » variação de preços: imune a choques, indisponibilidade ou importação de combustíveis; » instalações: modulares e rápidas; » capacidade: interligada à rede, pode suprir grandes demandas; » economia no entorno: as atividades agrícolas ou industriais não são afetadas;

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» meio rural: permite o aproveitamento energético em pequenas instalações isoladas. Pode-se acrescentar como ponto positivo a facilidade e capacidade de implantar e/ou expandir as fazendas eólicas de acordo com a demanda real e sua respectiva evolução, o que não ocorre com as hidrelétricas, por exemplo. Por outro lado, como em qualquer outra forma de geração de energia elétrica, não há um aproveitamento total do recurso utilizado, ou seja, não se pode converter toda a energia dos ventos em energia elétrica. Isso ocorre devido às perdas mecânicas e elétricas. Outro fator negativo para a implantação de um parque eólico é a grande área requerida para instalação das turbinas geradoras de energia elétrica, além de restrições ambientais sobre a utilização do solo. Em contrapartida, a indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico da adaptação das turbinas eólicas convencionais para uso no mar, como já existe em outros países, conforme ilustra a Figura 1.31.

Figura 1.31 – Parque eólico instalado no Mar do Norte

Fonte: Disponível em: <http://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/gra-bretanha-foca-em-parques-eolicos-para-mudar-seu-perfil-energetico>. Acesso em: 13 jun. 2011.

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2.9 Vantagens e desvantagens da Energia Eólica A partir de todo o exposto até aqui, destaca-se no quadro a seguir as principais vantagens apontadas na utilização da energia eólica.

VANTAGENS • • • • • •

É uma fonte de energia segura e renovável. Não causa danos ao meio ambiente, quando comparada com as outras fontes de geração de energia. Ocupa pequenas áreas. Gera grande quantidade de energia elétrica. A área pode ser utilizada para agricultura e pecuária. Tempo rápido de construção.

DESVANTAGENS • Poluição sonora. • Interferência em sistemas de telecomunicações (interferências eletromagnéticas). • Considerável efeito visual e paisagístico. • Efeito de sombras em movimento e mortalidade de aves em zonas de imigração causada pelas pás em movimento.

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Considerações com relação às desvantagens da energia eólica: » Poluição sonora – perfeitamente dentro dos limites do suportável com a nova geração de aerogeradores, em que é enorme o esforço de minimização do ruído. » Interferências eletromagnéticas – podem ser muito atenuadas ou inexistentes, se for correta a planificação da sua localização. » Mortalidade de aves em zonas de migração – pode ser muito atenuada ou inexistente, se for correta a planificação de sua localização. » Considerável efeito visual e paisagístico – pode ser diminuído, tendo o cuidado de fazer a sua integração com a paisagem envolvente na fase de planejamento e escolha do local mais propício para a instalação do projeto.

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Considerações finais Recentemente, a preocupação com as emissões de gases de efeito estufa provenientes da queima de combustíveis fósseis vem mobilizando a comunidade e os governos mundiais no sentido de mudar o perfil de suas matrizes energéticas, com maior participação das energias renováveis. As tecnologias renováveis são ideais para o aproveitamento de recursos locais de matéria-prima e mão de obra, evitam perda de transmissão e aliviam as responsabilidades das autoridades e das concessionárias pelo bom funcionamento das malhas da rede elétrica.

Energia Eólica O uso de sistemas eólicos é uma opção energética que se torna cada vez mais competitiva à medida que seus custos de investimento diminuem, os custos dos combustíveis fósseis aumentam e o impacto ambiental é cada vez mais relevante para a sociedade.

A energia eólica se apresenta como uma solução adequada para a energização rural por meio da instalação de pequenas unidades, naturalmente em locais com ventos consistentes, combinado, ou não, com outras fontes locais de energia. Ela pode ser usufruída, também, em pequenas concentrações urbanas, como apresentado na Figura 1.31, onde um aerogerador atende à demanda de aproximadamente 1500 estabelecimentos, entre residências e comércios. Isso contribuiria para a conservação dos recursos naturais, reduziria custos com a geração e transmissão de energia e aumentaria a eficiência da relação entre geração e consumo, levando em consideração que o gerador elétrico seria instalado junto ao ponto de consumo evitando perdas com a transmissão.

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[16] Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/ tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011. [17] Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/ tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011. [18] Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/ tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011. [19] Disponível em: <http://netserv6.siteseguro.ws/ecommerce_site/ produto_80712_2085_Anemometro-Digital--De-Bolso>. Acesso em: 6 jun. 2011. [20] Disponível em: <http://swankanddirect.blogspot.com/2011/03/datinganemometer. html>. Acesso em: 6 jun. 2011. [21] Disponível em: <http://www.cerpch.unifei.edu.br/eolica.php>. Acesso em: 6 jun. 2011. [22] Elaboração do autor (2011). [23] Disponível em: <http://www.proviento.com.pe/anemometros.html>. Acesso em: 4 maio 2011. [24] Elaboração do autor (2011). [25] Elaboração do autor (2011). [26] Elaboração do autor (2011). [27] Elaboração do autor (2011). [28] AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasilia, 2001. [29] Disponível em: <http://osoriobeleza.blogspot.com/2010/04/imagens-osorio. html>. Acesso em: 7 jun. 2011. [30] AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasilia, 2001. [31] Adaptado de: <http://www.brasilhobby.com.br/descricao.asp?CodProd= EL1000>. Acesso em: 7 jun. 2011. [32] Adaptado de: <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/ tutorial_eolica.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011. [33] Disponível em: <http://www.wobben.com.br/usinas_CE.htm>. Acesso em: 7 jun. 2011.

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[34] Disponível em: <https://www.swe.siemens.com/portugal/web/pt/power/ imprensa/imagens/ Pages/Siemens_fornece_maior_parque_eolico_do_mundo_ construido_no_mar.aspx>. Acesso em: 7 jun. 2011. [35] CARVALHO, P. Geração Eólica. Fortaleza: Imprensa Universitaria, 2003. [36] Elaboração do autor (2011). [37] Elaboração do autor (2011). [38] AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasilia, 2001. [39] AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasilia, 2001. [40] Elaboração do autor (2011). [41] AMARANTE, O. A. et al. Atlas do potencial eólico brasileiro. Brasilia, 2001. [42] Disponível em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Imagem:Greenpark_wind_ turbine_arp.jpg>. Acesso em: 19 abr. 2011. [43] Disponível em: <http://veja.abril.com.br/noticia/ciencia/gra-bretanha-focaem- parques-eolicos -para-mudar-seu-perfil-energetico>. Acesso em: 13 jun. 2011

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3 Energia HĂdrica

energia hídrica

3.1 Introdução A água é elemento fundamental para o desenvolvimento econômico e social. Ela é importante para garantir a integridade dos ambientes naturais, além de ser fonte de energia.

Energia da água A energia derivada da força e/ou do movimento da água é chamada de Energia Hídrica ou Hidroenergia.

A energia hídrica pode ser usada de muitas maneiras: para irrigação, abastecimento doméstico, produção de ar comprimido e em moinhos e máquinas têxteis, por exemplo. No entanto a forma de aproveitamento economicamente mais importante dessa energia é a geração de eletricidade. Os registros mais antigos da utilização de energia hídrica referem-se à Mesopotâmia, Antigo Egito, Pérsia e China Antiga, na forma de irrigação, há 6.000 anos e, como relógios de água, há 2.000 anos. Então, rodas d’água e moinhos foram construídos nessas regiões. A energia hídrica também era utilizada para cortar madeira e pedras utilizadas nas construções. A partir do século XVIII, passou a ser utilizada para mover máquinas têxteis, e, nesse mesmo período, foram desenvolvidos os princípios para geração de eletricidade a partir dessa fonte de energia. Atualmente, existem diversos tipos de aproveitamentos de energia hídrica em uso, sendo muitos deles empregados para geração de eletricidade. O tipo mais comum de instalação para geração de hidroeletricidade são as barragens que aproveitam a energia potencial existente nas águas de rios. Existem também instalações que capturam energia cinética ao longo dos rios, sem a necessidade de construção de barragens, e, ainda,

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sistemas de bombeamento e estocagem que operam geradores. Além desses aproveitamentos, há sistemas que aproveitam a força das marés na direção horizontal, os quais incluem algumas das maiores estruturas artificiais do mundo.

Hidroeletricidade A Energia Hídrica é uma das fontes de energia mais promissoras na substituição dos combustíveis fósseis. A hidreletricidade produz cerca de 90% da energia derivada de fontes renováveis, apresenta alta qualidade, é confiável e flexível. A produção de eletricidade a partir da Energia Hídrica apresenta potencial para suprir a demanda energética de muitas comunidades ao redor do globo e pode ter papel fundamental em sistemas energéticos integrados, aumentando a contribuição efetiva de outras fontes de energia renováveis mas inconstantes, como a energia solar e eólica.

A energia hídrica também é vista como importante estratégia para implantação de projetos de Mecanismos de Desenvolvimento Limpo (MDL), visando à redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE), conforme acordado no Protocolo de Quioto. Espera-se que projetos de aproveitamento hídricos sejam capazes de reduzir 47 milhões de toneladas de CO2 por ano a partir de 2012, ano em que se encerra o primeiro período de comprometimento do citado Protocolo. Esse valor equivale a 14% das reduções esperadas por todos os projetos de MDL existentes. Por isso, a hidreletricidade é a estratégia líder para aproveitamento de fontes renováveis. A utilização de energia hídrica apresenta potencial de crescimento a curto, a médio e a longo prazo. Isto se deve a diferentes fatores, tais como: • grande potencial subexplorado em muitas regiões do planeta, especialmente nos países em desenvolvimento; • avançado estado de desenvolvimento das tecnologias utilizadas, o que leva a um alto grau de confiança dos investidores;

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• significativa economia de escala da indústria da hidreletricidade; • tendência a grande densidade de energia por planta. A hidreletricidade pode ser desenvolvida e operada visando à redução de impactos sociais, ecológicos e econômicos. Desta forma, ela pode representar uma importante estratégia para reduzir a pobreza e melhorar os padrões de vida por meio da ampliação da oferta de eletricidade em diferentes regiões do mundo. Além disso, o uso racional dessa fonte renovável pode contribuir para a diminuição do ritmo de aquecimento global. Este capítulo visa destacar aspectos básicos relacionados aos aproveitamentos hídricos, principalmente no que se refere à produção de eletricidade a partir desta fonte. Assim, primeiramente, em um estudo sobre o panorama internacional, são descritos os múltiplos usos da energia hídrica nas diferentes regiões do planeta, seus impactos ambientais e a contabilidade ambiental. A seguir, em “Aspectos Técnicos de Aproveitamentos Hídricos”, são discutidos os princípios físicos das diferentes formas de produção de hidreletricidade a partir das energias cinética e potencial produzidas por meio das marés e dos oceanos. Ainda sobre este tema, são discutidos os equipamentos e instalações mais utilizados para produção de energia elétrica a partir da Energia Hídrica. No estudo sobre “Viabilidade dos Aproveitamentos Hídricos”, são debatidos os principais temas atualmente discutidos a respeito da geração de hidreletricidade, por meio de uma revisão das pesquisas científicas a respeito da conservação das barragens e outras estruturas e das principais estratégias para controle dos impactos. Por fim, é analisado o panorama de políticas públicas e recomendações internacionais relacionadas à produção de hidreletricidade.

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3.2 Aproveitamentos hídricos nas diferentes regiões do planeta Existem muitos usos possíveis para a energia hídrica. A energia cinética da água corrente ou a energia potencial de quedas de água podem ser usadas diretamente para operar máquinas. Esses foram os principais usos dessa energia até metade do século XIX. A água corrente é uma das mais antigas fontes de energia utilizadas para reduzir o trabalho de pessoas e animais. Há pelo menos 5.000 anos, já existiam, em diferentes lugares do planeta, equipamentos de aproveitamento de água. O primeiro deles foi a roda de elevação (Figura 2.1). Esse equipamento aparece nos registros arqueológicos de diferentes regiões no Oriente Médio e era composto de uma roda de madeira na qual se afixavam jarros de cerâmica os quais elevavam a água provavelmente para irrigação.

Moinhos Outro equipamento ainda hoje muito conhecido e utilizado é o moinho. Os primeiros moinhos foram utilizados, provavelmente, para produzir farinha de trigo na região do Mediterrâneo. Seus registros mais antigos datam de praticamente 2.000 anos atrás e se estenderam até a Escandinávia. Nos séculos seguintes, eles ficaram cada vez mais sofisticados e se espalharam pelo Império Romano e além de suas fronteiras. Com o passar do tempo, os moinhos movidos a água passaram a ser utilizados também para mineração, siderurgia, produção de papel. A água era a principal fonte de energia mecânica. Estima-se que, no século XVII, somente na Inglaterra, existiam 20.000 moinhos movidos a água em funcionamento.

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Figura 2.1 – Roda d’água movida a energia potencial dos recursos hídricos

Fonte: Disponível em: <http://www.baixaki.com.br/usuarios/imagens/wpapers/81768-16774-1280.jpg >. Acesso em: 11 jun. 2011.

A utilização de energia hídrica é amplamente difundida em todas as regiões do planeta que apresentam recursos hídricos disponíveis; a força desses recursos é aplicada para diferentes objetivos. Existem antigos moinhos funcionando em alguns lugares do mundo para fazer farinha ou açúcar. Em países em desenvolvimento, esses aproveitamentos diretos ainda desempenham importante papel. No Nepal, turbinas simples, produzidas localmente, são usadas para operar equipamentos; no Oriente Médio e na Ásia, o uso de canais para elevar água para irrigação de culturas agrícolas ainda está presente em muitos lugares. O uso mais comum das águas está relacionado à irrigação de cultivos agrícolas. Este uso é muito antigo e é fundamental, ainda, para o desenvolvimento de atividades agrícolas, visando evitar as incertezas climáticas. Em algumas regiões, a irrigação ainda é utilizada, fazendo uso de tecnologias neolíticas que aproveitam a energia potencial para distribuição de água nas áreas cultivadas (Figura 2.2).

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Figura 2.2 – Canal de irrigação utilizando energia potencial

Fonte: Disponível em: <http://learn.uci.edu/oo/getOCWPage.php?course=OC0811004&lesson=004&topic=001& page=10>. Acesso em: 4 abr. 2011.

Outro uso amplamente difundido da energia hídrica é o abastecimento doméstico, constituindo-se em importante fator na qualidade de vida das populações. Sistemas de abastecimento de água que utilizam a energia potencial dos recursos hídricos existem há milênios e ainda são utilizados atualmente.

Figura 2.3 – Aquedutos em Lisboa

Fonte: Disponível em: <http://mjfs.files.wordpress.com/2007/09/agua-livres-1-lisboa.jpg>. Acesso em: 14 jun. 2011.

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A energia hídrica pode ainda ser utilizada para produção de ar comprimido a partir de quedas de água. Utilizando uma trompa, é possível comprimir o ar que pode ser utilizado para operar outros equipamentos distantes da água. Em condições ideais, a compressão é possível diretamente. Uma coluna de água cai em uma câmera subterrânea, levando uma mistura de ar e água gerada pela turbulência. Nessa câmera, o ar é separado da água, comprimido e capturado no alto da câmera, enquanto a água é expelida para a superfície. Existem algumas usinas com esse tipo de equipamento: um exemplo é a Usina do Rio Montreal, no estado de Ontário, nos Estados Unidos, que opera desde 1910.

Figura 2.4 – Sistema de compressão de ar da Usina do Rio Montreal, Ontário, Canadá Fonte: Disponível em: <http://sections.asme. org/milwaukee/history/51-pic1.jpg>. Acesso em: 14 jun. 2011.

Atualmente, esses usos diretos da energia hídrica representam apenas uma pequena parte de sua utilização. No mundo industrializado, esses exemplos são cada vez mais raros. A contribuição desses aproveitamentos para o uso mundial da energia hídrica é muito pequena, quando comparada com a produção de hidreletricidade, no entanto o uso da água para geração de eletricidade é bastante recente. No século XIX, o avanço das tecnologias que permitiam a utilização do carvão como fonte de energia fez com que os equipamentos movidos a água fossem considerados obsoletos. Apesar disso, um século depois, a utilização de água para produção de eletricidade tornou-se uma indústria em expansão. A expansão dessa indústria foi resultado de diversas descobertas científicas, as quais foram desenvolvidas e transformadas em tecnologias elétricas durante o século XIX. Em 1832, Faraday descobriu a indução eletromagnética. Nesse mesmo ano, um jovem

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engenheiro francês, Benoit Fourneyron, patenteou uma roda de água nova e mais eficiente, a primeira turbina de água. A palavra turbina vem do latim turbo, que significa “algo que gira”, e foi cunhada por um professor do inventor. Essa nova turbina incorporou diversos novos equipamentos. A inovação mais importante foi o fato desta turbina funcionar totalmente submersa; testes demonstraram que ela era capaz de converter 80% da energia da água em energia mecânica utilizável. Depois dessa experiência bem-sucedida, novas pesquisas começaram a ser realizadas em diferentes partes do mundo. Nos Estados Unidos, o engenheiro James Francis desenvolveu uma turbina radial que recebeu seu nome. (GULLIVER, 1991). A partir dessas primeiras experiências, a indústria elétrica cresceu e se desenvolveu durante o final do século XIX. Com a possibilidade de desenvolvimento de plantas individuais, muitas hidrelétricas aumentaram de alguns kW para mais de um MW, em apenas uma década. E, atualmente, é possível gerar eletricidade a partir das águas dos oceanos e dos rios.

Aproveitamento de energia do mar Existem diferentes formas de converter a energia dos oceanos em hidreletricidade. As principais formas de aproveitamento são a energia das barragens de marés; energia do fluxo das marés; energia das correntes marinhas; energia das ondas; energia da conversão térmica do oceano; e a energia das diferenças de pressão osmótica. Entre esses tipos de aproveitamento, a energia das marés, das correntes e das ondas apresentam maior potencial de desenvolvimento. (PONTAA; JACOVKISA, 2008).

Nos oceanos, a energia das marés pode ser capturada na posição horizontal, sendo possível utilizá-la através de geradores de fluxo semelhantes a turbinas eólicas. Além disso, ainda é possível produzir eletricidade utilizando barragens de marés. A energia hídrica marinha pode ser usada para geração de eletricidade pela utilização das ondas

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de superfície. Pontaa e Jacovkisa (2008) destacam a utilização da energia cinética das correntes marinhas e as diferenças de temperatura entre águas profundas e superficiais nos oceanos, para gerar hidreletricidade. Em aproveitamentos de águas dos rios, é possível utilizar a energia cinética ou potencial presente nos corpos hídricos. A produção de hidreletricidade a partir do aproveitamento de energia cinética é denominada run-of-river (ROR). Esse tipo de aproveitamento implica pequena necessidade de estocagem de água em reservatórios para suprir as casas de força. As plantas sem reservatórios dependem dos níveis sazonais dos rios. Por outro lado, as usinas com reservatórios podem regular o fluxo de água. As formas mais difundidas de geração de hidreletricidade são as usinas com barragens, as quais utilizam a energia potencial existente nas águas de rios. Ao barrar um rio, forma-se um reservatório de água, e essa é conduzida por um canal até equipamentos que geram eletricidade.

Figura 2.5 – Barragem hidrelétrica

Fonte: Disponível em: <http://portaldoestudantegeo.blogspot.com>. Acesso em: 20 maio 2011.

Atualmente, a produção de hidreletricidade é a principal alternativa à utilização de combustíveis fósseis. Sua produção permitiu a ampliação da disponibilidade de eletri-

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cidade em muitas regiões. Pela utilização de uma fonte renovável – a água –, a hidreletricidade se aproxima das discussões internacionais sobre sustentabilidade. Diversas convenções internacionais apontaram a hidreletricidade como uma importante estratégia para a continuidade da oferta de energia associadamente à redução de emissões de gases de efeito estufa (GEE). A implantação de aproveitamentos hídricos pode permitir que os países alcancem as metas de redução de emissões propostas no Protocolo de Quioto e na Convenção de Cancun. A partir da energia hídrica são produzidas, atualmente, 24% da eletricidade utilizada no planeta. No entanto a produção de hidreletricidade apresenta distribuição heterogênea nos diferentes países; algumas regiões concentram, praticamente, toda a sua produção. Entre as regiões mais produtivas estão a América Latina e a África. As instalações hidrelétricas atuais variam em capacidade de geração de eletricidade entre algumas centenas de watts e mais de 10.000 MW. Essas instalações podem ser classificadas de diferentes formas, tais como pela altura, pela capacidade instalada, pelo tipo de turbina utilizada, pelo tipo e pela localização da barragem e do reservatório, etc. Todas essas categorias são inter-relacionadas, sendo a altura um fator muito importante e que determina os demais. A capacidade mundial de produção de hidreletricidade aumentou todos os anos, durante um século inteiro. Apesar do crescimento da oferta, esse tipo de eletricidade não acompanhou a produção total de eletricidade no mundo. Entre os anos de 1991-2000, a oferta de hidreletricidade aumentou 24%, enquanto a oferta total de eletricidade cresceu 30%. Consequentemente, a contribuição da hidreletricidade para a oferta total mundial caiu de 18,5% para 17,6% naquela década, e foi de apenas 16% em 2002. A produção de hidreletricidade nas diferentes regiões do planeta é bastante variada. A Noruega obtém quase toda a sua eletricidade da energia hídrica. O Brasil obtém 80% de sua demanda dessa fonte, e o Canadá e a Suécia abastecem metade de sua demanda com ela. A América Latina apresenta grande potencial de aproveitamento de energia hídrica para produção de eletricidade, por isso os investimentos em infraestrutura nessa região crescem

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anualmente. Estima-se que os investimentos possam superar os 450 bilhões de dólares em 2015. Atualmente, a capacidade instalada na América Latina é de 140.000 MW de hidreletricidade, razão de essa região ser um dos mercados mais importantes do mundo. Visando fortalecer o desenvolvimento do imenso potencial hidrelétrico da América Latina, foi criada a Convenção de Hidreletricidade da América Latina (Hydro Power Summit Latin America). Esta organização constitui um fórum, para que os interessados (poderes públicos, empresários, usuários, pesquisadores) possam discutir aspectos relacionados à produção de eletricidade a partir das fontes hídricas. Assim, são discutidos os principais tipos de plantas hidrelétricas, tais como a geração de hidreletricidade com barragens ou sem barragens, e a hidreletricidade a partir da energia das marés. Além disso, são discutidas as tendências dos mercados de financiamento e capital para hidreletricidade, as formas de obtenção de financiamentos e as expectativas dos órgãos financiadores. Na América do Sul, o Brasil gera 90% de sua eletricidade a partir da energia hídrica, e a Colômbia, 80,4%. Outros exemplos nessa região podem ser apontados, tais como o Panamá, o Chile e a Venezuela. Em 2009, foi criada a Conferência sobre Infraestrutura do Conesul (Southern Cone Infrastructure Summit), a qual visa estimular o desenvolvimento e a proliferação de novos projetos em energia, transporte, água e bem-estar social. Esta conferência une os setores público e privado em vinte países como Argentina, Bolívia, Brasil, Chile, Paraguai, Peru e Uruguai. Seus trabalhos examinam questões financeiras, operacionais e regulatórias que afetam aspectos críticos do setor de hidreletricidade. Além disso, aí são discutidos, também, temas como a estabilidade social, política e financeira necessárias ao estabelecimento de infraestrutura do setor. Outro tema de interesse é a integração regional no continente, que conta com exemplos bem-sucedidos, como a usina de Itaipu Binacional. A América do Norte apresenta grande potencial energético de todas as fontes, renováveis, ou não. Os Estados Unidos estão entre os dez maiores produtores mundiais de petróleo, óleo, gás natural e eletricidade nuclear e hidrelétrica. O Canadá também produz

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grandes quantidades de óleo, gás natural e eletricidade nuclear e hidrelétrica. Nesses países, apenas 5% da eletricidade são provenientes de aproveitamentos hídricos. (HUGHES, 2011). O continente africano também apresenta projetos hidrelétricos em diferentes países. É possível destacar a implantação de uma planta hídrica na Zâmbia e investimentos na conclusão de usinas, como Gibe II, na Etiópia. A fundação da Corporação de Eletrificação da Etiópia (EEPCo) promoveu a criação de recomendações para alcançar a sustentabilidade na produção de hidreletricidade na África. Essas recomendações destacam quatro áreas principais: a promoção do desenvolvimento regional, o acesso a investimentos e financiamentos viáveis, os avanços no papel da hidreletricidade no país e na região e a transmissão da eletricidade produzida pelas plantas hídricas. O objetivo da EEPCo é o estabelecimento de um centro de excelência em hidreletricidade sustentável na Etiópia. (GULLIVER, 1991). Na África, as principais discussões entre os grupos interessados se referem à necessidade de promover os investimentos do setor privado na instalação de aproveitamentos de energia hídrica para geração de eletricidade. Os diferentes papéis dos setores público e privado ainda são analisados para melhor definição de atribuições no desenvolvimento de projetos hidrelétricos. Atualmente, destacam-se algumas diretrizes, tais como o desenvolvimento de plantas que permitem múltiplos aproveitamentos, transporte, abastecimento de água, integração entre diferentes fontes renováveis – hídrica, eólica, solar – para a geração de eletricidade; e a utilização das plantas hidrelétricas para mitigação das emissões de GEE em projetos de desenvolvimento limpo. A expansão dos aproveitamentos hidrelétricos na África apresenta muitos desafios. A falta de estabilidade social, política e econômica de muitos países dificulta a atração de investimentos externos. As relações geopolíticas de países que compartilham recursos hídricos precisam ser estreitadas, para que o aproveitamento de seu potencial seja possível. É necessário garantir que a instalação e a operação dos projetos hidrelétricos sejam implantadas, visando à redução de impactos ambientais e sociais. (GULLIVER, 1991).

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A Ásia também apresenta desenvolvimento no setor hidrelétrico. Diversos países, como China, Vietnã, Nepal, Sri Lanka, implantaram plantas hídricas nas últimas décadas. A China é o segundo maior mercado consumidor de eletricidade (atrás, apenas, dos Estados Unidos). A demanda anual chinesa é responsável pelo consumo de 31% do carvão mundial; 7,6% do consumo de óleo; 10,7% da hidreletricidade; e, 1,2% do gás consumido mundialmente. O consumo chinês dessas quatro fontes cresceu fortemente nas últimas décadas. Nesse país, a política energética estimula o desenvolvimento da hidreletricidade devido ao seu custo inferior a longo prazo e menores custos ambientais, quando comparados aos combustíveis fósseis. Desde 1950, aproximadamente 62.000 hidrelétricas foram construídas; a maior parte delas de pequeno porte (menos de 12.000 kW). Quase todos os maiores rios da China apresentam plantas hidrelétricas. (CROMPTON; WU, 2005; ZHONG; POWER, 1996). Nas últimas décadas, o crescimento econômico da China estimulou o desenvolvimento de projetos hidrelétricos. Diversos projetos de médias e grandes usinas hidrelétricas foram finalizados, e outros estão sendo estabelecidos. Na província Fujian, mais de 40 projetos de grandes e médias barragens estão sendo construídos em 60.992 km2, ao longo de 584 km da bacia do rio Min. Na província Sichuan, existe um projeto de desenvolvimento do setor hidrelétrico há mais de 30 anos, localizado na bacia hidrográfica do rio Changjiang basin. No rio Yang-tsé, está localizada a usina das Três Gargantas, uma das maiores do mundo. A obra, iniciada em 1993 e concluída em 2006, apresenta diferentes objetivos, tais como, a geração de energia, a prevenção de enchentes e o transporte fluvial. Em 2009, 26 turbinas estavam instaladas e sua capacidade era de 18.200MW. (CROMPTON; WU, 2005; ZHONG; POWER, 1996). Na Europa, existem indicações de que a produção de hidreletricidade vem diminuindo desde a década de 1970, especialmente em Portugal, na Espanha e em outros países europeus do sul. Essas reduções têm relação com alterações cíclicas e com o aproveitamento da água para outros usos, ou mesmo, com mudanças climáticas. A contribuição da energia hídrica para produção total de eletricidade na Europa varia entre os diferen-

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tes países, e as diferenças refletem restrições geográficas, adequação climática, políticas governamentais e capacidade econômica. (LEHNER; CZISCH; VASSOLO, 2005). Existem dois fatores que influenciam o futuro da hidreletricidade no continente europeu: o primeiro diz respeito à disponibilidade de rios para exploração hidrelétrica; e o segundo, ao estabelecimento de plantas individuais nos países. No leste europeu e na antiga União Soviética, problemas econômicos persistentes interferem na construção de novas usinas, no entanto espera-se que tais situações possam ser resolvidas a médio e a longo prazo. A melhor possibilidade de desenvolvimento do setor nesse continente é quanto à expansão ou reabilitação das estruturas já existentes. Na Europa central, a hidreletricidade representa importante fonte de energia para países como Albânia, Croácia e Romênia. O maior potencial de ampliação de oferta de hidreletricidade nesses países está relacionado com a implantação de usinas na Albânia, Bulgária, Romênia e nas repúblicas que formavam a antiga Iugoslávia. Apesar de apresentarem potencial para expansão da produção de hidreletricidade, esses países ainda enfrentam dificuldade para obter financiamentos para os projetos. Os países do norte da Europa também apresentam potencial hídrico tanto em aspectos geográficos como climáticos. No entanto, em países como a Suécia, projetos para construção de grandes hidrelétricas enfrentam forte oposição. Como consequência, as grandes usinas são apenas reabilitadas e somente pequenos projetos são desenvolvidos. Da mesma forma, a Noruega está implantando pequenos projetos que promovem poucos aumentos na oferta de hidreletricidade. Na Europa ocidental, a maior parte dos recursos hídricos disponíveis já são aproveitados para produção de hidreletricidade. Apenas na Espanha e na Itália, existe a possibilidade de aumentar a oferta deste tipo de eletricidade, pela implantação de novas usinas. (LEHNER; CZISCH; VASSOLO, 2005). Além das grandes usinas, é possível produzir hidreletricidade através de sistemas com médias e pequenas plantas. Na Escócia, foi estabelecido um esquema hidrelétrico durante os anos 1970, que funciona até hoje, basicamente com as mesmas estruturas, ou seja, baseado em plantas de média escala. Nestes casos, geradores variando entre kW e MW foram instalados em córregos e rios, às vezes usando barragens. Essas plantas

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atualmente são classificadas na categoria de pequenas centrais hidrelétricas – PCH; ou small-scale hydro – SSH. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003). Em consequência de diferentes fatores, as pequenas usinas foram desestimuladas em favor das grandes barragens. No entanto, recentemente, novas questões estão destacando a relevância de se investir em pequenas plantas. Nos países industrializados, questões ambientais estão limitando o desenvolvimento de projetos de grande escala e favorecendo os pequenos projetos. Em alguns países em desenvolvimento, o estabelecimento de sistemas de eletrificação locais parece ser mais vantajoso do que os amplos sistemas nacionais. Esse interesse crescente favoreceu o desenvolvimento de tecnologias adequadas e a padronização de componentes e procedimentos de construção, com avançados sistemas de controle eletrônicos, os quais podem reduzir custos e garantir a eficiência das pequenas plantas hidrelétricas. Esse tipo de planta está sendo construído ou já está em operação na Escócia, Áustria, França, Itália, Noruega, Espanha, Brasil e China. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003). Em muitos casos, pequenos centros hidrelétricos apresentam custos inferiores, mas sua localização pode provocar conflitos com outras possibilidades de usos da água. Por outro lado, o potencial de implantação desse tipo de planta em muitos lugares do mundo permanece subutilizado, especialmente em regiões montanhosas. Segundo Boyle, Everett e Ramage (2003), em alguns lugares, como o Nepal, a dificuldade de transportar equipamentos estimulou o desenvolvimento de plantas extremamente pequenas, cujos implementos podem ser transportados por pessoas ou animais. Nessas áreas, projetos simples e relativamente baratos podem permitir a operação de microcentrais hidrelétricas, as quais apresentam potencial para serem utilizadas em diversas partes do planeta e garantirem a autossuficiência energética de propriedades, pequenas vilas ou mesmo cidades rurais.

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Produtores de Hidreletricidade Seja qual for o tipo de aproveitamento hídrico, podemos afirmar que, atualmente, o Canadá é o maior produtor absoluto de hidreletricidade, seguido pelo Brasil, Estados Unidos, China, Rússia, Noruega, Japão, Índia, Suécia, França, Venezuela, Itália, Áustria, Suíça e Espanha. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; IHA, 2004; ONU, 2008).

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3.3 Impactos ambientais A implantação de empreendimentos hidrelétricos promove impactos ambientais positivos e negativos. Dessa forma, existem impactos que prejudicam o ambiente (ecológico, econômico e social) local, como o alagamento de áreas de vegetação nativa. Mas também existem impactos de atividades econômicas que favorecem o ambiente local, como, por exemplo, a geração de empregos em áreas onde existe a migração de jovens em busca de trabalho. (MÜLLER-PLATENBERG; AB’SABER, 1998; SANCHEZ, 2006).

Benefícios da energia hídrica Os aproveitamentos hidrelétricos apresentam diferentes benefícios ambientais quando comparados a outros tipos de plantas de geração de eletricidade. As hidrelétricas não liberam CO2 ou óxidos de enxofre e nitrogênio, os quais podem causar chuva ácida; não produzem particulados ou componentes químicos como dioxinas, que afetam diretamente a saúde ambiental; e, também, não liberam radioatividade. As plantas que apresentam falhas não causam explosões ou incêndios. As barragens podem auxiliar no controle de enchentes e possibilitar a irrigação de terras agrícolas por meio da utilização das águas dos reservatórios. Em alguns casos, a implantação do reservatório de uma usina pode favorecer a paisagem local.

Por outro lado, a implantação de empreendimentos hidrelétricos pode causar impactos ambientais adversos. Ao longo do século XX, a análise de grandes usinas permitiu verificar diversos problemas, como a remoção de milhões de pessoas de suas terras e os colapsos em barragens que mataram muitas pessoas. Os impactos negativos podem ser relacionados a efeitos hidrológicos, os quais afetam os ecossistemas influenciados e as comunidades do entorno desses. Quando um empreendimento hidrelétrico é construí-

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do, existe uma alteração nos recursos hídricos locais pelo desvio ou canalização de parte do volume de água. Essas ações podem causar poucas alterações no fluxo total do rio mas também podem causar profundos efeitos nos ecossistemas. O aumento da área de evaporação, em função da existência do reservatório, pode alterar os microclimas locais. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; MULLER-PLATENBERG; AB’SABER, 1998; SANCHEZ, 2006). A construção das barragens, especialmente das grandes, pode afetar de muitas formas o ambiente e causar muitas perturbações. Apesar de o período de construção se estender por apenas alguns anos, os efeitos ecossistêmicos podem ser muito mais longos ou mesmo irreversíveis. Os reservatórios os quais se originam a partir das barragens também causam alterações ambientais, que podem ser consideradas neutras, catastróficas ou benéficas, dependendo do contexto biológico e geográfico. O principal risco relacionado às barragens é o rompimento, sendo que as falhas podem ocorrer por diferentes motivos, tais como, erros estruturais na construção ou terremotos. Durante o século XX, 200 barragens se romperam em diversos lugares do mundo. Outro problema ambiental que pode ser causado pela existência de barragens está relacionado com alterações no transporte de sedimentos naturalmente realizado pelo recurso hídrico regulado. No Egito, a construção da barragem do Alto Aswan reduziu o transporte de solos e nutrientes, afetando negativamente as atividades agrícolas a jusante (em uma corrente, é o lado contrário ao da nascente, ou seja, para onde correm as águas, ponto mais próximo à foz). Além disso, os sedimentos foram acumulados no reservatório, reduzindo o volume de água. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003). O processo de alagamento do reservatório também pode causar impactos negativos. Quando ocorre com a presença de vegetação, a decomposição da matéria orgânica ocorre de forma anaeróbica, produzindo metano (CH4). Metano é um gás de efeito estufa mais potente do que o gás carbônico. Desta forma, se o lago de uma usina produzir metano, os benefícios ambientais são fortemente reduzidos.

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No Brasil, a usina de Balbina é um exemplo disso. Sua área de inundação aproxima-se a 1 hectare por kW de capacidade de geração, causando impactos imensos ao ambiente, os quais não são compensados pela energia gerada. Neste caso, a emissão de GEE dessa usina pode ser superior às usinas termelétricas. (JANNUZZI; SWISHER, 1997). A construção de usinas hidrelétricas implica, ainda, a remoção de comunidades inteiras. As negociações sobre os valores referentes às indenizações envolvem diversas questões éticas. O valor da terra pode ser fixado conforme diferentes parâmetros: em geral, os empreendedores utilizam a valoração de mercado para calcular as indenizações, no entanto as populações atingidas atribuem outros valores culturais, familiares e psicológicos às áreas que serão inundadas. As controvérsias sobre este tema geram muitos problemas em diferentes países. A construção das usinas de Aswan e Kariba, no Egito, envolveu a realocação de mais de 60.000 pessoas cada uma. A implantação da barragem das Três Gargantas, na China, implicou o desaparecimento de 100 cidades e o deslocamento de 1 milhão de pessoas. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003). As pequenas plantas hidrelétricas podem causar impactos menos graves do que as grandes barragens: menos pessoas precisam ser deslocadas de suas terras e existe menor risco de mortes por rompimentos na barragem. Mas não existe consenso sobre este tema. Em diferentes países, legislações incentivam a construção de plantas com capacidade inferior a 10MW, todavia não existe justificativa técnica e científica para isso. No estado de Santa Catarina, no Brasil, diversas pequenas centrais estão sendo construídas. Os estudos ambientais relacionados a essas usinas são simplificados, porque os órgãos ambientais defendem a visão de que essas plantas causam menos impactos. No entanto diversas pequenas centrais estão sendo construídas em uma única bacia hidrográfica, o que pode aumentar, potencialmente, os impactos cumulativos dos empreendimentos. Em alguns casos, a área do reservatório por unidade de energia gerada necessita ser maior, e isto pode aumentar a evaporação, ou mesmo, a emissão de metano. Todos estes elementos variam fortemente, conforme o caso.

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Impactos ambientais Os impactos ambientais decorrentes da implantação de barragens podem ocorrer em diferentes etapas, especialmente na instalação e operação da usina. Os impactos da instalação compreendem aqueles que ocorrem durante o período de preparação do terreno e construção das estruturas, os quais costumam ser bastante graves, porque implicam fortes modificações ambientais. No entanto tais impactos são geralmente temporários e se estabilizam com o final da instalação da barragem. Já os impactos da fase de operação, em geral, são menos graves e continuam a ocorrer durante toda a vida útil do empreendimento.

