De forma geral, as usinas híbridas, assim como as usinas associadas, são aquelas que combinam duas ou mais fontes de produção de energia.

Mas, afinal, qual a diferença entre elas?

As usinas híbridas ou centrais geradoras híbridas (CGH) são objetos de outorga única, podendo possuir ou não medições de geração distintas por fonte.

As usinas associadas, por sua vez, necessariamente possuem outorgas e medições distintas, mas compartilham fisicamente e contratualmente a infraestrutura de conexão e uso do sistema de transmissão.

Ou seja, empreendimentos híbridos já nascem com a combinação de duas ou mais fontes de energia. Por outro lado, os associados, geralmente são caracterizados por um empreendimento que é associado posteriormente a um outro já operante.

Como exemplos dessas centrais, temos a junção de usinas eólicas e solares e hídricas e solares (sistemas fotovoltaicos flutuantes).

Resolução Normativa 954/2021

Um marco importante para a regulamentação dessas modalidades de geração foi a publicação da Resolução Normativa (REN) 954 pela Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica) em novembro de 2021.

Nela, foram estabelecidos os requisitos e procedimentos necessários para obtenção de outorga de empreendimentos desse tipo, além de abordar temas como a contratação dos sistemas de transmissão e tarifação das usinas.

Do ponto de vista regulatório, ainda existem alguns passos a seguir, como a definição dos procedimentos de rede e regras de comercialização de energia, ambos em andamento, envolvendo a própria Aneel, ONS (Operador Nacional do Sistema), CCEE (Câmara de Comercialização de Energia Elétrica), e outros agentes do setor elétrico.

Quais as vantagens da hibridização e associação de usinas?

Várias são as vantagens relacionadas à junção de usinas de fontes energéticas distintas. Para exemplificar, tomamos o caso da associação de uma usina solar fotovoltaica a um complexo eólico já existente.

Em um cenário mais favorável à associação, no qual o local dos empreendimentos apresenta ventos mais intensos no período noturno, temos a seguinte situação: durante o dia, o complexo eólico não opera em sua máxima capacidade devido ao menor recurso eólico disponível e, dessa forma, o sistema de transmissão acaba sendo subutilizado.

Por outro lado, a usina fotovoltaica tem sua capacidade plena durante o dia, podendo complementar a geração eólica no período diurno, deixando o perfil de geração mais estável durante as 24 horas e tornando mais eficiente o uso do sistema de transmissão.

Operando dessa forma, é possível diminuir a ociosidade do sistema, resultando em ganhos para os empreendedores e para o setor como um todo.

Além do ganho proveniente da complementaridade na geração, tem-se a otimização do uso do terreno e aproveitamento da infraestrutura existente, reduzindo custos do projeto.

Algumas considerações sobre as usinas híbridas e associadas

Com a regulamentação em rota de ser concluída em alguns aspectos pendentes, a hibridização e associação de usinas estão se tornando cada vez mais comuns. Antes mesmo da publicação da REN 954, já haviam alguns projetos, como o projeto piloto, eólico e solar, da Votorantim Energia (atual Auren), e os P&Ds da Aneel, hídricas e solares.

Hoje, a maior parte das grandes empresas geradoras de energia do país têm projetos dessa natureza. Isso demonstra que a demanda por usinas desse tipo já existia no Brasil e tende a crescer.

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Os pontos positivos relacionados às fontes renováveis de energia são amplamente discutidos e divulgados. O intuito deste artigo é, portanto, trazer alguns impactos negativos referentes ao uso dessas fontes a fim de termos um debate mais rico a respeito desse tema tão importante.

Impactos ambientais

Em se tratando de impactos ambientais, é interessante dar exemplos de diferentes fontes renováveis, pois cada uma apresenta suas peculiaridades.

Começando pelas hidrelétricas de grande porte, a inundação relacionada à construção do reservatório gera impactos na fauna e flora locais, além de contribuir de forma significativa, segundo alguns estudos, com a emissão de gases do efeito estufa durante os anos de operação devido à decomposição da matéria orgânica presente no fundo do reservatório.

Com relação às renováveis mais conhecidas, eólica e solar, tem-se um aspecto quase sempre presente que é a supressão vegetal.

De forma geral, para centrais de grande porte, há uma maior supressão vegetal em projetos solares do que em eólicos, dada a necessidade de instalação de painéis fotovoltaicos em uma extensa área.

Tal supressão pode ainda causar impactos como o afugentamento de espécies locais. Dessa forma, é de suma importância o acompanhamento constante de biólogos e engenheiros ambientais em projetos com essas características.

Com respeito à energia eólica, existe um efeito bastante discutido: a mortalidade de aves devido à colisão com as pás dos aerogeradores em operação.

Mesmo que os números de mortes sejam inferiores se comparados às mortes por colisão em torres de rádio e telecomunicações, tal impacto deve ser considerado, principalmente em projetos que acabaram sendo instalados em rotas migratórias.

Ainda sobre a energia eólica, em específico o cenário offshore, existem estudos importantes envolvendo o impacto dessas usinas na fauna marinha.