O procedimento utilizado na Avaliação de Impactos Ambientais (AIA) para controle desses impactos é o estabelecimento de medidas, projetos ou programas de controle da qualidade ambiental referentes a cada impacto ambiental considerado significativo. Essas medidas, projetos ou programas ambientais visam à prevenção (evitar que o impacto aconteça), à mitigação (reduzir a importância) ou compensação (indenizar um impacto que não pode ser evitado). Assim, para cada ação necessária no estabelecimento da barragem, derivam impactos ambientais e medidas de controle da qualidade do ambiente. (SANCHEZ, 2006). A construção de uma usina hidrelétrica com barragem implica três conjuntos de ações: 1. a ocupação da área do empreendimento (desmatamento, terraplanagem, aterro e desmonte), áreas de apoio (canteiros de obras, vilas de moradores, armazéns, estacionamentos, postos de combustíveis), acessos (estradas de acessos e portos) e construção e manutenção da barragem; 2. formação do reservatório, inundações e funcionamento da hidrelétrica; 3. desapropriação de terras e alterações das atividades econômicas e sociais. A ocupação da área do empreendimento provoca impactos positivos e negativos variados. As atividades de desmatamento, terraplanagem, aterro e desmonte de rochas podem provocar alteração da estrutura físico-química e biológica do ambiente e as-

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soreamento do reservatório. A instalação de canteiros de obras, vilas de moradores, armazéns, estacionamentos e postos de abastecimento pode provocar o recebimento da drenagem pluvial, de esgotos sanitários e efluentes industriais e agrícolas da região, o que pode gerar a deterioração da qualidade da água (comprometendo o abastecimento de água, os equipamentos da usina, etc.); a criação de condições propícias ao desenvolvimento dos vetores e dos agentes etiológicos de doenças de veiculação hídrica; a contribuição de sedimentos, agrotóxicos e fertilizantes; a proliferação desordenada de algas, macrófitas aquáticas e outros organismos a jusante e a montante do empreendimento, impedindo a descarga da represa e prejudicando os sistemas de irrigação e navegação e a pesca; e a poluição dos corpos d’água por efluentes gerados durante a construção e disposição incorreta de resíduos sólidos. (BRASIL, 2000; IHA, 2010a; IHA, 2004). As ações de construção e manutenção da barragem podem provocar alterações nas vazões máxima e mínima a jusante, inundação de áreas e alteração do regime hídrico, atenuando os picos de cheias/vazantes e aumento do tempo de residência de água no reservatório. Além disso, podem causar a alteração da descarga a jusante, em função do período de enchimento e/ou de desvio permanente do rio; a interferência nos usos múltiplos do recurso hídrico – navegação, irrigação, abastecimento, controle de cheias, lazer, turismo, etc.; e o assoreamento do reservatório e a erosão das margens a jusante e a montante. (BRASIL, 2000; IHA, 2010a; IHA, 2004). Para controlar tais impactos, podem ser estabelecidas medidas, projetos ou programas para: • monitoramento da qualidade da água; • compatibilização do material/equipamento da usina com a qualidade da água prevista para o reservatório; • repasse e divulgação dos estudos referentes à qualidade da água; • monitoramento do uso do solo; • monitoramento hidrossedimentométrico;

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• monitoramento do uso do solo e da cobertura vegetal (principalmente para prevenção contra a conversão de áreas de floresta em áreas agricultáveis ou para moradias); • contenção de encostas, com plantação de mata ciliar, preservação das matas existentes, contenção de taludes, etc.; • modelagem matemática de apoio à tomada de decisão por gestores públicos; • controle dos efluentes orgânicos lançados no reservatório, provenientes da bacia contribuinte; • retirada da vegetação presente na área do reservatório antes da sua inundação, com aproveitamento da biomassa (geração de energia, fertilização de solos, etc.) e regulagem da descarga e nível de água, de forma a prevenir o crescimento de algas, macrófitas aquáticas e outros organismos; • gestão junto aos estados, municípios e aos órgãos de controle ambiental quanto à qualidade dos efluentes industriais e domésticos e de defensivos agrícolas e fertilizantes lançados na bacia de contribuição do reservatório; • controle da proliferação de algas, macrófitas aquáticas e outros organismos (em caso de retirada periódica, prever o aproveitamento da biomassa); • monitoramento e controle de criadouros de vetores de doenças e de agentes etiológicos; • estabelecimento de alternativas de abastecimento de água para as populações afetadas; • escolha cuidadosa da localização dos canteiros de obras e destinação adequada dos rejeitos gerados na etapa de construção; e • limpeza da área do reservatório. As ações relacionadas à formação do reservatório ocorrem durante a fase de operação da hidrelétrica e podem provocar impactos diversos, tais como: inundação da vegetação (primária ou em regeneração) com perda de patrimônio vegetal; redução do número de indivíduos com perda de material genético e comprometimento da flora ameaçada de extinção; redução do potencial madeireiro; perda de habitats naturais; interferência em

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unidades de conservação; aumento da pressão sobre os remanescentes de vegetação próximos; interferência na vegetação além do perímetro do reservatório, em decorrência da elevação do lençol freático ou de outros fenômenos; desmatamento da vegetação na área da barragem e canteiro de obras; interferência na composição qualitativa e quantitativa da fauna aquática, terrestre e alada, com perda de material genético e comprometimento da fauna ameaçada de extinção; interferência na reprodução das espécies (interrupção da migração, supressão de sítios reprodutivos, etc.); migração provocada pela inundação, com adensamento populacional em áreas sem capacidade de suporte; aumento da pressão sobre a fauna remanescente (pressões decorrente da presença mais acentuada de grupamentos humanos, contato mais intenso entre representantes da fauna de diferentes níveis tróficos e bloqueio à migração); desenvolvimento de flora aquática superficial, depreciando a camada fótica, reduzindo a produção primária e impactando a ictiofauna; alteração qualitativa e quantitativa da fauna local em função das alterações climáticas; inundação/interferência em cidades, vilas, distritos, etc. (moradias, benfeitorias, equipamentos sociais e estabelecimentos comerciais, industriais, etc.); mudança compulsória da população; interferência na organização físico-territorial; interferência na organização sociocultural e política; interferência nas atividades econômicas; intensificação do fluxo populacional (imigração e emigração); alteração demográfica dos núcleos populacionais próximos à obra; surgimento de aglomerados populacionais; sobrecarga dos equipamentos e serviços sociais (saúde, saneamento, educação, segurança, etc.); erosão das margens por movimentação da água no reservatório; perda da capacidade de armazenamento do reservatório, por erosão das margens e sedimentação proveniente do rio a montante; e controle do uso do solo nas margens do reservatório e na bacia hidrográfica de contribuição. (BRASIL, 2000; IHA, 2010a; IHA, 2004). Para controlar tais impactos, sugere-se: • implantação de banco de germoplasma; • recomposição de áreas ciliares; • consolidação de unidade de conservação;

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• manutenção de corredores biológicos (de mata nativa), reduzindo os impactos da fragmentação da vegetação (efeito de borda); • instalação de viveiro de mudas; • monitoramento da elevação do lençol; • estímulo aos proprietários para manutenção dos remanescentes de vegetação; • resgate e relocação de fauna; • criação e reintrodução de fauna; • monitoramento e manejo da fauna; • implantação de centro de proteção à fauna; • fiscalização contra a caça predatória; • implantação de estação para cultivo e repovoamento; • implantação de medidas de proteção aos sítios reprodutivos (bacias tributárias, etc.); • construção de “escadas para peixe” ou outros mecanismos que possibilitem a migração da ictiofauna; • manutenção de uma vazão mínima para reduzir o impacto sobre a ictiofauna; • controle do crescimento da vegetação aquática (regular a descarga e o nível de água); • redução de avifauna devido à poluição sonora e atmosférica; • comunicação e negociação com a população afetada; • relocação de cidades, vilas, distritos, moradias, etc.; • remanejamento da população (reassentamento, relocação e indenização); • reativação da economia afetada; • análise e acompanhamento do fluxo migratório; • articulação municipal, visando ao crescimento ordenado; • redimensionamento dos equipamentos dos serviços sociais; • estabelecimento de critérios para utilização da mão de obra local/regional a ser contratada; • monitoramento das atividades socioeconômicas e culturais; • estímulo às atividades culturais afetadas;

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• monitoramento da erosão, do transporte e da deposição dos sedimentos; • estabilização das margens (plantação de mata ciliar, preservação das matas existentes, contenção de taludes, etc.). Por fim, as atividades relacionadas com a desapropriação de terras e alterações das atividades econômicas e sociais podem causar: • • • • •

• • • • • • • • • • • • •

interferência na atividade mineral; perda do potencial mineral; interferência no uso do solo; exploração acelerada das jazidas existentes e dos recursos minerais potenciais na área do reservatório; interrupção/desativação dos sistemas de comunicação, estradas, ferrovias, aeroportos, portos, sistemas de transmissão/distribuição, minerodutos, oleodutos, etc.; interferências nas populações no meio rural; inundação/interferência em terras, benfeitorias, equipamentos e núcleos rurais; mudança compulsória da população; interferência na organização sociocultural e política; problemas de saneamento e saúde nos canteiros de obras; aumento da pressão e degradação ambiental das áreas de terra concedidas para reassentamento; alteração das atividades econômicas (agropecuária, extrativismo vegetal e mineral e atividades pesqueiras); perda de terras agrícolas; perda de recursos minerais e florestais; perda do potencial de exploração agrícola; alteração na estrutura fundiária; perda de arrecadação tributária; interferência /desativação das indústrias e/ou redução na produção devido a alteração da oferta de matéria-prima;

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• • • • • • • • • • • • • • •

interferência/desativação de atividades comerciais e de serviços; alteração na demanda e oferta dos serviços e atividades comerciais; alteração na estrutura de preço; busca de alternativas de fornecimento de insumos; redimensionamentos das atividades comerciais e de serviços; reorganização da estrutura de emprego; impactos em populações indígenas e/ou outros grupos étnicos; alteração na organização socioeconômica e cultural desses grupos; mudança compulsória dos grupos populacionais (aldeias/povoados); inundação de sítios arqueológicos; desaparecimento de sítios paisagísticos; desaparecimento de edificações de valor cultural; desaparecimento de sítios espeleológicos; interferência no potencial turístico; e alteração na dinâmica histórica regional.

O controle desses impactos pode ser realizado por meio de medidas, projetos ou programas ambientais como: • identificação de jazidas alternativas; • desenvolvimento de técnicas para exploração futura de lavras subaquáticas; • intensificação de exploração agrícola e de extrativismo vegetal na área do reservatório, antes da inundação; • zoneamento, monitoramento e controle do uso do solo; • redimensionamento da infraestrutura; • relocação da infraestrutura atingida (recomposição dos sistemas viário, de comunicação e de transmissão/distribuição); • comunicação e negociação com a população afetada; • remanejamento da população atingida (reassentamento, relocação e indenização); • relocação de núcleos rurais e da infraestrutura econômica e social isolada;

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• reorganização das propriedades remanescentes; • reativação da economia afetada; • incentivo às atividades econômicas e implantação de equipamentos sociais dos projetos de reassentamento (educação, saúde, saneamento, assistência técnica, etc.); • análise e acompanhamento do fluxo populacional; • reorganização das propriedades remanescentes; • acompanhamento e controle dos contatos interétnicos; • compensação territorial e medidas que mantenham a coesão do grupo étnico afetado; • pesquisa e salvamento arqueológico, histórico, artístico, paisagístico (cênico e científico), paleontológico e espeleológico, por meio de projetos de resgate documentados e registrados cientificamente; • salvamento do patrimônio cultural; • reconstituição da memória pré-histórica, histórica e cultural; • repasse e divulgação (publicações/museus/laboratórios) dos estudos resultantes de cada item do patrimônio cultural; e • incremento das potencialidades culturais com fins educacionais (formativo/ informativo) e turísticos. Por décadas, a construção de grandes barragens na América Latina foi a principal estratégia para geração de hidreletricidade. Atualmente, diante da grande discussão sobre a relação entre tamanho das barragens e dos reservatórios e impactos ambientais (ecológicos e sociais), surgiu a defesa da construção de pequenas usinas com reservatórios menores, os quais causam impactos mais localizados e, possivelmente, mais fáceis de controlar no que se refere a tecnologias e investimentos financeiros. Mais recentemente, a implantação de pequenas centrais hidrelétricas também está sendo questionada. Isso se deve ao fato de que muitas centrais hidrelétricas de pequeno porte podem ser implantadas em uma única bacia hidrográfica. Os estudos ambientais buscam identificar impactos de empreendimentos isolados e não contemplam os impactos cumulativos promovidos pela construção de diversos empreendimentos em um mesmo compartimento geomorfológico. Esta

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discussão é importante e demanda estudos científicos, antes que se possa chegar a uma conclusão definitiva. (BRASIL, 2000; IHA, 2010a; IHA, 2004).

Impactos positivos e negativos Por fim, constata-se que as plantas de geração de hidreletricidade promovem impactos ambientais positivos na medida em que podem reduzir a emissão de gases de efeito estufa, reduzir a pressão sobre os combustíveis fósseis, levar a eletricidade a locais variados e gerar empregos. No entanto a instalação da usina e o estabelecimento de barragens podem provocar impactos ambientais negativos, os quais, por sua vez, podem ser controlados por medidas, projetos e programas ambientais. Encarar os desafios da implantação dessas medidas de controle é um forte desafio rumo à sustentabilidade.

Os impactos ambientais de empreendimentos hidrelétricos devem ser analisados ao longo de todo o ciclo de vida. Apesar dessas análises, muitos impactos podem ser irreversíveis. Em alguns casos, o prejuízo ecológico por unidade de energia produzida pode ser maior com a utilização da energia hídrica do que com outras fontes de energia. As questões ambientais relacionadas à hidreletricidade são tão controversas quanto aquelas relacionadas a qualquer fonte de energia. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; MÜLLER-PLATENBERG; AB’SABER, 1998; SANCHEZ, 2006).

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3.4 Contabilidade ambiental A discussão sobre a qualidade ambiental é cada vez mais relevante internacionalmente. De acordo com a legislação local, é possível analisar o valor das externalidades ambientais geradas pela instalação e operação de um empreendimento gerador de energias. Esta análise é denominada avaliação de passivos ambientais.

Passivos ambientais Passivos ambientais referem-se a valores relacionados a impactos ambientais regulados por legislações específicas ou por acordos internacionais. Da mesma forma que os impactos, os passivos ambientais podem ter significados negativos ou positivos. Pode-se dizer que os passivos representam os valores negativos que a empresa apresenta, por não cumprir obrigatoriedades legais relacionadas ao ambiente ou valores positivos pela implantação de medidas que evitam, reduzem ou compensam danos ambientais previstos pela legislação. (PARTIDÁRIO; CLARK, 2000).

Os passivos podem representar a obrigação de promover investimentos para extinção ou amenização de danos ambientais provocados em qualquer prazo. Empresas que promoveram degradação ambiental podem ser obrigadas a pagar elevadas quantias como multas, indenizações de terceiros ou para a recuperação de áreas degradadas. Um passivo ambiental pode também se referir a medidas empregadas na prevenção de danos ambientais. A implantação de medidas de controle e monitoramento ambiental pode ser valorada mediante a economia que promovem. (BOJAN, 1999; BRASIL, 2000; PARTIDÁRIO; CLARK, 2000). Avaliar o passivo ambiental de um empreendimento hidrelétrico implica verificar a execução das medidas, projetos e programas ambientais definidos durante o processo de

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avaliação de impactos ambientais para controlar a qualidade ambiental local. Assim, avaliar o passivo ambiental de um empreendimento hidrelétrico significa identificar e caracterizar os efeitos ambientais, de ordem física, biológica e antrópica, proporcionados pela construção, operação, manutenção, ampliação ou desativação. A obrigatoriedade legal de executar os programas ambientais para controle de impactos promove investimentos financeiros. Os efeitos ambientais negativos podem ser reduzidos ou eliminados por investimentos em gestão ambiental na empresa, como aquisição de tecnologias limpas, regularização legal do empreendimento, emprego de profissionais especializados em gestão ambiental, ou, ainda, pela aplicação do lucro em programas sociais. Caso essas ações não sejam realizadas, o empreendimento acumula passivos ambientais. Os passivos ambientais são contabilizados no valor final de um empreendimento hidrelétrico, e sua avaliação é uma exigência nas transações comerciais em muitas regiões. A maior ou menor exigência de avaliação de passivos ambientais está relacionada com a preocupação ambiental dos investidores e do mercado consumidor de hidreletricidade. O papel da contabilidade ambiental é detectar as obrigações ambientais para evitar prejuízos aos investidores. O montante das obrigações de recuperação ambiental de uma planta hidrelétrica pode ter efeito significativo sobre negociações e na busca por investimentos. Sua avaliação permite analisar o risco envolvido nas transações econômicas. (PAIVA, 2003; ITOZ et al., 2009; TINOCO; KRAEMER, 2004). Na avaliação dos passivos ambientais, a dificuldade consiste, justamente, em como valorar, economicamente, os danos ou benefícios ambientais promovidos pelos empreendimentos hidrelétricos. Em geral, o valor econômico de um recurso ambiental não é avaliado pelo mercado segundo o sistema de preços, contudo é possível utilizar o mesmo sistema que permite definir preços de bens e serviços presentes no mercado, ou seja, derivar seu valor econômico dos atributos analisados de forma absoluta e/ou relativa ao seu uso. (BRASIL, 2000).

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Essa avaliação permite observar os riscos do negócio gerados por ações inovadoras, a partir da análise das reivindicações das comunidades atingidas e pela verificação do cumprimento das obrigações ambientais legais. De forma geral, existem três tipos de obrigações decorrentes do passivo ambiental: legais ou implícitas, construtivas e justas. • As obrigações legais ou implícitas estão relacionadas com a reparação de danos ambientais pregressos, como, por exemplo, o desmatamento não autorizado de áreas de mata nativa relacionadas à instalação de empreendimentos hidrelétricos já operantes. Neste caso, a planta apresenta um valor equivalente à recuperação da área desmatada como um item de seu passivo ambiental. (PAIVA, 2003; PARTIDÁRIO; CLARK, 2000; TINOCO; KRAEMER, 2004). • As obrigações construtivas referem-se a situações em que o empreendimento executa ações de controle da qualidade ambiental além do exigido pela legislação. Quando uma planta hidrelétrica mantém e promove a regeneração de áreas de vegetação nativa com tamanhos superiores aos exigidos pela legislação, existe um valor positivo em sua avaliação de passivos ambientais, pelo cumprimento de obrigações construtivas. • As obrigações justas são aquelas em que a planta hidrelétrica apresenta ações de controle da qualidade ambiental não exigidas pela legislação. Em algumas situações, questões éticas e morais promovidas pelos interesses dos grupos envolvidos na produção e consumo da hidreletricidade obrigam a implantação de medidas de prevenção ou recuperação de danos ambientais. Os passivos ambientais também podem ser classificados de diferentes formas. Uma classificação diferencia os passivos entre normais e anormais. Os passivos ambientais normais podem ser controlados, previstos e monitorados, porque decorrem da instalação ou operação do empreendimento hidrelétrico. Já os passivos ambientais anormais não podem ser controlados ou previstos, porque se referem a sinistros ou acidentes. (PAIVA, 2003).

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Outra classificação leva em consideração diferentes critérios de investigação dos passivos ambientais e pode ser útil para a identificação de passivos e a sua valoração econômica, pois permite agrupar valores e apresentar resultados por classes de passivo. Segundo essa classificação, são definidas três classes de passivos ambientais (BRASIL, 2000, p. 21): • Passivo de Adequação: valor monetário composto dos custos de implantação de procedimentos e tecnologias que possibilitem o atendimento às não conformidades em relação aos requisitos legais, acordos com terceiros e às políticas e diretrizes ambientais da empresa em questão. Como regra básica, o passivo de adequação se refere a atividades nos limites de propriedade da organização. • Passivo de Remediação: valor monetário composto dos custos necessários à recuperação de áreas degradadas devido às atividades do empreendimento de interesse ou decorrentes das atividades de terceiros (cuja remediação tenha sido assumida pelo empreendedor/operador, independentemente da responsabilidade civil). Como regra geral, o passivo de remediação se refere a atividades realizadas no meio ambiente. • Passivo Administrativo: valor monetário composto dos custos referentes às multas, dívidas, ações jurídicas, taxas e impostos referentes à inobservância de requisitos legais e de sentenças nos autos de ações judiciais das partes afetadas. Os estudos ambientais, normalmente exigidos na instalação e operação de empreendimentos hidrelétricos, podem ser ferramentas úteis na contabilidade dos passivos ambientais. Para que sejam úteis, os estudos ambientais devem ser adequados e realizados de forma eficiente. Bons estudos permitem identificar os diferentes tipos de passivos, bem como sua localização temporal, reduzindo incertezas e subjetividades e permitindo um planejamento financeiro adequado e viável por meio da demonstração contábil. (PAIVA, 2003; ITOZ; NETO; KOWALSKI, 2009; TINOCO; KRAEMER, 2004).

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Avaliação de passivos A avaliação de passivos e a contabilidade ambiental permitem identificar os efeitos da hidreletricidade nas tendências de investimento e operações. Na implantação de empreendimentos hidrelétricos, a avaliação de passivos ambientais pode considerar o valor das externalidades ambientais geradas por sua instalação e operação e servir como ferramenta para o planejamento de médio e longo prazo. A partir dessa avaliação, é possível identificar itens que podem inviabilizar projetos. A divulgação dessas avaliações pode demonstrar aos grupos interessados o grau de responsabilidade ambiental dos empreendedores com a sociedade durante a instalação e operação do empreendimento. (BRASIL, 2000).

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3.5 Aspectos técnicos de aproveitamentos hídricos A energia hídrica está presente nas águas dos rios e oceanos, e existem múltiplas formas de aproveitá-la. A partir daqui, serão discutidos os princípios físicos, equipamentos e instalações relacionados à geração de hidreletricidade a partir de diferentes fontes hídricas, tais como as marés, as correntes marinhas, as ondas oceânicas, os fluxos das águas correntes dos rios ou as quedas de água nas barragens. Todos esses aproveitamentos hídricos transformam a energia presente na água em eletricidade. Alguns tipos de plantas hidrelétricas transformam a energia potencial, outras convertem a energia cinética e ainda existe a possibilidade de aproveitar ambos os tipos de energia em eletricidade na mesma usina.

Energia potencial A energia potencial é aquela presente em um corpo e que está pronta para ser convertida em energia cinética. Uma mola comprimida, um elástico esticado possuem energia potencial; em uma cachoeira, a água apresenta energia potencial. Ao realizar o movimento, a energia potencial é convertida em energia cinética, a qual está associada ao movimento.

Assim, os aproveitamentos hidrelétricos que utilizam como fonte de energia o fluxo de água de rios ou das marés convertem a energia cinética em eletricidade. Já uma barragem converte a energia potencial em energia cinética que é transformada em eletricidade.

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Energia das marés (Tidal power) A eletricidade pode ser gerada pelo aproveitamento das marés em canais que conectam baías ao oceano aberto. Até a década de 1990, as principais pesquisas relacionadas aos aproveitamentos de marés tinham como foco os aproveitamentos que utilizam barragens. Esse tipo de aproveitamento apresenta algumas vantagens, como maior densidade de energia e, com isso, maior eficiência. No entanto, apenas uma grande barragem de marés foi construída na França, com capacidade instalada de 240 MW. Isso se deve a obstáculos como a necessidade de altos investimentos, bem como a grandes impactos ambientais associados. Diante disso, novas pesquisas passaram a ser desenvolvidas utilizando o fluxo da maré sem barragens. Esse tipo de aproveitamento é caracterizado por uma pequena rampa em uma superfície de elevação, em oposição às barragens; seu aproveitamento sofreu avanços relacionados com o surgimento de turbinas eólicas viáveis. A partir dessas turbinas, foram desenvolvidas as turbinas para fluxo de maré (Figura 2.6). Exemplos desse tipo de aproveitamento foram instalados no rio East, em Nova Iorque; em Juan de Fuca Strait, na costa sul da Ilha de Vancouver, Canadá; no Oceano Ártico, na Noruega; e, em Orkney, na Escócia. (BLANCHFIELD et al., 2008; BLUNDEN; BAHAJ, 2006).

Figura 2.6 – Turbina de marés 49

Fonte: Adaptado de: <http://www.sustainableguernsey.info/blog/2010/06/16/>. Acesso em 16 jun. 2011.

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As principais vantagens deste tipo de aproveitamento hidrelétrico são: • previsibilidade dos fluxos de maré; • grande densidade de fluxo de água; • mínimos impactos visuais. As principais desvantagens, segundo Blanchfield et al. (2008) e Blunden e Bahaj (2006) são: • riscos e custos altos relacionados a construções marinhas; • presença de correntes fortes; • custos de implantação dos sistemas de transmissão.

Fluxos de marés Diversas avaliações foram realizadas no Reino Unido, visando a identificar áreas potenciais para instalação de sistema de geração de eletricidade com base no aproveitamento dos fluxos de marés. Esses estudos identificaram 33 áreas adequadas. Entre elas, a região de Portland Bill, Dorset, na costa sul do Reino Unido, é conhecida por apresentar fluxos de maré com velocidade de aproximadamente 3.6 m/s, grandes penhascos em cada lado, fortes turbulências e ondas de superfície. Os estudos das marés dessa região buscaram identificar os sistemas de transporte de sedimentos através de modelagem matemática. (BLUNDEN; BAHAJ, 2006).

Energia das correntes marinhas (Marine current power) Os oceanos representam uma enorme fonte de energia a qual pode ser utilizada para produção de eletricidade. Essa energia é, muitas vezes, difusa, mas é possível encontrá-la de forma concentrada e aproveitável. Uma estratégia para aproveitar a energia dos oceanos é a produção de hidreletricidade através do aproveitamento dos fluxos de água das correntes marinhas.

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No passado, havia grandes dificuldades técnicas para explorar a energia dos oceanos, devido, principalmente, ao desafio de construir equipamentos e fazer sua manutenção no ambiente marinho. A exploração de petróleo em águas profundas promoveu avanços científicos e tecnológicos que permitiram maior exploração da energia das correntes marinhas. As correntes marinhas são provocadas pelas alterações de marés promovidas pelas interações gravitacionais ente a Terra, a Lua e o Sol. Essas interações, associadas a diferenças de temperatura e salinidade, bem como o efeito Coriolis, geram o fluxo oceânico. A energia cinética das correntes marinhas pode ser transformada por meio da utilização de turbinas semelhantes às eólicas (Figura 2.7). Uma grande vantagem da exploração da energia das correntes marinhas é a possibilidade de geração de hidreletricidade com pouca intervenção ambiental. A hidreletricidade gerada pelo aproveitamento das correntes marinhas pode ser confundida com a hidreletricidade de marés, porque seus equipamentos e tecnologias são semelhantes. A viabilidade das instalações aumenta proporcionalmente a quanto mais de um arranjo é instalado na mesma área de forma interconectada. Esse tipo de arranjo pode permitir a produção massiva de hidreletricidade. (PONTAA; JACOVKISA, 2008).

Figura 2.7 – Turbina para aproveitamento de correntes marinhas (current-marine power)

Fonte: Adaptado de: <http://www.teknat.uu.se/forskning/bild.php?typ=forskningsprogram&id=9>. Acesso em: 10 maio 2011.

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No entanto, para uma produção massiva, é necessário desenvolver soluções tecnológicas. O principal desafio é a construção de turbinas que possam operar submersas por longo tempo, com baixa manutenção. No ambiente marinho, a corrosão dos metais e o crescimento de algas e outros organismos prejudicam o desempenho de turbinas. Reduzir a necessidade de reparos também é importante, porque a manutenção de sistemas que aproveitam as correntes marinhas é complexo e implica a utilização de diversos equipamentos, como, por exemplo, navios de apoio.

Aproveitamento de energia As primeiras experiências de aproveitamento da energia de correntes ocorreram na década de 1970. Os países que lideram as pesquisas e instalações são o Reino Unido, o Canadá e o Japão. No Reino Unido, a hidreletricidade de correntes marinhas atende a 19% da demanda. Em 2003, foi instalada a primeira turbina de aproveitamento de correntes marinhas em escala comercial, a uma distância de aproximadamente 1km da costa de Devon. O diâmetro do rotor é de 11m e capacidade instalada de 300 kW. (PONTAA; JACOVKISA, 2008).

Energia das ondas oceânicas Desde a década de 1970, dispõe-se de diversos equipamentos de produção de eletricidade a partir das ondas dos oceanos. No entanto, devido aos altos custos de produção, apenas pequenos equipamentos, tais como boias de navegação, são comercializados. Um exemplo de equipamento para geração de hidreletricidade que aproveita a energia das ondas é a estação de elevação de ondas (Figura 2.8). Essa estação contém uma rampa uniforme e paredes convergentes que permitem aumentar a altura alcançada pelas ondas. Após percorrerem a rampa, as ondas são descarregadas em piscinas de retenção. A diferença de altura entre a piscina e o nível do mar é usada para geração de eletricidade, utilizando energia potencial. A inclinação da rampa, o ângulo das paredes

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convergentes e a profundidade da piscina de retenção são fundamentais para a eficiência do sistema. (TSUCHIYA et al., 1972; IWAGAKI et al., 1981).

Figura 2.8 – Estação de elevação de ondas

Fonte: Disponível em: <http://www.primeiroplano.org.br/index.asp?dep=13&pg=308>. Acesso em: 11 jun. 2011.

Outro equipamento que permite a geração de eletricidade pelo aproveitamento da energia das ondas é o extrator de energia pendular utilizado desde a década de 1980.

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Um sistema desse tipo foi instalado no Japão, em quebra-mares. O equipamento consiste de um pêndulo plano em uma caixa de concreto, com a parede aberta voltada para as ondas e um sistema de transmissão da energia das ondas. As paredes e o fundo da caixa associados ao pêndulo formam uma câmera de água onde um sistema de contenção de ondas é gerado pela oscilação. Esse sistema apresenta alta eficiência mecânica, o que permite a produção de eletricidade a baixos custos. (KONDO, 1997; YANO; KONDO; WATABE, 1985). Além das vantagens evidentes da geração de eletricidade a partir de uma fonte renovável, a exploração da energia das ondas pode também facilitar o controle de erosão nas praias, compondo sistemas híbridos de extração de energia e proteção de costas.

Erosão A erosão de praias é um grave problema em muitos países. Esse fenômeno ocorre por diversos motivos: redução do suprimento de sedimentos pela barragem de rios; modificação do transporte de sedimentos pela construção de diques e quebra-mares; e, aumento do nível dos mares. As principais estratégias para conter os processos erosivos nas praias são o suprimento de areia nas áreas erodidas e retirada de quebra-mares.

A utilização de um sistema pendular de extração de energia das ondas é capaz de conter os processos erosivos de praias, porque esse sistema pode ser composto de um pêndulo, uma estrutura de suporte para este e apenas uma parede sólida para refletir as ondas (Figura 2.9). Modificações na estrutura dos sistemas pendulares originais, tais como, a permeabilidade das paredes laterais, permitem maiores movimentações de sedimentos ao longo da costa. A utilização desse sistema, como exposto anterioremente, alia dupla vantagem: prover energia limpa e renovável associada à proteção de praias. (KONDO, 1997; YANO; KONDO; WATABE, 1985).

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energia hídrica

Bomba hidráulica

Ondas incidentes Pêndulo Ensecadeira Figura 2.9 – Sistema Pendular de Geração de Hidreletricidade

Fonte: Adaptado de: <http://learning.media.mit.edu/seed/wave%20energy.html>. Acesso em: 18 abr. 2011.

Energia do fluxo dos rios A hidreletricidade produzida pelo aproveitamento da energia cinética do fluxo dos rios é denominada Run-of-the-river (ROR). Essa estratégia de geração de hidreletricidade é ideal para rios e córregos com fluxos razoáveis mesmo na estação seca ou para aqueles regulados por algum empreendimento com barragens. Para esse aproveitamento pode ser construída uma pequena barragem (menor do que aquelas usadas em usinas hidrelétricas convencionais) que garanta o fluxo de água para mover as turbinas e que permita a formação de açudes, os quais podem garantir o fluxo necessário mesmo em momentos de pico de demanda. (GULLIVER, 1991). Esse tipo de aproveitamento conduz boa parte do fluxo do rio através de um tubo ou túnel que leva às turbinas de geração de eletricidade e depois conduzem de volta ao leito do rio (Figura 2.10).

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Figura 2.10 – Grande planta de captação de energia cinética com reservatório (ROR)

Fonte: Disponível em: <http://sosriosdobrasil.blogspot.com/2011/01/estudos-do-instituto-sintef-querem.html>. Acesso em: 20 jun. 2011.

Vantagens das pequenas barragens A energia obtida do fluxo dos rios por meio de barragens pequenas apresenta vantagens ambientais quando comparada à proveniente de usinas com barragens e reservatórios extensos, pois não ocorre o represamento de grandes quantidades de água. Consequentemente, pouca área é alagada, alterando partes menores dos ecossistemas e implicando a retirada de comunidades inteiras. Esse fato também reduz o risco de emissões de metano nesse tipo de projeto. (GULLIVER, 1991).

As principais vantagens dos aproveitamentos hidrelétricos de fluxo de rios são: • possível geração de energia sustentável com baixos impactos ambientais para os ecossistemas e comunidades do entorno, quando desenvolvidos com cuidadoso planejamento; • baixo risco de produção de GEE; • pequenas áreas inundadas e pequeno risco de rompimento de barragens.

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As principais desvantagens desse tipo de aproveitamento estão relacionadas com a inconstância da fonte de energia, devido à baixa capacidade de estocagem de água. Assim, a geração de eletricidade não acompanha a demanda; pelo contrário, a produção de hidreletricidade acompanha a oferta de água do rio, produzindo menos, nas estações quentes e secas. Nas últimas décadas, projetos desse tipo foram implantados em diferentes regiões. O Canadá possui uma planta com capacidade instalada de 1027 MW, em British Columbia. A definição de áreas viáveis para implantação desses projetos deve levar em consideração o fluxo e a altura da queda de água, pois a queda deve ser abrupta. (GULLIVER, 1991).

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3.6 Princípios físicos da energia de barragens (Dam power) A seguir serão descritos os princípios físicos da geração de energia elétrica a partir do aproveitamento do fluxo das águas fluviais. Esse tipo de aproveitamento consiste em utilizar a energia potencial da água, convertendo-a em energia cinética e, em seguida, em energia elétrica. Inicialmente, é preciso a construção de uma barragem para a captação de água. Em seguida, a água é direcionada por dutos até uma turbina a jusante. A turbina movimenta o gerador, e a água é restituída ao leito natural do rio (Figura 2.11).

Figura 2.11 – Esquema simplificado do funcionamento de uma usina hidrelétrica com barragem

Fonte: Disponível em: <http://www.adamantina.sp.gov.br/jsfsite/expoVerde/hidro.html>. Acesso em: 20 jun. 2011.

As usinas hidrelétricas são instaladas onde naturalmente ocorra um desnível do terreno, de modo a obter grande diferença entre montante (ponto mais alto) e jusante (ponto mais baixo) da barragem em uma menor distância possível.

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Potencial de energia Quanto maior for a altura da barragem, maior o potencial de geração de energia, e quanto menor for a distância, mais eficiente e barata é a energia gerada. Então, o potencial de aproveitamento de uma queda d’água é definido pela sua altura e volume de água em relação ao custo de construção da usina.

Essas usinas são bastante eficientes, podendo gerar mais de 95% da energia disponível a montante. Em qualquer tipo de usina, sempre há perdas de energia dentro do sistema, pois a água dissipa parte de sua energia pelo atrito e turbulência nos condutos, até atingir a turbina. O valor da quantidade de energia que uma usina pode gerar é calculado pela fórmula:

P = hrgk, Onde P é a energia em KW; h é a altura em metros; r é a vazão de água em metros cúbicos por segundo; g é a aceleração da gravidade (9,8 m/s2); e k é o coeficiente de eficiência que varia entre 0 e 1. A energia hídrica pode ser medida de acordo com a quantidade de energia disponível, ou seja, a energia por unidade de tempo. Em grandes reservatórios, a energia disponível é uma função da altura das cabeceiras e do raio do fluxo de água. A cabeceira é a altura da água relativa a sua altura depois da descarga. Cada unidade de água pode realizar uma quantidade de trabalho igual a seu peso em relação à altura. A quantidade de energia é liberada quando um objeto de massa m cai da altura h em um campo gravitacional de força g. A energia disponível em barragens hidrelétricas é a energia que pode ser liberada por uma queda de água em um duto controlado. A eficiência é, geralmente, mais alta quanto maior e mais modernas forem as turbinas. Uma barragem hidrelétrica costuma funcionar continuamente para assim fornecer eletricidade sem interrupções. A água, quando está localizada

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a certa altura, representa energia estocada – a energia potencial. Aproximadamente 9,81 joules são necessários para elevar 1 kg em 1m. Essa equação nos permite calcular a quantidade de energia estocada, representada por um corpo de água a determinada altura. Para tanto, é necessário conhecer a massa e a altura. Dessa forma: Energia Potencial = MgH onde M corresponde à massa em kg, g é a aceleração da gravidade e H é a altura em metros.

Dados confiáveis, que contêm as variações sazonais, são fundamentais para a avaliação da capacidade potencial do local. Represar o fluxo por um determinado tempo é um método rotineiro. As principais técnicas dependem das relações entre fluxo de água, profundidade e velocidade nos pontos escolhidos. Ao estimar os recursos hídricos de uma determinada área, é necessário conhecer, também, o total de energia anual. Exemplo: Considerando que, em um ano, existem 8.760 horas, então uma usina com capacidade instalada de 1 MW funcionando constantemente deve ser capaz de produzir 8.760 MWh, ou 8,76 milhões kWh/ano. O fator de capacidade de qualquer planta hidrelétrica é igual à sua produção anual atual dividida pela máxima produção possível, ambos na mesma unidade (kWh, MWh, etc.). O resultado dessa divisão deve expressar uma porcentagem. Assim, a usina de Carsfad, com capacidade instalada de 12.000 kW, gera 30 milhões de kWh de eletricidade anualmente. Logo, seu fator de capacidade é de: 30 × 106 / (12.000 × 8.760) = 0,285 ou 28,5% Na prática, o fator de capacidade anual de uma usina hidrelétrica é determinado pela combinação da demanda dividida pela sua capacidade de geração a qualquer momento. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003).

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3.7 Equipamentos e design das instalações das barragens A definição de máquinas pode ser entendida como sendo o conjunto de equipamentos que transforma dada energia em trabalho mecânico. Toda máquina é constituída de dois equipamentos básicos: o motor e o gerador.

Equipamentos Em uma motobomba hidráulica, o motor elétrico gera trabalho mecânico ao mover uma turbina, a qual aumenta a pressão e eleva a água para cotas maiores. As usinas hidrelétricas utilizam esse mesmo princípio, porém no sentido inverso. Neste caso, a turbina hidráulica é o motor que transforma a energia potencial em energia mecânica. Acoplado à turbina, é instalado o gerador que recebe o trabalho mecânico e o transforma em energia elétrica (Figura 2.12).

Figura 2.12 – Equipamentos utilizados em uma usina hidrelétrica

Fonte: Adaptado de: <http://www.energybeta.com/wp-content/uploads/2009/09/water_turbine.jpg>. Acesso em: 2 maio 2011.

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Turbinas hidráulicas Segundo a norma TB-74 da ABNT, as turbinas hidráulicas são caracterizadas como máquinas, com a finalidade de transformar a maior parte da energia de escoamento contínuo da água em trabalho mecânico. Consiste, basicamente, em um sistema fixo hidráulico (injetor) para orientação da água em escoamento e outro sistema rotativo hidromecânico (rotor) para a transformação em trabalho mecânico. (PIMENTA, 1981).

As turbinas hidráulicas podem ser classificadas em dois grandes grupos: de ação e de reação. As turbinas de ação são aquelas em que o trabalho mecânico é obtido, diretamente, pela transformação da energia cinética da água em escoamento, através do rotor. As turbinas de reação são aquelas em que o trabalho mecânico é obtido pela transformação das energias cinética e de pressão da água em escoamento, através do rotor.

Figura 2.13 – Turbina Francis Fonte: Disponível em: <http:// energiarenovavelhidrulica.blogspot. com/2010_08_01_archive.html>. Acesso em: 12 maio 2011.

Existem muitas variações desse tipo de turbina; elas podem ser formadas por pás ou por hélices, e ambas podem ter eixo vertical, horizontal ou inclinado e ser alimentadas por um ou mais injetores de injeção total. Para a escolha correta do tipo de turbina a ser instalada, devemos analisar os fatores ligados ao local de instalação, como altura de queda e vazão, além dos custos de captação da água e operação do sistema. (GULLIVER, 1991). As turbinas hidráulicas mais utilizadas na geração de energia elétrica receberam o nome de seus inventores: turbina Francis (1847), turbina Pelton (1878) e turbina Kaplan (1922). Além dos modelos iniciais, existem variações dessas turbinas. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; PIMENTA, 1981).