Diferente da eólica onshore, bastante consolidada, o cenário de exploração eólica offshore é relativamente recente, abrindo espaço para estudos desse tipo.

A energia da biomassa, com uma participação considerável na matriz elétrica do Brasil, apresenta alguns impactos ambientais, principalmente quando se trata da combustão direta (da lenha, por exemplo), contribuindo com a emissão de dióxido de carbono.

Impactos sociais

Com relação aos impactos sociais oriundos da instalação de projetos de energia renovável, também é interessante mencionar alguns exemplos por fontes.

Algumas centrais fotovoltaicas de grande porte são instaladas em regiões agricultáveis.

Após a instalação, os proprietários das terras acabam ficando impossibilitados de continuar seus cultivos, devido a presença dos paineis solares, que ocupam grande parte da área.

Em se tratando de energia eólica, temos os efeitos de ruído e “shadow flicker” gerados durante a operação dos aerogeradores. O shadow flicker, ou efeito estroboscópico, está relacionado à sombra dinâmica das pás em residências, escolas, etc. A exposição prolongada a esse efeito pode causar danos à saúde.

Há um distanciamento mínimo entre as turbinas eólicas e as residências a ser respeitado, porém, tais efeitos podem continuar sendo sentidos, fazendo-se necessário um monitoramento dessas famílias próximas.

Outro aspecto que vem sendo discutido é a presença dos chamados “Filhos dos ventos”.

Durante a implantação de parques eólicos, algumas empresas são contratadas de forma temporária (alguns meses) e seus colaboradores acabam engravidando mulheres da região sem assumir a paternidade. Dessa forma, é criado mais um problema social em regiões que, na maioria das vezes, são pobres.

Com relação às hídricas, para a formação de seus reservatórios, muitas vezes é preciso retirar a população ribeirinha de suas moradias. Ainda que essa retirada seja realizada por meio de indenizações, alguns moradores são contra.

Energia renovável: então, é tudo marketing?

De maneira alguma! Se o objetivo deste artigo fosse elencar os pontos negativos das outras fontes de energia, principalmente os combustíveis fósseis, ele seria bem mais longo que este. Vários dos aspectos levantados aqui também estão presentes em fontes não renováveis de energia.

As maiores emissões de gases do efeito estufa por usinas térmicas, a supressão vegetal presente na indústria do carvão, a presença de rejeitos radioativos das nucleares, contribuição com o aquecimento global. Portanto, esses são só alguns dos pontos a considerar na comparação.

Estamos passando por um processo de transição energética, no qual o mundo busca tornar sua matriz energética mais renovável.

Um ponto importante disso tudo é que essa diversificação da matriz está atrelada também a ganhos financeiros (vide crescimento do setor de energia renovável nos últimos anos). Ou seja, isso é o que torna esse processo sustentável e inevitável.

No final do dia, os pontos positivos das energias renováveis superam seus pontos negativos. Assim, fazendo com que o uso de tais fontes seja não só o presente mas o futuro de nosso desenvolvimento como sociedade.

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O rotor de uma turbina eólica é composto pelas pás e pela estrutura em que elas são conectadas, o cubo. O objetivo deste artigo é explicar a razão das turbinas eólicas modernas terem 3 pás.

Análise comparativa

Primeiramente, para realizarmos essa análise, vamos comparar os cenários mais próximos do padrão de 3 pás: turbinas com 2 e 4 pás. Os resultados dessa comparação levam a conclusões semelhantes aos demais cenários (turbinas com menos de 2 pás e turbinas com mais de 4 pás).

O cenário com 4 pás é rapidamente tirado da jogada a partir de uma análise de “custo vs performance”. Cada pá apresenta um custo bastante relevante e o incremento de uma pá ao cenário padrão acaba levando a um custo total elevado frente o aumento marginal na performance da turbina.

Com relação ao cenário com 2 pás, essa turbina consegue atingir a performance de uma turbina de 3 pás se aumentarmos a corda (“espessura”) de suas pás em cerca de 50%. Com isso, a vantagem desse cenário com respeito ao custo acaba sendo prejudicada.

Outra forma de alcançar a performance de um aerogerador padrão com uma turbina de 2 pás seria aumentar a velocidade de rotação do rotor. Contudo, ao girar o rotor mais rápido, temos um maior ruído causado pela turbina, sendo esse um ponto negativo e que buscamos sempre minimizar. Além disso, devido ao aumento na força centrífuga, são necessários alguns reforços na turbina, os quais geram mais custos.

Logo, a turbina eólica com 3 pás consegue gerar mais energia, a uma velocidade de rotação menor, que uma com 2 pás e apresenta uma melhor relação “custo vs performance” que a opção com 4 pás, sendo assim o padrão adotado pelo mercado para os aerogeradores de grande porte.

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Mas o que está por trás desse crescimento?

Vários são os fatores que corroboram para o sucesso da energia eólica no país, mas iremos aqui abordar apenas o que faz os ventos tupiniquins serem tão especiais.

Dizer que um local tem um recurso eólico de excelência é dizer que os ventos ali presentes têm uma magnitude elevada e apresentam pouca variação em sua magnitude e direção.