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Turbina Francis As turbinas tipo Francis, por exemplo, apresentam eficiência energética intermediária, funcionam com vazões médias e quedas, podendo variar de 30 a 500m. Seu rotor é constituído de um núcleo cilíndrico, onde são soldadas diversas lâminas inclinadas e fixadas em outro cilindro externo, assemelhando-se a uma turbina de avião (Figura 2.13). A ação da turbina dá-se pela injeção de água. As turbinas tipo Francis são, de longe, as mais utilizadas entre as usinas de porte médio e, até mesmo, as de grande porte. Trata-se de turbinas de reação que apresentam eficiência energética intermediária e que podem ter designs bem diferentes, variando seu tamanho de 30 cm de diâmetro até 6 metros. Essa é uma turbina que funciona completamente submersa e, por isso, pode trabalhar, da mesma forma, com o rotor na posição horizontal ou vertical. Em volumes de água médios e altos, o fluxo que passa pela turbina é canalizado através de um tubo curvo, cujo diâmetro diminui em direção ao final, o que provoca aumento da velocidade. A forma das lâminas e a velocidade da água são aspectos críticos na produção de fluxos que permitem alta eficiência na produção de eletricidade. As turbinas Francis funcionam de forma mais eficiente, quando a velocidade da lâmina é um pouco menor do que a velocidade da água incidente. Ao atingir a lâmina, a água é defletida pelas laterais, perdendo movimento. Com essa mudança de direção, a água gera uma força na direção oposta, e essa reação transfere energia para o rotor e, assim, mantém a rotação. Por essa razão, essas turbinas são chamadas de reação. Para reduzir as perdas de energia, é necessário manter a velocidade e a direção corretas do fluxo de água. Nessas condições ótimas, as turbinas Francis podem alcançar uma eficiência de 95%. No caso de redução de demanda, a geração de energia pode ser reduzida pela diminuição do fluxo de água, o que pode ser feito, no caso das turbinas Francis, mudando o ângulo de incidência do líquido nas lâminas. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984).

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No entanto as turbinas Francis apresentam algumas limitações. A cabeceira é um importante fator na seleção da turbina mais adequada. Se a cabeceira é baixa, um grande volume de água é necessário para gerar energia, mas uma cabeceira baixa também significa menor velocidade da água. Esses dois fatores juntos implicam uma área muito maior, sendo que o aumento da área pode ser acompanhado da adaptação das lâminas para águas mais lentas, mas com defleção de maior volume. Assim, torna-se possível utilizar fluxos de água com menores quedas e velocidade, já que os grandes fluxos também causam problemas. A melhor eficiência dessa turbina ocorre quando as lâminas se movem praticamente na mesma velocidade que a água. Em áreas com grandes fluxos e com grandes velocidades, a turbina Francis não é a mais indicada. Seus melhores desempenhos ocorrem quando há fluxos médios e pequenos de água.

Turbina Pelton Outro tipo de turbina largamente utilizado é a do tipo Pelton. O modelo é inspirado nas antigas rodas d`água ou rodas do tipo Pelton, que podem ter seu eixo horizontal ou vertical e ser alimentadas por mais de um injetor de jato livre (Figura 2.14). Essas são turbinas de ação. As turbinas Pelton apresentam baixos valores de Figura 2.14 – Turbina Pelton Fonte: Disponível em: <http:// eficiência, quando comparadas com turbinas de energiarenovavelhidrulica.blogspot. reação, porém podem funcionar com vazões recom/2010_08_01_archive.html>. Acesso em: 20 jun. 2011. lativamente baixas e com quedas bastante altas, podendo variar de 200m até 2.000m. Seu rotor é constituído de um núcleo plano, ao qual são soldadas várias pás em forma de concha dupla. As conchas possuem aberturas na extremidade, para facilitar a saída da água, antes de completar um giro completo. A presença de água residual na concha gera um acúmulo de energia cinética e diminui a eficiência na geração de energia. As conchas

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são atingidas por jatos de água bastante potentes, direcionados pelos injetores dispostos no perímetro da turbina. (HILL, 1984; PIMENTA, 1981). Os injetores são fixos e seu acionamento é feito através de agulhas móveis em seu interior, as agulhas regulam a vazão de acordo com a quantidade de água disponível, de modo a transformar a maior parte da energia potencial em energia cinética. Em uma usina desse tipo, em que a altura de queda é constante, a agulha é regulada para que o jato de água também tenha velocidade constante, mesmo com vazões diferentes. Portanto a potência gerada dependerá, unicamente, da velocidade de arrasto periférico da turbina, determinada pelo volume de água que atinge a concha. A eficiência da turbina Pelton é maior quando a velocidade das conchas é a metade do jato de água. Considerando que a velocidade das conchas depende do raio de rotação e do diâmetro da turbina e que a velocidade da água depende da queda, existe uma relação ótima entre esses três fatores. A roda Pelton é uma turbina de impulso, em constraste com as turbinas de reação, como aquelas do modelo Francis. Uma diferença importante entre elas se refere ao fato de que as turbinas Francis funcionam totalmente submersas, enquanto as Pelton operam no ar, sob efeito da pressão atmosférica.

Turbina Turgo Uma variante da turbina Pelton é a denominada turbina Turgo. Esse tipo de turbina foi desenvolvido em 1920. As conchas simples foram substituídas por duplas, com a água entrando por um lado e saindo pelo outro. A água entra como um jato, atingindo as conchas que, por sua vez, impulsionam a turbina (Figura 2.15). No entanto sua habilidade de lidar com volumes de água maiores do que a roda Pelton mas com o mesmo diâmetro é uma vantagem para a geração

Figura 2.15 – Turbina Turgo

Fonte: Disponível em: <http://www. daviddarling.info/images/Turgo_runner.jpg>. Acesso em: 18 jun. 2011.

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de eletricidade em quedas de água com tamanho médio. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; PIMENTA, 1981).

Turbina de fluxo cruzado ou turbina Mitchell-Banki Outro tipo de turbina de ação, como a Pelton e a Turgo, é a turbina de fluxo cruzado ou turbina Mitchell-Banki, Ossberger. Nesse tipo de turbina, a água flui através de planos achatados, ao invés de jatos cilíndricos. Esse tipo de turbina é usado no lugar de turbinas Francis, em pequenas centrais hidrelétricas, com capacidade instalada de até 100 kW aproximadamente (Figura 2.16).

Figura 2.16 – Turbo-gerador Simplificado

Fonte: Disponível em: <http://www.indiamart.com/ pentaflo/industrial-turbines.html>. Acesso em: 24 abr. 2011.

Algumas ideias tecnológicas engenhosas foram desenvolvidas de forma simples e podem ser construídas e mantidas sem sofisticados equipamentos de engenharia e, por isso, são adequadas para comunidades distantes.

Turbina Kaplan Outro tipo de turbina é denominado Kaplan ou Propulsores. Nesse tipo de turbina, a área por onde a água entra é a maior possível, sendo uma turbina adequada para fluxos de água muito grandes, podendo ser utilizada mesmo se a queda de água apresenta apenas poucos metros.

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Figura 2.17 – Turbina Kaplan Fonte: Disponível em: <http:// energiarenovavelhidrulica.blogspot. com/2010_08_01_archive.html>. Acesso em: 15 maio 2011.

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Essas turbinas possuem a vantagem de ser tecnicamente mais simples (Figura 2.17). Por isso, é possível aumentar a eficiência pela variação do ângulo das lâminas, quando a demanda de energia se modifica. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; PIMENTA, 1981).

Turbinas adequadas De forma geral, podemos dizer que as turbinas Pelton são mais adequadas para altas quedas de água; os Propulsores, para pequenas quedas; e as Francis, para situações intermediárias.

Design das instalações Para descrever o desenho de instalações de aproveitamento hidroenergético, é necessário conhecer seus componentes e conceitos principais, tais como: a regularização da vazão, as barragens, a captação e condução de água, a casa de máquinas, a restituição de água e comportas (Figura 2.18).

Figura 2.18 – Principais componentes de uma usina hidrelétrica

Fonte: Adaptado de: <http://www.quantageracao.com.br/index2.php?secao=Faq>. Acesso em: 5 jun. 2010.

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A vazão dos recursos hídricos é bastante variável. Rios, mares, lagos e lagoas apresentam vazões variáveis e, até mesmo, aleatórias. Existem aproveitamentos hidroenergéticos que não demandam a regularização da vazão. Esses aproveitamentos são projetados para utilizar as vazões naturais dos recursos hídricos selecionados. São denominadas de usinas a fio de água. (SOUZA; FUCHS; SANTOS, 1983). No entanto vazões variáveis não são ideais para a maior parte dos modelos de aproveitamentos hidroenergéticos utilizados. O dimensionamento das instalações e equipamentos se refere a algum valor específico de vazão. Assim, equipamentos planejados para vazões mínimas deixarão de aproveitar grandes quantidades de energia, já equipamentos para vazões máximas ficarão sem operar durante muitos períodos. Diante disso, o primeiro desafio para instalação deste tipo de equipamento é a uniformização da vazão do recurso hídrico aproveitado ao longo do tempo. Foram desenvolvidos métodos para regularização ou regulação de vazões. É possível regularizar, de forma integral ou parcial, a vazão de um aproveitamento hidroenergético. O principal método para regularização de vazão é a construção de reservatórios para acumular a água das chuvas e abastecer o aproveitamento com essa água durante o período de seca. A regularização integral da vazão pode ser aplicada para diferentes períodos de tempo. Assim, alguns reservatórios são capazes de regular a vazão de recursos hídricos por um ano (anual) ou por vários anos (plurianual). Essa variação se refere ao tamanho do reservatório ou a sua capacidade de armazenar água. A regularização da vazão pelo maior intervalo de tempo possível permite o dimensionamento mais eficiente dos equipamentos e instalações necessários ao aproveitamento hidroenergético. No entanto a regularização plurianual implica a construção de reservatórios muito grandes, os quais causam impactos ambientais graves. Tais impactos podem ser de ordem econômica, social ou ecológica. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984; PIMENTA, 1981). Na utilização de reservatórios menores, também é possível obter regularização de vazões, porém com métodos diferentes. Com reservatórios pequenos, não é possível

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manter uma única vazão regularizada, mas diversas vazões, que se sucedem ao longo do tempo, conforme um calendário previamente estabelecido. Segundo Souza, Fuchs e Santos (1983, p. 113), “Um aproveitamento integral exige o dimensionamento das máquinas para a maior delas e um fracionamento maior das unidades, pois durante certas épocas as vazões disponíveis e, portanto, deriváveis, serão bem menores.” Neste contexto, é necessário desenvolver um estudo econômico detalhado para estabelecer qual deve ser a potência instalada, visando a qual arranjo poderá produzir o menor valor de kW. Outro tipo de regularização de vazão é denominado parcial. Esse tipo de regularização admite a perda de vazão periodicamente, que deve estar acima do máximo derivável. Este método também admite déficits de vazão em épocas de seca. Sistemas que operam utilizando a regularização parcial da vazão estão sempre relacionados a reservatórios pequenos. Na pior situação, é possível, ainda, implantar sistemas de aproveitamentos hidroenergéticos em que a regularização da vazão permite apenas uma regulação semanal. Esses aproveitamentos, em geral, contam com reservatórios muito pequenos devido às condições geomoforlógicas, sociais e econômicas locais. Este tipo de regularização pode acontecer, porque, em finais de semana, o consumo de eletricidade geralmente é menor, o que permite o planejamento semanal. O primeiro passo para garantir a regulação da vazão é definir que tipo de barragem se deve construir. As barragens são estruturas transversais construídas no leito do rio, com o intuito de bloquear a passagem da água. O tipo ou tamanho de uma barragem irá depender do objetivo ao qual ela se destina. As grandes barragens são construídas para proporcionar a formação de amplo reservatório de regulação de vazão, onde a variação do índice pluviométrico é muito grande ao longo do ano. As barragens muito altas servem para elevar o nível da água a jusante e proporcionar desnível adequado ao aproveitamento hidroenergético com vazões menores. Barragens menores podem ser construídas com vista à captação e desvio da água, apenas, para uso em local mais distante.

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Figura 2.19 – Barragem de gravidade

Fonte: Disponível em: <http://www.sustainableenergy.com.au/pictures/massive_dam.jpg>. Acesso em: 10 maio 2011.

Segundo Souza, Fuchs e Santos (1983), as barragens podem ser classificadas, basicamente, de três formas: barragem de gravidade, barragem de arco e barragem de arco-gravidade. As barragens de gravidade são aquelas em que o equilíbrio estático da construção ocorre pelo próprio peso da estrutura (Figura 2.19); a resultante de todas as forças exercidas é transmitida ao solo do leito do rio onde se apoia. As barragens de gravidade podem ser maciças, constituídas de terra e revestidas de pedras soltas (enrocamento) ou placas de alvenaria, ou podem ser aliviadas, construídas de concreto armado.

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As barragens em arco tiram proveito da propriedade de sua estrutura resistir com facilidade às cargas uniformemente distribuídas sobre seu dorso. As forças do empuxo hidrostático são transmitidas igualmente para o leito do rio e para as ombreiras da barragem (Figura 2.20). Sua construção deve ser necessariamente de concreto armado e requer características do terreno muito específicas para que sua instalação seja viável. É necessário que o curso do rio tenha margens altas e constituídas de rocha resistente e sã, assim como o leito do rio precisa ser de rocha igualmente resistente e sã. A relação entre a largura do rio no local de construção e a altura da barragem não pode ser maior que três. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984; PIMENTA, 1981).

Figura 2.20 – Barragem em arco

Fonte: Disponível em: <http://www.bestourism.com/items/di/1184?title=Hoover-Dam-in-USA&b=184>. Acesso em: 11 jun. 2011.

As barragens de arco-gravidade têm sua planimetria em forma de arco, porém sua massa funciona como uma barragem de gravidade; suas secções transversais são bem mais espessas do que as barragens em arco, mas necessitam de um acabamento muito melhor de que um simples enrocamento. Além disso, esse tipo de barragem é menos exigente quanto à constituição do terreno do leito e das margens, pois o seu peso e forma garantem maior estabilidade de forças para suportar a pressão da água a montante.

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Para evitar o transbordamento do reservatório, toda barragem deve ter um sistema descarregador das vazões excedentes. Durante as épocas de cheia dos rios é comum um reservatório ter sua capacidade de armazenamento esgotada e as comportas dos descarregadores terem de ser abertas para liberar a água, sem a passagem pela turbina (Figura 2.21). Os sistemas descarregadores podem ser instalados na superfície da barragem ou próximas ao leito do rio. Esses sistemas de controle do nível do reservatório são essenciais para a segurança da barragem, pois transbordamentos em locais inadequados podem danificar a estrutura e comprometer a estabilidade da barragem.

Figura 2.21 – Comportas dos descarregadores abertas

Fonte: Disponível em: <http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Srisailam-dam-with-gates-open-2.jpg>. Acesso em: 14 maio 2011.

Os descarregadores de superfície ou comumente chamados de vertedouros localizam-se na parte superior da barragem, podendo ou não ser equipados com comportas. Quando o nível de água no reservatório alcança determinada cota, a água é escoada por rampas que acompanham o declive da barragem a jusante. Em sua parte inferior, ao pé da barragem, a rampa se eleva suavemente, para dissipar a energia da água antes de ser restituída ao leito do rio. Esse dispositivo, conhecido como “perfil de Creager”, é muito utilizado pela simplicidade de construção e eficiência em evitar a erosão do leito do rio no ponto de descarga. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984; PIMENTA, 1981).

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Os descarregadores de fundo situam-se na parte inferior da barragem e são necessariamente equipados com comportas. A água é conduzida por dutos sob altíssima pressão até a área externa do reservatório. No ponto de descarga também precisa ter sua energia dissipada para evitar a erosão. A estrutura mais utilizada para isso é uma espécie de tampão que libera a água pelas laterais, formando um grande leque de água. Mesmo em barragens com vertedouros, pode haver sistemas de descarregamento pelo fundo, para, eventualmente, retirar o material assoreado no pé da barragem. De acordo com o tipo de barragem utilizada, o sistema de tomada de água e condução até a turbina também apresenta princípios distintos. Em barragens para formação de reservatório, os condutos de adução de água trabalham sob alta pressão e são incorporados na estrutura da barragem. Em barragens para simples captação de água, os condutos de adução de água podem ser de superfície livre, escavados em rocha sã ou em solo com revestimento. Porém, em ambos os casos, dois dispositivos são indispensáveis. Na entrada do conduto de adução devem ser instaladas grades de proteção progressivas, com a finalidade de interceptar materiais sólidos transportados pelo rio (pedras, troncos e galhos), que podem danificar ou travar as turbinas. Essas grades podem ser construídas de concreto armado ou aço. Normalmente, elas são formadas por painéis de barras com seções retangulares e seu espaçamento depende da dimensão do material que se deseja reter em cada estágio. Após as grades de proteção, os condutos de adução são equipados com comportas. Elas têm o objetivo de controlar a admissão de água na turbina, em geral com sistema de fechamento rápido, para o caso de emergência. Em grandes barragens são construídas duas comportas subsequentes, em que o primeiro estágio é fechado para realizar vistorias e manutenção de emergência na comporta. O dimensionamento dos condutos de adução deve estar de acordo com a vazão para a qual a turbina foi construída. A seção transversal do conduto determina o volume de água que será transportado, e a velocidade da água é determinada pela razão entre a declividade e a perda de carga dentro do conduto. A perda de carga é calculada de acordo com o percurso pelo qual a água passa até atingir a turbina e, principalmente,

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em função de curvas, de conexões e do material de revestimento do conduto. Quanto maior for a rugosidade do material, maior será a perda de carga. Em condutos retos, podemos calcular a perda de carga pela fórmula de Hazen-Willians Hp = 10,643 * Q1,85 * I-1,85 * D-4,87 * L Onde: Hp = a perda de carga Q = a vazão I = índice de Hazen-Willians (tabela) D = diâmetro interno do conduto L = comprimento do conduto Na tabela a seguir, é possível acompanhar os principais índices de Hanzen-Willians. Tabela 2.1 – Índices de Hanzen-Willians Índices de Hazen-Willians Túneis em rocha sem revestimento

Aço corrugado ou ondulado

Ferro fundido com 30-40 anos de uso

Ferro fundido com 20-30 anos de uso

Aço rebitado com 15-20 anos de uso

Ferro fundido com 15-20 anos de uso

100

Aço rebitado novo, ferro fundido com 10 anos de uso

110

Aço soldado

115

Ferro fundido com 5 anos de uso

120

Aço galvanizado

125

Ferro fundido novo, concreto, bronze, cobre, chumbo, ambos com acabamento médio

130

Vidro, plástico, argamassa, cobre, bronze, chumbo, ambos com ótimo acabamento

142

Fonte: Elaboração do autor (2011).

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Os condutos fechados também podem ser integrados nas barragens de captação de água para aumentar a velocidade da água e gerar mais energia. Nesses dutos fechados, o escoamento exerce pressão crescente de montante para jusante, sendo máxima ao chegar à turbina. Seu diâmetro e sua espessura podem ser uniformes ou variáveis ao longo do percurso, porém é comum que o diâmetro decresça a jusante para elevar a pressão, mas a espessura e resistência do material devem aumentar correspondentemente. Quando os condutos fechados forem alimentados por canais ou galerias de superfície livre, deve ser construído um pequeno reservatório de água antes da entrada dos condutos, chamado de câmara de carga. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984; PIMENTA, 1981). O reservatório deve possuir volume de água suficiente para, numa abertura brusca de admissão da turbina, atender à demanda imediata de água mais rapidamente do que seria possível através do canal, cujo tempo de resposta será proporcional ao seu comprimento. (SOUZA; FUCHS; SANTOS, 1983). As câmaras de carga também funcionam como espelho d’água para dissipar as ondas de choque do golpe de aríete, ao receber excesso de água do canal adutor ou de água rejeitada pelas turbinas em caso de fechamento. Muitas vezes as câmaras são ainda equipadas com vertedouros para escoar o volume de água além de sua capacidade de retenção. Nas barragens com tomada de água sob pressão, logo após a comporta deve ser construída uma galeria vertical com altura superior à cota máxima do reservatório e aberta em cima. Essa estrutura é denominada de “chaminé de equilíbrio” e tem o propósito de possibilitar a sucção do ar quando o fluxo de água é interrompido subitamente, de modo a evitar a formação de cavitações no interior da tubulação. O fenômeno de cavitação é a formação de bolsões de vácuo gerados pela rápida diminuição da pressão, o que pode ocasionar a implosão da estrutura ou deslocamento de parte dela. Após a passagem pela turbina, a água é direcionada aos tubos de sucção ou canais de fuga e restituída ao leito do rio.

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Projeto hidrelétrico A descrição feita acima compreende as principais estruturas físicas que podem compor uma central hidrelétrica. A necessidade de construção de tais elementos pode variar em função das características do local de instalação, dos equipamentos que serão utilizados e do tipo de aproveitamento escolhido. Assim, a elaboração de um projeto hidrelétrico implica estudos técnico-econômicos detalhados, visando à simplificação das estruturas para identificar a alternativa mais viável.

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3.8 Viabilidade dos aproveitamentos hídricos A viabilidade é a característica do que pode ser feito, praticado, executado; daquilo que é possível, razoável, que pode ser realizado com sucesso. A existência de aproveitamentos hídricos para geração de eletricidade, em funcionamento há mais de 40 anos, demonstra sua viabilidade. O estudo das plantas hídricas de geração de eletricidade permite aprender lições importantes: análises de longo prazo provenientes de sistemas de monitoramento das diferentes partes componentes da estrutura e equipamentos, bem como dos efeitos de sua presença no ambiente de entorno. De forma geral, o estudo das usinas hidrelétricas existentes aponta alguns temas de estudo principais. Um dos temas levantados nos estudos sobre as plantas hidrelétricas diz respeito a falhas em estruturas hidrelétricas. Falhas em barragens apresentam grande perigo para as pessoas, propriedades e formas de vida a jusante. Diante disso, a necessidade de elaboração de planos de emergência relacionados a esses tipos de falhas é cada vez maior; planos que levem em consideração estimativas de enchentes e descargas de água obtidas através de modelagem matemática. (COLEMAN; JACK; MELVILLE, 1997; SINGH, 1996; WURBS, 1987). Além das informações fundamentais para atendimento da população civil em situações de emergência, também são necessários dados físicos quantitativos e qualitativos sobre o desenvolvimento de processos de fraturas nas barragens. Esses dados são, geralmente, obtidos em laboratório. A união desses dois conjuntos de informações (volume de água e processos físicos de quebra) permite antecipar os eventos. Desde a década de 1980, diversas ferramentas foram estabelecidas para analisar e prever falhas em estruturas. A principal defesa contra rupturas em barragens é o monitoramento. Essa ação deve ser capaz de gerar dados os quais permitam evitar problemas associados à corrosão, deterioração e assentamentos incomuns. Além disso, é possível enfatizar o design mais adequado para cada situação. O monitoramento deve prever, ainda, a inspeção rotineira

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da barragem e dos equipamentos que compõem a planta hídrica, a fim de reconhecer rapidamente alterações que possam levar a falhas. (STATELER, 1997). Em países com recursos hídricos limitados, duas estratégias estão sendo aplicadas para possibilitar a exploração hidrelétrica. A primeira é a instalação de plantas hídricas em barragens construídas para outros objetivos; a segunda se refere à recuperação ou reforma de usinas já existentes. Essas duas estratégias permitem aumentar a produção de hidreletricidade com baixos custos e com poucos impactos ambientais. No caso de barragens já existentes, os custos podem ser a metade daqueles relacionados com a instalação de uma nova estrutura. Já nas usinas reformadas, os custos podem ser de um terço da instalação de uma nova planta. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILLS, 1984).

Aumento de potencial hídrico No Reino Unido, a usina do Vale Élan é uma pequena central hidrelétrica onde foram utilizadas as duas estratégias citadas, visando a aumentar sua capacidade instalada. Para estimular esse tipo de atitude, alguns países estabeleceram programas de estímulos financeiros para tais projetos. Esse é o caso do Reino Unido, do Canadá e dos Estados Unidos.

Outro tema de destaque nos estudos sobre as usinas hidrelétricas existentes é a erosão das fundações de barragens. Nos períodos de cheias, muitas vezes a quantidade de água pode superar a capacidade do reservatório, sendo assim, a água excessiva precisa ser descarregada, de modo a evitar que o reservatório transborde e a barragem seja danificada. As descargas de água são realizadas por equipamentos denominados descarregadores, os quais podem estar localizados na parte superior ou inferior da barragem. De qualquer forma, a descarga de água pode deslocar materiais causando erosão das fundações, desestabilizando a barragem.

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Para evitar esse tipo de problema é necessário selecionar e estabelecer as estruturas de descarga de água mais adequadas, as quais são fundamentais para controlar a dissipação de energia. Este é um dos principais problemas relacionados a quedas de água, causador de instabilidade em grandes barragens. A força de impacto da descarga de água tem relação com a velocidade. Assim, conhecer a velocidade da água e a resistência dos materiais que compõem as fundações pode permitir o planejamento de estruturas as quais reduzam a velocidade da descarga de água até níveis que não afetem a barragem. (ANNANDALE, 1995; LIU, 1996). Diversas pesquisas também são realizadas para estabelecer as melhores práticas de liberação de água em reservatórios. As principais preocupações relacionadas a essas descargas dizem respeito à qualidade e ao fluxo de água. As águas de reservatórios podem apresentar baixos níveis de oxigênio dissolvido (OD), o que pode ser prejudicial para a qualidade de água a jusante. Em diversas regiões, é interessante manter um fluxo mínimo de água, o qual deixe o reservatório regular, para garantir a renovação das águas dos rios abaixo das barragens. (BELAUD et al., 1989; CHAVEROCHE, SABATON, 1989). Outro problema que afeta grande parte dos reservatórios de usinas de geração de hidreletricidade é a sedimentação. No entanto a sedimentação é mais grave em rios de águas turvas do que em rios cristalinos. As grandes barragens podem acumular sedimentos por décadas, antes que esses causem problemas, mas pequenos reservatórios podem atingir sua capacidade de armazenamento em alguns anos ou mesmo em uma única tempestade. (FAN; MORRIS, 1992; HOLEMAN, 1968; ZHIDE; XIAOQING, 1997). Algumas das primeiras usinas construídas no planeta, na década de 1940, não levaram em consideração questões relacionadas à sedimentação dos reservatórios. Em todas as usinas nas quais a sedimentação constitui um problema grave, há a necessidade de estratégias para minimizar tal fenômeno. As principais estratégias são: • considerar esse fator na seleção da área de localização da barragem; • adotar normas de funcionamento que incluam a remoção de lama com frequência variada, conforme a capacidade do reservatório;

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• estabelecer estruturas que permitam a passagem dos sedimentos pela barragem; • regular o uso do solo a montante, visando ao controle de erosão. Diversos estudos demonstraram que a construção de barragens pode afetar negativamente o ciclo de vida de determinadas espécies de peixe, pela obstrução de sua passagem. A partir da década de 1980, boa parte das barragens buscou estabelecer estratégias para contornar esse problema e viabilizar a diversidade de peixes nas áreas afetadas. Para tanto, foi explorado o potencial das turbinas e dos descarregadores como passagens viáveis de peixes. (BODALY et al., 2007; HEISEY; MATHUR; RINEER, 1992; SCRUTON et al., 2007). As preocupações relacionadas com a passagem de peixes pelas barragens de usinas hidrelétricas têm relação com as discussões de sustentabilidade. As intervenções sobre o tema sinalizam estratégias de gestão de recursos hídricos que visam integrar múltiplos objetivos, como a geração de eletricidade, navegação, abastecimento de água, melhoria da qualidade de vida das comunidades e conservação do ambiente natural. Todos estes temas estão relacionados com a viabilidade técnica e ambiental dos empreendimentos hidrelétricos. No entanto existem, ainda, aspectos éticos e econômicos que exercem influência sobre o desenvolvimento desse setor. Mesmo quando uma fonte de energia é adequada e aceitável do ponto de vista financeiro e ecológico, ainda podem existir outros fatores que afetem sua viabilidade. Assim, de acordo com Boyle, Everett e Ramage (2003) e Hill (1984), duas questões importantes precisam ser discutidas no que se refere à produção de hidreletricidade: • Quanto do potencial hidrelétrico mundial deve ser desenvolvido, levando-se em consideração questões econômicas, éticas e ecológicas? • Qual o capital disponível para esse desenvolvimento?

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Outra questão que afeta aspectos econômicos relacionados aos aproveitamentos hidrelétricos está relacionada com a integração dos diferentes componentes do sistema elétrico. Do ponto de vista do operador do sistema elétrico nacional, as usinas hidrelétricas de qualquer tamanho devem ser elementos do sistema. Essas usinas devem apresentar as seguintes características para melhorar a eficiência do sistema: a. disponibilidade constante; b. energia estocada para compensar as variações sazonais; c. ausência de correlação na disponibilidade entre as diferentes plantas; d. capacidade de resposta rápida a mudanças na demanda; e. disponibilidade de recursos adequada à demanda anual; f. pequena possibilidade de redução de disponibilidades súbitas ou imprevisíveis; g. localização que dispense longas linhas de transmissão. As plantas hidrelétricas podem atender a boa parte desses requisitos. O atendimento às exigências dos itens a, b e c depende do tipo de planta escolhido. Quanto maior o reservatório, maior a chance de manter a mesma disponibilidade de água durante as diferentes estações. As usinas que aproveitam a energia cinética do fluxo do rio (ROR) podem sofrer redução de produção nos períodos secos. Quanto aos itens d e e, quase todas as plantas possuem capacidade rápida de resposta e são adequadas à demanda anual. Já o item f é atendido, principalmente, pelas grandes usinas que apresentam pouca possibilidade de redução da disponibilidade de água. O critério final, entretanto, é o mais crítico. As plantas hídricas são determinadas pela geografia. Muitos tipos de plantas, como as usinas com barragens ou os aproveitamentos de ondas e correntes marinhas, não estão localizados próximo a grandes centros consumidores, em geral. Já as pequenas centrais ou as usinas que aproveitam o fluxo de água dos rios podem ser capazes de atender a este requisito com mais facilidade. Esse tipo de planta pode reduzir a necessidade de transmissões de longa distância e, com isso, reduzir custos e perdas, mesmo que o valor de energia gerado por unidade seja maior. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILLS, 1984).

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Durante o século XX, o aumento da demanda de eletricidade fornecida de forma regular tornou as usinas hidrelétricas com grandes barragens e reservatórios a alternativa mais adequada. Esse tipo de usina realmente apresenta vantagens econômicas, mas apresenta desvantagens ambientais (sociais e ecológicas) também. Mesmo com todas as discussões internacionais sobre sustentabilidade, não importa quão ecológica uma tecnologia seja, poucos serão os investidores, se sua utilização implicar perda de dinheiro. Os investidores precisam conhecer os custos de produção, levando em consideração todos os aspectos envolvidos, entre os quais estão os dados da planta, tais como custo de capital inicial, de operação, de manutenção, o tempo de vida previsto, e, ainda, a contabilidade ambiental. A análise do setor elétrico no último século demonstra que as questões econômicas e ambientais, muitas vezes, são contraditórias. A hidreletricidade é uma tecnologia bem-estabelecida. Sistemas de controle de água, geradores, turbinas e controladores são itens padronizados que podem ser utilizados em pequenas e grandes usinas. O tempo de vida dos equipamentos é conhecido (entre 25–50 anos), bem como o das instalações (entre 50–100 anos). Estudos confirmaram que as usinas com grandes barragens tendem a ter menores custos unitários. Apesar disso, é difícil generalizar o custo da hidreletricidade, porque existem extremas diferenças relacionadas à localização da planta. O fator determinante para a definição dos custos por unidades geradas refere-se aos custos de capital iniciais, ou seja, aos custos das obras de engenharia necessárias para cada local. As megausinas podem oferecer dados típicos sobre os custos de capital iniciais. Os custos totais de desenvolvimento se referem aos custos de capital associados aos custos de operação. Pesquisas reuniram informações sobre 2.000 plantas com capacidades instaladas que variam entre 1–1300 MW. Metade das usinas analisadas não apresentam barragens. Os custos obtidos variaram entre US$2.000–4.000/kW. Esses estudos demonstraram a dominância dos custos iniciais. Na maior parte das plantas investigadas, as obras de engenharia representaram 65–75% do total, visando ao atendimento

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dos requisitos legais para licenciamento. Os equipamentos representaram apenas 10% desses custos, sendo que os custos de operação variaram de 1% a 2% do capital inicial. Utilizando diferentes métodos de cálculo e englobando dados históricos de custo e o valor de cada unidade de eletricidade produzida atualmente, será possível verificar que o preço de venda é maior do que o de custos. Isso torna a hidreletricidade um investimento lucrativo. No entanto o entusiasmo com esse setor não é unânime. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILLS, 1984). Estudos de casos Muitos aspectos relevantes sobre as interações entre os aproveitamentos hidrelétricos, desenvolvimento econômico e equilíbrio ambiental podem ser observados na análise de exemplos já instalados. Inicialmente, são apresentados casos de grandes e pequenas usinas hidrelétricas com barragens. Para cada caso apresentado, foram analisados os temas tratados acima. Assim, são discutidos aspectos ambientais (peixes, metano, retirada de pessoas); e aspectos relacionados com os custos (de implantação, de operação e valor por unidade produzida).

Tucuruí No Brasil, uma das maiores usinas hidrelétricas existentes é a Tucuruí, localizada no estado do Pará, região situada no bioma da floresta Amazônica. A construção dessa usina esteve inserida em políticas públicas que buscavam aumentar a produção de eletricidade no país, bem como ocupar a Amazônia. Devido à distância dos centros consumidores, o projeto de Tucuruí foi associado a outros importantes projetos econômicos, à instalação do polo industrial-exportador Grande Carajás, que extraía e exportava minérios (ferro, manganês e bauxita) e produzia alumínio; e à construção da rodovia Transamazônica. (MONOSOWSKI, 1998).

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O projeto foi aprovado em 1975 e a construção teve início em 1976. Tucuruí consiste em uma barragem de concreto com altura de 93m, vertedouros, duas casas de força e um sistema de eclusas, além de um reservatório de 2.430m2. Nessa usina, são utilizadas turbinas Francis, e a capacidade planejada para a planta é de 8GW. Somente em 1977, começaram a ser realizados os estudos ambientais por exigência dos órgãos financiadores internacionais, os quais foram realizados de forma precária, em um ambiente praticamente desconhecido. Desta forma, não foi possível controlar todos os impactos relacionados a esse empreendimento. Diversas perturbações na fauna e na flora local levaram a perdas de biodiversidade que ainda não puderam ser calculadas. Além disso, os impactos sobre as comunidades humanas incluíram grupos indígenas que não tinham sido contactados. O contato com esses grupos promoveu muitas mortes e obrigou os empreendedores a manterem programas de apoio. Com o passar do tempo, as áreas de entorno da usina, do reservatório e das estradas foram ocupadas e desmatadas para conversão em pastagens. O reservatório – que não pode ser completamente desmatado –, emite quantidades anuais de metano, que se busca controlar através de programas de monitoramento. (MONOSOWSKI, 1998; SANCHEZ, 2006). Apesar do grande potencial de desenvolvimento econômico que o projeto Tucuruí trouxe para a região, muitas oportunidades não foram exploradas. Além do polo Grande Carajás, as únicas atividades econômicas são a pesca comercial no reservatório, a exploração de madeira para lenha retirada de troncos e galhos emergentes e, principalmente, a retirada de madeira ilegal das florestas do entorno. Até hoje, as eclusas não estão construídas e, portanto, não existe grande navegação na área. O início das obras implicou investimentos e infraestruturas de apoio, já que a obra foi realizada em plena floresta, longe de centros urbanos. Foi construído um aeroporto, abertos mais de 2.000km de estradas, construída uma vila residencial para 40.000 trabalhadores, implantados sistemas de telecomunicações e indústrias de canteiro de obra, como serrarias, serralherias, etc. As previsões iniciais de custos apresentavam valores baixos, aproximadamente US$473, mas essas estimativas desconsideraram os custos relativos a programas ambientais (ecológicos e sociais). (MONOSOWSKI, 1998; SANCHEZ, 2006).

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As Três Gargantas O projeto da usina hidrelétrica das Três Gargantas (Three Gorges) na China é antigo. Esse projeto está relacionado ao rio Yang-tsé, um dos maiores do país. Originalmente proposto em 1919, o projeto das Três Gargantas passou por longo trajeto histórico e político, até ser aprovado em 1992. A barragem tem 181 metros de altura e foi construída durante 5 anos, até ser completada em 2003. O reservatório apresenta locais com 100 m de profundidade, e a capacidade planejada da usina é de 18,2GW. Uma vez que essa usina foi inaugurada há pouco tempo, ainda não existem dados sobre aspectos físicos, técnicos ou de engenharia, tais como erosão, falhas, sedimentação. (WANG; NIU, 2009; WU et al., 2003). O processo de aprovação desse projeto foi bastante complexo. A votação apresentou uma oposição de 1/3 dos delegados. A oposição a esse projeto ocorreu em diversos níveis – local, nacional e internacional – devido ao alto potencial de impactos ambientais graves apresentados pelo projeto. A principal crítica feita diz respeito ao impacto sobre as comunidades humanas. Esse projeto implicou o deslocamento de mais de 1 milhão de pessoas as quais perderam suas terras e as referências culturais relacionadas a essas. Além disso, também foram destacados outros impactos graves, como a modificação na dinâmica de transporte de sedimentos, que pode afetar a produção agrícola, com a redução das áreas disponíveis e a perda de fertilidade natural. A mudança na dinâmica dos sedimentos também pode afetar a costa chinesa. Também foi amplamente questionado o desaparecimento de uma importante paisagem chinesa, com a submersão de sítios milenares e o desaparecimento da indústria do turismo. Por fim, os opositores do projeto destacaram a possibilidade de utilizar outros tipos de plantas hidrelétricas ao invés de megabarragens, consideradas por eles obsoletas. Os defensores do projeto destacavam as vantagens. Entre elas estão a ampliação da oferta de eletricidade, a melhoria dos sistemas de navegação e integração nacional, o controle de enchentes.

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Para os defensores do projeto, o aumento das vendas de energia vai permitir a compensação dos custos pela construção da barragem. Eles também destacaram os benefícios que a barragem vai oferecer a 15 milhões de pessoas a jusante, as quais poderão utilizar energia elétrica e poderão contar com sistemas de controle de enchentes. Diante dos protestos, muitos bens históricos foram salvos e relocados em outras regiões. Quanto ao argumento por alternativas tecnológicas, os defensores do projeto das Três Gargantas destacaram o potencial da grande barragem, de suprir altas demandas de energia de forma barata. (WANG; NIU, 2009; WU et al., 2003). No que se refere aos custos envolvidos no projeto, diversas questões foram polêmicas. Devido à forte oposição ao projeto, instituições financiadoras internacionais buscaram não relacionar suas imagens às Três Gargantas. No entanto o governo chinês obteve os financiamentos necessários no mercado mundial. A construção da barragem excedeu as estimativas de custo oficiais. A recuperação desses investimentos vai levar longo tempo e apresenta alto risco, porque pode ser prejudicada, se novos aproveitamentos hídricos mais baratos forem estabelecidos.

O Sistema Galloway A primeira ideia para o aproveitamento dos rios e lagos do sul da Escócia surgiu em 1890, mas o sistema só se tornou viável com o estabelecimento do sistema elétrico público em 1920. Somente em 1935, foi aprovado o sistema hidrelétrico Galloway, no rio Dee, cujo objetivo era atender ao centro industrial de Glasgow com plantas capazes de atender aos picos de demanda naquele contexto. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984). Esse sistema foi desenhado para gerar eletricidade extra em momentos de alta demanda. Compreende seis usinas controladas por um sistema integrado, o qual é tecnicamente interessante, porque existem muitas diferenças entre as barragens, o que conduz ao uso de diferentes conjuntos de turbinas e geradores.

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O sistema contém três elementos: o lago Doon, o lago Clatteringshaw e quatro conjuntos de barragens, túneis e casas de força (Kendon, Carsfad, Earlstoun, Tongland). Os lagos permitem a estocagem de água para evitar as variações sazonais. O curso natural de um dos lagos foi alterado para que desaguasse no rio Dee. No entanto foi construída uma válvula a qual permite que as águas sigam para seu curso natural em períodos de pequena demanda de energia. O outro lado é completamente artificial. Os conjuntos de barragens, túneis e casas de força apresentam capacidade de resposta rápida para atender a demandas variáveis ao longo do dia. Essas estruturas são diferentes entre si e, por isso, utilizam turbinas e geradores distintos. Os principais tipos de equipamentos utilizados são as turbinas Kaplan e Francis. A principal questão ambiental destacada na instalação desse sistema está relacionada com a pesca do salmão. Muitas de suas barragens estão localizadas nos rios percorridos por salmões. As barragens impedem a passagem dos animais adultos para desova e também impedem o retorno dos juvenis; por causa disso, foram estabelecidas escadas de peixes em todas as barragens. (BOYLE; EVERETT; RAMAGE, 2003; HILL, 1984). O sistema Galloway foi construído para gerar energia apenas em períodos de alta demanda. Assim, essas usinas funcionam apenas algumas horas por dia, o que poderia sugerir que o retorno econômico é pequeno, menor do que o assegurado pelas usinas térmicas com capacidade similar. No entanto algumas circunstâncias tornaram o sistema atraente financeiramente. A companhia que opera o sistema recebeu subsídios governamentais que reduziram os custos de produção em 20%. Essa companhia conseguiu convencer o poder público local a cobrar impostos menores do que aqueles cobrados sobre o carvão. Desde o começo, a demanda e o desempenho econômico superaram as expectativas. Depois de 70 anos de funcionamento, o sistema continua produzindo a mesma quantidade de eletricidade e apresenta baixos custos de operação. Isso significa que os investimentos já foram compensados há muito tempo.