Em outras palavras, as “jazidas de vento” são locais com ventos mais intensos e com uma direção predominante bem definida.

A energia dos ventos

A potência eólica disponível, ou seja, a potência que pode ser extraída a partir dos ventos é proporcional ao cubo da magnitude da velocidade do vento (para mais detalhes, ler o artigo “Por que os aerogeradores estão cada vez maiores?“).

Existem duas características de um terreno que influenciam o comportamento do vento local, podendo alterar sua magnitude: a orografia e a rugosidade.

A orografia está relacionada ao relevo local e, dependendo de sua forma, é possível favorecer o aumento da velocidade do vento. Essa é uma das características que fazem com que muitos parques eólicos sejam instalados nas regiões montanhosas da Bahia.

A aceleração do fluxo no topo de montanhas com inclinações suaves faz com que esses lugares sejam propícios para a exploração de energia eólica.

A rugosidade, por sua vez, está relacionada ao tipo de cobertura da superfície.

Para exemplificar, uma região coberta por gramíneas apresenta uma rugosidade inferior a uma região de mata densa. De forma geral, quanto menor a rugosidade, maior a velocidade do vento.

Mas, afinal, por que os ventos do Brasil são bons para a exploração de energia eólica?

Sabemos que as regiões brasileiras com maior destaque em energia eólica são a região Sul e a região Nordeste. Nesta última, estão instalados mais de 80% dos parques eólicos nacionais.

Falando especificamente do nordeste brasileiro, essa é uma região bastante privilegiada em recurso eólico. Sua disposição geográfica é favorecida com a intensidade e constância dos ventos alísios.

O litoral nordestino, especialmente nos estados do Rio Grande do Norte e Ceará, é uma das regiões com os melhores ventos do mundo.

Isso é devido ao fato dos ventos alísios serem unidirecionais e soprarem a partir do oceano (baixa rugosidade), nesse caso, e explica a quantidade de parques eólicos presentes no litoral desses estados.

A unidirecionalidade dos ventos alísios resulta em uma maior facilidade na operação dos parques, uma vez que os aerogeradores não precisam mudar de posição a todo momento buscando os melhores ventos (controle de yaw).

Isso se traduz na disposição dos aerogeradores desses parques, que ficam enfileirados, apontados para uma mesma direção.

No caso de outros estados do Nordeste, como Bahia e Pernambuco, os melhores ventos encontram-se, de forma geral, no interior dos estados, em regiões mais montanhosas, as quais aceleram o vento.

Em suma, essas são algumas das características que resultam no sucesso da energia eólica no Brasil com médias de fatores de capacidade acima de 40%, enquanto a média mundial fica abaixo dos 30%.

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Como funcionam os aerogeradores ?

Também chamados de turbinas eólicas, os aerogeradores são máquinas que tem a função de captar a energia cinética do vento incidente e converter em energia elétrica.

No meio dessa conversão, há primeiro a conversão da energia cinética do vento em energia mecânica de rotação do eixo da turbina.

Tendo dito isso, é razoável esperar que quanto maior é a máquina, mais vento ela é capaz de captar e, portanto, mais energia ela é capaz de gerar.

Mas como isso se dá matematicamente ?

Para entender melhor essa questão, precisamos analisar a equação descrita a seguir.

Nela, P refere-se à potência mecânica no eixo do aerogerador, Cp ao rendimento na conversão entre a energia eólica disponível no vento incidente e a energia mecânica no eixo, A à área correspondente ao rotor aerodinâmico (área de um círculo, onde o raio é o tamanho da pá do aerogerador), ρ à densidade do ar local e V à velocidade média do vento incidente.

Com respeito ao rendimento Cp, existe um limite teórico máximo para ele denominado Limite de Betz, cujo valor é 16/27 (aproximadamente 59,3%).

Em outras palavras, só é possível converter em energia mecânica no máximo 59,3% da energia cinética do vento incidente.

Analisando a equação descrita anteriormente, percebemos que ao aumentar a área A temos uma maior potência mecânica P, pois são grandezas diretamente proporcionais. O mesmo acontece para a velocidade do vento incidente V.

Logo, para maximizarmos a potência, precisamos de maior área e maior velocidade do vento incidente. O aumento da área se dá pelo aumento no tamanho das pás dos aerogeradores.

Mas como obtemos maiores velocidades de vento ?

Para responder essa questão, precisamos entender o comportamento médio do vento em função da altura.

A imagem acima mostra o perfil vertical de velocidade do vento em função da altura. Nela, notamos que os ventos presentes em camadas mais elevadas da atmosfera apresentam uma maior magnitude.

Isso acontece devido à diminuição da influência da superfície no vento à medida que nos afastamos dela. Ou seja, os ventos em maiores alturas estão menos suscetíveis aos efeitos turbulentos na superfície.

Logo, os aerogeradores modernos, além de apresentarem pás cada vez maiores, também apresentam torres cada vez maiores, de forma a captar ventos de maior magnitude em alturas mais elevadas.

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O Sistema Elétrico Nacional é baseado em um modelo centralizado de geração, no qual grandes unidades geradoras, geralmente hidrelétricas, situadas em locais afastados dos centros urbanos, são as responsáveis pelo fornecimento de energia.

A GD, por outro lado, busca solucionar alguns problemas relacionados ao modelo centralizado e dar ao consumidor a possibilidade de gerar sua própria energia.

Mas o que é a Geração Distribuída ?

A Geração Distribuída de Energia é o modelo de geração elétrica no qual as unidades de geração ficam próximas às unidades consumidoras.

Dessa forma, ao invés de ter um sistema elétrico composto por algumas unidades geradoras com maior potência instalada, temos um número bem maior de geradores com menor potência distribuídos próximos aos locais de consumo.

A entidade nacional responsável por atender às demandas políticas, técnicas e regulatórias relacionadas à GD é a ABGD (Associação Brasileira de Geração Distribuída.

A ABGD representa os mais diversos setores do sistema elétrico, com participação de provedores de soluções, distribuidores, fabricantes, acadêmicos, etc. Todos atuando de forma direta ou indireta na GD oriunda de fontes renováveis de energia.

Vantagens e desvantagens da GD

Com relação às vantagens e desvantagens da Geração Distribuída, aqui vão alguns exemplos:

Vantagens

1. Diminuição do custo com energia elétrica para o consumidor final, em especial os consumidores residenciais. Sendo o próprio gerador da energia, o consumidor se torna mais independente da distribuidora, pagando muitas vezes apenas o custo mínimo obrigatório da conta de energia, denominado no Brasil de “Custo de Disponibilidade”;
2. Incentivos fiscais dados por alguns governos;
3. Sistema de Compensação de Energia (ou net metering). Nesse sistema, o consumidor apresenta um medidor de energia bidirecional. Assim, quando a energia oriunda do sistema de geração distribuída não é consumida de forma imediata e não há um sistema de armazenamento, a energia é transferida para à rede e o medidor opera na direção contrária. Dessa forma, o valor cobrado na fatura de energia será relativo à diferença entre a energia consumida e a energia injetada na rede;
4. Redução das perdas nas linhas de transmissão e de distribuição;
5. Alcande de energia em áreas remotas.

Desvantagens

1. Aumento no custo de distribuição para as distribuidoras. Muitas distribuidoras não conseguem adequar seu sistema de distribuição aos requisitos impostos pelas normas;
2. Custos com redes inteligentes. No mundo todo, o desenvolvimento da GD é acompanhado pelo desenvolvimento das redes inteligentes (smart grids), que são essenciais para o controle em tempo real de sistemas tão dinâmicos;
3. Desafios técnicos devido ao aumento na complexidade da rede (fluxo de potência reverso, sincronismo, harmônicos, ilhamento, etc);
4. Dificuldade no planejamento estratégico de expansão dado que o crescimento da GD não é facilmente mensurado.

Cenário atual e o futuro da GD no Brasil

Antes de falar de alguns números da GD no Brasil, é importante mencionar a espinha dorsal desse modelo de geração no país com respeito à regulamentação, a Resolução Normativa 482/2012.

Essa Resolução estabelece as condições gerais para o acesso de sistemas de geração distribuída aos sistemas de distribuição de energia, além de abordar a Compensação de Energia, mencionada anteriormente.

Vale mencionar que a RN 482 passou por uma audiência pública no ano de 2019 a fim de receber contribuições para uma proposta de mudança.

Segundo dados da ABGD, o país fechou o mês de setembro deste ano com uma potência instalada de GD de 3.877 MW e 305.522 conexões. Dentre essas conexões, a maioria delas está na classe residencial de consumo.

Um aspecto interessante é que a energia solar fotovoltaica tem uma participação de 96% da GD no Brasil, seguida pelas fontes térmica e hidráulica com 2% de participação cada.

Espera-se que no futuro essa predominância da energia solar seja mantida, sempre com o apoio de regulamentações atualizadas e que garantam a sustentabilidade dos sistemas de Geração Distribuída.

Além disso, o desenvolvimento e implementação de Smart Grids continuará sendo de suma importância para a GD.

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Um fato curioso é o de que algumas fontes energéticas derivam da energia do sol de alguma forma. Os ventos, por exemplo, são formados a partir do aquecimento desigual da superfície terrestre. Da mesma maneira, a biomassa é altamente dependente da energia solar.

Nesse sentido, essa terceira parte da série de artigos sobre fontes renováveis busca apresentar os fundamentos da energia solar e alguns assuntos recentes envolvendo tal fonte.

Energia solar fotovoltaica

A energia solar pode ser dividida, de forma geral, em duas tecnologias: a fotovoltaica e a térmica.

A energia solar fotovoltaica é responsável pela conversão direta da radiação solar em eletricidade. Logo, o produto final desse tipo de tecnologia é sempre a produção de corrente elétrica.

Ainda sobre a tecnologia fotovoltaica, existem duas principais aplicações: sistemas interligados à rede (on-grid) e sistemas isolados (off-grid). Os sistemas interligados à rede são aqueles mais presentes nas residências, os quais podem injetar na rede a energia excedente.

Já os sistemas isolados não apresentam qualquer conexão com a rede de energia elétrica e a energia excedente produzida pelos painéis é armazenada em baterias.