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Itaipu Em 1973, técnicos percorreram o rio de barco em busca do ponto mais indicado para a construção da Itaipu Binacional. O local foi escolhido após a realização de estudos com o apoio de uma balsa. No coração da América do Sul, brasileiros e paraguaios indicavam um trecho do rio conhecido como Itaipu, que, em tupi, quer dizer “a pedra que canta”. Naquele local, encontrava-se uma ilha, quase sempre submersa, chamada Itaipu, logo após uma curva acentuada de rio, onde a correnteza parecia medir forças com os barrancos, e a poucos quilômetros da confluência com o rio Iguaçu. Estudos indicavam para aquele ponto um rendimento energético excepcional, em virtude de um longo cânion escavado pelo rio. A construção da Itaipu Binacional – considerado um trabalho de Hércules pela revista “Popular Mechanics”, dos Estados Unidos – começou em 1974, com a chegada das primeiras máquinas ao futuro canteiro de obras. No segundo semestre de 1974, foi estruturado o acampamento pioneiro, com as primeiras edificações para escritórios, almoxarifado, refeitório, alojamento, posto de combustíveis, que existe até hoje, e as estradas de terra de acesso ao canteiro de obras. A região começou a transformar-se num “formigueiro” humano. Entre 1975 e 1978, mais de 9 mil moradias foram construídas nas duas margens para abrigar os homens que atuavam na obra. Até um hospital foi construído para atender os trabalhadores. À época, Foz do Iguaçu era uma cidade com apenas duas ruas asfaltadas e cerca de 20 mil habitantes. Em dez anos, a população passou para 101.447 habitantes. Nos canteiros de obra, a primeira tarefa foi alterar o curso do rio Paraná, removendo 55 milhões de metros cúbicos de terra e rocha para escavar um desvio de 2 km. O engenheiro Gomurka Sarkaria é o responsável pelo modelo da barragem, do tipo gravidade aliviada, formando aberturas que lembram a estrutura de uma catedral. A Itaipu Binacional passou a ser uma realidade irreversível. A escavação do desvio do rio Paraná terminou dentro do prazo. Em 20 de outubro de 1978, 58 toneladas de dinamite explodiram as duas ensecadeiras que protegiam a construção do novo curso. O desvio tem 2 km de extensão, 150 metros de largura e 90 de profundidade. No mesmo dia, foi assinado um contrato de US$ 800 milhões que garantiu a compra de turbinas e dos turbogeradores. O novo canal permitiu que o trecho do leito original do rio fosse secado, para ali ser construída a barragem principal, em concreto.

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A Itaipu Binacional foi a única grande obra nacional a atravessar a fase mais aguda da crise econômica brasileira do final dos anos 1970, mantendo o status de prioridade absoluta. No domínio da construção civil, escavações e obras civis, a Itaipu atingiu um índice de nacionalização, considerado o parceiro brasileiro, de praticamente 100%. Na área de fabricação e montagem dos equipamentos, o índice de nacionalização nunca foi inferior a 85%. Assim, começou uma nova e fervilhante etapa da construção de Itaipu Binacional: a concretagem da barragem. Em um único dia, 14 de novembro de 1978, foram lançados na obra 7.207 metros cúbicos de concreto, um recorde sul-americano, o equivalente a um prédio de dez andares a cada hora ou 24 edifícios no mesmo dia. A façanha só foi alcançada devido ao uso de sete cabos aéreos para o lançamento de concreto. O total de concreto despejado na barragem, 12,3 milhões de metros cúbicos, seria suficiente para concretar quatro rodovias do porte da Transamazônica. A economia do Paraguai voava em céu de brigadeiro: o PIB, que havia aumentado 5% em 1975, cresceu 10,8% em 1978. A obra ganhou contornos de uma operação bélica. Em 1980, o transporte de materiais para a Itaipu Binacional mobilizou 20.113 caminhões e 6.648 vagões ferroviários. Já a demanda por mão de obra provocou filas imensas nos centros de triagem dos consórcios. Entre 1978 e 1981, até 5 mil pessoas eram contratadas por mês. Ao longo da obra, em função do extenso período de construção e da rotatividade da mão de obra, somente o consórcio Unicon cadastrou cerca de 100 mil trabalhadores. No pico da construção da barragem, Itaipu mobilizou diretamente cerca de 40 mil trabalhadores no canteiro de obras e nos escritórios de apoio no Brasil e no Paraguai. Com a concretagem quase pronta, a fase seguinte foi a montagem das unidades geradoras. O transporte de peças inteiras dos fabricantes até a usina tornou-se um desafio. A primeira roda da turbina, com 300 toneladas, saiu de São Paulo em 4 de dezembro de 1981 e chegou ao canteiro de obras somente em 3 de março de 1982. Como a rede viária e algumas pontes existentes em diversas alternativas de trajeto não tinham condições de suportar o peso, a carreta que levava a peça teve de percorrer o caminho mais longo, com 1.350 km. O transporte das rodas de turbina ganharia agilidade posteriormente. O recorde foi de 26 dias de viagem entre a fábrica e a usina. As obras da barragem chegaram ao fim em outubro de 1982, mas os trabalhos na Itaipu não pararam. O fechamento das comportas do canal de desvio para a formação do reservatório da usina deu início à operação

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Mymba Kuera (que em tupiguarani quer dizer “pega-bicho”). A operação salvou a vida de 36.450 animais que viviam na área a ser inundada pelo lago. Devido às chuvas fortes e enchentes da época, as correntezas do rio Paraná levaram 14 dias para encher o reservatório. A lâmina de água somou 135 mil hectares, ou quatro vezes o tamanho da Baía da Guanabara. A 5 de novembro de 1982, com o reservatório já formado, os presidentes do Brasil, João Figueiredo, e do Paraguai, Alfredo Stroessner, acionaram o mecanismo que levantava automaticamente as 14 comportas do vertedouro, liberando a água represada do rio Paraná e, assim, inaugurou-se oficialmente a maior hidrelétrica do mundo, após mais de 50 mil horas de trabalho. Texto extraído de Itaipu Binacional. Disponível em: <http://www.itaipu.gov. br/nossa-historia>. Acesso em: 14 de jun. de 2011.

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3.9 Políticas públicas e regulamentações Os empreendimentos hidrelétricos, especialmente as plantas com barragens, promovem fortes alterações no ambiente natural das áreas onde são implantados. Diante da necessidade de controlar as interferências ambientais, os governos de diferentes países estabeleceram legislações visando à regulamentação, instalação e operação de empreendimentos hidrelétricos. O primeiro país a estabelecer uma política visando ao controle de qualidade ambiental foram os Estados Unidos. Em 1969, foi estabelecida a política ambiental nacional nesse país (NEPA – National Environmental Policy Act). Em 1973, foi a vez do Canadá e da Nova Zelândia estabelecerem suas políticas ambientais; no ano seguinte, Austrália e Colômbia estabeleceram suas leis. Em 1975, as diretrizes da NEPA foram adotadas pela Organização das Nações Unidas (ONU), pelo Banco Interamericano de Desenvolvimento (BID) e pelo Banco Mundial. Diversos países adotaram diretrizes semelhantes nas décadas seguintes: 1976 – França; 1978 – Filipinas; 1979 – China; 1981 – Brasil; 1982 – México; 1985 – União Europeia e União Soviética; 1986 – Espanha e Indonésia; 1987 – Malásia e Holanda; 1991 – África do Sul; 1992 – Tunísia, República Tcheca e Bolívia; 1993 – Hungria; 1994 – Chile e Uruguai; 1995 – Bangladesh; 1997 – Hong Kong; 1999 – Equador e Japão. (SÁNCHEZ, 2006).

Estudos ambientais A maior parte das leis estabeleceu a necessidade de realizar estudos ambientais antes da instalação de empreendimentos hidrelétricos. Esses estudos devem ser multidisciplinares, sistêmicos e participativos. Existem diversos tipos de estudos ambientais, como Planos e Relatórios de Controle Ambiental (PCA/ RCA) e Plano de Recuperação de Áreas Degradadas (PRAD). Mas o principal tipo de estudo é o Estudo e Relatório de Impacto Ambiental (EIA/ RIMA).

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O Estudo e Relatório de Impacto Ambiental (EIA/ RIMA) e seu respectivo relatório são desenvolvidos em diversas etapas. A primeira etapa corresponde à definição dos problemas a serem investigados. Para tanto, o pré-projeto da planta hidrelétrica é estudado, visando à avaliação de alternativas tecnológicas e de localização mais adequadas para determinada situação. Nessa etapa, também é delimitada a área de influência direta e indireta a partir de critérios ecológicos e socioeconômicos. Por fim, são definidas as metodologias a serem empregadas para o desenvolvimento dos estudos. Na segunda etapa, é realizado o diagnóstico ambiental que busca analisar as condições atuais do ambiente físico, biótico e antrópico a partir das metodologias pré-estabelecidas na fase inicial. Na terceira etapa, os dados obtidos no diagnóstico ambiental são utilizados para realizar um prognóstico sobre as interferências ambientais decorrentes da implantação da planta hidrelétrica nas condições propostas. Nessa fase, são identificados e analisados os impactos ambientais decorrentes das ações necessárias para efetivação do projeto. Ainda nessa fase, são propostas alternativas para prevenção, controle, mitigação e reparação dos impactos ambientais decorrentes do empreendimento hidrelétrico avaliado. (SÁNCHEZ, 2006). Depois dessas fases, é redigido e analisado o Relatório de Impacto Ambiental e têm início as audiências públicas. Após concluir todas as etapas, o empreendimento recebe licenças ambientais. Durante toda a vida útil dos empreendimentos hidrelétricos, deve ocorrer o monitoramento e auditorias ambientais visando à garantia dos objetivos de sustentabilidade que devem nortear a geração de eletricidade a partir da energia hídrica. Todo esse processo é denominado Avaliação de Impactos Ambientais (AIA). No Brasil, as primeiras AIAs foram relacionadas com os empreedimentos hidrelétricos de Itaipu e Tucuruí, no final da década de 1970, por exigências dos órgãos fiscalizadores. Nesse país, a utilização dos recursos hídricos começou a ser normatizado a partir de 1934, com a criação do Código de Águas. Em 1981, foi estabelecida a Política Nacional do Meio Ambiente, que obrigou a realização de AIA para empreendimentos hidrelétri-

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cos a serem instalados. Na década de 1990, foi criada a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEE). O objetivo central do estabelecimento de legislações relacionadas ao uso dos recursos hídricos diz respeito, principalmente, ao controle da qualidade ambiental. As plantas hidrelétricas que utilizam barragens para represamento de água e geração de eletricidade são amplamente utilizadas em diversos países, e seus impactos já são conhecidos há, pelo menos, 40 anos. Por isso, a avaliação de impactos ambientais desse tipo de empreendimento apresenta diversos estudos, e a previsão da magnitude e da significância dos impactos positivos e negativos é consideravelmente segura.

Sustentabilidade energética As discussões internacionais visando à sustentabilidade energética enfatizam a redução do uso de combustíveis fósseis como estratégia para reduzir o ritmo das mudanças climáticas. Os aproveitamentos hidrelétricos aparecem nesse contexto como estratégia imediata para substituição de combustíveis fósseis na geração de eletricidade. A hidreletricidade pode ter importante papel diante das crescentes demandas de energia e água e de tecnologias limpas, renováveis e sustentáveis.

Organizações internacionais não governamentais como a Agência Internacional de Energia, a Associação Internacional de Hidroenergia (IHA) e a Associação Internacional para Pesquisa Hidráulica promovem encontros e fóruns em diversos países, com o objetivo de discutir e de estimular políticas públicas para fomentar e regular o setor hidrelétrico. Essas iniciativas foram incentivadas, a partir da década de 1990, com o apoio da UNESCO, para disseminar boas práticas e conhecimentos sobre hidreletricidade, objetivando promover melhoramento contínuo e construir consenso entre os grupos interessados. (IHA, 2010a, 2010b; IHA, 2004; ONU, 2008).

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As discussões relacionadas à produção de hidreletricidade destacam alguns princípios em comum que devem nortear a elaboração de políticas públicas e regulamentações internacionais. Dois princípios básicos são aceitos internacionalmente: ecoeficiência e adoção da precaução na gestão ambiental. (IHA, 2004). O conceito de ecoeficiência implica a criação de mais valor com menos impacto ambiental. A ecoeficiência é baseada em três objetivos: 1. reduzir o consumo de recursos naturais; 2. diminuir o impacto sobre o ambiente natural; 3. aumentar o valor do serviço, neste caso a hidreletricidade. Já o princípio de precaução implica a avaliação de opções de geração de energia mediante a análise do ciclo de vida de tecnologias alternativas. Para aplicar esse conceito, é necessário analisar alguns pontos: • importância da avaliação para evitar danos sérios ou irreversíveis ao meio ambiente; • consideração da relevância de eletricidade e de fontes confiáveis de água para reduzir a pobreza e melhorar a qualidade de vida; • avaliação dos riscos associados a diferentes opções de geração de eletricidade. As organizações internacionais destacam a aplicação de uma abordagem de precaução na elaboração de políticas nacionais e/ou regionais. Os responsáveis pela tomada de decisão devem considerar questões internacionais, tais como as mudanças climáticas, as chuvas ácidas e a redução de biodiversidade, ao estabelecer políticas nacionais e/ou regionais para energia. (IHA, 2004). Essas recomendações gerais embasam outra iniciativa visando a sustentabilidade da hidreletricidade: o Projeto de Pesquisa UNESCO/IHA/GHG. Esse projeto busca definir a possível contribuição e o papel na adaptação do setor elétrico às mudanças climáticas e na mitigação dos impactos ambientais. Associado a esse projeto está o Fórum de Avalia-

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ção da Sustentabilidade da Hidreletricidade – HSAF, o qual constitui uma instância de colaboração entre diferentes setores que visam o desenvolvimento de uma ferramenta confiável para medir e garantir a performance do setor da hidreletricidade. As organizações envolvidas nessas iniciativas realizaram esforços para sistematizar os resultados de pesquisas e discussões em documentos acessíveis a todos os grupos interessados no desenvolvimento do setor hidrelétrico. Um desses documentos é o Protocolo de Avaliação de Sustentabilidade da Hidroeletricidade, que reflete a visão compartilhada sobre os avanços em sustentabilidade neste setor. O processo de adoção do protocolo teve início em 2006 e foi revisado em 2010. (IHA, 2010a). Esse protocolo é um conjunto de orientações para avaliação de projetos de hidreletricidade, desde o planejamento, instalação, até a operação das plantas. O seu objetivo é sistematizar itens de sustentabilidade reconhecidamente relevantes, no que se refere à exploração da energia hídrica. Apresenta quatro ferramentas isoladas, as quais devem ser aplicadas a estágios específicos do ciclo de vida de um empreendimento hidrelétrico, as quais são denominadas: Estágio Inicial, Preparação, Implementação e Operação. Elas são ferramentas isoladas, porque o uso de uma delas não implica a utilização prévia das outras. Seu objetivo é auxiliar a tomada de decisão em qualquer estágio do projeto, e sua eficiência aumenta, quando todas as ferramentas são utilizadas para garantir melhoramento contínuo. Apesar do potencial da hidreletricidade para atingir os objetivos propostos pelos acordos internacionais, as plantas mais difundidas, que apresentam barragens, enfrentam algumas barreiras devido à possibilidade de causar impactos ambientais graves. A existência de desestímulos à construção de reservatórios para geração de hidreletricidade pode levar à perda de oportunidades para reduzir as emissões de gases do efeito estufa. (BRASIL, 2007; IHA, 2010a, 2010b; IHA, 2004; ONU, 2008). Diversos países apresentam leis que afetam os aproveitamentos hidrelétricos. A maior parte dessas leis destaca a necessidade de estudos ambientais prévios à implantação das usinas e monitoramentos constantes das condições ambientais das áreas afetadas

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pelo empreendimento. Para aplicar essa legislação, são utilizados processos de licenciamento ambiental. No licenciamento, a cada etapa do ciclo de vida de uma planta hidrelétrica (planejamento, instalação, operação, desativação), são exigidos relatórios e realizadas visitas de fiscalização para a obtenção da licença adequada, a qual garanta a regularidade legal do empreendimento. Uma estratégia para estimular o desenvolvimento do setor e adequar as hidrelétricas às exigências de acordos internacionais e legislações locais é sua utilização como mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL). As organizações internacionais que discutem políticas públicas e regulamentações voltadas para a produção de hidreletricidade também trabalham para esclarecer e divulgar as possibilidades de se utilizarem os aproveitamentos hídricos como MDL. Esses mecanismos são a principal estratégia de crédito e investimentos ambientais atualmente existentes. Por meio dessa estratégia, é possível mobilizar, também, o setor privado de capital, no entanto, devido ao tratado de Copenhage, assinado em 2009, o futuro dos projetos de MDL é incerto. Por isso, a discussão sobre aspectos normativos do setor hidrelétrico é relevante para os governos de diferentes países. (IHA, 2010b; ONU, 1997). Para estimular a produção de hidreletricidade como MDL, a IHA produziu um documento que explica como funcionam esses projetos e detalha o papel atual dos projetos de hidreletricidade. As mensagens desse documento são estas: • os projetos de MDL são os principais mecanismos internacionais existentes atualmente que podem mobilizar capitais do setor privado; • a produção de hidreletricidade pode permitir que os países desenvolvidos reduzam ou mitiguem a produção de GEE; • hidreletricidade é a principal alternativa no que se refere à energia renovável, por isso é necessário o desenvolvimento de ferramentas para avaliação e monitoramento da performance das plantas hídricas, visando à promoção de confiança entre as partes interessadas.

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Existem desestímulos aos projetos de barragens de acordo com as normas atuais para projetos de MDL, o que reduz as possibilidades de implantação, por isso é necessário repensar as regulamentações para esses tipos de projetos. As recomendações políticas também destacam o melhoramento contínuo dos níveis de sustentabilidade dos projetos de hidreletricidade. Muitos dos projetos de MDL impuseram a si próprios, voluntariamente, aspectos de avaliação de sustentabilidade internacionalmente aceitos, como o Protocolo de Avaliação de Sustentabilidade já citado. Ainda no que se refere à sustentabilidade da geração de hidreletricidade, uma iniciativa que pode gerar contribuições importantes para o setor é a abordagem de Manejo Integrado de Recursos Hídricos desenvolvida pela Organização das Nações Unidas (ONU). Essa abordagem de integração dos usos dos recursos hídricos entre diferentes demandas é cada vez mais aceita internacionalmente. (ONU, 2008). Os recursos hídricos sofrem pressões diferentes de cada setor da sociedade. A água pode ser utilizada para irrigação na agricultura, para abastecimento doméstico e industrial, para garantir a conservação dos ecossistemas naturais e, ainda, para a geração de eletricidade. Integrar diferentes usos da água em uma mesma planta aumenta os benefícios provenientes de sua implantação, consequentemente, reduz a importância de alguns impactos ambientais. A integração de múltiplos usos da água parece ser o caminho para a gestão sustentável, justa e eficiente dos recursos hídricos finitos disponíveis no planeta. Em 2002, a Convenção das Nações Unidas sobre o Desenvolvimento Sustentável definiu que um dos objetivos do milênio para todos os países deveria ser desenvolver manejo integrado e a eficiência no uso dos recursos hídricos, com apoio de todos os níveis aos países em desenvolvimento. Esse objetivo foi descrito no Plano de Implementação de Joanesburgo (JPoI). A sustentabilidade no setor hidrelétrico deve estar baseada na integração de necessidades que competem entre si. Assim, é de suma importância que o contexto das políticas nacionais e/ou regionais leve em conta questões intersetoriais, por exemplo, a gestão integrada de recursos hídricos. (IHA, 2004).

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Em 2008, um relatório contendo informações derivadas de questionários aplicados por diferentes agências em diferentes países do mundo visou uniformizar dados sobre a integração. A uniformização de informações relativas à gestão das águas nos diferentes países do mundo é uma tarefa difícil, porque existem diferentes terminologias. No entanto essa uniformização é necessária, para que se possa ter uma ampla visão dos usos dos recursos hídricos. Foram analisados 104 países, dos quais 77 consistiam em países em desenvolvimento e 27 eram desenvolvidos (membros da União Europeia e da Organização Mundial do Comércio). Os 27 países em desenvolvimento apresentaram iniciativas para integração de usos da água. Como recomendações para esses países, estão a necessidade de divulgação das iniciativas e o favorecimento de discussões sobre gênero. (ONU, 2008). Já nos países em desenvolvimento, existem ainda muitas ações para que sejam alcançados resultados significativos em nível nacional, da integração dos diferentes usos dos recursos hídricos. Apenas 21% dos países em desenvolvimento têm planos em execução ou finalizados para a integração. Os países do continente americano foram os que implementaram maior quantidade de projetos. Em seguida, estão os países africanos, os quais se destacaram por implantar processos participativos com distintos colaboradores e também pela implantação de subsídios e microcrédito. Por último, estão os países asiáticos que avançaram mais em reformas institucionais, mas que apresentam deficiências no que se refere à coordenação institucional. Para alcançar os objetivos propostos pela ONU, de integração e eficiência energética, além de pesquisas e discussões multilaterais, deve-se destacar a necessidade de se estabelecerem políticas públicas. Bons governos nacionais e boa integração internacional são pré-requisitos indispensáveis ao desenvolvimento sustentável. No espaço nacional, o estabelecimento de políticas ambientais, sociais e econômicas que levem em consideração as instituições democráticas, as necessidades do povo, as leis do país, a oposição à corrupção, igualdade de gênero e o favorecimentos aos investimentos são a base para o desenvolvimento sustentável. (IHA, 2004).

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A definição das concessões sociais, ambientais e econômicas necessárias ao estabelecimento de planos nacionais e regionais de desenvolvimento é de responsabilidade dos governos. As organizações internacionais encorajam os países a implementarem políticas energéticas nacionais e/ou regionais. Nessa implementação, devem ser estabelecidas estratégias de desenvolvimento energético as quais permitam a participação de todos ao invés de estratégias guiadas por decisões arbitrárias. Políticas energéticas nacionais e/ou regionais devem incluir um processo de Estudo Estratégico o qual pode ser desenvolvido em processos de Avaliação Ambiental Estratégica – AAE (Strategic Environmental Assessment – SEA). A AAE é utilizada para avaliar políticas, planos e programas governamentais, como o estabelecimento de políticas públicas relacionadas ao setor energético. A AAE é: Um processo sistemático para avaliar as consequências ambientais de políticas, planos e programas de forma a assegurar que elas sejam integralmente incluídas e apropriadamente consideradas num estágio inicial e apropriado do processo de tomada de decisão, juntamente com as considerações de ordem econômica e social. (EGLER, 2001, p. 177).

Espera-se que esse tipo de avaliação seja capaz de incluir a análise de impactos cumulativos, as normas de uso da terra, as necessidades ambientais, as estratégias para redução da pobreza e para o crescimento econômico, além de incorporar, no planejamento energético, os elementos da sustentabilidade (econômico, social e ecológico). Um processo de AAE pode ser uma estratégia para compatibilizar o desenvolvimento sustentável, as tendências mundiais, a gestão e a conservação dos recursos naturais. Para tanto, o processo deve ser conduzido de forma interdisciplinar e participativa, e com prazos curtos e definidos para sua conclusão. Através da AAE, é possível reduzir as incertezas para os empreendedores, por meio do estabelecimento de prioridades para a política energética. (EGLER, 2001; IHA, 2004; PARTIDÁRIO E CLARK, 2000).

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A AAE também pode guiar as políticas energéticas no sentido de estimular os investimentos em hidreletricidade em áreas ou regiões prioritárias, pela definição de trechos de rios aptos a aproveitamentos; e indicar trechos onde a exploração de recursos hídricos deve ser impedida. Por fim, trata-se da gestão conjunta e harmoniosa de bacias hidrográficas fronteiriças por meio da tomada de decisão colaborativa e de políticas de gestão de recursos hídricos comuns. Exemplos dessa situação podem ser encontrados na Comissão do Rio Mekong e na direção da usina de Itaipu Binacional. A ampliação da oferta de hidreletricidade depende das políticas energéticas adotadas de cada país. De acordo com essas políticas, é possível estimular a produção de eletricidade a partir da energia hídrica, estimular os investimentos e criar programas de financiamento com fundos internacionais e possibilitar a conservação de ecossistemas equilibrados. As regulamentações ambientais podem oferecer riscos aos investimentos em hidreletricidade. Se os investimentos no controle da qualidade ambiental para atender às exigências legais superarem os lucros com a produção de hidreletricidade, os aproveitamentos hídricos ficam inviáveis economicamente. A localização dos empreendimentos hidrelétricos em ambientes menos sensíveis e raros pode evitar que os investimentos em controle de qualidade ambiental superem os lucros. Quanto à hidreletricidade escolhida como opção para matriz energética de um país, ainda é necessário estabelecer qual(is) forma(s) de geração será(ão) estimulada(s). Para definir esse tema, é preciso comparar alternativas de projetos hidrelétricos e, para que seja possível essa comparação, devem ser estabelecidos critérios os quais permitam eliminar projetos insustentáveis no início da fase de planejamento. Dentre os critérios possíveis, pode-se destacar (IHA, 2004): • Priorizar a melhoria de instalações existentes – a reforma e a modificação de estruturas e das formas de operação de usinas podem aumentar a geração de energia. • Priorizar as alternativas de usos múltiplos – é possível integrar diversos usos em projetos hidrelétricos: irrigação, fornecimento de água, pesca, controle de

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• •

enchentes, transporte aquaviário, turismo e recreação. Os benefícios dos múltiplos usos devem ser contabilizados na comparação entre projetos. Priorizar as alternativas em bacias hidrográficas já utilizadas – em muitas situações, o potencial de rios é subexplorado. Apesar da possibilidade de impactos cumulativos, pode ser preferível desenvolver novos projetos hidrelétricos em áreas já reguladas. Priorizar projetos que reduzam a área inundada por unidade de energia produzida (km2/GWh) – em geral, quanto maior a área inundada, maior a importância dos impactos ambientais. Deve-se levar em consideração que é mais eficaz evitar impactos do que mitigá-los. Priorizar as alternativas que não ameacem grupos sociais vulneráveis – sempre que grupos sociais vulneráveis são afetados, programas de apoio são exigidos. Tais programas são, geralmente, abrangentes e temporalmente longos, o que implica altos custos e incertezas quanto a sua eficiência. Priorizar projetos que não causem riscos à saúde pública – empreendimentos hidrelétricos podem oferecer benefícios significativos de saúde pública quando estabelecidos em áreas economicamente pouco desenvolvidas. Mas tais empreendimentos também podem representar riscos de doenças transmissíveis pela água e aumento temporário de níveis de elementos tóxicos em peixes. Priorizar as alternativas que reduzam o deslocamento de populações – quanto maior o tamanho dos reservatórios, maior a quantidade de pessoas a serem deslocadas, geralmente. Existem muitas dificuldades econômicas e sociais em processos de deslocamento que devem ser evitadas. Priorizar projetos que preservem locais de patrimônio natural e cultural relevantes. Priorizar as alternativas que protejam habitats de alta qualidade – impactos sobre espécies raras, vulneráveis ou ameaçadas devem ser evitados devido à grande dificuldade de se estabelecerem relações causais nos diferentes componentes dos ecossistemas, bem como seus efeitos sobre as sociedades.

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• Priorizar projetos que favoreçam as populações a jusante e a montante – regimes de vazões ecológicas devem ser desenvolvidos conforme objetivos apontados pela comunidade e apoiados pelas pesquisas científicas. • Priorizar as alternativas que evitem erosão e sedimentação – a localização das plantas hidrelétricas, estratégias de gestão de bacia hidrográfica e de gestão ambiental devem ser avaliadas para reduzir a erosão e o transporte de sedimentos. O Brasil atende a 80% de sua demanda energética a partir da geração de hidreletricidade. Em 1997, a lei 9.478/97 estabeleceu o Conselho Nacional de Política Energética (CNPE), que tem como atribuições a revisão periódica da matriz energética nacional. Em consonância com as discussões e recomendações internacionais, esse conselho revisou a política energética do país em 2007. (BRASIL, 2007). A matriz energética brasileira é de responsabilidade do Ministério de Minas e Energia. O objetivo da revisão é simular diferentes cenários de mercado e avaliar seus efeitos, tais como gargalos de infraestrutura, vulnerabilidades sistêmicas, riscos ambientais, oportunidades, necessidade de políticas públicas. Para tanto, foram estabelecidos oito Comitês Técnicos (CTs) e a Empresa de Pesquisa Energética (EPE) com a atribuição de desenvolver estudos e análises sobre o setor energético. Essas análises buscam definir indicadores derivados dos resultados projetados para possibilitar uma comparação intertemporal entre países e para avaliar as diferentes fontes energéticas disponíveis para o país. A projeção de cenários futuros deve ser uma atividade regular dos órgãos de planejamento energético. A partir dos cenários construídos na Matriz Energética Nacional, foram propostas políticas públicas governamentais para o setor energético e recomendações que estão baseadas na evolução da economia, do consumo de energia, da avaliação dos usos da energia, de modo a identificar as alternativas mais vantajosas que devem ser estimuladas. Nessas propostas, um importante aspecto considerado foi a segurança de suprimento para evitar gargalos e propor medidas para o uso amplo de instalações energéticas dentro de

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seu ciclo de vida útil. Essa segurança está ligada à capacidade de fornecer eletricidade e garantir seu transporte. (BRASIL, 2007). No Brasil, a matriz energética sempre se distinguiu internacionalmente pela alta participação de fontes renováveis de energia, especialmente no que diz respeito aos aproveitamentos hidrelétricos. Essa matriz se propõe a ser isenta de poluição ambiental e coerente com as tendências mundiais de preocupação com o aquecimento global. Por isso, também foi estimulado o desenvolvimento de tecnologias locais para os aproveitamentos ecologicamente adequados, bem como a infraestrutura industrial necessária para atender a esse setor. No caso brasileiro, a exploração da energia hidrelétrica ainda é a mais favorável para a produção de energia devido ao potencial existente, a atratividade econômica. No entanto demanda que seus impactos ambientais locais sejam bem quantificados para que seus custos (passivos ambientais) sejam incorporados aos custos da energia. Com a demanda ainda crescente por energia elétrica, é necessário estabelecer as recomendações básicas para nortear a expansão da oferta. As principais recomendações para as políticas energéticas brasileiras são: buscar a integração entre a energia hídrica e as outras fontes, como a eólica, a solar, a de biomassa; buscar plantas com alto fator de capacidade e possibilidade de transporte (considerando a diversidade hidrológica brasileira) para garantir o abastecimento; e, desenvolver a tecnologia de projeto, construção e fabricação de componentes do sistema de produção e distribuição de eletricidade nacionalmente. Segundo o documento do Ministério de Minas e Energia brasileiro, denominado Matriz Energética Nacional 2030 (BRASIL, 2007, p. 209), as principais recomendações para o setor elétrico brasileiro são: • garantir a segurança de abastecimento, com modicidade tarifária, promovendo a livre concorrência, atraindo investimentos e garantindo a qualidade do abastecimento;

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• buscar manter a grande participação de energia renovável na Matriz, mantendo a posição de destaque que o Brasil sempre ocupou no cenário internacional; • fomentar a eficiência energética na produção de energia no país; • incrementar, em bases econômicas, sociais e ambientais, a participação dos biocombustíveis na matriz energética nacional; • promover o desenvolvimento, ampliar o mercado de trabalho e valorizar os recursos energéticos, além de preservar o interesse nacional; • procurar utilizar, sempre, tecnologia nacional no desenvolvimento das fontes competitivas; • traçar trajetória de desenvolvimento das fontes que leve em conta sua disponibilidade e sua potencialidade até 2030, de modo a melhor aproveitá-las; • procurar sempre otimizar o transporte de energia entre a área em que ela é produzida até a chegada ao consumidor final, inclusive reduzindo ao mínimo as perdas envolvidas no processo. No que se refere à energia hidrelétrica, as recomendações destacam a importância e a prioridade imediata das grandes plantas na Amazônia. Também destacam que as usinas de médio porte necessitam de uma carteira de projetos (projetos com estudos de viabilidade concluídos e licenças prévias expedidas), a qual será obtida a longo prazo. No que se refere a pequenas centrais, ainda é necessário ampliar o conhecimento do potencial para estabelecer seus limites e a viabilidade ambiental e de custos. Por fim, o transporte de energia precisa da interligação completa do Sistema Interligado Nacional. As recomendações desse documento destacam ainda a importância da integração de várias áreas do governo, para que o planejamento considere outros usos da água. Usinas geradoras de energia elétrica empregando fontes renováveis de energia, como, por exemplo, energia hidráulica em PCHs - pequenas centrais hidrelétricas, energia eólica, energia solar e biomassa, e plantas de cogeração têm recebido incentivos financeiros em diversos países pela razão de que elas representam fontes locais de energia,

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que diminuem a dependência de fontes estrangeiras e propiciam benefícios ambientais. (BRASIL, 2007, p. 210).

A capacidade total de produção de eletricidade corresponde a mais de 16.000 TWh. Desse montante, a hidreletricidade é responsável por 2.700 TWh, aproximadamente 16% da produção mundial. Em média, 14 GW de produção de hidreletricidade são construídas todos os anos. Na década de 1990, a produção hidrelétrica cresceu apenas 2,7% e começou a decrescer desde então. O potencial técnico estimado para produção hidrelétrica é de aproximadamente 14.000TWh por ano. Esse decréscimo está relacionado com os altos custos iniciais da implantação das usinas hidrelétricas. Também está relacionado com a localização dos maiores potenciais hídricos do planeta, nas regiões com os ecossistemas mais conservados. Dessa forma, o desafio das políticas públicas nacionais e internacionais é encontrar caminhos para equalizar a demanda energética crescente e a conservação ambiental, para que seja possível continuar a expandir os aproveitamentos hidrelétricos em todas as regiões do mundo. (IHA, 2004).

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Considerações finais Os investimentos em hidreletricidade são capazes de movimentar diferentes aspectos da economia e do bem-estar das comunidades em diferentes países. Investimentos neste setor podem promover sustentabilidade, acesso à energia e água, redução no ritmo das mudanças climáticas e estimulação de mercados e investimentos. As estratégias de aproveitamento da energia hídrica para produção de eletricidade podem, no entanto, produzir impactos ambientais negativos. Uma vez que tais impactos podem comprometer a qualidade ambiental local, regional e internacional, é necessário garantir o controle e o monitoramento desses, de modo que a hidreletricidade alcance os objetivos de sustentabilidade propostos.

Desenvolvimento hidrelétrico O desenvolvimento hidrelétrico, quando cuidadosamente planejado, pode ser capaz de prover eletricidade com confiabilidade e estabilidade, contribuindo para a redução da emissão de gases de efeito estufa e reduzindo a pressão sobre outras fontes energéticas.

Além da preocupação com a manutenção e o melhoramento da qualidade ambiental relacionada aos aproveitamentos hidrelétricos, duas outras questões vêm recebendo cada vez mais destaque: a integração dessa fonte energética a outras fontes renováveis e a disseminação de múltiplos usos dos reservatórios hídricos. A integração energética das fontes hídricas, eólicas e/ou solares permite contornar diversos aspectos de viabilidade. Um desses aspectos é a inconstância e as incertezas que permeiam a geração de eletricidade a partir do Sol ou dos ventos; outro aspecto é a possibilidade de autonomia de plantas hidrelétricas com tamanhos diferenciados, sendo que a produção de eletricidade em momentos de seca pode ser compensada pela produção a partir de outras fontes.

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É difícil para os gestores públicos e privados tomar decisões sobre a alocação da água entre os diferentes objetivos apresentados pela sociedade. As demandas por abastecimento, eletricidade, lazer e conservação ambiental são crescentes. Além disso, questões como demografia e mudanças climáticas aumentam a pressão sobre os recursos hídricos. Abordagens tradicionais em que os diferentes objetivos são fragmentados e atendidos por diversos setores da economia não conseguem mais dar conta da complexidade da situação. Dessa forma, novas abordagens holísticas e sistêmicas são fundamentais para atender às demandas crescentes pela água. Os usos múltiplos dos reservatórios de hidrelétricas podem atender a objetivos como disponibilidade, confiabilidade e qualidade de fontes de água potável, o que pode contribuir para alcançar um objetivo fundamental da sustentabilidade – a redução da pobreza. (ONU, 2008). Segundo a IHA (2004), o desenvolvimento do setor hidrelétrico depende do desenvolvimento de alguns fatores. Entre eles, os principais são: sustentabilidade, políticas de uso da água, políticas energéticas, mudanças climáticas e desenvolvimento de mercados e investimentos. A harmonização desses pode levar à difusão da energia hídrica como fonte energética para o futuro.

Figura 2.22 – Aspectos-chave para o desenvolvimento da hidreletricidade Fonte: Elaboração do autor (2011).

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Décadas de produção de hidreletricidade a partir de reservatórios demonstram o potencial das fontes hídricas. Quando se pensa que ela é apenas uma das estratégias possíveis para o aproveitamento desse potencial, pode-se imaginar que o aproveitamento da energia dos oceanos, seja de marés ou de ondas, associada às estratégias já existentes para aproveitamento em rios, possa levar à substituição de boa parte da energia gerada pela utilização de combustíveis fósseis. Se ainda for considerada a contribuição das outras fontes renováveis, como solar e eólica, existe boa chance de conseguir expandir a oferta de eletricidade associada à conservação dos ambientes naturais e ao melhoramento da qualidade de vida das comunidades em todo o planeta. No entanto a previsão do desenvolvimento futuro do setor de hidreletricidade é difícil. A definição do futuro do setor depende de diversos fatores como decisões e políticas públicas e econômicas. Diversos argumentos podem ser utilizados para estimular o crescimento da produção de hidreletricidade, principalmente baseadas nas suas características de longo ciclo de vida, baixo custo, eficiência e fontes renováveis. Por outro lado, diversos argumentos podem ser utilizados para destacar os impactos negativos das plantas hidrelétricas no ambiente natural e nas comunidades atingidas. De qualquer forma, as plantas existentes continuam produzindo eletricidade e diversas outras usinas estão sendo ou serão estabelecidas em diferentes regiões do planeta. Mais do que uma fonte renovável, a forma como esses aproveitamentos serão conduzidos, no que se refere a aspectos econômicos, sociais e ecológicos, é que definirá sua contribuição para a sustentabilidade.

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4 Energia Solar

energia solar

4.1 Introdução Grande parte da economia moderna está centrada no consumo de energia e, com base nisso, é possível definir o nível de desenvolvimento tecnológico de um país ou região. Os países industrializados consomem grandes quantidades de energia para manter suas economias. A disponibilidade de energia também tem forte relação com a qualidade de vida das pessoas, tanto que os principais benefícios recebidos com o desenvolvimento tecnológico dos últimos dois séculos foram a provisão de energia e de água potável para casas e indústrias. No entanto leis termodinâmicas, há muito conhecidas, apontam para uma relação entre consumo de energia e aumento de desordem em sistemas. De forma simplificada, isso quer dizer que, ao consumir energia, também são gerados problemas ambientais. A quantidade e importância dos problemas ambientais causados pela geração e pela utilização de energia nos sistemas econômicos variam conforme a fonte energética escolhida. A partir do desenvolvimento das indústrias modernas, os combustíveis fósseis passaram a ser utilizados como principais fontes energéticas. No século XX, crises econômicas relacionadas à utilização desses tipos de combustíveis estimularam o desenvolvimento de pesquisas que envolviam a exploração de fontes renováveis de energia.