De forma geral, os componentes de um sistema solar isolado são os seguintes: arranjo fotovoltaico (conjunto de painéis), banco de baterias, controlador de carga (responsável pelo gerenciamento da carga nas baterias) e um inversor (parar converter a corrente contínua gerada pelo arranjo em corrente alternada).

Vale mencionar que os sistemas isolados foram os primeiros a serem desenvolvidos e tinham o objetivo de levar eletricidade a locais onde as redes de distribuição não chegavam.

Esses sistemas foram primeiramente utilizados para alimentar eletricamente os satélites artificiais e sistemas de telecomunicação. Hoje, além dessas aplicações, é comum usá-los para o bombeamento de água em regiões isoladas.

Energia solar térmica

Em se tratando da energia solar térmica, seu objetivo é aquecer água ou algum outro fluido. Porém, essa tecnologia também permite gerar eletricidade de forma indireta (energia solar heliotérmica). Mais detalhes serão dados posteriormente.

A energia solar térmica é bastante conhecida por seu uso no aquecimento de água para banho. Alguns dos componentes desses sistemas para uso doméstico são os painéis solares, as tubulações e o reservatório térmico (boiler).

Para aplicações em grande escala com o objetivo de gerar eletricidade, é comum utilizar concentração. Para isso, são usados refletores parabólicos, por exemplo, os quais concentram a radiação solar em um ponto focal no qual fica localizado um fluido.

Essa concentração permite que o fluido atinja temperaturas bastante elevadas, transformando-se em vapor, o qual é utilizado para girar turbinas e então produzir eletricidade.

A intensidade da concentração é medida em número de sóis, alcançando até 100 sóis em sistemas de baixa concentração e mais de 1000 sóis em sistemas de alta concentração.

Vale dizer que a concentração é utilizada tanto por sistemas fotovoltaicos como sistemas térmicos e 1 sol equivale à irradiância de 1000 W/m².

Como funciona um painel fotovoltaico ?

O funcionamento de um painel desse tipo, como diz o próprio nome, é baseado no efeito fotovoltaico.

Esses painéis são formados por células fotovoltaicas fabricadas a partir de materiais semicondutores, como o silício. As células de um painel são conectadas por uma faixa condutora, de modo que todas estejam ligadas, formando um circuito.

De forma simplificada, a radiação solar (fótons), ao atingir essas células, faz com que haja um deslocamento dos elétrons, gerando corrente elétrica.

A corrente elétrica gerada é contínua. Logo, se os equipamentos a serem alimentados pelo painel necessitam de corrente alternada, é preciso que se tenha um inversor para realizar a transformação.

Avanços e desafios da energia solar

Como visto anteriormente, as células fotovoltaicas são formadas por materiais semicondutores, e a busca por novos materiais ou novas combinações de materiais é algo que vem avançando consideravelmente nos últimos anos.

Além do silício, material mais utilizado, existem células de Telureto de Cádmio (CdTe), Arseneto de Gálio (GaAs), Disseleneto de Cobre Índio e Gálio (CIGS), células orgânicas, entre outras.

Dentre essas células, temos as chamadas células de multijunção, as quais são formadas por camadas de diferentes materiais, em que cada uma das camadas é especializada em absorver uma parte do espectro solar, possibilitando eficiências superiores àquelas das células convencionais.

Ainda com relação à busca por maior eficiência, a associação de células de multijunção com concentração vem batendo recordes. Pesquisadores do Laboratório NREL dos Estados Unidos conseguiram uma eficiência de quase 50%.

Um assunto que vem sendo bastante discutido atualmente é o de Geração Distribuída (GD).

A GD consiste na geração de energia próximo às unidades consumidoras, e, no Brasil, segundo a Associação Brasileira de Geração Distribuída (ABGD), a participação da energia solar fotovoltaica na potência instalada de GD no país até julho deste ano foi de 95%.

Logo, nota-se a importância dessa fonte na transição energética para um modelo mais descentralizado e com fontes limpas e renováveis.

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Sendo a fonte de energia com a quarta maior participação na matriz elétrica brasileira no ano de 2019, representando  8,4% do total, o uso da biomassa no Brasil ainda tem bastante espaço para crescer.

Essa segunda parte da série de artigos sobre fontes renováveis busca apresentar informações gerais sobre a energia da biomassa e enfatizar sua importância na transição energética.

O que é Biomassa ?

Biomassa é toda matéria orgânica recente de origem animal ou vegetal usada com a finalidade de gerar energia.

O termo “recente” na definição de biomassa é importante, pois exclui os tradicionais combustíveis fósseis. Embora o carvão mineral, por exemplo, tenha origem vegetal, ele é resultado de transformações  que requerem milhões de anos para acontecerem. Logo, ele não é renovável.

De acordo com a sua origem, a biomassa pode ser classificada em: florestal (lenha), agrícola (soja, cana-de-açúcar) e rejeitos urbanos e industriais (biodegradáveis, no estado sólido ou líquido).

Os tipos de biomassa mais utilizados são a lenha, bagaço de cana-de-açúcar, papel, papelão, galhos e folhas de árvores, etc.