Energias renováveis Energias não renováveis são aquelas cujo aproveitamento é finito, ou que não se repõem na mesma velocidade de sua utilização. São assim o petróleo, o gás, os combustíveis nucleares, o carvão mineral, entre outros. A fonte de energia renovável é, então, entendida, quando sua reposição é mais rápida que o ritmo de sua utilização pelo homem. Nesse grupo, estão a energia hidráulica, a eólica, a solar, a biomassa, entre outras.

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Diante da experiência com fontes energéticas finitas ou não renováveis, as pesquisas científicas passaram a buscar formas de energia renováveis que apresentassem maiores chances de sustentabilidade.

Sustentabilidade A expressão “sustentável” ou “sustentabilidade” passou a ser utilizada com maior frequência a partir da Conferência das Nações Unidas no Rio de Janeiro – ECO92. O conceito de sustentabilidade estaria apoiado no tripé: sustentabilidade econômica (possibilidade de desenvolvimento econômico duradouro); sustentabilidade ambiental ou ecológica (possibilidade de desenvolvimento em equilíbrio com as potencialidades e limitações dos sistemas naturais); e sustentabilidade social (distribuição justa dos rendimentos e serviços fornecidos pela economia e pelos sistemas naturais).

A energia é a base para o crescimento econômico e para o desenvolvimento social, por isso é impossível considerar um futuro em que a demanda de energia seja reduzida. Da mesma forma, é evidente a necessidade de buscar novas fontes energéticas que reduzam os problemas ambientais causados por sua exploração. No momento atual, as energias solar, eólica, de ondas e hidroeletricidade se destacam como as principais fontes renováveis disponíveis no planeta. Dentre essas, destaca-se a energia solar, que será o tema central deste estudo.

Energia solar Energia solar é o nome dado a qualquer tipo de captação de energia luminosa originada pelo sol. Caracteriza-se por ser uma opção renovável e limpa de produção de energia.

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A energia solar é uma fonte utilizada desde a Antiguidade no planejamento agrícola, arquitetônico, entre outros. Desde então, são construídos equipamentos para o melhor aproveitamento dessa fonte de energia. Em sua forma natural (passiva), a energia solar pode ser largamente utilizada para produção de alimentos (agricultura e pecuária) e na arquitetura. Em sua forma ativa, diferentes tecnologias permitem ainda o aproveitamento da radiação na forma de calor ou de eletricidade. Esses aproveitamentos podem ser aplicados no aquecimento e no resfriamento de água e de ambientes; na iluminação artificial; no cozimento ao Sol; no funcionamento de equipamentos diversos; na obtenção, dessalinização ou descontaminação da água; e na irrigação de culturas. As formas de aproveitamento da energia solar serão também assunto relevante neste estudo que agora se inicia. Uma questão curiosa é que apenas uma pequena fração da energia solar disponível é utilizada. Isso porque a radiação solar que chega à Terra, diariamente, supera a demanda energética de toda a população do planeta por um ano. Sendo assim, qual é o potencial do Sol para suprir as necessidades energéticas das sociedades modernas? Para responder a esta pergunta, observe o raciocínio de Ruther (2004, p. 8): O Sol pode ser considerado um reator à fusão nuclear, operando a cerca de 100.000.000oC, a uma distância média da Terra de aproximadamente 150.000.000km. A constante solar: no topo da atmosfera a radiação solar é reduzida a 1353W/m2. [...] ao atravessar a atmosfera, a radiação solar sofre atenuação por absorção O3 (UV), H2O (IR) e CO2 (IR) e espalhamento pelo ar, vapor d’água e poeira. Assim, a intensidade de radiação que chega à superfície da Terra ao meio-dia é da ordem de 1.000 W/m2, também denominada 1 SOL. O fluxo solar e a demanda energética da Terra: o fluxo solar, a energia radiante ou potência instantânea total que incide sobre a Terra é da ordem de 1,75 x 1017 W (raio da Terra = 6,4 x 106m; área da seção reta da Terra = 1,3 x 1014m2; GAMO = 1,353 W/M2). Por outro lado, a demanda energética mundial é da ordem de 3,4 x 106 Wh/ano. Assim, podemos calcular o tempo necessário para que incida sobre a Terra

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uma quantidade de energia solar equivalente à demanda energética mundial anual: t = (3,4 x 1016 x 60) / 1,75 x 1017 = ~12 minutos!

Neste estudo, será apresentado, em uma primeira parte, o papel da energia solar no contexto internacional e o modo como é realizada a busca de estratégias para geração de energia limpa. A seguir, o estudo concentra-se nas questões da energia solar e apresenta conteúdos sobre a radiação solar e o aproveitamento da energia solar. A partir disso, o estudo foca-se nas questões da energia termossolar e da energia fotovoltaica, apresentando, por fim, as vantagens e os impactos ambientais recorrentes do uso desse tipo de energia renovável.

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4.2 Papel da energia solar no contexto internacional A fonte principal de energia utilizada pelas sociedades industriais na atualidade são os combustíveis fósseis. Seu uso gerou fenômenos indesejáveis, como a poluição do ar e do ambiente, o aceleramento do efeito estufa, a redução na camada de ozônio e a chuva ácida. Além disso, as fontes desse tipo de combustíveis são finitas – as estimativas indicam que seus depósitos estão se esgotando. As principais estratégias relacionadas a esse problema se referem à redução das emissões e à busca de novas fontes de energia baseadas em recursos renováveis. No último caso, a energia solar se destaca pela abundância e ampla distribuição na natureza. A radiação solar é a principal entrada energética dos sistemas do planeta Terra; e sua fonte, o Sol, é praticamente inesgotável. Acredita-se que, no futuro, esse tipo de energia deva desempenhar um importante papel, principalmente em países em desenvolvimento, mas, no momento atual, existem grandes diferenças quanto ao desenvolvimento e à aplicação da tecnologia solar em cada país. De forma geral, podemos dizer que, em diversos países, a utilização da energia solar teve início com a aplicação termal, ou seja, os sistemas de aquecimento de água foram as primeiras tecnologias solares utilizadas. Com o passar do tempo, novas aplicações da radiação solar passaram a ser desenvolvidas; surgiram as tecnologias fototermal e fotovoltaica, que permitiram a transformação da energia solar em eletricidade. Essa tecnologia ampliou as aplicações da fonte solar. Atualmente, novas aplicações vêm sendo desenvolvidas. A utilização da radiação solar como fonte de energia renovável varia conforme o país ou região do planeta. As variações se referem, em primeiro lugar, às diferentes quantidades de radiação solar recebidas pelos países do mundo anualmente. Essa distribuição variada demanda diferentes tecnologias que possibilitam maior efetividade na captação de radiação solar. A Figura 3.1 representa a distribuição da energia solar recebida por diferentes áreas do planeta anualmente. Nessa Figura, os pontos pretos representam a área necessária para atender toda demanda energética da Terra na mesma unidade de tempo.

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Figura 3.1 – Distribuição da energia solar em diferentes áreas do planeta

Fonte: Disponível em: <http://www.solarenergy.com.br/energia-solar>. Acesso em: 10 jun. 2011.

Outra questão que promove diferentes cenários de utilização da radiação solar como fonte de energia renovável diz respeito ao contexto político e econômico de países distintos. A estabilidade econômica e a equidade social aumentam as possibilidades de utilização do potencial solar para geração de energia. Dessa forma, os países desenvolvidos são os maiores produtores e consumidores de tecnologia solar, sendo os dois maiores mercados mundiais o Japão e a Alemanha. (RUTHER, 2004). O Japão dispõe de 1,13 GW instalados, a Alemanha conta com 794 MW e, os Estados Unidos, com 365 MW instalados. Na União Europeia, a Alemanha domina 34% do mercado, seguida pela Grécia com 27% e a Áustria com 16%. No que se refere à produção de energia elétrica a partir da radiação solar, a capacidade instalada mundialmente é de, aproximadamente, 2,6 GW. Esse valor equivale a cerca de 20% da capacidade instalada da Usina Hidrelétrica de Itaipu, maior usina brasileira, localizada no estado do Paraná. Já os países desenvolvidos têm usinas centralizadas

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para produção de energia elétrica a partir da radiação solar. Desde 2007, entrou em funcionamento a Central Solar Fotovoltaica de Serpa (CSFS), que é a maior usina solar do mundo, com capacidade de 11 MW. Esta usina está situada em uma das áreas que recebem mais radiação solar da Europa (a freguesia de Brinches, Alentejo, Portugal) e é capaz de abastecer, aproximadamente, 8 mil moradias. Outra usina solar está sendo construída na mesma província portuguesa, na cidade de Amareleja, no conselho de Moura, e terá capacidade de produzir 6 vezes mais energia elétrica do que a CSFS. Usinas solares estão sendo construídas também em outros países, como é o caso da Austrália. Nesse país, uma usina com capacidade de 154 MW será capaz de atender à demanda energética de 45 mil habitações e deve entrar em funcionamento em 2013. E, nos Estados Unidos, uma usina solar fototérmica será construída no Estado do Arizona, e está sendo anunciada como a maior do mundo. Segundo seus investidores, essa usina será capaz de produzir 280 MW.

Figura 3.2 – Usina Solar PS10, na Espanha

Fonte: Disponível em: <http://www.energiaeficiente.com.br/2009/01/16/energia-solar-3/>. Acesso em: 16 jun. 2011.

As usinas solares apresentam como vantagens a utilização de uma fonte de energia renovável e a redução das emissões de gases de efeito estufa. No entanto essas usinas não são capazes de produzir eletricidade no período noturno, o que reduz sua eficiência econômica. Nos países europeus, pesquisas desenvolveram estratégias que permitem o

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aproveitamento solar mesmo durante a noite. Um exemplo disso é uma usina localizada na Espanha, a PS10, que é capaz de captar a radiação solar diurna e gerar energia elétrica à noite pelo acionamento de turbinas a vapor. Observe o exposto na notícia a seguir. Nova geração de usinas solares garante eletricidade mesmo quando o sol se põe. A energia solar, captada por painéis de silício, é apontada como uma das melhores alternativas para diminuir a dependência mundial dos combustíveis fósseis na produção de eletricidade. Seu uso doméstico se disseminou, mas usinas de painéis solares com potência suficiente para iluminar milhares de casas ainda são caras e têm baixa capacidade de armazenamento. Além disso, elas têm uma grande limitação: não funcionam à noite. Uma nova geração de usinas solares, chamadas de térmicas, vem-se firmando como uma opção para produzir eletricidade com a ajuda do sol. Ao contrário das convencionais, que usam a luz para ativar painéis fotovoltaicos, as usinas térmicas utilizam o calor dos raios solares, refletidos por espelhos e captados por uma torre receptora. Esse calor é usado para aquecer um fluido, geralmente sal liquefeito, que permanece estocado em reservatórios em alta temperatura – como café quente numa garrafa térmica. Quando há demanda por eletricidade, o fluido é conduzido até um gerador, e o vapor que ele desprende move uma turbina, produzindo eletricidade. O fluido é reaproveitado e, ao longo do dia, o conjunto de espelhos se movimenta para manter o melhor ângulo de captação da luz e do calor do sol. Esse sistema, com tecnologia bem mais simples que a empregada nas usinas fotovoltaicas, é semelhante ao usado nas termelétricas, com a enorme vantagem de não produzir poluição atmosférica. Há, atualmente, no mundo cerca de cinquenta usinas solares térmicas em diferentes estágios de planejamento ou construção. A PS10, próxima a Sevilha, na Espanha, está em operação há um ano. Por enquanto, ela consegue armazenar o calor produzido durante meia hora. Quando novas tecnologias já em desenvolvimento forem utilizadas, prevê-se que usinas como a PS10 serão capazes de estocar calor por até vinte horas.

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4.3 A busca de estratégias para geração de energia limpa Alguns países estabeleceram incentivos fiscais para desenvolver e operar sistemas de geração de eletricidade a partir de fontes limpas. Com isso, passaram a estimular a pesquisa e a produção de equipamentos necessários para abastecer o mercado solar. Existem diversos exemplos de usinas sendo construídas ou operando no mundo: • Grécia – usina solar com sistemas coletores parabólicos e 50MW de capacidade; • Itália – usina solar com sistemas coletores parabólicos e 40MW de capacidade; • Espanha – usina solar com sistemas coletores parabólicos, torre solar e capacidade total de 500MW; • EUA – usina solar com sistemas coletores parabólicos e 50MW de capacidade; • Argélia – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 140MW de capacidade total, dos quais 25MW provêm da fonte solar; • Egito – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 150MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar; • Índia – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 140MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar; • México – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 291MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar; • Marrocos – usina híbrida com sistemas coletores parabólicos e 220MW de capacidade total, dos quais 30MW provêm da fonte solar. Nos países em desenvolvimento, a utilização de fontes solares apresenta um cenário distinto. A utilização da radiação solar como fonte de energia renovável é afetada por questões tecnológicas e pelo contexto político e econômico.

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UNEP O Programa das Nações Unidas para o Meio Ambiente (UNEP, na sigla em inglês) é uma instituição internacional que fomenta pesquisas e aplicações relacionadas à energia solar em diferentes regiões do planeta. Sua atuação se estende por duas áreas principais: i) a implantação de sistemas solares em locais não abastecidos por sistemas energéticos convencionais; ii) a disponibilização de informações confiáveis sobre o potencial solar de cada região do planeta.

A implantação de sistemas solares em locais não abastecidos por sistemas energéticos convencionais conta com o apoio de países na África e na Ásia. Nos países parceiros, comunidades rurais em áreas distantes ou isoladas recebem sistemas solares de geração de energia elétrica. A instalação desses sistemas permite melhoria na qualidade de vida das comunidades, porque possibilita acesso a serviços básicos como fornecimento de água, saúde, educação e outras facilidades possíveis pela utilização de energia elétrica. (MADAMOMBE, 2006). Uma inovação interessante está relacionada ao desenvolvimento de um sistema de energia solar móvel. O objetivo desse sistema é facilitar o acesso a fontes de energia solar em áreas rurais, como é possível observar na notícia a seguir. Donauer apresenta sistema de energia solar móvel A Donauer Solartechnik, especialista em soluções de energias solares, apresentou o novo Sistema de Energia Solar Móvel (SESM). Este sistema inovador está integrado num contentor que inclui todos os equipamentos para o fornecimento de energia fotovoltaica. A gestão inteligente da energia permite que se utilize o SESM como sistema autônomo nas zonas rurais, em sistemas de telecomunicações ou como auxílio às redes existentes. Um pico de 36 kW pode ser ligado ao modelo em que a energia da bateria seja de 144 kWh. Para garantir um bom serviço da bateria, foi colocado um sistema de refrigeração com ar condicionado

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ativo e passivo que garante um elevado desempenho mesmo a altas temperaturas. O sistema de filtro profissional inclui limpeza automática. (AMBIENTE ONLINE, 2011).

No Brasil, a regulamentação legal para geração de energia elétrica com fontes intermitentes, como as energias solar e eólica, teve início em 2004, com a Resolução 83 da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Esse regulamento estabeleceu que o fornecimento de energia a partir de fontes solares tinha de ser em corrente alternada e com tensão igual àquela apresentada pelos sistemas de distribuição públicos, entre outros critérios. A Resolução 83 da ANEEL também estabeleceu que as concessionárias que utilizavam a tecnologia fotovoltaica precisavam da aprovação desse órgão público, e essa aprovação passou a ser obtida a partir da apresentação de um projeto contendo aspectos técnicos dos sistemas, procedimentos para leitura e faturamento. Existem poucas iniciativas para oferecer energia elétrica a partir da radiação solar em escala industrial no Brasil. Desde 2004, pesquisadores do Rio Grande do Sul desenvolvem uma planta-piloto para a produção industrial de módulos fotovoltaicos, com o objetivo de produzi-los a partir de matérias-primas que permitam reduzir o preço em 15%. Outro projeto brasileiro foi implantado pela Eletronorte na comunidade de Xapuri, no estado do Acre. Foi implantado um sistema com corrente alternada, um sistema com corrente contínua e outro sistema misto, com corrente alternada e corrente contínua. Além desse, um projeto semelhante foi implantado pela Eletrobras Amazonas com o objetivo de fornecer energia elétrica a doze comunidades amazônicas: Comunidades do Amazonas receberão sistemas de geração de energia solar Projeto pioneiro da Eletrobras Amazonas Energia vai levar geração de eletricidade a partir do sol para 12 comunidades do Amazonas. O projeto de minirredes faz parte do programa Luz para Todos, de universalização do acesso à energia elétrica, e utiliza a irradiação solar (luz do sol). Os sistemas serão instalados nos municípios de Autazes, Barcelos, Beruri,

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Eirunepé, Maués e Novo Airão. A expectativa é a melhora na qualidade de vida das populações beneficiadas, na medida em que oferecerá aperfeiçoamento nas condições dos serviços de utilidade pública, como o funcionamento das escolas no período noturno e melhoria no atendimento em postos de saúde. Em paralelo à instalação dos equipamentos, a Guascor Solar, empresa responsável pelo sistema, apresenta a tecnologia aos futuros usuários. Para isso, as comunidades passaram por um treinamento para garantir o uso adequado, com segurança e qualidade. As aulas abordam como devem ser escolhidos e usados os eletrodomésticos e explicações sobre sustentabilidade, além de questões relacionadas à segurança. (PORTAL AMAZÔNIA, 2011).

Um aspecto crítico da ampliação do uso da radiação solar como fonte de energia renovável está relacionado à disponibilização de informações confiáveis sobre o potencial solar de cada região do planeta. Visando a aumentar a disponibilidade desse tipo de informação, o UNEP criou uma base de dados chamada Base de Dados dos Recursos Globais (GRID, na sigla em inglês), na qual não constavam informações sobre os recursos solares. Para obter tais informações, esse programa criou o projeto Avaliação dos Recursos Solares e Eólicos (SWERA, em inglês) que conta com os recursos do Global Environment Facility (GEF), além de dispor de representantes de diferentes países. O SWERA pretende disponibilizar informações sobre o potencial de geração de energia apresentado pela radiação solar em diferentes regiões do planeta. Essas informações são úteis para o planejamento do setor energético de cada país ou região e podem atrair investimentos privados. O projeto SWERA busca gerar desde mapas com os componentes da radiação solar até informações sobre socieconomia e infraestrutura das diferentes regiões do planeta. Segundo Martins et al. (2004), esse projeto vai gerar informações relevantes para o Brasil, como: • • • •

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mapas de irradiação solar com alta definição; construção de séries temporais horárias; elaboração de diferentes cenários de aproveitamento de energia solar; disponibilização dessas informações em várias mídias.

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Convencionalmente, a obtenção de informações sobre o potencial solar de uma região era realizada por meio da utilização de radiômetros. Esses equipamentos são capazes de apresentar informações pontuais confiáveis. No entanto os resultados finais são obtidos por processos de extrapolação e interpolação entre estações superficiais distantes umas das outras. Além disso, os radiômetros apresentam custos altos quando se trata da implantação de redes de radiômetros que permitem a avaliação de amplas extensões físicas. (MARTINS et al., 2004). Para contornar esses problemas, estão sendo usados satélites geoestacionários associados a modelos computacionais. A partir dos dados obtidos por satélites no topo da atmosfera terrestre, modelos computacionais são capazes de fornecer estimativas diárias e horárias de irradiância solar em diferentes pontos da superfície do planeta. Martins et al. (2004) destaca pesquisas onde dados obtidos pela associação satélites-computadores são comparados a dados obtidos por redes de radiômetros com mais de 35-50km de distância entre si. Nestes estudos, os dados obtidos pela associação entre satélites e modelos computacionais são mais confiáveis. A geração de informações a partir de dados de satélites e modelos computacionais permite a integração de grandes volumes de dados conforme proposto pelo projeto SWERA, mas ainda existem limitações quanto ao uso dessas tecnologias, tais como a baixa densidade temporal dos imageamentos do satélite e a falta de disponibilidade de dados precisos sobre a presença de partículas na atmosfera (aerossóis) e sobre propriedades físicas das nuvens. (MARTINS et al., 2004).

INPE As informações sobre este projeto são mantidas atualizadas no site do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), disponível em: <http:// www.dge.inpe.br/swera/EN/bdd/bdd_pub.html>.

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4.4 Energia solar e sustentabilidade A energia solar apresenta vantagens ecológicas fortes, devido à sua fonte renovável e à ampla oferta e distribuição. No que se refere à sustentabilidade social, esse tipo de energia também apresenta apelos relevantes. O uso da energia solar pode permitir o desenvolvimento de áreas distantes onde os custos ecológicos e ambientais da implantação de outras formas de produção de energia são altos, porém, com o armazenamento e distribuição de energia a partir da fonte solar, poderemos ter uma viabilidade econômica. Nesta seção, vamos avaliar o potencial de sustentabilidade (econômica, ecológica e social) da utilização da energia solar.

A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista tecnológico O uso da tecnologia solar para produção de eletricidade apresenta benefícios ecológicos. As usinas solares fototermais e fotovoltaicas permitem ampliar a produção de eletricidade com pouca ou nenhuma emissão de gases de efeito estufa. Suas implantações em locais apropriados permitem a utilização de sistemas de distribuição de eletricidade já existentes, evitando mais intervenções em ecossistemas naturais. Quando são implantados sistemas descentralizados de aproveitamento solar para geração de eletricidade, há ainda mais vantagens ecológicas. A primeira dessas vantagens diz respeito à possibilidade de impedir diversos impactos ambientais causados pela instalação de usinas centralizadas e seus sistemas de distribuição. Dessa forma, sistemas solares em áreas rurais ou urbanas não necessitam de áreas desmatadas ou paisagens alteradas pela mineração ou por inundações programadas, no entanto o uso de minérios raros ou tóxicos diminui os benefícios ecológicos da aplicação da tecnologia fotovoltaica. Os aproveitamentos fototermais para geração de energia elétrica apresentam grande potencial para mitigar as mudanças climáticas e reduzir o consumo de combustíveis fós-

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seis. Avaliações de ciclo de vida das usinas fototermais associados à Avaliação de Impactos Ambientais de sistemas solares mostram que tais usinas são adequadas à tarefa de reduzir a emissão de gases de efeito estufa e outros poluentes, sem reduzir a qualidade ambiental ou gerar riscos de contaminação. A energia solar termal pode ser utilizada ainda para diversos fins relevantes ao cotidiano, como para o cozimento de alimentos em fornos solares. Essa aplicação poderia reduzir a pressão sobre recursos não renováveis (como o gás natural e o carvão) e sobre recursos renováveis (como a lenha). Além disso, Bahnemann (2004) destaca que há, pelo menos, 20 anos, são realizadas pesquisas sobre a fotocatálise. A fotocatálise é uma tecnologia que permite a destruição de compostos pela ação da luz. Uma das principais aplicações dessa tecnologia é a degradação de poluentes orgânicos na água e nas correntes de ar através de processos de oxidação avançada. Essa tecnologia apresenta baixo impacto ambiental e há a possibilidade de sua aplicação em amplas regiões. Os principais objetivos das pesquisas científicas atuais estão relacionados à fotocatálise como requerimento para eficiência do processo. Outro objetivo que vem recebendo ampla dedicação dos pesquisadores diz respeito à busca de formas de geração de luz por meio de equipamentos mais baratos, o que permitiria a rápida comercialização do tratamento de água através de fotocatálise.

O texto de Bahnemann (2004) descreve em detalhes diversos reatores solares para tratamento de água por meio de fotocatálise e comparações gerais sobre suas performances.

Outro uso da energia solar que apresenta vantagens ecológicas é a secagem e armazenamento de produtos agropecuários, além do uso do ar natural, como apresentam Rossi e Roa (1980). Essa pesquisa buscou definir uma estratégia de baixo custo e baixo

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impacto ambiental para engenheiros, técnicos e agricultores que trabalham com café, cacau, frutas e outros grãos na região de Campinas, São Paulo, Brasil.

A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista social Segundo o Fundo das Nações Unidas para Alimentação (FAO), existe mais de 1 bilhão de pessoas no mundo sem acesso à eletricidade. Na União Europeia, existem cerca de 50 milhões de indivíduos que não conseguem manter seus lares em temperaturas adequadas, pela ausência de eletricidade. Na Venezuela, 1 milhão de cidadãos das áreas rurais não dispõem de abastecimento regular de energia elétrica segura e confiável. No Brasil, segundo dados do Ministério de Minas e Energias, existem cerca de 10 milhões de brasileiros vivendo em localidades sem energia elétrica, a maioria no estado do Amazonas e na região Centro-Oeste. É amplamente reconhecido que o desenvolvimento social e econômico em qualquer região do mundo implica o abastecimento de energia com custos acessíveis, para garantir a qualidade de vida e permitir a produção e acesso a alimentos. Uma grande dificuldade para alcançar esse objetivo está relacionada à implantação de infraestrutura básica, capaz de fornecer tais serviços. Em muitas regiões do planeta, dificuldades econômicas e ecológicas levam milhares de pessoas a viver sem esses benefícios modernos. Todavia a energia solar pode avançar para locais distantes, mesmo sem a necessidade de implantação de sistemas centralizados de abastecimento. Diversos exemplos de utilização da energia solar em países em desenvolvimento permitem analisar a viabilidade social desta forma de energia. Em 2007, 100 mil pessoas em estado de extrema pobreza em regiões rurais da Índia passaram a receber diversas horas diárias de eletricidade gerada pela energia solar. Esse foi um projeto do Programa Ambiental da Organização das Nações Unidas (UNEP) o qual busca expandir o acesso à eletricidade por meio de fontes renováveis e limpas para comunidades pobres, em países em desenvolvimento, e que teve um investimento de 1,5 milhões de dólares.

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Neste projeto, algumas horas de luz com lâmpadas entre 20 e 40 watt auxiliam na educação infantil e aumentam a produtividade nos grupos artesanais de tecelagem e bordados, além de auxiliar na venda de frutas, que não são escurecidas pela fumaça de lamparinas a querosene. O UNEP persuadiu banqueiros indianos a financiarem pequenos sistemas solares com custos entre 300 e 500 dólares cada, e que são capazes de atender entre duas e quatro pequenas aplicações. (UNEP, 2011). Também, na Tunísia, foram estabelecidos projetos para financiamento de aquecedores de água de base solar. O UNEP financiou 16 mil projetos nesse país. Projetos similares estão sendo estabelecidos na China, Indonésia, Egito, México, Gana, Marrocos e Argélia. (UNEP, 2011). Na maior parte do continente africano, no máximo 20% dos africanos têm acesso à eletricidade (com exceção dos moradores da África do Sul e do Egito). Em diversas partes da África, como Zimbábue e Mali, áreas rurais e mesmo áreas urbanas apresentam grandes dificuldades de conexão com redes de eletricidade centralizadas, já estabelecidas. Diante disso, alguns países buscam formas inovadoras para oferecer às famílias rurais energia para cozinhar seus alimentos e iluminar suas residências. Fontes de energia solar individuais, como a solar, a eólica e a mini-hidrogeradores estão ajudando a preencher a lacuna. (MADAMOMBE, 2006). O governo do Zimbábue instalou 9 mil sistemas solares em vilas do país, modelo em que propriedades agrícolas familiares compartilham os sistemas. Cada família possui duas lâmpadas e uma conexão para rádio ou televisão pequena. Nessas vilas, a educação infantil melhorou, reduziu-se a migração rural-urbana e foram implantados centros de saúde locais, o que melhorou a qualidade de vida nas comunidades. Além do uso doméstico, a energia solar pode ser utilizada para abastecer pequenos negócios como moinhos, pequenas fábricas artesanais, lojas, escolas e postos de saúde. A geração de energia solar permite um aumento de produção e um atendimento melhor aos clientes.

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Existem ações positivas em diversos países, no que se refere à ampliação do acesso à eletricidade por meio da energia solar. Os Estados Unidos traçaram como meta aumentar a contribuição das energias limpas para 85% do consumo, até 2035. A União Europeia visa atingir uma meta de 100% em fontes renováveis na geração de energia elétrica, até 2050. A China busca ampliar sua produção de painéis solares e equipamentos baseados em fontes limpas para o setor de serviços e transportes. Também no Peru e na Argentina, existem projetos de aproveitamentos fotovoltaicos.

A sustentabilidade da energia solar do ponto de vista econômico Para avaliar a viabilidade econômica da utilização da energia solar, pesquisadores buscam estimar o montante total de radiação solar terrestre. Essa avaliação é realizada por meio de diferentes modelos lineares. No entanto o fenômeno da radiação solar não é linear e pode ser alterado por alterações temporais e espaciais causadas por nuvens ou pela turbidez em diferentes camadas atmosféricas. (ODUM, 1983). Os projetos implantados pela ONU na África também destacaram aspectos econômicos da implantação de sistemas de geração de energia através da utilização da fonte solar. Segundo Madamombe (2006), a implantação de um típico sistema domiciliar de abastecimento na África Subsaariana custa entre quinhentos e mil dólares. Esses sistemas são capazes de prover luz para, no máximo, seis ambientes e para o funcionamento de uma televisão com imagem preta e branca a cada noite. Isso pode parecer pouco, comparado aos padrões dos países ocidentais, mas o sistema alcança os objetivos da maioria dos lares africanos que, hoje, não recebe energia de nenhuma fonte. Dessa forma, a relação custo-benefício ainda é adequada, apesar dos custos iniciais. (MADAMOMBE, 2006). Diante da quantidade de áreas sem fornecimento de energia, é fundamental a obtenção de recursos que permitam a implantação de sistemas. Nos projetos africanos, sistemas inovadores de financiamento, como taxas por serviço, podem ser utilizados. Além disso, busca-se instalar painéis que possam fornecer energia para diversas casas, os quais também são capazes de reduzir os custos econômicos, ao invés de sistemas individuais. Ainda é possível

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citar a possibilidade de reduzir custos por meio da remoção de barreiras alfandegárias, que aumentam os custos para a produção dos painéis solares. Por fim, projetos de estímulo à cooperação regional na produção desses painéis também são estimulados pela ONU no quadro geral de projetos desenvolvidos no continente africano. (MADAMOMBE, 2006). Com base nos custos econômicos da implantação da energia solar, o comprometimento dos líderes governamentais é fundamental na provisão de áreas rurais distantes de centros urbanos. Mandombe (2006) apresenta o exemplo dos líderes sul-africanos os quais foram capazes de modificar o mercado, antes dominado pelas vendas particulares, através de uma política massiva para aquisição de equipamentos. Também países como Botsuana, Namíbia, Suazilândia e Zâmbia criaram mercados solares em seus territórios, através da criação de fundos governamentais para apoiar o crédito do consumidor. A implantação de sistemas solares para abastecimento não doméstico pode ser fornecida por empresas públicas ou privadas através da cobrança de taxas de instalação e aluguéis mensais. Em relação à África do Sul, Madombe (2006) destaca que, para a implantação de sistemas solares, são cobradas taxas de aproximadamente 33 dólares e aluguéis mensais de 6,25 dólares. Nos países ocidentais, a energia solar termal apresenta uma das melhores relações custo-benefício do mercado. Nesses países, a energia solar é utilizada, principalmente, para o aquecimento de água em moradias (chuveiros, pias, piscinas). O estudo da ONG WWF destaca alguns aspectos relacionados à aplicação, em ampla escala, de fontes de energia renováveis, como a solar: Apesar de possível, a mudança das atuais fontes energéticas para meios renováveis terá que superar muitos desafios. Um deles são os investimentos necessários para aumentar a geração de energia renovável. Segundo a pesquisa, nos próximos 25 anos, os investimentos devem passar de um trilhão de Euros por ano para 3,5 trilhões de Euros por ano. A partir de 2040, tendo reduzido a dependência em combustíveis fósseis em 70%, estes gastos começariam a se pagar, superando os cus-

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tos. Em 2050, a demanda de energia seria 15% menor que em 2005, apesar do crescimento da população mundial para nove bilhões de habitantes, e seriam economizados, anualmente, cerca de 4 trilhões de Euros, em razão da eficiência energética e dos custos reduzidos dos combustíveis alternativos. O relatório vem ao encontro da pesquisa divulgada esta semana pela empresa Accenture e pelo banco Barclays Capital, que sugere que a Europa precisará investir 2,9 trilhões de Euros, ou 25% de seu PIB, para alcançar sua meta na redução das emissões de carbono. (VIEIRA, 2011).

As principais críticas relacionadas ao desenvolvimento de projetos de aproveitamento da energia solar como fonte renovável dizem respeito ao custo de produção e implantação dos sistemas. Os críticos destacam que é necessário longo tempo para recuperar os investimentos: Hoje, o preço médio por quilowatt-hora de uma usina solar térmica é de 17 centavos de dólar, contra 7 nas termelétricas a carvão e 5 nas hidrelétricas. Ainda assim, a eletricidade gerada pelas usinas térmicas é 40% mais barata do que a produzida pelas usinas fotovoltaicas. Atualmente, menos de 1% da eletricidade consumida no mundo provém da energia solar, mas, segundo os especialistas, essa porcentagem deverá crescer significativamente. “Minha aposta é que, em alguns anos, a energia produzida com o sol representará 5% da eletricidade usada no planeta”, disse à VEJA o engenheiro William A. Beckman, diretor do laboratório de energia solar da Universidade de Wisconsin-Madison, nos Estados Unidos. Um estudo do Instituto de Energia da Universidade da Califórnia, divulgado no início do ano, mostra que a energia solar térmica se tornará economicamente competitiva muito antes que a fotovoltaica. O custo de construção das usinas é menor, e o aproveitamento da eletricidade gerada, maior. (NEIVA, 2008).

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No que se refere às usinas solares para geração de eletricidade, o custo de implantação pode cair conforme aumentam os volumes de energia produzida. Nos Estados Unidos, estudos realizados nesse tipo de usina apontam custos próximos a 15 centavos de dólar/ kMh. Tecnologias avançadas, produção em massa, melhorias na operação e economia de escala podem levar as usinas solares a níveis de competitividade próximos aos sistemas baseados em combustíveis fósseis. Atualmente, uma estratégia utilizada para reduzir os custos de produção das usinas solares é a utilização de outras fontes de energia, que são as plantas híbridas. Tais usinas podem associar combustíveis fósseis (carvão, gás) à radiação solar na produção de eletricidade, tornando seus preços competitivos. Algumas usinas já conseguem produzir energia elétrica com custos entre 14 e 17 centavos de dólar/kWh. Espera-se conseguir custos entre 7 e 8 centavos de dólar/kWh no futuro. Essa redução pode ser alcançada por meio de melhorias nas tecnologias, na produção em massa, na economia em escala e na operação das usinas e dos sistemas de transmissão (em um período entre 10 e 15 anos). Tais melhorias tornariam essa forma de geração de energia competitiva em relação aos combustíveis fósseis. Em países onde existem incentivos para produção de eletricidade ecologicamente adequada ou onde podem existir recompensas monetárias pela redução/eliminação da poluição atmosférica, existe, também, maior possibilidade de crescimento do setor de energia solar. No Brasil, o alto custo dos sistemas solares representa um fator de desestímulo à adoção dessa fonte energética. Aqui, o preço médio do watt é de, aproximadamente, 5 dólares, quase cinco vezes maior do que o valor da energia produzida por sistemas hidrelétricos. Apesar desses valores, a capacidade instalada de empreendimentos solares em diferentes regiões do mundo vem aumentando a partir dos anos 2000. Dados divulgados pela FINEP mostram que o mercado de energia solar movimentou cerca de 15 bilhões de dólares em 2006.

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4.5 Radiação solar A energia solar é a principal fonte de energia do planeta, pois ela constitui o motor dos principais processos térmicos, dinâmicos e químicos. Compreender os fundamentos da energia solar permite compreender sua utilização, suas potencialidades e seus limites. Esta forma de energia é produzida pelo Sol e chega à Terra na forma de energia eletromagnética.

Radiação solar A forma de transferência de energia advinda do Sol através da propagação de ondas eletromagnéticas ou fótons é chamada de radiação solar.

Captação e conversão A radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar (uma camada tênue, com, aproximadamente, 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5.800 K). Porém essa radiação não se apresenta como um modelo de regularidade, pois há a influência das camadas externas do Sol (cromosfera e coroa), com pontos quentes e frios, erupções cromosféricas, etc. Em condições ótimas, ou seja, quando o céu está claro e sem nenhuma nuvem, a iluminação máxima observada ao meio-dia em um local situado ao nível do mar é de 1.000 W/m2. Fora da atmosfera, a intensidade se eleva a 1.377 W/m2. Este índice é chamado constante solar, sendo utilizado um valor médio, pois o mesmo varia com a distância da Terra em torno do Sol. Devido às flutuações climáticas, a radiação solar incidente no limite superior da atmosfera sofre uma série de reflexões, dispersões e absorções durante o seu percurso até o

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solo. A incidência total da radiação solar sobre um corpo localizado no solo é a soma dos componentes direta e difusa. Sendo assim, a radiação pode ser: • Irradiação solar (I ou H) – irradiância solar integrada durante um intervalo de tempo especificado, normalmente uma hora ou um dia, medida em watt hora por metro quadrado ou Joule por metro quadrado (Wh/m2 ou J/m2). É simbolizada por “I”, quando integrada em uma hora; “H”, quando integrada em um dia. • Irradiação difusa – irradiância difusa integrada durante um intervalo de tempo especificado -> IDIF ou HDIF. • Irradiação direta – irradiância direta integrada durante um intervalo de tempo especificado -> IDIR ou HDIR. • Irradiação global – irradiância global integrada durante um intervalo de tempo especificado -> IHOR ou HHOR. • Irradiação total – irradiância total integrada durante um intervalo de tempo especificado -> ITOT ou HTOT.

Figura 3.3 – Tipos de radiação solar

Fonte: Adaptado de: <http://amdro2003.blogspot.com/2011/02/influencia-do-sol-no-aquecimento-global. html>. Acesso em: 3 fev. 2011.

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Em média, da radiação solar incidente (sobre o sistema Terra/atmosfera): • 19 % é perdida por absorção pelas moléculas de oxigênio e ozônio da radiação ultravioleta (de alta energia) na estratosfera (onde a temperatura cresce com a altitude); • 6% é perdida por difusão da luz solar de menor comprimento de onda – azuis e violetas – o que faz com que o céu seja azul; • 24% é perdida por reflexão – 20% nas nuvens e 4% na superfície. O albedo do planeta é de 30% (6% difusão+24% reflexão); • 51% é absorvida pela superfície (note que os valores apresentados são valores médios, por exemplo, nos polos a reflexão da radiação solar incidente é geralmente maior do que 24%; e, nos oceanos, menor do que 24%). A energia produzida pelo Sol entra na atmosfera a uma velocidade constante de 2 gcal/ cm2/min, aproximadamente. Essa energia pode ser dividida em diferentes radiações, conforme o comprimento de onda. A radiação que atinge a superfície da Terra apresenta comprimentos de onda entre 0,3 micrômetros e 10 micrômetros, ou entre 300 e 10.000 nanômetros (ODUM, 1983). As ondas curtas são os raios gama e raios x. As ondas longas são as ondas de rádio. As ondas médias correspondem à radiação ultravioleta, à luz infravermelha e à radiação visível. A maior parte da radiação solar (99%) apresenta comprimentos de onda curtas e médias e corresponde à região infravermelha próxima e visível do espectro eletromagnético. (MARTINS et al., 2004). Existem duas grandezas muito importantes no estudo da radiação solar. A primeira delas é a intensidade da radiação ou irradiância. Temos as seguintes definições de irradiância: • Irradiância solar (G) – taxa na qual a radiação solar incide em uma superfície (computada pela unidade de área desta superfície) e, normalmente, ela é medida em watt por metro quadrado (W/m2).

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• Irradiância direta (GDIR) – irradiância solar incidente em uma superfície (sem que tenha sido espalhada pela atmosfera), podendo ser horizontal ou normal. • Irradiância difusa (GDIF) – potência radiante do céu. É recebida em uma unidade de área em uma superfície horizontal e excluída a irradiância direta. • Irradiância global (GHOR) – potência radiante solar recebida em uma unidade de área em uma superfície horizontal que é igual à irradiância direta mais a irradiância difusa. • Albedo – índice relativo à fração da energia radiante solar recebida em uma unidade de área, devido à refletância dos arredores e do solo onde está instalado um dispositivo. A irradiância devida ao albedo é simbolizada por GALB. • Irradiância total – (GTOT) – potência radiante solar total com as componentes direta, difusa e de albedo, recebida em uma unidade de área em uma superfície com inclinação qualquer. A partir da irradiância, é possível definir a segunda grandeza relevante, a densidade do fluxo de radiação. Essa grandeza representa a quantidade de radiação que atravessa um plano em dada unidade de área e de tempo. Segundo Martins et al. (2004, p. 247), “chama-se de irradiância a densidade de fluxo de radiação que incide sobre uma superfície, e emitância radiante a densidade de fluxo de radiação emitida por uma superfície.”

Irradiância Radiação que incide sobre uma superfície.

Emitância radiante Radiação emitida por uma superfície.

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A emitância radiante do Sol e a consequente irradiância dessa energia na Terra não são constantes ao longo do ano. A radiação pode ser alterada por fenômenos astronômicos relacionados à órbita da Terra ao redor do Sol e por fenômenos solares como manchas, alterações de temperatura e erupções na superfície do Sol. No entanto, para fins de cálculo, utiliza-se a constante solar (irradiância solar no topo da atmosfera), cujo valor é de aproximadamente 1367 W/m2 (razão da potência pela área). Veja nas Figuras a seguir um comparativo entre as irradiâncias horizontal e inclinada em duas estações do ano – no verão (Gráfico 3.1) e no inverno (Gráfico 3.2).

Gráfico 3.1 – Irradiância horizontal x inclinada no verão Fonte: Elaboração dos autores (2011).

Além disso, nem toda a energia produzida no Sol consegue atravessar nossa atmosfera. A radiação que penetra a atmosfera é fortemente reduzida por partículas presentes na atmosfera (o grau de redução depende do comprimento de onda). Quando atravessa a atmosfera, a radiação solar é atenuada por partículas e moléculas de gases atmosféricos que desencadeiam processos de absorção ou espalhamento. Os átomos emitem um fóton, quando passam de estados de maior energia para outro de menor energia.

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Pelo mesmo processo, os átomos podem absorver um fóton e passar de um estado de menor para outro de maior energia. Quando um gás é atingido por um fluxo contínuo de radiação, certos comprimentos de onda são absorvidos por átomos do gás. Esse fenômeno pode ser observado através da irradiação de um espectro contínuo sobre um gás. O espectro de saída neste processo apresenta linhas escuras, chamadas espectros de linha, que se referem aos comprimentos de onda absorvidos. (TIPLER, 1999). Um fóton é o menor componente da radiação solar.

Gráfico 3.2 – Irradiância horizontal x inclinada no inverno Fonte: Elaboração dos autores (2011).

O coeficiente de absorção e espalhamento está relacionado com dois fatores: os diferentes comprimentos de onda dos espectros da radiação solar e o tipo de gás atmosférico presente em determinado lugar. Assim, o processo de absorção é diferente em cada gás atmosférico, ou seja, cada gás é capaz de absorver apenas alguns comprimentos de onda específicos. Os fótons com comprimentos que não podem ser absorvidos mu-

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dam de direção ao se chocarem com o átomo no processo chamado de espalhamento. (TIPLER, 1999). Os componentes atmosféricos refletem cerca de 30% da radiação solar e o restante é absorvido. Os principais gases atmosféricos responsáveis pela absorção da radiação solar são o vapor de água, o dióxido de carbono e o ozônio. A energia absorvida por estes gases e outros componentes atmosféricos é emitida, novamente, na faixa de infravermelho. Esta radiação absorvida pode gerar aquecimento e causar a evaporação da água na forma de calor latente, ou convecção atmosférica (ventos), na forma de calor sensível. (MARTINS et al., 2004). A Figura 3.4 mostra como a radiação solar interage com a atmosfera terrestre. Esta Figura é uma simplificação, representando, apenas, os valores médios globais dos diferentes processos.

Figura 3.4 – Processos de interação entre a radiação solar e a atmosfera terrestre

Fonte: Adaptado de: <http://amdro2003.blogspot.com/2011/02/influencia-do-sol-no-aquecimento-global. html>. Acesso em: 3 fev. 2011.

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O máximo de radiação que consegue alcançar a superfície terrestre é 67%, nas condições de um dia de verão, na superfície do mar ou sem nuvens. (GATES, 1965). As nuvens, a vegetação e a água também reduzem fortemente a radiação solar que passa pela atmosfera. Além disso, esses fatores são capazes de alterar a distribuição e a disponibilidade da radiação na superfície da Terra. Outra grandeza importante no estudo da radiação solar é a Transmitância, que é a razão entre a irradiância solar na superfície da Terra e no topo da atmosfera. (MARTINS et al., 2004). Transmitância atmosférica =

Radiância solar na superfície terrestre Radiância solar no topo da atmosfera

Esses fenômenos causam diferenças de potencial solar em decorrência da região do globo e do terreno analisados. Os terrenos montanhosos também recebem a energia solar de forma desigual, uma vez que as vertentes orientadas para o norte recebem mais radiação no hemisfério sul e menos radiação no hemisfério norte. Da energia solar que chega à superfície terrestre em dias sem nuvens, aproximadamente 10% é radiação ultravioleta, 45% radiação visível e 45% radiação infravermelha. (ODUM, 1983).

Para que seja possível a utilização da energia solar, é importante compreender as seguintes propriedades da matéria: Massa termal ou capacidade de estocagem de calor: refere-se à capacidade que cada substância possui de armazenar calor. Existem substâncias que são capazes de armazená-lo de forma eficiente, enquanto outras não são eficientes, pois perdem calor rapidamente. Condutividade: habilidade da matéria para transferir o calor de um material para outro, por contato. Existem substâncias que apresentam facilidade na transmissão de calor, enquanto outras não têm esta capacidade. Estas duas propriedades são fundamentais em sistemas para utilização da energia solar. Inicialmente, são necessários materiais com grande

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capacidade de estocagem de calor e com alta capacidade de transferência do calor entre materiais. Os materiais com maior capacidade de estocagem de calor são a água, o ferro e o concreto. Os materiais com maior capacidade de transferência de calor são o cobre e o alumínio.

Radiação solar em nível do solo A radiação solar pode ser medida através de diferentes aparelhos: um deles é denominado pireliômetro ou solarímetro. Esses equipamentos utilizam uma junção de dois metais a qual gera uma corrente proporcional à incidência de energia luminosa através de uma termopilha.

Figura 3.5 – Bancada de medição de radiação solar na Universidade Federal de Santa Catarina, Brasil Fonte: Acervo pessoal dos autores (2011).

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Outro tipo de instrumento utilizado são os radiômetros, que servem para medir a radiação total na superfície terrestre. (ODUM, 1983). Além disso, também são usadas em estudos de radiação as aproximações do espectro solar de corpos negros. (MARTINS, et al., 2004). Aparelhos denominados piranômetros (Figura 3.6) medem a radiação global por meio de uma termopilha que avalia a diferença de temperatura entre duas superfícies iluminadas. A dilatação das superfícies provoca um diferencial de potencial que pode demonstrar os valores relacionados à radiação solar. Existem ainda os pireliômetros, que medem a radiação direta (Figura 3.7); e pireliômetros, que medem a radiação difusa (Figura 3.8). Esses instrumentos seguem o movimento solar e se ajustam constantemente ao longo do dia. O actinógrafo é outro instrumento usado para medir a radiação solar: é composto de sensores que avaliam a expansão de um par bimetálico e seus resultados apresentam precisão entre 15 a 20%.

Figura 3.6 – Piranômetro de Radiação Global Fonte: Acervo pessoal dos autores (2011).

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Figura 3.7 – Piranômetro de Radiação Direta 75 Fonte: Acervo pessoal dos autores (2011).

Figura 3.8 – Piranômetro de Radiação Difusa 76 Fonte: Acervo pessoal dos autores (2011).

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Por fim, existem ainda os heliógrafos (Figura 3.9), instrumentos que medem a insolação. Esses equipamentos avaliam o tempo de céu descoberto no local onde estão instalados. O heliógrafo é composto por uma esfera de vidro maciço e transparente que serve como lente convergente da radiação solar. A radiação converge sobre uma tira de cartão (heliograma), que é queimado enquanto o céu permanece sem nuvens. O heliograma é fixado em uma concha metálica a qual contém uma escala que permite ajustar o aparelho à latitude da estação.

Figura 3.9 – Heliógrafo 77

Fonte: Disponível em: <http://meteo. navarra.es/definiciones/>. Acesso em: 4 maio 2011.

Para avaliar o potencial solar brasileiro, utilizou-se um solarímetro, e as informações foram disponibilizadas por Tiba et al. (2000). Esse material apresenta séries históricas sobre a insolação, irradiância global, direta e difusa em diferentes pontos do Brasil. Além disso, apresenta as isolinhas de insolação e irradiância global no país. Essa última informação é especialmente relevante para o planejamento regional do setor elétrico, porque permite aplicar os mesmo princípios metodológicos em diferentes áreas. A Figura 3.10 apresenta um mapa com a média anual da irradiação global no território brasileiro. Figura 3.10 – Irradiação global média no território brasileiro

Fonte: Disponível em: <http:// revistaescola.abril.com.br/geografia/ pratica-pedagogica/aproveitamento-energia-solar-513596.shtml>. Acesso em: 16 jun. 2011.

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Recentemente, o uso de informações de satélites também vem sendo aproveitado nos estudos sobre o potencial de energia solar. No entanto é importante destacar que os resultados dos satélites apresentam diferenças significativas em relação aos estudos sobre a superfície terrestre. Os satélites não sofrem a influência de processos atmosféricos e, portanto, são capazes de medir apenas a irradiância no topo da atmosfera. Apesar disso, o uso dessa tecnologia pode auxiliar na superação dos problemas enfrentados pelos radiômetros tradicionais. As principais unidades de medida utilizadas para energia são gcal/cm2 e kcal/m2. Estas unidades não devem ser confundidas com unidades de iluminação as quais se referem, apenas, ao espectro visível como o pé-vela e o lux.

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4.6 O aproveitamento da energia solar Existem várias formas de aproveitar a radiação solar e os métodos de aproveitamento podem ser classificados por diferentes modos. Uma classificação denomina os métodos de diretos ou indiretos: • o método direto implica uma conversão da energia solar para uma forma de energia aplicável, Por exemplo: quando a energia solar atinge uma superfície escura e então é convertida em calor, esse calor pode ser usado para aquecer a água; • o método indireto implica mais de uma conversão energética para tornar a energia utilizável. Por exemplo: a energia solar atinge um módulo fotovoltaico e é convertida em energia elétrica – essa forma de energia é, então, convertida em energia mecânica, capaz de mover cortinas de acordo com a disponibilidade de radiação solar. Outra classificação denomina os métodos de utilização de energia solar em passivos e ativos: • o método passivo é aquele no qual não há necessidade de dispositivos elétricos, mecânicos ou químicos, para que seja possível utilizar a radiação solar, como, por exemplo, os sistemas de aquecimento solar em regiões tropicais, que são capazes de aquecer a água sem a necessidade de dispositivos; • o método ativo utiliza equipamentos elétricos, mecânicos ou químicos para aumentar a coleta da radiação solar. Em regiões temperadas, por exemplo, os sistemas de aquecimento solar necessitam de adição de substâncias anticongelantes, para que possam aquecer a água mesmo em temperaturas médias ou baixas. As diferentes tecnologias permitem ainda muitos outros usos da energia solar, como: • cozinhar ao Sol em fornos do tipo caixa;

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• • • •

funcionamento de equipamentos diversos; obtenção e dessalinização de água; retirada de contaminantes químicos da água; e irrigação em culturas agrícolas diversas.

Aproveitamento solar Atualmente, a maior parte dos aproveitamentos solares é utilizada para o aquecimento de água (energia solar termal) e para geração de energia elétrica (energia solar fototermal e fotovoltaica).

A energia solar termal é amplamente utilizada para o aquecimento de água em moradias, hotéis, piscinas, hospitais, centros poliesportivos e indústrias. Esses sistemas permitem o aproveitamento da radiação solar na forma de calor, por isso, são utilizados em áreas que já dispõem de abastecimento centralizado de eletricidade, visando à redução de custos com esse serviço. Além disso, a utilização da energia solar termal diminui a pressão sobre os sistemas centralizados de eletricidade que necessitam de constantes ampliações (o que gera novos impactos ambientais). Por outro lado, a utilização da radiação solar para geração de eletricidade é obtida através das tecnologias fototermal e fotovoltaica, que utilizam o calor solar e o efeito fotovoltaico para converter a radiação solar em eletricidade. Esse tipo de aproveitamento amplia as possibilidades de utilização da energia solar para diversos fins como iluminação, funcionamento de máquinas e equipamentos, etc. Os sistemas de geração de energia elétrica fototermais utilizam o calor coletado e concentrado para operar um sistema de geração de eletricidade convencional. Equipamentos concentradores da radiação solar permitem aquecer fluidos que abastecem geradores elétricos. Geralmente, esse método de geração de eletricidade é utilizado em usinas solares centralizadas e integradas à rede pública.

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Os sistemas fotovoltaicos utilizam células, módulos e arranjos em que o efeito fotovoltaico gera eletricidade diretamente. Os equipamentos fotovoltaicos oferecem diversas vantagens, porque são imóveis, silenciosos e não apresentam depleção de materiais. Em geral, os sistemas solares são singelos e não apresentam peças mecânicas móveis, o que exige pouca manutenção, reduz os prazos de instalação e gera confiabilidade em seus equipamentos. Seus desenhos podem ser muito variados, porque sistemas solares são, na maioria das vezes, modulares, permitindo adequações de produção desde mW até MW (medidas de grandezas utilizadas para medir a potência). Outros aproveitamentos da radiação solar também estão sendo pesquisados e desenvolvidos. Um exemplo disso é o estudo sobre a utilização da energia solar para automóveis. Empresas promovem eventos com veículos movidos à energia solar, visando a estimular o desenvolvimento de tecnologias adequadas e sua disseminação. Algumas competições existem há mais de 20 anos. Veja um exemplo na notícia a seguir.

Carros movidos à energia solar disputam competição na Austrália Foi dada a largada no último domingo (21/10) para o Panasonic World Solar Challenge, desafio bianual de carros movidos à energia solar, que acontece na Austrália. As equipes participantes devem pesquisar, desenhar e construir veículos capazes de atravessar uma jornada de 3 mil quilômetros da área tropical de Darwin, no Norte, à cosmopolita cidade de Adelaide, no Sul da Austrália. Desde 1987, o desafio se propõe a promover a excelência técnica e ao mesmo tempo atrair atenção para a importância de meios de transportes sustentáveis. Ao longo dos 20 anos da competição, a velocidade média dos carros solares subiu de 67 km/h, recorde do vencedor da prova em 1987, para 103 km/h, média do vencedor da última prova, com o máximo de velocidade atingida em 147 km/h.

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Figura 3.11 – Carro solar

Fonte: Disponível em: <http://www.aboutmyplanet.com/science-technology/solar-diy-car-kit/>. Acesso em: 10 jun. 2011.

Outros grupos de pesquisadores e empresas se dedicam ao desenvolvimento de métodos de utilização da energia solar como fonte energética de aviões. Atualmente as atividades estão voltadas para a capacidade dos aviões em voar tanto durante o dia quanto durante a noite. A Figura 3.12 a seguir mostra um avião movido à energia solar.

Figura 3.12 – Avião movido à energia solar

[80] Fonte: Disponível em: <http://community.greencupboards.com/2011/05/19/solar-powered-airplane>. Acesso em: 10 jun. 2011.

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Outra aplicação da energia solar é a dessalinização da água através da aplicação da tecnologia solar termal, como é feito, por exemplo, em Almeria (Portugal). Além disso, a energia solar também pode ser aproveitada para produção de hidrogênio. Atualmente, a maior parte do hidrogênio utilizado é obtido a partir da queima de gás natural, mas, em 2007, o projeto europeu Hydrosol elaborou um reator – situado na Grécia – capaz de produzir hidrogênio a partir da água, utilizando como fonte de energia a radiação solar. A eficiência desse reator chega a 70%. (INOVAÇÃO TECNOLÓGICA, 2007).

Projeto Hydrosol O projeto europeu Hydrosol, coordenado pelo Dr. Anthanasios Konstandopoulos, tem como objetivo exatamente produzir hidrogênio exclusivamente a partir de fontes renováveis. O reator solar, criado pelos pesquisadores do projeto, consiste em um corpo de cerâmica porosa, cujos canais são revestidos por um catalisador especial nanoparticulado. Um conjunto de espelhos concentra a luz do sol, fazendo a água se transformar em vapor, que é forçado a passar pelos microcanais da cerâmica. Aí, o catalisador efetua a quebra das moléculas de água.

A seguir serão apresentados os tipos de aproveitamento de energia solar mais utilizados: a energia solar termal e a energia solar fototermal e fotovoltaica.

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4.7 Energia termossolar A energia solar termal é uma fonte de energia renovável muito utilizada em moradias e atividades econômicas diversas. Com sua utilização, é possível economizar energia produzida a partir de fontes fósseis. Esse tipo de aproveitamento também é chamado de energia fototérmica. Quando a energia solar entra em contato com a matéria na superfície da Terra, podem ocorrer três fenômenos distintos: • a energia pode ser refletida; • a energia pode ser transmitida; • a energia pode ser absorvida pela matéria e transformada em calor. Esses princípios básicos são fundamentais para a utilização da radiação solar como fonte de energia. Nesta seção, vamos esboçar aspectos técnicos de sistemas solares coletores, de estocagem e de acumulação de energia por meio da tecnologia termal. Para utilização da energia solar termal é fundamental o desenvolvimento de métodos de captação da radiação solar e seu posterior armazenamento ou estocagem. Inicialmente, é necessário conhecer a quantidade de radiação solar que cada substância ou corpo é capaz de absorver. Através da utilização de substâncias com grande capacidade de absorção de radiação, é possível captar a energia solar para que seja utilizada no sistema termal. Para tanto, são utilizados equipamentos específicos denominados coletores solares. A Figura 3.13 apresenta um tipo de coletor solar:

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Figura 3.13 – Coletor solar termal

Fonte: Disponível em: <http://safenature-luta.blogspot.com/2009/07/energias-renovaveis-aproveitamento-do. html>. Acesso em: 12 maio 2011.

A maior parte dos coletores solares capta a energia solar através do aquecimento de fluidos. Os fluidos utilizados para captar a radiação solar convertida em calor podem ser líquidos ou gasosos, e os coletores solares podem ser planos ou concentradores. Os coletores planos são os mais utilizados e são semelhantes àquele apresentado na Figura 3.13. Já os coletores concentradores são assim denominados porque contam com a presença de dispositivos concentradores da radiação solar. Uma vez convertida a radiação solar em calor, os sistemas coletores a capturam e aquecem o fluido específico, que, depois, precisará ser estocado ou armazenado em reservatórios. Os reservatórios de estocagem devem ser termicamente isolados, para que sejam capazes de manter o fluido aquecido até sua utilização final, como o aquecimento da água da moradia, por exemplo. O reservatório é acondicionado no interior da edificação. Captada e estocada, a energia solar termal pode ser utilizada imediatamente, ou acumulada para uso futuro. Quando essa fonte de energia é utilizada imediatamente, pode-se dispensar diversos equipamentos e tornar o seu custo de implantação ainda menor. No entanto, nessa situação, os sistemas termais apresentam limitações quanto ao seu uso noturno ou em baixas temperaturas. Quanto melhores os equipamentos de estocagem, mais tempo será possível dispor do aquecimento solar termal.

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Assim, os sistemas solares termais demandam a existência de equipamentos de coleta, estocagem e acumulação da radiação solar convertida em calor. Em regiões tropicais, esses sistemas podem ser muito simples e apresentar grande eficiência, mas, nas regiões mais frias (onde sua utilização é ainda mais interessante), esses sistemas precisam de novos componentes, tais como fluidos anticongelantes e válvulas de descarga, para melhorar seu desempenho.

Aquecimento solar O aquecimento solar é utilizado, principalmente, para esquentar a água ou o ar. Sistemas solares termais são instalados em habitações como sistemas complementares e são aplicados no aquecimento da água para residências ou piscinas. Tais sistemas são utilizados, também, na secagem de grãos provenientes da produção agrícola, além do uso para geração de energia elétrica em usinas solares que utilizam os mesmos princípios das termelétricas: o calor é utilizado para aquecer a água e o vapor d’água faz mover uma turbina que gera eletricidade. Os sistemas solares termais apresentam os menores custos de implantação e geram menos impactos ambientais negativos do que as outras tecnologias de aproveitamento solar, porque são mais simples e demandam menos matérias-primas não renováveis.

Descrição e design das instalações termais solares Esta seção busca caracterizar os métodos típicos de aquecimento doméstico de água que utilizam o Sol como fonte. Os tipos de sistemas solares discutidos são: i) sistemas de bombeamento direto; ii) sistemas de bombeamento indireto; iii) sistemas de drenagem reversa; iv) sistema de estocagem integral (ICS); e v) sistema termossifão.

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I. Sistemas de bombeamento direto O sistema de bombeamento direto, ilustrado na Figura 3.14, apresenta um ou mais coletores solares instalados no telhado, associadamente a um tanque de estocagem localizado em algum lugar abaixo (geralmente na garagem ou próximo à caixa d’água). A bomba faz a água circular do tanque para o coletor e, depois, voltar ao tanque novamente. Esse sistema é chamado de “direto” ou de “circulação aberta”, porque o calor do Sol é transferido diretamente para a água potável, circulando entre o encanamento do coletor e o tanque de estocagem. Nestes sistemas, nenhum outro produto ou equipamento é utilizado. (FSEC, 2011).

Figura 3.14 – Sistema de bombeamento direto

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water/homes/system_types.htm>. Acesso em: 29 abr. 2011.

O sistema de bombeamento direto tem um controlador diferencial que percebe diferenças de temperatura entre a água que deixa o coletor solar e a água mais fria no tanque

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de estocagem. Quando a água do coletor está 6º C mais quente do que a água do tanque, o bombeamento é acionado. Quando a diferença de temperatura entre coletor e tanque diminui para 2º C, o bombeamento é desligado. Assim, a água sempre recebe calor do coletor, quando o bombeamento é acionado. (FSEC, 2011). Uma válvula de proteção instalada próximo ao coletor permite evitar resfriamento. Sempre que a temperatura esfria, a válvula abre e deixa a água quente fluir em direção ao coletor. O coletor pode ainda ser drenado manualmente, pelo fechamento de válvulas de isolamento, localizadas sobre o tanque de estocagem e a abertura das válvulas de drenagem. Outra forma de proteção contra o resfriamento é o sistema de recirculação automática, ou seja, quando a água do coletor alcança uma temperatura mais fria (predeterminada), o controlador liga o bombeamento por alguns minutos para aquecer o coletor com a água do tanque. (FSEC, 2011). Assim, o sistema de bombeamento direto é adequado para regiões com climas tropicais.

II. Sistemas de bombeamento indireto O sistema de bombeamento indireto é adequado para regiões com climas temperados, e funciona da seguinte forma: uma solução anticongelamento é colocada no sistema para circular através do coletor, e um transferidor de calor passa esse calor da solução anticongelante para o tanque de água. A solução usada neste tipo de sistema é uma mistura de água destilada e anticongelante, como as utilizadas em automóveis. Esse tipo de fluido só congela em temperaturas muito baixas, e é capaz de proteger o sistema, de danos causados pelo frio intenso. Quando fluidos tóxicos de aquecimento são usados, é necessário utilizar um trocador com proteção dupla. Geralmente, o trocador de calor deve ser instalado na metade inferior do tanque de estocagem. (FSEC, 2011). A Figura 3.15 apresenta um exemplo do sistema de bombeamento indireto.

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Figura 3.15 – Sistema de bombeamento indireto

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water/homes/system_types.htm>. Acesso em: 22 maio 2011.

No sistema ilustrado na Figura 3.15, a solução transferidora de calor é bombeada através do coletor, num fluxo circular fechado. Esse fluxo circular inclui o coletor, o tubo conector, a bomba, um tanque de expansão e o trocador de calor. Um trocador de calor na metade inferior do tanque de estocagem transfere o calor da solução para a água potável no tanque de estocagem solar. (FSEC, 2011). Um design alternativo para esse tipo de sistema de bombeamento indireto é recobrir o tanque com o trocador de calor, o que evita que a solução tóxica entre em contato com a água potável. O cerne do sistema é o controlador diferencial que, associado a sensores de temperatura no coletor e no tanque, determina quando o bombeamento deve ser ativado para direcionar o fluido transferidor de calor através do coletor. (FSEC, 2011).

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III. Sistemas de drenagem reversa O sistema de drenagem reversa também é adequado para regiões com climas frios, onde o congelamento do equipamento é uma grande preocupação. A remoção da água de coletores e tubos é um método seguro de evitar o congelamento. O sistema de drenagem reversa tem como principal característica a possibilidade de drenagem do sistema. (Figura 3.16).

Figura 3.16 – Sistema de drenagem reversa

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water/homes/system_types.htm>. Acesso em: 19 jun. 2011.

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Neste sistema, a água nos coletores e nos tubos expostos drenam para dentro do tanque/reservatório cada vez que o sistema de bombeamento é desligado. Uma cobertura leve dos coletores é necessária para a drenagem completa. Um vidro transparente é instalado no tanque de drenagem reversa para que seja possível verificar quando ele está cheio, e, consequentemente, se o coletor foi drenado. (FSEC, 2011). Recomenda-se, neste tipo de sistema, o uso de água destilada como solução transferidora de calor no coletor. O uso de água destilada aumenta as características de transferência de calor que previne uma mineralização da solução transferidora. Quando a temperatura externa aumenta novamente, o bombeamento é acionado por um controlador diferencial. A água é bombeada do tanque de drenagem para os coletores, permitindo a coleta de calor. A água estocada no reservatório de drenagem circula numa volta fechada através dos coletores, do transferidor de calor e do tanque de estocagem solar. O calor é levado dessa volta fechada para a água potável através do transferidor. (FSEC, 2011).

IV. Sistema de estocagem integral (ICS) No sistema de estocagem integral, ilustrado na Figura 3.17, o sistema de estocagem de água quente é o próprio coletor. A água fria flui do coletor, onde é aquecida pelo sol. A água quente é levada do alto do sistema, que é mais quente, para as partes mais baixas. Assim, a água fria da casa flui para o coletor, e, lá, a água aquecida flui para um tanque auxiliar de água quente dentro da casa. Esse é um sistema simplificado, porque as bombas e os controladores não são necessários.

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Figura 3.17 – Sistema de estocagem integral 85

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water/homes/system_types.htm>. Acesso em: 10 jun. 2011.

Em regiões frias, uma válvula de proteção contra o resfriamento do tipo “descarga” é instalada no alto. Em temperaturas próximas ao congelamento, essa válvula se abre e permite que a água, razoavelmente aquecida, circule pelo coletor para prevenir o congelamento.

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V. Sistema termossifão A Figura 3.18 mostra um sistema de termossifão típico. Quando o Sol atinge o coletor, a água dentro dele e do encanamento é aquecida. Enquanto isso ocorre, a água se expande e fica mais leve do que a água fria que está localizada no tanque de estocagem solar montado sobre o coletor. A gravidade empurra a água fria para baixo no tanque, que, por sua vez, empurra a água aquecida do tanque para dentro do coletor, além de aquecer a água do tanque.

Água fria interna

Figura 3.18 – Sistema termossifão

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water/homes/system_types.htm>. Acesso em: 2 maio 2011.

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O sistema de termossifão também não requer bombas ou controladores. A água fria (proveniente do sistema de abastecimento preexistente na residência) flui diretamente para o tanque de estocagem próximo ao telhado. A água aquecida pela energia solar flui do tanque do telhado para um tanque auxiliar no nível do chão, cada vez que a água é utilizada na residência. Em regiões frias, esses sistemas podem ser acrescidos de válvulas termicamente operadas para proteção do coletor contra congelamento. Também podem ser incluídas válvulas de isolamento as quais permitem que o sistema solar seja drenado manualmente, em caso de congelamento.

FSEC A Universidade da Flórida possui o Centro Flórida de Energia Solar (FSEC). Nesse centro, pesquisadores testam e certificam sistemas solares termais, e os resultados são utilizados para fomentar o uso individual de sistemas solares. O site do FSEC (disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/ consumer/solarhot _ water>) _ apresenta muitas informações interessantes e publicações gratuitas sobre o aquecimento solar de água.

Os sistemas descritos acima, que requerem o uso de bombas e controladores, apresentam seu uso restrito a regiões que já dispõem de fornecimento público de água e energia elétrica, e são, por isso, considerados sistemas complementares. Esse é o caso do sistema de bombeamento direto, do sistema de bombeamento indireto e do sistema de drenagem reversa. Já o sistema de estocagem integral e o sistema de termossifão podem ser aplicados em regiões onde não existe nenhum tipo de abastecimento de energia elétrica e em regiões tropicais que não necessitam de proteção contra o congelamento. Os sistemas solares termais podem ser construídos em qualquer tamanho, utilizando diferentes modelos e métodos. O FSEC disponibiliza uma ferramenta livre na internet a

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qual permite obter informações sobre energia, custos e potencial ecológico de sistemas solares de aquecimento de água para consumidores individuais. Essa ferramenta é chamada de Calculador Simplificado para Sistemas Solares de Aquecimento de Água para Residências (Simplified Residential Solar Hot Water System Calculator), disponível em <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_hot_water/homes/calculator/index. htm>. Para usá-lo, é necessário responder a algumas questões nos campos “Informações Básicas sobre o Sistema Solar” através de menus preestabelecidos. Uma limitação dessa ferramenta é que seu modelo de cálculo refere-se às condições climáticas da América do Norte apenas. De forma simplificada, seguem abaixo os principais passos necessários à instalação de sistemas residenciais de aquecimento de água pela energia solar. Evidentemente, cada sistema tem especificações particulares. No entanto a instalação de um sistema que usa coletores solares do tipo raso, controlador diferencial, diversos sensores, uma bomba e válvulas permite percorrer os principais passos necessários à instalação de qualquer sistema solar. Além do tipo de sistema, também o tipo de telhado pode alterar as necessidades de instalação. Os passos citados neste texto referem-se a telhados cobertos com telhas. Caso o tipo de telhado seja coberto com outro material, outros métodos de montagem devem ser utilizados. A instalação de sistemas solares para o aquecimento de água requer habilidades com encanamentos, trabalhos em áreas altas como telhados e montagem de sistemas elétricos. Estas atividades causam riscos à saúde e só devem ser realizadas por profissionais capacitados – e estes devem utilizar equipamentos de proteção individual (EPI). Os passos descritos aqui foram apresentados pelo Centro de Energia Solar da Flórida (FSEC) com os seguintes apoios: All Solar Power (Tampa, Flórida, Estados Unidos); All Solar Systems (Hallandale, Flórida, Estados Unidos); e, Richard Lavigne e Dave Eddington (FSEC, 2011).

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O primeiro passo para o estabelecimento de um sistema solar de aquecimento de água é a Montagem do Coletor. Antes de iniciar a instalação do sistema solar termal, o telhado deve ser verificado para garantir que existam condições de instalação do coletor solar. Tal verificação inclui a observação das telhas (se elas estão em condições satisfatórias e se a armação do telhado está estruturalmente adequada para suportar o coletor). A maior parte dos telhados não apresenta problemas para a instalação de coletores solares, mas a verificação, ainda assim, é importante. O instalador deve verificar a melhor posição para que o coletor receba, pelo menos, 6 horas de insolação diárias. O momento ideal de coleta da radiação solar são 3 horas antes e 3 horas depois do meio-dia. É recomendável que os coletores sejam instalados voltados para o norte (nos países do hemisfério sul) e para o sul (nos países do hemisfério norte), devido à inclinação natural dos raios solares no planeta. As ripas do telhado devem ser localizadas, já que nelas serão afixadas as braçadeiras. Para localização das ripas há duas maneiras: pode ser feita uma observação a partir da firmeza do telhado ou identificá-las dentro da casa. Em geral, os coletores solares apresentam clipes que serão conectados às braçadeiras. O instalador terá que levantar as telhas cuidadosamente e aplicar um selador abaixo da braçadeira para instalá-la sob a telha levantada. A localização das braçadeiras e dos clipes no telhado é muito importante para a boa fixação do coletor solar e, também, para a boa distribuição do peso dele. Uma vez fixadas as braçadeiras e clipes, o coletor solar é instalado no telhado. Os coletores pesam mais de 40kg, geralmente. Na maior parte dos casos, quatro conjuntos de braçadeiras e clipes são suficientes para fixação do coletor. Caso o coletor precise ser instalado em outro ângulo para poder aproveitar melhor a radiação solar, torna-se necessário instalar suportes de modo a garantir sua fixação ao telhado. É importante, ainda, destacar a necessidade de manter um espaço entre o coletor e o telhado para permitir a passagem de folhas e outros materiais e evitar a obstrução. Depois de montar o coletor, devem ser estabelecidos os Tubos/Encanamentos. Esta etapa compreende a conexão entre coletor e tanque de estocagem e a conexão de retorno entre tanque e coletor. Muitos consumidores apresentam preocupações sobre

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a possibilidade de o coletor e os encanamentos ocasionarem danos no telhado. Essa possibilidade existe quando os furos e o seu selamento não são feitos corretamente. Para que isso não aconteça, o instalador deve identificar e marcar a localização dos furos necessários para instalar os tubos no telhado. O tamanho dos furos deve ser equivalente ao tamanho dos tubos que serão utilizados. Devem ser feitos dois furos: um para a linha de alimentação do coletor e outro para a linha de retorno. O furo passa pela telha e pelo forro (quando existe) e deve ser feito com uma broca para madeira, sob o coletor, para permitir que o coletor seja drenado para manutenção ou outros serviços. O furo deve estar localizado no meio da telha; aí, então, é aplicado um selante e instalado o encanamento. Uma peça vedante para proteção contra chuva é colocada no furo central da telha, deixando o encanamento embutido. Em seguida, o encanamento que conecta o coletor solar ao tanque de estocagem de água deve ser instalado no interior da casa. O cobre é a matéria-prima mais comum para esses encanamentos. Para evitar perdas de calor, o encanamento pode ser isolado, devendo encontrar o telhado perpendicularmente. É importante que o encanamento permita a drenagem do sistema, se necessário. A linha de retorno vai conter válvulas conforme o desenho do sistema escolhido (válvula de descarga, válvula de anticongelamento e válvula de ventilação). Após a montagem, o encanamento é soldado. Por fim, ele deve ser pintado para maior ciclo de vida. Após a instalação do encanamento, inicia-se a montagem do tanque de estocagem, que acondiciona o calor convertido a partir da radiação solar e funciona como aquecedor de água ou de ar – é nesse tanque que a água aquecida pelo Sol é estocada. A instalação do tanque de estocagem de água quente inclui a conexão com o encanamento de alimentação e retorno e diferentes válvulas. O tanque de estocagem também deve ter isolamento, visando a evitar perdas de calor. Muitos tanques de estocagem apresentam algum tipo de equipamento elétrico de manutenção da temperatura da água. Neste tipo de sistema, um termostato é adicionado, o qual aciona um dispositivo que permite que a água do tanque seja aquecida por eletricidade, quando o Sol não está produzindo água quente.

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Em sistemas solares termais conectados à rede elétrica, bombas elétricas e controles diferenciais podem ser adicionados ao sistema. São estabelecidos dois sensores, um no fundo do tanque de estocagem, que é a parte mais fria do sistema; outro, no encanamento de alimentação do coletor solar, parte mais quente. Quando os sensores registram uma diferença de temperatura grande o suficiente, em geral maior do que 6º C, o controlador diferencial aciona uma bomba. Quando a diferença de temperatura cai para menos de 2º C, a bomba é desligada. Os controladores diferenciais são instalados próximo ao tanque de estocagem. Hoje, controladores com visores digitais e de LED existem no mercado e apresentam diferentes configurações, mas a maior parte possibilita a configuração “ligado” ou “desligado”, além de indicar a diferença de temperatura (que aciona a bomba). A utilização de sensores e controladores implica a instalação de fiação elétrica, que, inclusive, deve ser protegida de contato e das condições ambientais do telhado. Os sensores são fixados no tubo de alimentação do coletor e no tanque de estocagem, utilizando uma cola térmica. Outro componente de um sistema solar é a bomba ou o circulador, cuja função é fazer circular o fluido entre o coletor e o tanque de estocagem. Ao redor da bomba são instalados diversos componentes, como válvula de checagem, válvulas de drenagem e válvulas de isolamento. Após a instalação de todos os componentes, o sistema deve ser pressurizado para verificar se não existem vazamentos ou outros prejuízos que possam comprometer seu funcionamento ou eficiência. Todos os componentes devem ter isolamento, tanto os internos quanto os externos. O isolamento previne a perda de calor e a deterioração ambiental dos equipamentos, e a espessura do isolamento depende das condições climáticas da área de utilização do sistema solar termal. O isolamento de borracha se deteriora, com facilidade, nas áreas externas à edificação, por isso capas de látex podem ser aplicadas sobre o isolamento, para aumentar sua durabilidade.

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Conversão da energia termossolar em eletricidade Os princípios físicos para conversão da radiação solar em eletricidade são conhecidos há mais de um século. Em 1860, foi produzido o primeiro motor a utilizar radiação solar na geração de eletricidade. Em 1900, tais motores passaram a ser comercializados, e, em 1912, foi construído o primeiro concentrador solar, no Egito, com capacidade de gerar 45kW. A partir desses esforços iniciais, desenvolveram-se novas tecnologias para o aproveitamento da radiação solar na geração de eletricidade. Com a crise do petróleo na década de 1970, houve incentivos políticos e econômicos para o desenvolvimento de usinas solares. Na década de 1980, empresas começaram a produzir concentradores solares em série e foram estabelecidas as primeiras usinas solares nos Estados Unidos. Essas usinas produziam, inicialmente, 14 MW, depois passaram a 30 MW e atingiram 80MW. Hoje, tais usinas produzem 354MW. Em muitas regiões do mundo, 1 km2 de terra é capaz de gerar mais de 100 gigawatt horas (GWh) de eletricidade por ano, usando tecnologia termal. Esse valor é equivalente à produção anual de usinas termelétricas com capacidade instalada de 50MW, porém, para a produção de eletricidade termal, apenas a radiação solar direta ou irradiação direta normal (IDN) pode ser utilizada. A radiação solar direta é aquela que não é desviada por nuvens, fumaça ou poeira na atmosfera. Assim sendo, essa radiação atinge a superfície em raios paralelos que podem ser concentrados. E sua utilização é mais promissora em regiões com altos índices de radiação direta. A geração de energia elétrica a partir do aquecimento solar pode ser amplamente utilizada em regiões com alta radiação solar direta. As áreas mais promissoras são a América Central e do Sul, Austrália, China, planícies da Índia, Paquistão, Oriente Médio, países europeus mediterrâneos, norte e sul da África e sudoeste da América do Norte. Essas regiões apresentam condições específicas, tais como ausência de vegetação, que promove excesso de umidade na atmosfera, como estepes, savanas, desertos e semidesertos.

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Descrição e design das instalações As instalações ou plantas solares (Concentrating Solar Power – CSP) funcionam da mesma forma que as usinas térmicas convencionais (carvão, gás ou óleo diesel). A grande diferença está na utilização da radiação solar concentrada que aquece algum meio (líquido ou gasoso) a altas temperaturas para operar turbinas ou motores. Usinas solares são ideais para atender os picos de demanda energética para resfriamento, durante as horas mais quentes do dia. Uma crítica relevante em relação às usinas solares para geração de energia elétrica remete à sua dependência da luz diurna para produção. Para contornar esse problema, existem usinas que investem em estocagem de calor para possibilitar seu funcionamento por horas, sem radiação solar direta. O calor solar coletado durante o dia pode também ser estocado em meios líquidos ou sólidos, tais como sais, cerâmica e concreto. À noite, o calor pode ser extraído desses meios e continua a operar as turbinas. Sistemas de estocagem térmica são capazes de expandir o tempo de operação das usinas solares. Como exemplo, podemos citar usinas na Espanha, desenhadas para possibilitar a estocagem de calor por até 12 horas, o que aumenta, consideravelmente, seu potencial de produção de eletricidade anual. (GREENPEACE, 2005). Outra forma de contornar a dependência da luz diurna pode ser a instalação de sistemas híbridos de geração de eletricidade. As plantas de geração de energia elétrica a partir do aquecimento solar podem ser desenhadas para operar apenas com a radiação solar ou para operar de forma híbrida, combinando outras fontes de energia utilizadas quando existe pouca radiação solar. Assim, existem usinas que operam com combinações de fonte solar e fósseis. A combinação de diferentes fontes de energia em sistemas solares híbridos pode ser uma estratégia interessante para as usinas integradas à rede pública de fornecimento de energia. Com essa combinação, é possível garantir a qualidade da energia exigida pelo operador do sistema elétrico local.