A energia da biomassa é bastante utilizada por usinas termelétricas, e o uso de sistemas de cogeração, que conciliam a geração de energia elétrica através da biomassa à produção de calor vem se tornando cada vez mais comum.

Biomassa e cogeração

Como dito anteriormente, a cogeração é responsável por utilizar o calor que era antes perdido para o ambiente durante geração de energia elétrica, fazendo com que a eficiência energética do sistema como um todo seja aumentada.

Através da cogeração, o aproveitamento da energia contida no combustível pode ultrapassar 80 %.

Um exemplo interessante de cogeração está presente em parte das usinas de cana-de-açúcar. Em um primeiro processo, o caldo da cana é usado para produção de etanol, e o bagaço que sobra é então utilizado como combustível em uma caldeira.

O calor oriundo da queima do bagaço serve para gerar vapor d’água, que por sua vez gira uma turbina na qual há um gerador elétrico acoplado, convertendo energia mecânica em elétrica.

Vale mencionar que algumas usinas de açúcar e álcool se tornaram autossuficientes em energia elétrica através dessa prática. Além disso, ainda existe a possibilidade de produzir etanol a partir do bagaço, o chamado etanol de segunda geração.

Processos de conversão da biomassa

Existem alguns processos para converter a biomassa em energia. Os principais são:

Combustão direta: na qual a queima da biomassa é realizada a altas temperaturas na presença abundante de oxigênio, podendo ocorrer em fogões (cocção de alimentos), fornos (metalurgia) e caldeiras, para produção de vapor.

Digestão anaeróbia: na qual consiste em decompor o material orgânico pela ação de bactérias. Ela ocorre na ausência de oxigênio e seu produto final é o biogás, composto basicamente de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2).

Pirólise: técnica na qual converte um combustível sólido (normalmente lenha) em outro de maior conteúdo energético (carvão). Consiste no aquecimento do material entre 300 ºC e 500 ºC, na “quase ausência” de oxigênio, até a extração do material volátil. Seu principal produto final é o carvão vegetal.

Fermentação: técnica na qual os açúcares de plantas como milho, baterraba e  cana-de-açúcar são convertidos em álcool pela ação de microorganismos (geralmente leveduras). O produto final é o etanol na forma de álcool hidratado e, em menor escala, o álcool anidro (com menos de 1% de água). O primeiro é usado como combustível puro e o segundo é misturado à gasolina.

Biomassa no Brasil

Segundo o Balanço Energético Nacional 2020 (ano base 2019), o avanço da oferta de biomassa de cana e biodiesel em 2019 contribuíram para que a matriz energética brasileira mantivesse um patamar renovável muito superior ao observado no mundo.

Como dito anteriormente, a biomassa foi a quarta fonte de energia em participação na matriz, sendo a terceira entre as renováveis. Ficando atrás da hidráulica (64,9%) e da eólica (8,6%).

Com relação aos biocombustíveis, o Brasil foi um dos países pioneiros na produção de etanol. E instituições como a Embrapa desenvolvem pesquisas de referência internacional com respeito à produção de biocombustíveis sólidos.

Também chamados de briquetes, esses materiais sólidos podem ser usados como substitutos da lenha em fornos de restaurantes e caldeiras industriais. Os briquetes são obtidos a partir da compactação de materiais como serragem, bagaço de cana e casca de arroz.

Com respeito ao potencial brasileiro no uso da biomassa, o país é privilegiado pela sua extensão territorial, a qual permite uma exploração eficiente e sustentável da biomassa.

Além disso, dadas as proporções da indústria agrícola brasileira, é possível considerá-la uma grande geradora de resíduos, que, por sua vez, são importantes formas de biomassa para produção energética.

Não só os resíduos agrícolas, mas também os resíduos sólidos urbanos são produtos importantes para a geração de energia e precisam ser mais explorados.

Dado esse contexto, nota-se que a biomassa é uma fonte renovável bastante relevante para a transição energética brasileira, contribuindo para uma matriz energética mais renovável.

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Não só vestibulandos, mas também profissionais de outras áreas acabam não tendo uma noção clara do que faz o Engenheiro de Energia.

Buscando sanar tais dúvidas, aqui vão algumas informações sobre a Engenharia de Energia.

O que é Engenharia de Energia ?

O bacharelado em Engenharia de Energia é um curso de ensino superior com duração de 5 anos, no qual aborda nos primeiros anos do curso os conhecimentos básicos das engenharias como Matemática, Física, Química e Programação.

A partir daí tem disciplinas mais específicas, buscando aplicar tais fundamentos em problemas relacionados à energia.

No âmbito das disciplinas específicas, dependendo da região do Brasil, o curso apresenta ênfases distintas. Porém, temas como fontes renováveis e não-renováveis de energia, conversão de energia e eficiência energética, são comuns a todos.

De modo geral, os assuntos estudados envolvem a área mecânica, química e elétrica. Exemplos de disciplinas mais específicas que compõem a grade curricular são: termodinâmica, mecânica dos fluidos, energia eólica, energia solar, energia nuclear, biomassa e biocombustíveis, circuitos elétricos, análise de sistemas de potência, entre outras.

Dentro desse contexto, o bacharelado em Engenharia de Energia permite que o aluno domine temas relevantes em cada uma das quatro áreas dentro do setor elétrico: geração, transmissão, distribuição e consumo.

O que faz um Engenheiro de Energia ?

Segundo o CONFEA (Conselho Federal de Engenharia e Agronomia), algumas das atribuições que competem ao Engenheiro de Energia são o desempenho das atividades relacionadas a geração e conversão de energia, gestão de recursos energéticos e eficiência energética.

Assim como o desenvolvimento e aplicação de tecnologias envolvidas nos processos de transformação, conversão e armazenamento de energia.

Vale mencionar que todas as atividades desenvolvidas pelo Engenheiro de Energia são realizadas de forma a minimizar os impactos ambientais, buscando utilizar fontes energéticas mais limpas, e sempre preocupado com a eficiência energética dos processos.

Dado esse cenário, as atividades do Engenheiro de Energia exercem um papel fundamental no desenvolvimento econômico do país, uma vez que tal desenvolvimento é diretamente dependente da oferta de energia.

Além disso, a preocupaçao ambiental permite que o país se desenvolva de maneira sustentável, obedecendo os acordos internacionais de proteção ambiental.

O mercado de trabalho para o Engenheiro de Energia é bastante diversificado. Como o profissional pode estar envolvido nas mais diversas áreas do setor energético, ele pode atuar em vários locais.

Exemplos desses locais são empresas de energia (geradoras, transmissoras, distribuidoras, comercializadoras), setor público (sendo responsável por políticas públicas na área de energa), prestando consultoria para pessoas e empresas, entre outros.

Vale mencionar que nos últimos anos, com o aumento no uso de fontes renováveis de energia, especialmente energia solar e eólica, a demanda por Engenheiros de Energia especializados nessas fontes vem crescendo cada vez mais, sendo uma das áreas de atuação mais comuns atualmente.

Qual a diferença entre Engenharia de Energia e Engenharia Elétrica ?

Essa é uma pergunta bastante frequente. De forma sucinta, a diferença entre elas se dá pelo fato de que a Engenharia de Energia não trabalha apenas com a energia elétrica, mas também com outras formas de energia.

Um Sistema de Gestão Energética, competência na qual a Engenharia de Energia possui, permite compreender desde os processos de conversão energética convencionais, como também a compreensão dos mercados de energia e os processos de melhoria em eficiência energética, uma vez que ela trata de todas as formas de energia envolvidas num sistema.

É interessante dizer que algumas empresas ainda não conhecem o perfil do Engenheiro de Energia, e por isso não oferecem vagas voltadas para tais profissionais.

Contudo, essa realidade vem sendo modificada rapidamente, com a inserção cada vez maior de Engenheiros de Energia no mercado, fazendo com que empresas como o ONS (Operador Nacional do Sistema), por exemplo, abram vagas de Trainee nas quais concorrem Engenheiros Eletricistas e Engenheiros de Energia.

Um profissional formado em Engenharia de Energia possui, além dos conhecimentos necessários de mecânica dos fluidos, termodinâmica, circuitos elétricos e outros saberes essenciais, a capacidade de gerenciar fontes renováveis de energia como Biomassa, Eólica, Solar e PCHs (Pequenas Centrais Hidrelétricas), com o intuito de gerar eletricidade, e também produzir biocombustíveis destinados ao setor de transportes e o setor industrial.

Perspectivas de mercado para Engenheiros de Energia nos próximos anos

Embora o ano de 2020 esteja sendo bastante desafiador para a economia, com queda na demanda por eletricidade, o setor energético, estratégico para o desenvolvimento econômico, em especial as fontes renováveis de energia, irão exercer um papel importante na retomada da economia após a pandemia de Covid-19.

Muitos especialistas esperam que os investimentos em tais fontes devem se manter, e que a agenda de descarbonização continuará sendo uma prioridade para as empresas.

Logo, o mercado de trabalho mostra-se bastante promissor para os profissionais da área nos próximos anos.

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Buscando mostrar aspectos importantes de algumas fontes renováveis, essa primeira parte, de uma série de artigos, aborda a energia eólica e suas características.

A Energia Eólica ao longo do tempo

Há muito tempo o homem utiliza a força dos ventos para realizar certas atividades. Desde a moagem de grãos pelos persas, alguns séculos depois de Cristo, até a geração de eletricidade com os aerogeradores modernos. Sem contar o uso do vento para impulsionar embarcações, que datam de bem antes da Era Cristã.

Um aspecto importante a ser mencionado é a diferença na tecnologia empregada nos chamados moinhos de vento ao longo dos anos.

No início eles apresentavam em sua maioria eixos verticais. E depois, os moinhos de vento com eixo horizontal foram se tornando mais comuns (Obs.: mais informações no tópico “Tipos de aerogeradores”).

Por volta dos anos 1800, foi criado nos Estados Unidos um moinho de vento que ficou bastante conhecido no mundo inteiro, o moinho de Halladay. Ele apresenta várias pás e seu uso é voltado para o bombeamento de água.