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A instalação dos sistemas solares termais para geração de eletricidade em usinas convencionais também pode facilitar a utilização desse recurso em sistemas integrados à rede pública. Quatro elementos principais são necessários para produzir eletricidade a partir do aquecimento solar: um concentrador, um receptor, alguma forma de transporte ou estocagem e um conversor de energia. As três tecnologias para geração de energia elétrica a partir do calor são coletores parabólicos, receptor central ou torre solar e discos coletores.

I. Coletores parabólicos Esta tecnologia usa espelhos refletores parabólicos para concentrar radiação solar nos tubos do receptor, no qual um fluido transferidor termal é aquecido e usado para produzir vapor superaquecido. Essa é a tecnologia de geração termal de eletricidade mais madura, pois é utilizada desde 1980, nos Estados Unidos, com distribuição integrada à rede pública e produção de 354 MW. Atualmente, diversos avanços nessa tecnologia estão possibilitando a sua utilização na Espanha, no Marrocos, na Argélia, na Itália, na Grécia, em Israel, no Egito, na Índia, no Irã, na África do Sul e no México. Apesar de seu desenvolvimento avançado, ainda existem pesquisas referentes a esse tipo de tecnologia. Desenhos estruturais avançados podem melhorar a acurácia ótica e, com isso, reduzir o peso e o custo de produção dos espelhos parabólicos. A redução de peso pode permitir o aumento no tamanho dos espelhos, o que, por sua vez, permite a economia nos sistemas de encanamento relacionados aos coletores. É possível, ainda, reduzir as perdas de calor nos encanamentos e, consequentemente, aumentar a viabilidade da usina. No entanto a estratégia mais relevante para a redução de custos na utilização dessa tecnologia tem relação com a produção em grande escala automatizada. (GREENPEACE, 2005).

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Figura 3.19 – Coletor solar parabólico

Disponível em: <http://www.solarthermalmagazine.com/SolarThermal/parabolic-trough/>. Acesso em: 11 maio 2011.

II. Sistemas de receptores centrais ou torres solares Esta tecnologia utiliza um arranjo circular central, com grandes espelhos planos orientados individualmente, os quais concentram a luz solar no receptor localizado no topo de uma torre central. Nessa torre, o calor é transferido para a geração de eletricidade através de um meio de transferência escolhido. Usinas desse tipo existem na Espanha, com capacidade instalada entre 30 e 50MW, integradas à rede pública. A média de concentração da radiação solar em sistemas de torres centralizadas condiz com a temperatura do vapor produzido (que varia entre 540°C a 1.000°C). A viabilidade técnica dos sistemas de torres solares foi comprovada na década de 1980, por meio da operação de seis plantas nos Estados Unidos, com capacidades entre 1 e 10

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MW, conectadas à rede convencional. Vários receptores centrais e meios de transferência de calor foram analisados, incluindo água/vapor; sódio/líquido; sais e ar ambiente. Esses sistemas permitem que a energia solar seja coletada durante as horas de luz diurna para produzir eletricidade durante a noite. Nas regiões com alta insolação do planeta, esse tipo de usina solar pode atender às demandas de eletricidade para resfriamento de ambientes, durante os picos quentes do ano. Em países em desenvolvimento, a capacidade de estocagem de calor pode ser ainda mais importante, porque, muitas vezes, a maior demanda de eletricidade ocorre à noite. Usinas na Espanha são capazes de garantir a estocagem de calor por 12 horas, o que pode levar o funcionamento da usina em 24 horas. O sistema de receptores centrais é considerado menos comercializável do que os sistemas parabólicos. No entanto, em longo prazo, acredita-se que as torres solares serão capazes de produzir eletricidade com alta eficiência e custos entre 5 e 7 centavos de dólar/kWh. Existem projetos desse tipo sendo desenvolvidos na Espanha e na África do Sul.

Figura 3.20 – Torre solar

Fonte: Disponível em: <http://www.greenpeace.org/brasil/pt/Noticias/for-a-do-sol-pode-movimentar-m>. Acesso em: 10 jun. 2011.

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III. Discos coletores Os sistemas de discos coletores são unidades comparativamente menores, as quais usam um refletor na forma de disco para concentrar a luz solar e superaquecer um fluido usado para gerar eletricidade em mecanismos pequenos, no ponto focal do refletor. Seu maior potencial está relacionado à produção descentralizada para suprir áreas remotas em sistemas solares individuais. Usinas desse tipo estão sendo desenvolvidas nos Estados Unidos, na Austrália e na Europa. As expectativas Figura 3.21 – Disco coletor futuras relacionadas aos custos de produção Fonte: Disponível em: <http://www.solarnavigator.net/images/solar_power_euro_parabode eletricidade apontam valores entre 15 e 20 lic_dish_sbp.jpg>. Acesso em: 19 maio 2011. centavos de dólar/kWh. Discos coletores variam entre 5 e 15 metros de diâmetro, com capacidade de produção de 5 a 50kW. Assim como os outros sistemas de concentração de calor, o referido sistema também pode ser associado a outras fontes de energia, como gás natural ou biogás, para aumentar a produção de eletricidade diária. O sistema de discos coletores apresenta a melhor performance para produção de eletricidade devido ao seu foco óptico ideal que permite aos discos concentrar grandes quantidades de radiação solar. No entanto, por razões econômicas, esse tipo de sistema fica restrito a unidades com capacidades próximas a 25 kW, as quais utilizam arranjos com diversos discos e permitem aumentar sua capacidade. Em função do seu tamanho reduzido, pesquisadores acreditam que o futuro dessa tecnologia será o desenvolvimento de sistemas autônomos e remotos. Projetos relacionados a essa tecnologia estão sendo desenvolvidos, principalmente, nos Estados Unidos e na Europa. As três tecnologias apresentadas possuem vantagens e desvantagens, e são adequadas para diversas aplicações. Todas apresentam em comum a possibilidade de operar co-

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nectadas ao sistema de abastecimento elétrico convencional. No entanto a tecnologia de discos coletores apresenta maior potencial para sistemas autônomos ou integrados a pequenos sistemas elétricos. Os sistemas de coletores parabólicos trabalham em temperaturas médias e altas. Já os sistemas com torre central atingem temperaturas mais elevadas, em torno de 1.000°C. Uma das principais vantagens dos sistemas coletores parabólicos tem relação com sua viabilidade comercial, que conta com mais de 12 bilhões de kWh de experiência em temperaturas acima de 400°C e que comprovam sua eficiência (14%), além de seus custos de implantação e operação e sua capacidade de compor arranjos modulares. Esse sistema apresenta baixa demanda de materiais e pode ser utilizado em sistemas híbridos ou sistemas que preveem estocagem de calor. Ademais, apresenta o melhor fator de uso do solo entre as tecnologias solares. As maiores desvantagens da tecnologia de coletores parabólicos dizem respeito às moderadas temperaturas atingidas (400°C) pelos transferidores de calor. A principal vantagem dos sistemas com torres solares centrais é a sua capacidade de operar em altas temperaturas. No entanto sua performance e os custos de implantação e operação ainda precisam de mais provas para comercialização. Já no que tange aos sistemas de discos coletores, seus maiores benefícios são a alta eficiência na conversão da radiação solar em eletricidade (30%); a modularidade; e, a capacidade de compor sistemas híbridos. No entanto ainda são necessários estudos para comprovar sua viabilidade.

Energia termossolar e impactos ambientais A avaliação de impactos ambientais é um processo complexo e pode ser realizada através de diversos métodos, entre eles – e um dos mais utilizados – o que busca relacionar as ações humanas (que sempre causam impactos de diferentes tipos) e os aspectos ambientais afetados (os componentes ambientais que são atingidos pelas ações rea-

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lizadas) para definir os principais impactos decorrentes de uma atividade econômica. (SÁNCHEZ, 2006). É importante observar que os impactos ambientais podem ser negativos ou positivos: existem aqueles que prejudicam o ambiente (ecológico, econômico e social), como a geração de efluentes tóxicos, mas também existem impactos de atividades econômicas que favorecem o ambiente local, como a geração de empregos e a migração de jovens em busca de trabalho, por exemplo. Uma vez definidos os impactos ambientais, eles precisam ser avaliados, precisam de critérios preestabelecidos para definir a importância relativa de cada impacto dentro do contexto de análise. Essa hierarquização (entre mais e menos importantes ou graves) é necessária, para que se possa verificar a validade da utilização de determinada tecnologia, como os sistemas solares de aquecimento de água. A verificação pode utilizar conceitos clássicos da Economia como a “utilidade marginal”, porém, usando esse conceito, podemos afirmar que um impacto ambiental pode ser aceitável quando traz um benefício muito grande, por exemplo: em regiões onde não existe abastecimento de água e a qualidade de vida da população é comprometida por isso, o impacto da implantação de sistemas de abastecimento, apesar de causar danos ao ambiente local, é aceitável em relação ao benefício que as comunidades receberão. No entanto, em locais onde o acesso à água já é possível (coleta de poços ou de nascentes, por exemplo), o impacto da implantação de tubulações de abastecimento centralizado pode ser considerado mais grave. Dessa forma, para avaliar os impactos ambientais da utilização de sistemas solares, deve-se ter em consideração: • as ações necessárias para implantação, operação e descarte dos sistemas solares; • os aspectos do ambiente de entorno (ecológicos, econômicos e sociais) que são afetados pela implantação, operação e descarte de sistemas solares;

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• os impactos ambientais (relacionados ao ambiente natural, à economia e à sociedade) provocados pela implantação, operação e descarte dos sistemas solares, tendo em vista a utilidade marginal. Para avaliar os impactos ambientais provenientes da utilização de sistemas solares termais, podemos optar por diferentes perspectivas de análise. Inicialmente, podemos definir que vamos avaliar, apenas, as ações relacionadas com a implantação dos sistemas domiciliares, tais como: transporte do produto da indústria até as moradias, instalação de equipamentos nos telhados e interiores das casas e aproveitamento da energia solar para o aquecimento. Podemos ainda avaliar apenas os impactos da instalação de usinas solares centralizadas, e, também aqui, são necessárias ações como transporte, instalação e manutenção de equipamentos. É importante ressaltar que, antes de serem implantados e operados, os sistemas solares precisam ser construídos, desenvolvidos. Essas atividades demandam ações diferentes daquelas relacionadas com a implantação e operação e dizem respeito a toda cadeia produtiva dos equipamentos necessários. Assim, as primeiras ações referem-se à exploração dos minerais necessários à construção dos equipamentos. O beneficiamento desses minerais é o segundo conjunto de ações, sendo que, depois de beneficiados, os materiais passam pelo processo de construção do equipamento. Em seguida, os equipamentos prontos precisam ser transportados das fábricas para os estabelecimentos comerciais de revenda ou para as usinas centralizadas. Uma vez vendidos, os equipamentos são instalados. Ao longo do tempo de uso, eles precisam ainda de manutenção e, ao final de sua vida útil, devem ser descartados. Essa avaliação de impactos ambientais trata de toda a cadeia produtiva para utilização de sistemas solares termais, mas sua avaliação é superficial, porque não conta com um aspecto fundamental – o recorte espacial (localização) de análise. A localização geográfica de cada conjunto de atividades necessárias para utilização de sistemas solares termais pode afetar a avaliação de importância dos impactos. De forma geral, os impactos citados podem ocorrer em qualquer tipo de ambiente, e sua importância, intensidade

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ou gravidade podem variar muito em cada ecossistema, devido às características intrínsecas ou ao estado de conservação. As ações afetam aspectos diversos do ambiente e, muitas vezes, se concentram em regiões bem distantes das áreas de uso dos sistemas. A grande distância, entretanto, não significa uma redução de sua relevância para a avaliação dos impactos ambientais (quanto à utilização dos sistemas solares de aquecimento de água). As atividades relacionadas à exploração mineral, em geral, afetam a qualidade do solo, da água e do ar, porque expõem esses recursos ao risco de contaminação por material particulado. Esses aspectos do ambiente também podem ser afetados pelo descarte inadequado dos equipamentos cuja vida útil se encerrou. Por outro lado, a implantação de sistemas solares termais pode melhorar a qualidade de vida de pessoas, afetando esse aspecto do ambiente social. A melhoria de qualidade de vida pela utilização de sistemas solares apresenta importância relativa diferente em cada contexto: assim, em comunidades que não dispõem de água aquecida ou eletricidade, a utilidade marginal da implantação dessa tecnologia é maior do que a implantação em locais que já dispõem de outras fontes de energia elétrica. Porém a utilização de fontes solares de geração de energia em áreas já abastecidas por outras fontes ainda apresenta vantagens pelo seu impacto ecológico reduzido. De forma geral, as principais ações relacionadas à cadeia produtiva dos sistemas solares termais são a mineração e o beneficiamento do minério, a construção, o transporte, a instalação, a manutenção e o descarte de equipamentos. Tais ações afetam, principalmente, aspectos ambientais de qualidade do solo, afetam a água, o ar, a vida e a eficiência do sistema solar. O Quadro 3.1, adiante, apresenta as relações entre ações, aspectos e impactos ambientais. O Quadro 3.1 apresenta as relações entre ações, aspectos e impactos ambientais.

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Geração de empregos

Alteração da paisagem

Perda de biodiversidade e habitat

Risco de acidentes físicos

Perda de reservas de recursos não renováveis

Geração de gases de efeito estufa

Risco de contaminação do ar com material particulado diverso

Risco de contaminação da água

Impactos Ambientais

Risco de contaminação do solo

Ações

Eficiência do sistema solar

Qualidade de vida

Qualidade do ar

Qualidade da água

Qualidade do solo

Aspectos Ambientais

Mineração Beneficiamento do minério Construção do equipamento Transporte de equipamento Instalação dos equipamentos Manutenção de equipamento Descarte dos equipamentos

Quadro 3.1 – Relação entre ação, aspectos ambientais e impactos ambientais na utilização de sistemas solares termais Fonte: Elaboração dos autores (2011).

A. Mineração A mineração dos materiais necessários para construção de sistemas solares diz respeito, principalmente, ao ferro, ao cobre e ao alumínio. Todas as atividades mineradoras

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podem afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar, e podem gerar impactos como o risco de contaminação do solo e da água, o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos, a perda de biodiversidade e do habitat, a alteração da paisagem e a geração de empregos. Os metais utilizados nos sistemas solares termais não apresentam alta toxicidade. Apesar disso, lavras mal conduzidas podem contaminar o solo e a água da região de entorno. A retirada de materiais das áreas de mineração é realizada por rodovias ou ferrovias. O deslocamento de veículos de transporte pesado lança material particulado na atmosfera, proveniente da queima de combustíveis fósseis e do deslocamento de sedimento pela passagem dos veículos. Tanto o transporte quanto a própria exploração dos minérios são responsáveis pela utilização de recursos não renováveis, como combustíveis fósseis, ferro e cobre. As atividades mineradoras implicam transformações radicais na paisagem, pela extração das rochas e minerais de interesse econômico (Figura 3.22). Além disso, são necessárias estradas, locais de assentamento de trabalhadores e diversas atividades secundárias, o que, por sua vez, implica modificação de paisagens naturais. As alterações nas paisagens naturais geralmente envolvem a retirada da cobertura vegetal da área de mineração, de estradas e assentamentos, levando à redução do habitat para plantas, animais, insetos, fungos e outras formas de vida, vale dizer, da biodiversidade do local. Por outro lado, a atividade mineradora é fundamental para, praticamente, todas as atividades econômicas, por apresentar alto potencial de geração de empregos. Constitui um impacto positivo de grande relevância na maior parte dos estudos, uma vez que as áreas mineradoras geralmente estão localizadas em regiões distantes dos centros urbanos, onde a oferta de trabalho é escassa. A atividade mineradora apresenta, em muitos lugares, níveis salariais maiores do que as atividades tradicionais. Tal característica se refere ao alto risco de acidentes de trabalho e doenças relacionadas à atividade em questão.

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Figura 3.22 – Alteração da paisagem pela mineração

Fonte: Disponível em: <http://www.divicity.com/portal/index.php/brasil/noticias-do-brasil/3039-nova-tecnica-cria-mercado-para-restos-da-mineracao.html>. Acesso em: 22 maio 2011.

B. Beneficiamento de minérios O beneficiamento dos minérios necessários à construção de sistemas solares (ferro, cobre e alumínio) pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar. Essas atividades geram impactos como risco de contaminação do solo e da água, risco de contaminação do ar com material particulado diverso, risco de acidentes físicos, perda de biodiversidade e habitat, e geração de empregos. Os minérios são beneficiados em indústrias siderúrgicas, as quais utilizam processos que demandam grandes quantidades de energia. Nas siderúrgicas, equipamentos como fornos com altíssimas temperaturas são capazes de liquefazer os minérios metálicos. Após o derretimento, os minérios são moldados e solidificados em semiacabados, lingotes ou blocos. Em seguida, eles podem ainda ser processados por equipamentos chamados laminadores e são transformados em diferentes produtos, denominados conforme sua forma e/ou composição química. Isto permite imaginar as quantidades de energia necessárias para realização de tais atividades.

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Por isso, essas indústrias precisam estar localizadas, geograficamente, de forma estratégica, próximas a fontes de energia, e sua implantação implica a retirada de cobertura vegetal da área. Sem a cobertura vegetal original, como já referido, ocorre perda de biodiversidade e habitat para diferentes espécies; por outro lado, a implantação de indústrias apresenta alto potencial de geração de empregos.

C. Desenvolvimento de equipamentos O desenvolvimento de equipamentos necessários à construção de sistemas solares termais pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar. Indústrias produtoras desses equipamentos utilizam moldes e prensas que demandam fonte de energia, em geral uma termelétrica ou hidrelétrica. Caso a principal fonte de energia da indústria seja termelétrica, existe o risco de contaminação do ar com material particulado diverso. Da mesma forma, a utilização de fontes de energia termelétrica implica a perda de reservas de recursos não renováveis. A instalação de fábricas para desenvolvimento de sistemas solares termais também implica a retirada da vegetação original, reduzindo a biodiversidade e o habitat. Além da remoção da cobertura vegetal, atividades de terraplanagem são necessárias para instalação de indústrias desse tipo. As fábricas também apresentam alto potencial de geração de empregos. Existe, ainda, a possibilidade, cada vez mais disseminada, de construção de sistemas solares termais para aquecimento de água a partir de materiais recicláveis. Quando esse tipo de material é utilizado para o desenvolvimento de sistemas solares, todos os impactos decorrentes das atividades de mineração e beneficiamento de minérios podem ser desconsiderados. Seu uso é restrito apenas ao aproveitamento e visa ao aquecimento domiciliar, uma vez que tais equipamentos não podem ser utilizados em usinas solares centralizadas.

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D. Transporte de equipamentos O transporte de equipamentos necessários para construção de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar. Essa atividade gera impactos como o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a geração de gases de efeito estufa, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos e a geração de empregos. Uma vez produzidos os equipamentos solares termais, eles precisam ser transportados (por via naval, ferroviária ou rodoviária, principalmente) para as regiões onde serão comercializados. O transporte naval apresenta os menores níveis de impacto entre as três modalidades citadas, o que ocorre porque o sistema viário é aplicado em locais onde a disponibilidade de recursos hídricos com as características adequadas já existem. Mesmo assim, ainda se faz necessário o estabelecimento de infraestrutura, como portos e canais, e a sua manutenção. Os sistemas ferroviários e rodoviários implicam o estabelecimento de infraestrutura em áreas extensas. A implantação de infraestrutura para esses sistemas ocasiona graves impactos ambientais associados. A utilização de sistemas viários marítimos, ferroviários ou rodoviários leva à geração de gases de efeito estufa, e, consequentemente, leva, também, à perda de reservas de recursos não renováveis, como os combustíveis utilizados. Além disso, o uso desses combustíveis pode contaminar o ar com material particulado diverso, proveniente da queima nos motores e do deslocamento de sedimentos pela passagem dos veículos. O transporte de equipamentos solares pode ainda gerar empregos outros associados a essa atividade, mas apresenta altos riscos de acidentes físicos.

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E. Instalação dos equipamentos A instalação de equipamentos necessários à utilização de sistemas solares implica trabalhos manuais de profissionais capacitados e pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade de vida e à eficiência do sistema solar. Um dos possíveis impactos relacionados a essa ação é o risco de acidentes físicos. Os profissionais encarregados da montagem e instalação de sistemas solares termais precisam realizar atividades utilizando equipamentos diversos, ferramentas que podem causar riscos, bem como elementos pesados (como os coletores solares, que são equipamentos pesados). A montagem e a instalação de equipamentos termais implicam atividades relacionadas à eletricidade, aumentando o risco de acidentes físicos. O treinamento e a capacitação dos profissionais, assim como o uso de equipamentos de proteção individual, podem diminuir a importância desse impacto. Por outro lado, a montagem e a instalação de equipamentos solares termais podem gerar empregos. Esse é um impacto positivo que sempre interessa às comunidades que utilizam tais tecnologias. Quando o processo de montagem e instalação dos equipamentos solares é bem conduzido, existe grande chance de o sistema apresentar melhor desempenho.

F. Manutenção de equipamentos A manutenção de equipamentos necessários à utilização de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade de vida e à eficiência do sistema solar. Da mesma forma que a montagem e instalação dos equipamentos que compõem um sistema solar termal, a manutenção rotineira pode implicar risco de acidentes físicos, mas também pode gerar empregos. A importância relativa dos impactos ambientais causados pela utilização de sistemas solares termais apresenta estreita relação com o desempenho do modelo escolhido.

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Modelos que apresentam boas performances com menores custos ambientais (ecológicos, econômicos e sociais) apresentam impactos ambientais menos importantes. Em contrapartida, modelos que apresentam boas performances com altos custos ambientais, sugerem impactos com maior importância. Finalmente, modelos com baixo desempenho e custos ambientais elevados apresentam impactos ambientais que devem ser desconsiderados.

G. Descarte de equipamentos O descarte de equipamentos utilizados em sistemas solares termais pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água, do ar, da vida. O descarte pode gerar impactos como risco de contaminação do solo e da água, risco de contaminação do ar com material particulado diverso, perda de biodiversidade e habitats, alteração da paisagem e geração de empregos. Os sistemas solares termais não empregam materiais com alta toxicidade, por isso sua deposição final no ambiente não é considerada crítica. São exceções os sistemas termais que utilizam substâncias anticongelantes as quais podem ser tóxicas. Nestes casos, elas devem ser depositadas em locais específicos e adequados. Deve-se levar em consideração o potencial de reuso ou reciclagem dos materiais componentes dos sistemas solares. Tanto sistemas produzidos totalmente na indústria quanto sistemas caseiros à base de materiais recicláveis podem ser reutilizados ou reciclados, reduzindo o volume de materiais destinados a aterros sanitários. Atualmente, no Brasil, não existe legislação sobre a responsabilidade quanto à deposição de equipamentos relacionados aos sistemas solares termais, por isso é necessária a atitude individual dos consumidores para garantir que tais equipamentos não tenham destinação inadequada. Essa situação também é comum em outras partes do planeta.

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Muitos outros impactos genéricos e específicos podem ser discutidos no que se refere a cada uma das etapas da cadeia produtiva dos sistemas solares termais. Além disso, cada uma das atividades e impactos descritos podem ser derivados em atividades e impactos relacionados de primeiro, segundo ou terceiro grau. Cada impacto precisa ser avaliado em cada contexto específico de análise.

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4.8 Energia solar fotovoltaica As pesquisas sobre tecnologias que permitem utilizar a energia solar como fonte de eletricidade têm mais de 50 anos. Ainda assim, a tecnologia fotovoltaica (PV, na sigla em inglês) ainda é considerada tecnologia recente (FSEC, 2011). Este tipo de tecnologia propõe a geração de eletricidade através de métodos limpos, baratos e abundantes (tanto no que se refere à fonte como no que se refere às matérias-primas necessárias para os equipamentos). Por isso, frequentemente, são realizadas descobertas e avanços no que se refere a esta tecnologia.

Uma breve contextualização histórica O efeito fotovoltaico foi observado, pela primeira vez, em 1839, por um físico francês chamado Alexandre-Edmond Becquerel (1820 - 1891). Ele descobriu que certos materiais produzem pequenas quantidades de corrente elétrica quando exposto à luz. Em 1876, o primeiro dispositivo fotovoltaico foi concebido, porém, somente em 1956, foi iniciada a sua produção industrial. No final dessa década e no começo dos anos 1960, a primeira célula fotovoltaica foi produzida com o objetivo de abastecer satélites orbitais com energia elétrica. Na década de 1970, foram alcançados melhoramentos na manufatura, desempenho e qualidade das células, os quais asseguraram a redução de custos, aumentando as possibilidades de uso da tecnologia PV para a utilização remota de energia, como carregamento de baterias, sinalização, telecomunicações e outros usos com baixa necessidade de energia. No ano de 1978, a produção industrial de módulos fotovoltaicos já alcançava a marca de 1 MW/ano. Foi somente nos últimos vinte anos que houve um crescimento significativo da produção mundial. Na década de 1980, a PV ficou acessível ao consumo popular como fonte de energia em calculadoras, relógios, rádios, lanternas, entre outros. Esta popularização

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foi um reflexo de crises energéticas na década de 1970, que levou a esforços significativos na aplicação da tecnologia fotovoltaica em usos domésticos e comerciais, no que diz respeito a sistemas isolados. Inicialmente a tecnologia de produção de energia elétrica fotovoltaica foi utilizada em áreas rurais remotas onde os sistemas centralizados de abastecimento deste serviço não estavam presentes. Posteriormente, nas mais diversas regiões do mundo, as células fotovoltaicas passaram, também, a ser utilizadas no abastecimento de energia elétrica de clínicas de saúde, e, também, nos sistemas de refrigeração, bombeamento de água e telecomunicações. Sua importância atual é claramente perceptível na indústria de módulos fotovoltaicos nos Estados Unidos, por exemplo, com um crescimento anual de 25%. (FSEC, 2011). Esse fato é extremamente relevante do ponto de vista social, porque permite melhorias na qualidade de vida. Do ponto de vista ecológico, também é importante, pois evita diversos impactos ambientais decorrentes da implantação ou expansão dos sistemas convencionais de geração de energia (hidrelétricas, termelétricas). A desvantagem é que sistemas individuais necessitam de um banco de acumuladores químicos ou de baterias para armazenar e distribuir a energia gerada pelos painéis solares até os pontos de consumo. (RÜTHER, 2004). Para a compreensão de como se dá o efeito fotovoltaico, é relevante destacar os componentes que permitem o bom funcionamento dos painéis fotovoltaicos. Com fins exclusivamente didáticos, separamos os componentes em três partes: o silício, as células e os módulos fovoltaicos. Cada um destes elementos será apresentado a seguir.

O Silício O principal componente dos painéis fotovoltaicos é o silício, por se tratar de um material com características intermediárias – pode ser um condutor ou um isolante. O silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados, obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres, e, por-

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tanto, é um mau condutor elétrico. Para alterar isto, acrescentam-se porcentagens de outros elementos – um processo denominado dopagem. Mediante a dopagem do silício com o fósforo, obtém-se um material com elétrons livres ou material com portadores de carga negativa (silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas acrescentando Boro ao invés de fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, déficit de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P). Cada célula solar compõe-se de uma camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P (conforme a Figura a seguir).

Figura 3.23 – Alteração da paisagem pela mineração

Fonte: Adaptado de <http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_solar.htm>. Acesso 11 jun. 2011.

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Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras, mas, ao serem unidas, exatamente na união P-N, gera-se um campo elétrico devido aos elétrons do silício tipo N, os quais ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir a luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons (partícula de luz) que a integram se chocam com os elétrons da estrutura do silício, dando-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado na união P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”. Por meio de um condutor externo, liga-se a camada negativa à positiva. Gera-se, assim, um fluxo de elétrons (corrente elétrica) na conexão. Enquanto a luz continua a incidir na célula, o fluxo de elétrons se mantém. A intensidade da corrente gerada variará proporcionalmente, conforme a intensidade da luz incidente. Cada módulo fotovoltaico é formado por uma determinada quantidade de células conectadas em série. Quando a camada negativa de uma célula une-se à camada positiva da seguinte, os elétrons fluem através dos condutores de uma célula para a outra. Este fluxo é repetido até chegar à última célula do módulo, da qual fluem para o acumulador ou a bateria. Cada elétron que abandona o módulo é substituído por outro que regressa do acumulador ou da bateria. O cabo da interconexão entre módulo e bateria contém o fluxo, de modo que, quando um elétron abandona a última célula do módulo e se encaminha para a bateria, outro elétron entra na primeira célula a partir da bateria. É por isso que o dispositivo fotovoltaico, considerado inesgotável, produz energia elétrica em resposta à energia luminosa que entra nele. Deve-se esclarecer que uma célula fotovoltaica não pode armazenar energia elétrica.

As células fotovoltaicas As células fotovoltaicas são o elemento básico do gerador fotovoltaico. Geralmente elas têm a forma de pequenos discos ou retângulos e são fabricadas em grande escala. As células são cobertas, do lado exposto ao sol, por uma cobertura transparente, normal-

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mente vidro, plástico ou resina de silicone. São nelas que acontece a conversão da energia radiante do Sol em energia elétrica. Uma célula PV típica produz entre 0.5 e 0.6 volt CC (corrente contínua ou DC, na sigla em inglês) em circuito aberto. A corrente e energia gerada por este tipo de célula depende da eficiência e área de superfície desta. Esta corrente é proporcional à intensidade da luz solar que atinge a célula. (FSEC, 2011). Exemplo: sob condições de Sol a pino, uma célula fotovoltaica comercial comum com superfície de 160 cm2 será capaz de produzir cerca de 2 watts de energia. Se a intensidade da luz do Sol for de 40% (em relação ao Sol a pino), a produção de energia da célula será de 0.8 watts. (FSEC, 2011).

Tecnologia fotovoltaica É interessante destacar que a utilização de energia solar para geração de energia elétrica não tem relação direta com o calor. Na verdade, as células solares são mais eficientes em temperaturas amenas. Isso faz com que a utilização da tecnologia fotovoltaica seja adequada tanto para regiões tropicais ensolaradas quanto para áreas com menor insolação. Na internet você pode encontrar um vídeo do departamento de energia norte-americano sobre o funcionamento de células fotovoltaicas. Este vídeo está disponível em: <http://www1.eere.energy.gov/solar/animations.html>.

Atualmente, os principais tipos de células fotovoltaicas disponíveis são: • • • •

silício cristalino (c-Si); silício amorfo hidrogenado (a-Si); telureto de cádmio (CdTe); disseleneto de cobre (gálio) e índio (CIS e CIGS).

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A seguir, conheça detalhadamente cada um dos tipos de células fotovoltaicas. As células fotovoltaicas com silício apresentam vantagens estratégicas em relação àquelas produzidas com derivados de cádmio, telúrio, gálio e índio. A tecnologia c-Si apresenta a maior eficiência na conversão de energia solar em eletricidade. Enquanto esta tecnologia apresenta 15% de eficiência, as demais tecnologias apresentam entre 7 e 10% de eficiência. Isto implica a necessidade de uma área entre 50% e 100% maior de captação de radiação solar, quando a tecnologia utilizada não é o c-Si. Por outro lado, a tecnologia baseada em silício é a única que utiliza lâminas cristalinas de silício relativamente espessas, e acaba ocorrendo uma limitação nas tentativas de redução de custos de produção. As demais tecnologias são baseadas em películas finas (filmes), que podem ser reduzidas, possibilitando reduções de custo.

Silício O silício é a segunda substância mais abundante no planeta, enquanto o cádmio, o telúrio, o gálio e o índio são elementos raros. Além disso, o cádmio, o selênio e o telúrio são substâncias tóxicas que demandam cuidados especiais na exploração, uso e descarte. (RUTHER, 2004).

Silício cristalino (c-Si) Esta é a tecnologia PV mais tradicional. Atualmente, é líder de mercado devido a sua durabilidade, confiabilidade, eficiência e necessidade de menores áreas de captação. No entanto apresenta altos custos de produção. Alguns pesquisadores acreditam que o potencial de redução de custos desta tecnologia está esgotado. (MAYCOCK, 2003; RUTHER, 2004).

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Tecnologia c-Si As tecnologias c-Si funcionam melhor em temperaturas amenas. O excesso de radiação pode prejudicar a eficiência das células fotovoltaicas.

A Figura 3.24 apresenta um módulo fotovoltaico baseado em c-Si.

Figura 3.24 – Módulo fotovoltaico

Fonte: Disponível em: <http://www.tt-magazine.com/magazine/images/stories/others/fotovoltaico-3b.jpg>. Acesso em: 09 jun. 2011.

Existem duas formas básicas de produção de células fotovoltaicas que utilizam silício cristalino (c-Si), são elas: sílício monocristalino (m-Si) ou silício policristalino (p-Si) (FSEC, 2011), cuja diferença será apresentada a seguir. A tecnologia m-Si implica banhar o cristal com silício fundido de alta pureza (99,9%) em reatores com velocidades de crescimento do cristal bastante lentas, com atmosfe-

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ra controlada e temperatura em torno de 1400ºC. Ainda são necessárias outras etapas para o crescimento do monocristal, como o corte de lâminas por serras diamantadas; a lapidação, o ataque químico e os polimentos de lâminas; os processos de difusão, deposição de máscara condutora de energia elétrica produzida e a composição do módulo fotovoltaico pela composição das células PV em séries. (RUTHER, 2004). Diante deste complexo sistema de produção, o tempo de retorno (prazo necessário para o painel gerar a energia gasta em sua produção) é de aproximadamente 2 anos (RUTHER, 2004). Este período pode ainda variar de acordo com as condições de irradiância do local de implantação, o que é considerado um alto custo de produção. Já a tecnologia p-Si apresenta custos de produção menores, pois não necessita de cristais tão perfeitos. Da mesma forma que no outro processo, o material inicial é fundido e solidificado na forma de um bloco com grãos e cristais. A existência de defeitos ao redor destes cristais reduz a eficiência dos equipamentos que utilizam esta tecnologia. Depois da solidificação, são cortadas lâminas que são lapidadas e polidas; as quais sofrem processos de difusão e deposição de máscara condutora. Finalmente, as células podem compor o módulo fotovoltaico pela composição das células PV em séries (RUTHER, 2004). Outra possibilidade é a composição de módulos em tiras da espessura das células PV, o que evita a necessidade de fatiamento em lâminas. Maycock (2003) aponta o crescimento da tecnologia p-Si no mercado mundial ao afirmar que, em 2003, esta tecnologia era responsável por 50% dos módulos produzidos.

Figura 3.25 – Célula de silício monocristalino e de silício policristalino

Fonte: Disponível em: <http://www.domus-solaris.com/index.php?pg=16>. Acesso em: 8 jun. 2011.

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Silício amorfo hidrogenado (a-Si) Nos anos 1980, foi desenvolvida uma nova tecnologia à base de silício, a qual permitiu a produção de filmes finos viáveis economicamente: o silício amorfo hidrogenado (a-Si). Tal tecnologia é amplamente aplicada em equipamentos com baixo consumo de eletricidade, como calculadoras e relógios, e este tipo de filme fotovoltaico apresenta melhor resposta à região azul do espectro eletromagnético, por isso apresenta boa eficiência em dias nublados e sob iluminação artificial, como, por exemplo, lâmpadas fluorescentes. Os equipamentos baseados nesta tecnologia não são prejudicados pelo aumento de temperatura, o que os torna muito adequados para os países tropicais. Mesmo em edificações urbanas onde os módulos podem atingir altas temperaturas, os equipamentos a-Si apresentam bom desempenho.

Tecnologia a-Si A tecnologia do a-Si é mais utilizada do que o c-Si como material de revestimento. Este tipo de revestimento pode ser aplicado em telhados e fachadas com as instalações integradas à edificação. Possui aspecto atraente e seu custo por m2 é inferior. O tempo de retorno desta tecnologia é inferior ao silício cristalino, em torno de 1 ano. Boa parte deste tempo está relacionado à produção do substrato de vidro ou aço inox. (RUTHER, 2004).

O silício amorfo hidrogenado é fixado em substrato de vidro, aço inox ou alguns tipos de plástico. Seu processo de produção utiliza o plasma e ocorre em temperaturas menores do que 300ºC. Assim, são produzidos módulos solares semitransparente, flexíveis, inquebráveis e leves; porém eles não apresentam eficiência tão elevada quanto o c-Si.

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Telureto de cádmio (CdTe) A tecnologia à base de telureto de cádmio é mais recente do que aquelas baseadas em silício. No entanto sua participação no mercado vem se ampliando devido aos seus menores custos de produção e de implantação. Sua aplicação em equipamentos com baixo consumo de eletricidade, como calculadoras e relógios, já é bastante difundida. Seu aspecto agradável também lhe garante uma utilização em projetos arquitetônicos, em telhados e fachadas, assim como o a-Si. Os módulos fotovoltaicos de CdTe utilizam substratos de vidro em tons de marrom ou azul escuro. Apesar dos custos de produção reduzidos e a consequente competitividade desta tecnologia, as empresas produtoras destes módulos ainda investem na ampliação de volumes de produção. Relativamente, o cádmio e o telúrio são elementos pouco abundantes, e, além disso, o cádmio é tóxico. Estes fatores são restritivos para a implantação de amplos aproveitamentos solares baseados nesta tecnologia. (RUTHER, 2004).

Figura 3.26 – Telureto de cádmio - Painel solar solar fotovoltaico flexível 95

Fonte: Disponível em: <http://www.dicasverdes.com/2010/07/paineis-solares-flexiveis-sao-mais-baratos-e-faceis-de-instalar/>. Acesso em: 8 jun. 2011.

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Disseleneto de cobre, gálio e índio (CIS e CIGS) As tecnologias para utilização de compostos baseados em disseleneto de cobre e índio (CIS) e disseleneto de cobre, gálio e índio (CIGS) apresentam grande potencial para geração de energia elétrica, utilizando a fonte solar. Estes compostos apresentam bom apelo estético e também estão sendo utilizados em projeto arquitetônicos. Além disso, as tecnologias CIS e CIGS apresentam eficiência maior do que os equipamentos à base de a-Si ou CdTe. Os filmes finos comercialmente existentes, baseados em CIS e CIGS, são os que apresentam o melhor rendimento fotovoltaico. (RUTHER, 2004). A Figura 3.27 apresenta um módulo fotovoltaico baseado em CIS e CIGS. Como conclusão desta parte do estudo, observe e compare na tabela a seguir a eficiência de conversão dos diferentes tipos de células fotovoltaicas.

Figura 3.27 – Módulo fotovoltaico de CIS e CIGS

Fonte: Disponível em: <http:// ecohabitararquitetura.com.br/blog/ tag/paineis-fotovoltaicos/page/2/>. Acesso em: 11 jun. 2011.

Tabela 3.1 – Eficiência de conversão Eficiência de conversão (módulos comerciais @ STC) m-Si

12 – 15%

p-Si

11 – 14%

a-Si

6 – 8%

CdTe

7 – 10%

CIGS

9 – 11%

Fonte: Elaboração dos autores (2011).

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Os módulos fotovoltaicos A tecnologia PV atual utiliza, como vimos até aqui, as chamadas células solares, ou seja, semicondutores que convertem a energia solar diretamente em energia elétrica de corrente contínua (DC). As células, por sua vez, são organizadas em módulos. O módulo fotovoltaico é um dispositivo que contém células solares para converter energia solar em eletricidade (Figura 3.28). O módulo fotovoltaico é, portanto, a unidade básica do subsistema de geração de eletricidade. Ele consiste numa estrutura montada em quadro, geralmente de alumí- Figura 3.28 – Célula fotovoltaica Fonte: Disponível em: <http://electro-engenhonio, e é composto de um conjunto de células cas.blogspot.com/2009/09/celulas-fotovoltaicas. fotovoltaicas interligadas entre si, em para- html>. Acesso em: 11 jun. 2011. lelo ou em série, cobertas por um encapsulamento que protege as mesmas e suas conexões, da ação do tempo e dos eventuais impactos. A parte inferior do painel solar é revestida por um material plástico. Na saída de cada módulo se tem a soma da energia produzida por cada célula, resultando em um montante energético mais significativo e já adaptado às características da tensão elétrica de saída do módulo. Usualmente um módulo típico utilizado para carregar uma bateria de 12 Volts apresenta de 30 a 36 células. Para muitas aplicações de pequeno porte, basta um módulo fotovoltaico. Aplicações maiores exigem o uso de muitos módulos. Vários módulos podem ser conectados fisicamente e eletricamente em uma mesma estrutura, formando um painel.