Os aerogeradores como conhecemos hoje surgiram no século passado. Alguns países da Europa e os Estados Unidos foram pioneiros no desenvolvimento dessas máquinas.

O primeiro aerogerador de 1 MW entrou em operação em 1941, e hoje, tem-se notícias de aerogeradores para uso offshore (no mar) de mais de 10 MW, com diâmetros do rotor de mais de 150 metros.

Como os aerogeradores funcionam ?

O princípio de funcionamento de um aerogerador consiste na conversão da energia cinética do vento em energia elétrica.

O formato aerodinâmico das pás dos aerogeradores faz com que o vento, ao atingi-las, gere uma força que proporciona o giro do rotor.

O eixo que fica acoplado ao rotor apresenta baixa rotação. Então geralmente tem-se uma caixa multiplicadora, responsável por elevar a rotação a níveis compatíveis com o gerador elétrico.

É interessante dizer que os aerogeradores modernos apresentam controles importantes. O controle de pitch faz com que a pá gire em torno do seu próprio eixo, modificando a velocidade de rotação do rotor.

O controle de yaw é responsável por deixar o rotor sempre perpendicular à direção do vento. Dessa forma, o aerogerador consegue extrair a quantidade máxima de energia.

Tipos de aerogeradores

Como mencionado anteriormente, existem aerogeradores de eixo vertical e horizontal.

A força gerada quando o vento atinge as pás pode ser decomposta em duas componentes. Uma componente de arrasto (drag) e outra de sustentação (lift).

Os aerogeradores de eixo vertical de forma geral utilizam a componente de arrasto para girar o rotor. Por outro lado, os de eixo horizontal utilizam a componente de sustentação.

A utilização da componente de sustentação acaba sendo a opção mais eficiente. Logo, os aerogeradores que apresentam controle de pitch buscam maximizar a componente de sustentação e diminuir a de arrasto através da rotação da pá.

É importante mencionar que os aerogeradores de eixo vertical não necessitam de controle de yaw, uma vez que o giro do rotor independe da direção do fluxo do vento.

Energia Eólica no Brasil

A matriz elétrica brasileira é conhecida pela predominância das fontes renováveis de energia. Dentre essas fontes, a energia eólica tem grande destaque.

O primeiro aerogerador instalado no Brasil entrou em operação em 1992 em Fernando de Noronha, resultado da parceria entre o antigo Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e a Companhia Energética de Pernambuco (CELPE), com financiamento do instituto de pesquisas dinamarquês Folkecenter.

No ano de 2009 foi realizado o primeiro leilão exclusivo para a fonte eólica e em 2019 as eólicas assumiram o segundo lugar na matriz elétrica, passando de aproximadamente 600 MW para 15,45 GW de capacidade instalada na última década.

Essa potência instalada deixa o Brasil no sétimo lugar no ranking mundial de capacidade instalada de energia eólica.

As regiões brasileiras que mais utilizam a força dos ventos para geração de eletricidade são a região Sul e Nordeste. Nessa última, estão instalados mais de 80 % dos parques eólicos nacionais.

É importante dizer que o Brasil apresenta ventos com características ideais para a geração de energia, resultando em centrais eólicas com alta produtividade.

O fator de capacidade (relação entre a produção efetiva e a capacidade máxima de produção em um mesmo período de tempo) médio das eólicas no mundo é de aproximadamente 25 %, enquanto a média nacional é superior a 40 %.

Nesse cenário, nota-se a importância da energia eólica para o país, gerando energia limpa e atraindo investimentos do mundo inteiro.

Avanços e desafios da Energia Eólica

Um dos avanços tecnológicos mais notáveis no setor eólico é a evolução do tamanho das máquinas.

Aerogeradores maiores conseguem captar ventos de maior intensidade, os quais ocorrem nas camadas mais elevadas da atmosfera, resultando numa maior geração de energia.

Essas máquinas maiores acabam sendo mais utilizadas na aplicação offshore, a qual apresenta em geral um maior recurso eólico se comparada a onshore devido aos ventos mais intensos em alto mar por falta de obstáculos.

Vários desafios são encontrados na aplicação offshore. Desde os desafios tecnológicos de desenvolver máquinas cada vez maiores e fundações seguras, por exemplo, até desafios logísticos no transporte de componentes tão grandes.

Além disso, no Brasil ainda não há uma regulamentação ambiental específica para tal aplicação. Isso faz com que projetos eólicos desse tipo encontrem dificuldades de implantação.

Com relação à área de materiais, na fabricação das pás dos aerogeradores, o material utilizado em geral é a fibra de vidro. Porém, atualmente vem sendo cada vez mais comum encontrar pás de fibra de carbono, sendo mais leves e resistentes.

Uma aplicação que já é comum em alguns países europeus mas que é rara no Brasil é o uso de aerogeradores de pequeno porte em ambiente urbano.

Embora essa aplicação apresente alguns pontos negativos como os ventos mais fracos na cidade por conta da presença de vários obstáculos e o ruído gerado pelas máquinas, ela se torna uma alternativa para os proprietários das residências que desejam gerar sua própria energia e não têm áreas livres para instalação em sua propriedade.

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