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O arranjo fotovoltaico Um conjunto de painéis de uma mesma instalação forma um arranjo. Um arranjo pode ser composto por apenas um painel fotovoltaico ou por milhares, dependendo do porte da instalação de geração de eletricidade. Arranjo fotovoltaico Portanto: as células compõem os módulos; a reunião de diversos módulos compõe um painel PV. Um painel é a unidade básica de instalação dos sistemas fotovoltaicos. Por fim, um arranjo fotovoltaico é a unidade de geração de energia completa que pode conter qualquer número de módulos e painéis PV (FSEC, 2011). Observe as definições a seguir: • Célula Fotovoltaica: unidade mínima de geração de energia elétrica utilizando a fonte solar. • Módulo Fotovoltaico: grupo de células seladas. • Painel Fotovoltaico: conjunto de módulos interligados. • Arranjo Fotovoltaico: sistema de geração de energia elétrica a partir da fonte solar completa.

A Figura 3.29 mostra a relação entre células, módulos, painéis e arranjos fotovoltaicos:

Figura 3.29 – Células, módulos, painéis e arranjos fotovoltaicos

Fonte: Disponível em: <http://blog.gogreensolar.com/2008/09/solar-arrays-explained.html>. Acesso em: 11 jun. 2011.

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Para o arranjo fovoltaico funcionar de maneira eficiente, faz-se necessário, além do silício, a célula (do módulo e do painel fotovoltaico) e outros três componentes fundamentais, que são: os acumuladores e/ou baterias, os controles de carga e o inversor de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA).

Os acumuladores (baterias) Devido às características de variabilidade da radiação solar, a eletricidade produzida pelos módulos fotovoltaicos apresenta níveis variáveis, dependendo das condições de insolação. Durante a noite não há nenhuma geração, e, no início da manhã ou no final da tarde, os níveis de energia elétrica gerados são baixos. O mesmo ocorre em dias nublados. Próximo ao meio-dia, a geração de energia alcança o nível máximo.

Figura 3.30 – Baterias 100 Fonte: Labsolar/UFSC (2006).

Para algumas aplicações (como o bombeamento de água, por exemplo), isto pode não ser problema, pois é possível armazenar a água em reservatórios e usá-la quando se desejar. Entretanto a maioria das aplicações de sistemas isolados necessita que a energia elétrica esteja disponível durante as 24 horas do dia e, principalmente, à noite, para iluminação. O armazenamento da energia elétrica contínua gerada pelos módulos é normalmente realizado através de acumuladores ou baterias. Nestes equipamentos a energia elétrica é armazenada sob a forma de energia química. As baterias mais utilizadas em sistemas fotovoltaicos são as seladas e as de descargas profundas. Existem baterias especificamente projetadas para sistemas fotovoltaicos que levam em conta as características próprias desse tipo de aplicação. Deve-se evitar o uso de baterias automotivas comuns, utilizadas em veículos.

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Os controladores de carga O controlador de carga é um equipamento utilizado em sistemas fotovoltaicos, basicamente, para proteger as baterias e garantir uma vida útil maior para as mesmas. Ele é muito importante, já que a bateria é um equipamen- Figura 3.31 – Controlador de carga Fonte: Labsolar/UFSC (2006). to crítico no sistema e responsável pela maior parte das despesas feitas com um sistema fotovoltaico, após sua instalação. O controlador de carga protege a bateria das descargas profundas e também do carregamento excessivo, que provoca aumentos de temperatura.

O inversor CC para CA Muitos equipamentos consumidores de energia existentes no mercado, principalmente eletrodomésticos, estão disponíveis apenas em corrente alternada e, geralmente, estão na faixa de 127 V e 220 V. O mercado ainda não disponibiliza em corrente contínua toda a gama de equipamentos que podem ser usados em sistemas fotovoltaicos, principalmente os televisores, os videocassetes e as antenas parabólicas.

Figura 3.32 – Inversor de CC para CA 102 Fonte: Labsolar/UFSC (2006).

A função do inversor é transformar a energia elétrica contínua das baterias em energia elétrica alternada, adequada para os consumidores. O inversor trabalha com tensões de entrada de 12, 24, 48 ou 120 Vcc e converte para 120 V ou 240 V, na frequência de 50 ou 60 Hz. A especificação técnica de cada tipo de inversor dependerá da capacidade de geração das placas fotovoltaicas e dos tipos de consumidores.

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O sistema fotovoltaico Um sistema PV, apesar de utilizar equipamentos eletromecânicos diferentes, funciona como qualquer outro sistema de geração de energia elétrica. Os princípios de funcionamento e interface com outros sistemas elétricos são os mesmos. Estes princípios são orientados por códigos elétricos bem estabelecidos. A implantação de um sistema PV implica a utilização de diversos componentes para conduzir, controlar, converter, distribuir e estocar adequadamente a energia, além do próprio arranjo fotovoltaico em si. O funcionamento e as especificações operacionais do sistema definem os componentes específicos necessários, como: inversores CC-CA (corrente contínua-corrente alternada; DC-AC, em inglês), acumuladores químicos (baterias), controladores de baterias, fontes auxiliares de energia, fios, disjuntores e outros equipamentos de proteção (FSEC, 2011). A Figura 3.33 mostra um diagrama com os principais componentes presentes em um sistema fotovoltaico.

Figura 3.33 – Principais componentes de um sistema fotovoltaico

Fonte: Adaptado de: <http://fotovoltaicos001.blogspot.com/2010/09/dimensionamento-de-sistemas-solares. html>. Acesso em: 10 maio 2011.

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Sistemas fotovoltaicos podem ser desenhados para gerar correntes CC (DC) e/ou CA (AC). Podem operar de forma independente ou conectada com o sistema central público ou ainda podem ser conectados a outras fontes de energia ou sistemas de estocagem. Existem diversas formas de classificar os tipos de sistemas PV. Geralmente eles são classificados da seguinte forma: • quanto às suas especificações funcionais e operacionais; • quanto às configurações de seus componentes; e • quanto à forma como o equipamento é conectado a outras fontes de energia e sistemas elétricos. As principais classificações são: Sistemas individuais ou autônomos e Sistemas conectados à rede pública. Conheça como opera cada um destes sistemas detalhadamente.

Sistemas individuais ou autônomos Os sistemas fotovoltaicos individuais são desenhados para operar de forma independente do sistema elétrico centralizado e geralmente buscam abastecer tipos específicos de equipamentos elétricos, podendo serem compostos de apenas um arranjo PV. O sistema PV individual mais simples é o sistema direto, onde a saída DC do módulo ou arranjo é diretamente ligada ao equipamento. Como este tipo de sistema não utiliza acumuladores, a geração de energia ocorre apenas durante o dia. Com frequência ele é utilizado para operar ventiladores, bombas de água e pequenas bombas de circulação de água quente em sistemas de aquecimento. Uma das dificuldades é adequar as necessidades dos equipamentos à saída de energia gerada pelo arranjo PV. Em algumas situações é possível instalar um dispositivo eletrônico do tipo conversor DC-DC entre o arranjo PV e o equipamento, visando à melhor utilização da energia elétrica gerada. Em muitos sistemas individuais são usadas baterias ou acumuladores para estocagem da energia produzida. A Figura 3.34 mostra um diagrama de um sistema individual fotovoltaico.

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Figura 3.34 – Sistema fotovoltaico individual direto com bateria de estocagem

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_electricity/basics/types_of_pv.htm>. Acesso em: 10 maio 2011.

Ainda é possível agregar outros sistemas auxiliares de geração de energia, como a eólica. Este tipo de sistema é chamado de híbrido fotovoltaico. A Figura 3.35 pode ilustrá-lo.

Figura 3.35 – Sistema fotovoltaico individual híbrido

Fonte: Disponível em: <http://www.fsec.ucf.edu/en/consumer/solar_electricity/basics/types_of_pv.htm>. Acesso em 10 maio 2011.

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Os principais componentes de sistemas fotovoltaicos individuais ou autônomos são: módulos coletores solares, sistema de fixação à edificação, diodos de passagem (by-pass) e de bloqueio, fusíveis, disjuntores, cabos elétricos, terminais, proteção contra e acumuladores ou baterias. (RUTHER, 2004). Normalmente, os sistemas fotovoltaicos produzem tensões de circuitos abertos de 20V que são adequadas para a acumulação em baterias de 12V. Ainda é possível mesclar sistemas solares termais e sistemas fotovoltaicos visando a reduzir a utilização de outras fontes de energia. Com a utilização de um sistema solar termal com bombas elétricas, é possível instalar módulos PV que sejam capazes de gerar energia elétrica a partir da radiação solar e acionar a bomba do sistema termal. Assim, a água flui entre o coletor e tanque de estocagem apenas quando o Sol está brilhando. Também é possível utilizar os módulos fotovoltaicos para acionar temporizadores que controlam o funcionamento de sistemas solares termais. Estes temporizadores podem ser abastecidos mesmo em momentos de falha de energia.

Sistemas conectados à rede pública Já os sistemas PV conectados à rede pública ou sistemas de utilidade interativa são desenhados para operar concomitantemente e de forma conectada com a rede elétrica majoritária. (FSEC, 2011). De forma geral, podem apresentar duas configurações diferentes: integrados às edificações existentes (descentralizada) ou instalados em usinas geradoras (centralizada). Os sistemas solares centralizados apresentam custos adicionais relacionados à implantação de outros sistemas para distribuição da eletricidade produzida. Estes sistemas centralizados apresentam poucas vantagens competitivas em relação aos sistemas já estabelecidos (produzidos por usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares).

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Diante disso, as pesquisas atuais concentram esforços no desenvolvimento de sistemas descentralizados conectados à rede pública de abastecimento de eletricidade. Os sistemas solares PV descentralizados apresentam diversas vantagens, tais como: 1. dispensam espaço físico extra, uma vez que são instalados nas fachadas e telhados das edificações já existentes; 2. evitam redução da qualidade da energia produzida porque são instalados próximo aos consumidores e dispensam sistemas de distribuição; 3. dispensam o uso de acumuladores ou baterias que constituem 30% dos custos de implantação de sistemas solares; 4. não demandam superdimensionamento dos coletores solares porque podem compensar períodos de baixa insolação com a energia da rede pública; 5. podem ser utilizados como revestimento arquitetônico e reduzir custos em novas edificações. Os módulos solares mais comuns são aqueles baseados na tecnologia c-Si (silício monocristalino). Estes módulos apresentam dimensões maiores e precisam ser instalados em superfícies horizontais, como telhados. As novas tecnologias a-Si (silício amorfo hidrogenado), CdTe (seleneto de cádmio), CIS (disseleneto de cobre e índio) e CIGS (disseleneto de cobre, gálio e índio) estão sendo desenvolvidas para aplicação direta no revestimento de edificações. Para tanto, são comercializados em módulos fotovoltaicos de aço inoxidável revestido com resina plástica na forma de rolos flexíveis com adesivo autocolante no verso. Também são utilizados módulos de vidro sem molduras que podem ser instalados diretamente nas aberturas de edificações. Por fim, existem ainda módulos fotovoltaicos na forma de telhas de vidro para instalações diretamente nos telhados. (RUTHER, 2004). Os principais componentes de sistemas fotovoltaicos integrados à rede pública são: módulos coletores solares, sistema de fixação à edificação, conversor/inversor de corrente (CC-CA ou DC-AC), diodos de passagem (by-pass) e de bloqueio, fusíveis, disjuntores, cabos elétricos, terminais, proteção contra sobretensões e descargas atmosféricas e caixas de conexão. (RUTHER, 2004).

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Após a instalação dos módulos coletores deve ser instalado o inversor ou a unidade de condicionamento de energia (PCU, na sigla em inglês). Este equipamento converte a corrente CC (DC) produzida pelo arranjo em corrente CA (AC) concernente à voltagem e à qualidade de energia requeridas pela rede central. Este equipamento ainda é capaz de interromper automaticamente a produção de energia, quando a rede central não está energizada. (FSEC, 2011). Normalmente, os sistemas solares produzem tensões de circuitos abertos de 20V. No entanto, as redes centralizadas apresentam tensões entre 110V e 220V. Para alcançar esta tensão são instalados módulos em série (strings) paralelos, até que seja possível chegar à corrente desejada. Os cabos utilizados neste sistema devem suportar temperaturas a 50ºC acima da temperatura ambiente. Para evitar que estes strings sofram descargas, são instalados fusíveis e, além disso, os módulos em série podem apresentar correntes reversas que podem ser evitadas, se forem utilizados os diodos de bloqueio. Os diodos de by-pass são utilizados para isolar um string em condições de sombreamento parcial e evitar que a série atue como uma carga (RUTHER, 2004). Nos sistemas conectados existe uma interface bidirecional entre os sistema PV e os circuitos de saída AC; e, a rede elétrica central. Geralmente, esta interface apresenta uma entrada de serviço ou de distribuição do painel que permite que a energia produzida pelo sistema solar fotovoltaico possa ser utilizada para abastecer equipamentos no local ou para alimentar a rede central de energia elétrica quando a demanda local for menor do que a produção do sistema. (FSEC, 2011). Assim, quando a produção de energia no sistema fotovoltaico for menor do que a demanda de eletricidade no local (como à noite, por exemplo), os equipamentos do local serão abastecidos pela rede elétrica pública. Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica pública podem operar mesmo quando o abastecimento público for interrompido. Para isso, deve-se usar uma bateria de estocagem, que é muito útil em domicílios e em pequenos negócios que precisam garantir o suprimento de energia elétrica para refrigeradores, bombas de água, iluminação e outras necessidades.

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Quando a bateria é instalada, ela recebe a eletricidade produzida pelo sistema fotovoltaico, e, somente quando ela está totalmente carregada, o excesso de eletricidade produzida é mandado para a rede pública. Isto mantém a bateria constantemente carregada. Para além de conhecer os tipos de sistemas fotovoltaicos existentes, convém destacar também a importância de medir a eficiência dos painéis fotovotaicos e os custos envolvidos na sua instalação e manutenção. Critérios como estes são essenciais no momento de optar por um sistema fotovoltaico. Estude-os a seguir.

Eficiência dos painéis fotovoltaicos A eficiência de conversão fotovoltaica é dada pela razão entre a potência máxima (Pmax) fornecida pela célula ou módulo fotovoltaico e o produto da área da célula ou módulo pela radiação incidente sobre esta área. η = Pmax / Pi Pi – potência de radiação solar incidente sobre a área da célula ou módulo fotovoltaico. Devido ao movimento de translação e rotação da Terra em torno do Sol e ao fato de que os painéis fotovoltaicos são geralmente fixos, a eficiência desses varia com o decorrer do dia. O ideal é que a radiação solar incidente nestes painéis não sofra muita variação para que a geração de energia diária seja maior.

Custo do painel fotovoltaico Estes sistemas têm evoluído enormemente, desde as suas primeiras utilizações na década de 50. Desde esta data, o custo dos sistemas PV continua a decrescer com o crescimento e o desenvolvimento de novos sistemas que se tornam cada vez mais fortes no mercado da energia. Os esforços combinados da indústria e das organizações públicas e

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governamentais tornaram possível um decréscimo dos custos dos sistemas PV em mais de 300%, desde 1982. Observe o gráfico a seguir.

Gráfico 3.3 – Evolução do custo de painéis solares fotovoltaicos Fonte: Labsolar/UFSC (2006).

Impactos ambientais da energia fotovoltaica Através do método ação-aspecto-impacto ambiental (SÁNCHEZ, 2006), vamos analisar alguns dos principais impactos relacionados a toda a cadeia produtiva dos sistemas solares fotovoltaicos. Como foi feito na seção que trata dos impactos ambientais dos sistemas solares termais, esta avaliação utiliza critérios preestabelecidos para definir a importância relativa de cada impacto dentro do contexto de análise, hierarquizando os impactos entre mais e menos importantes, ou graves, a partir do conceito de “utilidade marginal”.

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Impactos ambientais A avaliação de impactos ambientais dos sistemas solares fotovoltaicos considera: • as ações necessárias para implantação, operação e descarte dos sistemas solares fotovoltaicos; • os aspectos do ambiente de entorno (ecológicos, econômicos e sociais) que são afetados pela implantação, operação e descarte dos sistemas; • os impactos ambientais (relacionados ao ambiente natural, à economia e à sociedade) provocados pela implantação, operação e descarte dos sistemas solares, tendo em vista a utilidade marginal.

As primeiras ações necessárias para iniciar a cadeia produtiva dos sistemas solares fotovoltaicos referem-se à exploração dos minerais necessários para construção dos equipamentos. O beneficiamento destes minerais é o segundo conjunto de ações. Depois de beneficiados, os materiais são transportados até as indústrias e lá eles são utilizados para construção do equipamento. Quando prontos, os equipamentos precisam ser novamente transportados das fábricas para os estabelecimentos de comercialização dos sistemas. Uma vez vendidos, são instalados e conservados. Ao final de sua vida útil, os equipamentos que compõem os sistemas solares fotovoltaicos precisam ser descartados. Todas estas ações podem afetar diferentes aspectos do ambiente. Assim, tanto as atividades relacionadas à exploração mineral como o descarte inadequado de equipamentos podem afetar a qualidade do solo, da água e do ar, mas a implantação de sistemas solares fotovoltaicos pode melhorar a qualidade de vida. As principais ações relacionadas à cadeia produtiva dos sistemas solares fotovoltaicos são a mineração e o beneficiamento do minério, a construção, o transporte, a instalação, a manutenção e o descarte de equipamentos, que afetam, principalmente, aspectos ambientais de qualidade do solo, da água, do ar, de vida. As ações ambientais podem

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levar ao risco de contaminação do solo e da água por metais pesados, ao risco de contaminação do ar com material particulado diverso, à geração de gases de efeito estufa, à perda de reservas de recursos não renováveis, ao risco de acidentes físicos, à perda de biodiversidade e habitats e à alteração da paisagem e geração de empregos. O Quadro 3.2 apresenta as relações entre ações, aspectos e impactos ambientais:

Geração de empregos

Alteração da paisagem

Perda de biodiversidade e habitat

Risco de acidentes físicos

Perda de reservas de recursos não renováveis

Geração de gases de efeito estufa

Risco de contaminação do ar com material particulado diverso

Risco de contaminação da água

Impactos Ambientais

Risco de contaminação do solo

Ações

Eficiência do sistema solar

Qualidade de vida

Qualidade do ar

Qualidade da água

Qualidade do solo

Aspectos Ambientais

Mineração Beneficiamento do minério Construção do equipamento Transporte de equipamento Instalação dos equipamentos Manutenção de equipamento Descarte dos equipamentos

Quadro 3.2 – Relação ação/ aspectos ambientais e impactos ambientais na utilização de sistemas solares fotovoltaicos Fonte: Elaboração dos autores (2011).

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1. Mineração A mineração dos materiais necessários à construção de sistemas solares fotovoltaicos se refere ao ferro, ao cobre e ao alumínio, também utilizados nos sistemas termais. Além destes minerais, ainda são necessários o silício, o cádmio, o índio e o selênio, sendo que alguns deles apresentam índices de toxicidade elevados. Diante disso, as atividades mineradoras destes elementos podem causar impactos ambientais mais graves, afetando, inclusive, aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar. Os principais impactos ambientais das atividades mineradoras em questão incluem o risco de contaminação do solo e da água, o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos, a perda de biodiversidade e habitats, a alteração da paisagem e a geração de empregos. A principal preocupação no que se refere à exploração de minerais com níveis altos de toxicidade está centrada na drenagem ácida de minas ou de rochas que pode levar à contaminação de rios e lençóis freáticos. Este tipo de contaminação torna a água imprópria para uso por muito tempo, mesmo após o final das atividades mineradoras. A perda de recursos hídricos é um problema ambiental gravíssimo. A gestão adequada da água é uma das metas do milênio para garantir a sustentabilidade das atividades antrópicas, por isso a gestão correta dos resíduos da mineração é fundamental. O manejo adequado das estruturas e dos rejeitos garante o sucesso da gestão ambiental local. A drenagem ácida de minas, também conhecida pela sigla (DAM), e a drenagem ácida de rochas (DAR) são problemas drásticos que podem ter sido causados pelo manejo incorreto dos rejeitos e resíduos da mineração. Em geral, este problema ocorre quando o mineral ou o metal de interesse da atividade mineradora está associado a sulfetos. Em sua exploração, é gerada uma solução ácida quando os minerais sulfatados passam por uma reação química de oxidação, ou seja, são oxidados pela água. Esta solução funciona como um lixiviante dos minerais que estão nos resíduos da mineração. Isto quer dizer que a solução da drenagem ácida de

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minas tem a capacidade de extrair componentes dos rejeitos e levá-los até os corpos hídricos (superficiais ou subterrâneos) do local. Os materiais retirados pela solução formam um percolado rico em metais dissolvidos e ácido sulfúrico com alto poder contaminante. A solução resultante da drenagem ácida de minas ou de rochas pode ser encontrada em pilhas de rejeitos ou de estoque de minérios, cavas de mina a céu aberto, em barragens de resíduos e também em galerias de minas subterrâneas. A retirada de materiais das áreas de mineração é realizada por rodovias ou ferrovias. O deslocamento de veículos de transporte pesado lança material particulado na atmosfera, proveniente da queima de combustíveis fósseis e do deslocamento de sedimento pela passagem dos veículos. Tanto este transporte quanto a própria exploração dos minérios são responsáveis pela utilização de recursos não renováveis, como combustíveis fósseis, ferro, cobre, cádmio, índio e selênio, cuja existência é limitada no planeta. A utilização de silício nos sistemas solares fotovoltaicos representa a busca de uma solução sustentável, uma vez que o silício é o segundo elemento mais abundante na superfície terrestre. (HAMMOND, 1992). As atividades de mineração transformam a paisagem pela retirada da cobertura vegetal, pelas atividades de escavação e terraplanagem. Estas ações modificam o ecossistema local e podem levar à perda do habitat e da biodiversidade. Por outro lado, a atividade mineradora apresenta alto potencial de geração de empregos.

2. Beneficiamento de minérios O beneficiamento dos minérios necessários para construção de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do solo, da água e do ar. Estas atividades geram impactos como risco de contaminação do solo e da água, risco de contaminação do ar com material particulado diverso, risco de acidentes físicos, perda de biodiversidade e habitats e geração de empregos.

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Os processos causadores de impactos ambientais pelo beneficiamento dos minérios necessários à construção de equipamentos fotovoltaicos são muito semelhantes àqueles relacionados aos sistemas solares termais.

3. Desenvolvimento de equipamentos A fabricação de células solares fotovoltaicas tem início com semicondutores de polissilicones muito puros. Este tipo de material é processado a partir do quartzo e é utilizado extensivamente pela indústria de eletrônicos. O polissilicone é aquecido e traços de boro são acrescentados. Em seguida, é formado um bloco de silicone. Discos individuais são fatiados a partir destes blocos e os discos são limpos e depois usados como camadas de semicondutores muito finos em toda superfície da célula. Depois, uma cobertura antirreflexiva é aplicada sobre a superfície da célula. Contatos elétricos são impressos na superfície negativa da célula e um material condutor aluminizado é depositado na superfície positiva. Depois disso, todas as células são eletricamente testadas quanto à saída de corrente e quanto à capacidade de conexão com outras células, formando, assim, circuitos para compor módulos. (FSEC, 2011). Módulos fotovoltaicos na forma de filmes finos são manufaturados através do depósito de camadas ultrafinas de materiais semicondutores em câmara de vácuo sobre substratos que podem ser de vidro ou de metal. Laser é utilizado para separar e soldar as conexões elétricas entre as células individuais que compõem os módulos PV. A pesquisa em filmes fotovoltaicos cada vez mais finos visa reduzir a demanda de materiais necessários para o desenvolvimento dos equipamentos fotovoltaicos. (FSEC, 2011). Dessa forma, é possível perceber que o desenvolvimento de equipamentos necessários para construção de sistemas solares fotovoltaicos pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar e à qualidade de vida dos trabalhadores envolvidos. A qualidade do ar pode ser mais ou menos afetada conforme o tipo de fonte de energia adotada pelo sistema industrial produtor dos módulos fotovoltaicos. Já a qualidade de vida tem relação com as tentativas da indústria de garantir maior confiança aos fun-

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cionários através da utilização de equipamentos individuais e do estabelecimento de políticas empresariais relacionadas à segurança no trabalho. A instalação de fábricas para desenvolvimento de sistemas solares fotovoltaicos também implica a retirada da vegetação original e a redução da biodiversidade e habitats. Além da remoção da cobertura vegetal, as atividades de terraplanagem são necessárias à instalação de indústrias deste tipo.

4. Transporte de equipamentos O transporte de equipamentos necessários à construção de sistemas solares pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade do ar. Esta atividade gera impactos como o risco de contaminação do ar com material particulado diverso, a geração de gases de efeito estufa, a perda de reservas de recursos não renováveis, o risco de acidentes físicos e a geração de empregos. Uma vez produzidos os equipamentos solares fotovoltaicos, eles precisam ser transportados para as regiões onde serão comercializados. Da mesma forma que os sistemas termais, os equipamentos fotovoltaicos podem ser realizados por via naval, ferroviária ou rodoviária. O nível de impacto depende do sistema viário utilizado. É necessário destacar ainda que o transporte de equipamentos solares pode gerar empregos diversos, mas apresenta riscos de acidentes físicos.

5. Instalação dos equipamentos A instalação de equipamentos necessários à construção de sistemas solares PV pode afetar aspectos ambientais relacionados à qualidade de vida. Esses aspectos se referem aos riscos de acidentes físicos decorrentes da implantação dos sistemas em telhados ou fachadas de edificações. Eles também têm relação com o risco de acidentes relacionados à energia elétrica.

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A utilização de equipamentos de segurança e o treinamento e atualização constante dos trabalhadores pode reduzir sensivelmente estes riscos. Como podemos observar, a instalação de equipamentos para geração de energia elétrica a partir da tecnologia fotovoltaica apresenta potencial para geração de empregos.

6. Manutenção de equipamentos A manutenção de equipamentos necessários à construção de sistemas solares fotovoltaicos pode afetar aspectos ambientais relacionados com a qualidade de vida. Este aspecto está relacionado com riscos de acidentes físicos associado às atividades de manutenção. Além disso, a necessidade de manutenção dos equipamentos é capaz de gerar empregos. No entanto sistemas PV bem desenhados e com equipamentos de qualidade não requerem muita manutenção, ou seja, sistemas de qualidade e bem instalados requerem mínima manutenção em sua longa vida útil.

7. Descarte dos equipamentos fotovoltaicos Devido à utilização de matérias-primas minerais não renováveis e muitas vezes tóxicas para o ambiente, o descarte dos equipamentos fotovoltaicos pode causar impactos ambientais que afetam, principalmente, a qualidade da água, do solo e da vida. O descarte de substâncias tóxicas pode prejudicar a saúde ambiental de determinada área através da contaminação do solo e da água pela ação das chuvas que carregam tais substâncias. O depósito de materiais em aterros sanitários adequados, que apresentam sistemas de isolamento do solo e dos recursos hídricos, pode minimizar estes impactos. Também é relevante enfatizar que a reutilização ou reciclagem dos materiais não renováveis é interessante porque evita os impactos decorrentes do descarte destas substâncias no ambiente. Além disso, a reciclagem evita os impactos ambientais decorrentes

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das atividades de mineração e do beneficiamento dos minérios, e pode reduzir o custo dos materiais. Lembre-se de que essa avaliação de impactos ambientais dos sistemas solares fotovoltaicos é superficial porque não conta com definição espacial. Além disso, consideramos as ações e os impactos genéricos relacionados à tecnologia fotovoltaica sem levar em conta diferentes graus de impactos que podem (e devem) ser avaliados em projetos específicos.

Impactos negativos Assim, podemos destacar que sistemas fotovoltaicos apresentam impactos negativos relacionados principalmente aos processos de mineração, beneficiamento e transporte de minérios necessários à produção dos equipamentos.

Além dos impactos ambientais supracitados, a implantação de sistemas fotovoltaicos apresenta outros fatores limitantes, tais como: • os sistemas solares fotovoltaicos apresentam altos custos de implantação quando comparados com os tipos de geração de energia elétrica convencionais; • devido ao seu alto custo de implantação, o valor econômico dos sistemas PV só pode ser recuperado ao longo de muitos anos; • os sistemas fotovoltaicos podem ser limitados pela superfície de implantação disponível.

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Vantagens da energia fotovoltaica Os sistemas fotovoltaicos, apesar dos impactos ambientais analisados, também apresentam vantagens quando comparado a outras formas de geração de energia. Observe os pontos destacados a seguir. São vantagens do uso da energia fotovoltaica: • Autonomia: uma das principais vantagens do uso das células fotovoltaicas para geração de eletricidade é que o consumidor é também o produtor da energia, sendo dono do processo e responsável por ele. • Fonte energética gratuita e disponível: devido à fonte energética solar ser disponível em todas as partes, fica minimizado o problema do suprimento de eletricidade em locais remotos, distantes de cidades e de redes elétricas, com estradas ruins e com dificuldades de obtenção de combustíveis fósseis. • Energia elétrica sem interferências externas: as redes elétricas convencionais podem trazer para dentro da instalação do consumidor distúrbios elétricos, ocasionando danos a equipamentos e seres vivos. Equipamentos eletrônicos são muito sensíveis a surtos de tensão provocados principalmente por descargas atmosféricas, muito comuns em redes de distribuição. Estação repetidora de telecomunicações situada em locais elevados aumenta muita sua confiabilidade quando alimentada por sistemas fotovoltaicos (e não por redes elétricas). • Modularidade: devido às células fotovoltaicas estarem dispostas em módulos, os sistemas podem ser expandidos de acordo com as necessidades. Isso possibilita que os sistemas sejam projetados mais adiante, reduzindo então o investimento inicial. Além do exposto, os sistemas fotovoltaicos apresentam-se como uma boa opção em relação às tecnologias convencionais de energia, porque: • podem ser desenhados para grande variedade de aplicações e para diversas necessidades operacionais;

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• reúnem independência e compatibilidade ambiental; • não fazem barulho e não emitem material particulado. (FSEC, 2011). Outra vantagem importante da energia elétrica fotovoltaica é o fato de que esta é capaz de gerar energia distribuída, em oposição à maior parte dos sistemas de abastecimento de eletricidade atuais, que são caracterizados pela centralização da produção. É necessário destacar que a possibilidade de geração de energia elétrica de forma descentralizada constitui um importante ponto positivo dos sistemas fotovoltaicos, no que se refere à sustentabilidade. As usinas de geração de energia elétrica convencional (hidrelétricas, termelétricas, usinas nucleares) apresentam problemas diversos, como poluição (usinas termelétricas a óleo ou a carvão), dependência de matérias-primas não renováveis (óleo, carvão, gás ou urânio) e oposição do público quanto à construção e operação (usinas nucleares, térmicas a carvão e, às vezes, hidrelétricas). Nenhum destes problemas pode ser atribuído aos sistemas solares fotovoltaicos instalados em edificações, seja em áreas rurais ou urbanas. Além disso, as usinas centralizadas podem deixar um grande número de consumidores vulneráveis às quedas ou mesmo à suspensão do fornecimento de energia elétrica – o que não ocorre em sistemas fotovoltaicos descentralizados. (RUTHER, 2004).

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4.9 Estudo de caso: dimensionamento de um sistema fotovoltaico de uma pequena escola Em uma determinada escola isolada na cidade de Laguna, deseja-se dimensionar um sistema FV isolado. Esta escola tem apenas atividades noturnas, no horário das 18:00 às 23:00 horas. Como ponto de partida, montaremos a seguir um quadro de cargas, onde serão descritos os aparelhos elétricos e o tempo de utilização por dia. Vamos considerar que o rendimento do conjunto é de 80%. Aparelho elétrico

Potência (W)

Tensão Nominal (V)

Tempo (h/dia)

Energia (Wh/dia)

Lâmpada

220

Lâmpada

220

Lâmpada

220

Lâmpada

220

DVD

220

150

BATERIA

111

12 V

TOTAL

Quadro 3.3 – Aparelhos elétricos e suas propriedades Fonte: Elaboração dos autores (2011).

PASSO 1 - ORIENTAÇÃO O painel deverá ficar orientado para o norte _______ (não utilizar o norte magnético)

PASSO 2 - INCLINAÇÃO Para um sistema fotovoltaico isolado, instalado em LAGUNA, a inclinação em relação à horizontal será de: 28.29° + ______° = _______ °

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PASSO 3 - IRRADIAÇÃO Utilizando o programa Radiasol, indicaremos as irradiações incidentes nesta região.

Inclinação

Jan

Fev

Mar

Abr

Mai

Jun

Julh

Ago

Set

Out

Nov

Dez

PASSO 4 - PAINEL A determinação da potência do painel fotovoltaico PV, para atender o consumo da escola no período noturno. ( E/ HTOT ) P FV = x Fcarreg R

Onde: • E – energia demandada pelas cargas diariamente (Wh/dia) • HTOT – irradiação solar incidente no plano dos módulos FV (Wh/m2/dia) • F carreg – fator de carregamento diário das baterias, será adotado 1,1 (10%) • R – rendimento do conjunto de aparelhos e componentes do sistema (controlador de carga, bateria, inversor e fiação). Obs. O valor de R situa-se tipicamente entre 70 e 80% (usaremos 80%). ( / ) P FV = x 1,1 = KWp = Wp 0

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PASSO 5 - ÁREA DO PAINEL A seguir determinaremos qual será a área que o painel irá ocupar para esta potência. A =

( P FV ) x 100 A = E FF

= m2 13 (%)

Onde : PFV – potência total do painel fotovoltaico em KWp E FF – eficiência de conversão da tecnologia fotovoltaica adotada, que, em nosso caso, é de 13% o rendimento do módulo solar policristalino.

Portanto, sabendo a potência do painel FV e a área, buscam-se os módulos necessários para atender a potência calculada.

PASSO 6 - DIMENSIONAMENTO Para dimensionar as baterias, é preciso utilizar um regulador de carga e descarga, regime C20, profundidade de descarga máxima admitida de 50% numa temperatura de 25° C e fator de segurança 10%. Ah/dia

1. Consumo em Ah/dia =

2. Capacidade preliminar não ajustada = 1) x 2dias = 3. Cap. ajustada em função máxima prof. de descarga = 2) / 50% =

4. Cap. ajustada em função máx. prof. de desc. diária =1) / 20% =

5. Capacidade ajustada em função máxima prof. de desc. = maior valor entre 3) e 4) 6. Cap. ajustada em função do fator de segurança = 5) + 10% = 7.

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+ Ah INVERSOR DE

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Portanto, deveremos utilizar para esta escola Ah, ou apenas

baterias de

bateria de

• Consumo da carga desejada em ampères hora por dia. • Dias predeterminados com chuva. • Determina-se, para que a bateria descarregue, apenas 50%. • Determina-se para descarga de 20%. • Coloca-se um fator de segurança de mais 10%.

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Considerações finais A eletricidade é considerada um componente vital para o desenvolvimento econômico. Historicamente percebemos que as nações industrializadas de hoje são aquelas que estabeleceram uma exploração massiva de energia fóssil. Esta exploração foi acompanhada de rápidos benefícios econômicos pela presença ampla de fontes energéticas a baixos custos (inicialmente). No entanto, atualmente, os efeitos da exploração dos combustíveis fósseis parece afetar o ambiente e o clima de várias regiões do planeta. Do ponto de vista da sustentabilidade, a energia solar apresenta vantagens e desvantagens. No que se refere aos aspectos ecológicos, a radiação solar é vantajosa por apresentar fonte abundante e renovável, mas apresenta a desvantagem de utilizar componentes tóxicos e/ou raros em suas composições mais baratas. Quanto aos aspectos de sustentabilidade econômica, a energia solar avançou nas últimas décadas com a redução dos custos de produção. No entanto estes custos ainda não apresentam o patamar necessário ao aproveitamento solar em escala ampla. A utilização da energia solar apresenta a vantagem de permitir a geração de eletricidade ou a melhoria do conforto térmico em regiões isoladas. Também é uma vantagem a possibilidade de reduzir custos com a utilização de energia de sistemas públicos. Sua principal desvantagem está relacionada à dificuldade de acesso a esta tecnologia, enfrentada por comunidades pobres em muitas áreas do mundo. No momento presente, existem desafios relacionados à exploração da energia solar como fonte limpa, renovável e acessível às diferentes regiões do mundo. Do ponto de vista técnico, Sen (2007) destaca alguns apontamentos das pesquisas científicas mais recentes para os desafios específicos que podem permitir a expansão futura da energia solar: • desenvolvimento de coletores de baixas e altas temperaturas; • utilização de equipamentos fotovoltaicos e fibras óticas para exploração e distribuição de energia elétrica a longas distâncias; • a combinação de energia solar e água para produção de gás hidrogênio.

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Ruther (2004) destaca a possibilidade de desenvolvimento de filmes fotovoltaicos mais delgados com pequenas quantidades de materiais semicondutores, baixas quantidades de energia necessária para sua produção, elevado grau de automação industrial (reduzindo riscos de acidentes químicos) e maior eficiência na conversão de energia solar em eletricidade. Este último aspecto é economicamente relevante porque a energia solar contém menos energia do que outras fontes. Por isso, a redução de custos de produção de painéis solares fotovoltaicos é fundamental para disseminação desta tecnologia. (RUTHER, 2004). O uso termal da energia solar é interessante em áreas onde existe o abastecimento de energia elétrica porque permite a redução do consumo individual de eletricidade, reduzindo a pressão sobre o sistema público. Também pode ser utilizada em regiões frias não abastecidas oficialmente, para melhorar o conforto térmico de moradias e áreas de criação de animais. Já o aproveitamento da energia solar para geração de eletricidade oferece campos de usos muito mais amplos. A geração de energia elétrica a partir da tecnologia fototermal ou fotovoltaica de forma individual pode abastecer áreas desprovidas deste serviço, melhorar as condições de vida em áreas rurais, reduzir custos com energia convencional em áreas urbanas e ainda contribuir para geração de energia elétrica do sistema público com o excesso de geração. Para as nações em desenvolvimento, a disponibilidade de energia é ainda mais crítica do que para os países industrializados. A busca de novas fontes pode permitir que tais países não repitam o modelo de desenvolvimento baseado na utilização de combustíveis fósseis, mas consigam estabelecer novas matrizes voltadas à sustentabilidade. Os governos atuais de diferentes países têm a responsabilidade de estimular novas fontes energéticas para suprir suas demandas de forma mais equilibrada. Este estímulo diz respeito a políticas públicas, principalmente, mas estes governos enfrentam dificuldades para formulação de suas políticas de sustentabilidade, e sem tais políticas os aproveitamentos solares ainda apresentam desvantagens competitivas quando comparados às fontes fósseis.

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As políticas públicas de incentivo à utilização da energia solar precisam apoiar o desenvolvimento de mercados para estimular os investimentos privados. Os surgimentos de mercados podem aumentar a disponibilidade de postos de trabalhos relacionados direta e indiretamente. Para tanto, é possível aplicar taxas “amigáveis” e metas de curto, médio e longo prazo para aumentar o consumo nacional de eletricidade proveniente de fontes renováveis, como a solar. Além destas políticas públicas, os governos podem ainda estimular a parceria do poder público com o privado para desenvolver a produção de eletricidade a partir da matriz solar. Somente com o aumento da visibilidade da fonte solar, a redução dos riscos de investimentos em longo prazo, o estabelecimento de objetivos nacionais e regionais, a redução de tarifas, a existência de financiamentos e o estabelecimento de normas regulatórias, a utilização da radiação solar como fonte de energia elétrica será competitiva.

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