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José Roberto Simões Moreira|Energias renováveis, geração distribuída e eficiência energética.Amostras de páginas não sequenciais e em baixa resolução. Copyright© 2017 LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda.


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Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética

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O GEN | Grupo Editorial Nacional – maior plataforma editorial brasileira no segmento científico, técnico e profissional – publica conteúdos nas áreas de ciências exatas, humanas, jurídicas, da saúde e sociais aplicadas, além de prover serviços direcionados à educação continuada e à preparação para concursos. As editoras que integram o GEN, das mais respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras decisivas para a formação acadêmica e o aperfeiçoamento de várias gerações de profissionais e estudantes, tendo se tornado sinônimo de qualidade e seriedade. A missão do GEN e dos núcleos de conteúdo que o compõem é prover a melhor informação científica e distribuí-la de maneira flexível e conveniente, a preços justos, gerando benefícios e servindo a autores, docentes, livreiros, funcionários, colaboradores e acionistas. Nosso comportamento ético incondicional e nossa responsabilidade social e ambiental são reforçados pela natureza educacional de nossa atividade e dão sustentabilidade ao crescimento contínuo e à rentabilidade do grupo.

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Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética Organizador

José Roberto Simões Moreira Colaboradores Alberto Hernandez Neto Alessandra Camilla do Amaral Bruno Medeiros Leite Claudio Roberto de Freitas Pacheco Daniel Setrak Sowmy Demetrio Cornilios Zachariadis Eduardo Ioshimoto Eduardo Seiji Yamada Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas Enio Kato Gustavo de Andrade Barreto Hirdan Katarina de Medeiros Costa Ivan Eduardo Chabu Javier Farago Escobar José Aquiles Baesso Grimoni José Roberto Simões Moreira

Julia da Rosa Howat Rodrigues Laiete Soto Messias Leticia de Oliveira Neves Marcelo da Silva Rocha Marcos de Mattos Pimenta Marilin Mariano dos Santos Maury Sergio Lima e Silva Naraisa Moura Esteves Coluna Patricia Helena Lara dos Santos Matai Roberto Castro Ronaldo Andreos Suani Teixeira Coelho Tiago Gonçalves Goto Vanessa Pecora Garcilasso Vinicius Eduardo Ribas Virginia Parente

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Os autores e a editora empenharam-se para citar adequadamente e dar o devido crédito a todos os detentores dos direitos autorais de qualquer material utilizado neste livro, dispondo-se a possíveis acertos caso, inadvertidamente, a identificação de algum deles tenha sido omitida. Não é responsabilidade da editora nem dos autores a ocorrência de eventuais perdas ou danos a pessoas ou bens que tenham origem no uso desta publicação. Apesar dos melhores esforços dos autores, do editor e dos revisores, é inevitável que surjam erros no texto. Assim, são bem-vindas as comunicações de usuários sobre correções ou sugestões referentes ao conteúdo ou ao nível pedagógico que auxiliem o aprimoramento de edições futuras. Os comentários dos leitores podem ser encaminhados à LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora pelo e-mail ltc@grupogen.com.br. Direitos exclusivos para a língua portuguesa Copyright © 2017 by LTC — Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda. Uma editora integrante do GEN | Grupo Editorial Nacional Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na internet ou outros), sem permissão expressa da editora. Travessa do Ouvidor, 11 Rio de Janeiro, RJ — CEP 20040-040 Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770 Fax: 21-3543-0896 ltc@grupogen.com.br www.ltceditora.com.br Capa: Leônidas Leite Créditos de imagens de capa: iStockphoto | fmajor, iStockphoto | koya79, iStockphoto | mizoula, iStockphoto | NagyDodo, iStockphoto | Bosca78, iStockphoto | BackyardProduction, iStockphoto | photosoup, iStockphoto | MR1805, iStockphoto | typhoonski Editoração Eletrônica: Triall Editorial Ltda.

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ

E46 Energias renováveis, geração distribuída e eficiência energética / Alberto Hernandez Neto … [et al.]; organização José Roberto Simões Moreira. - 1. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2017. il. ; 28 cm Apêndice Inclui bibliografia e índice ISBN: 978-85-216-3025-8 1. Engenharia elétrica – Brasil. 2. Energias – Fontes alternativas – Brasil. I. Hernandez Neto, Alberto. II. Simões Moreira, José Roberto 17-40872                       CDD: 333.79                                 CDU: 621.3

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apresentação Desde o início da Revolução Industrial, no século XIX, a produção e o uso de energia se tornaram uma das principais atividades econômicas dos países. O consumo total de energia hoje (cerca de 12 bilhões de toneladas equivalentes de petróleo) é 200 vezes maior do que era há 500 anos. Produzir essa energia forçou a utilização em grande escala de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), que dominam ainda a matriz energética mundial. São esses combustíveis a principal fonte de poluição nos dias de hoje nos âmbitos local, regional e global. O que se impõe para resolver o problema é aumentar o uso de fontes alternativas, renováveis e não poluentes, além de utilizar a energia das fontes primárias de forma mais eficaz. Isso é o que este livro pretende como fruto do trabalho de mais de cinco anos de professores e especialistas na área de energias renováveis, contemplando questões ambientais, técnicas, econômicas e regulatórias. Praticamente todos os aspectos relevantes dos problemas energéticos são cobertos neste livro, o que o torna, portanto, uma obra de referência para todos os interessados no assunto, bem como um livro-texto para cursos de graduação e pós-graduação.

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José Goldemberg Professor Emérito da USP e Presidente da Fapesp

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Material Suplementar Este livro conta com o seguinte material suplementar:

 Ilustrações da obra em formato de apresentação (acesso restrito a docentes).

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prefácio Antes da Revolução Industrial, o homem dispunha de poucas formas naturais de energia à sua disposição, exceto a que provém do Sol. Assim, o transporte terrestre de pessoas e bens era realizado por meio de tração humana e animal e que, por conseguinte, só podia atingir distâncias modestas. Estima-se que a maioria dos homens do século XIX e anteriores ficava confinada em um raio de poucas dezenas de quilômetros da região em que vivia. A transposição de distâncias maiores só podia se dar por meio de embarcações a vela, que, evidentemente, só podiam ligar cidades portuárias. Poucos se arriscavam em longas jornadas a pé ou em lombo de animais. A obtenção de esforços maiores dependia da ação do vento para acionar moinhos de vento e do aproveitamento de quedas naturais de água por meio de rodas de água. A produção de bens era, portanto, limitada e tinha um caráter praticamente artesanal. Com o advento da máquina a vapor no final do século XVIII e início do século XIX, maiores quantidades de energia mecânica na forma de um eixo girante para o acionamento das rodas, engrenagens e hélices puderam ser produzidas. Essa máquina passou a ser empregada em embarcações, locomotivas e na indústria, de uma forma geral, provocando, como o nome sugere, uma verdadeira revolução. O homem e a sociedade passaram a dispor de uma fonte energética muito maior do que estava até então acostumado a lidar. Além disso, essa máquina de produção de trabalho mecânico na forma de eixo girante podia ser móvel e era acionada por vapor de água pressurizado, o qual era produzido pela energia térmica (calor) resultante da combustão de carvão e lenha. No caso de embarcações e locomotivas, carvão e lenha podiam ser transportados conjuntamente, o que resultou em grande autonomia, atingindo raios de alcance muito superiores. A demanda crescente da sociedade por energia e a descoberta de novas máquinas eletromecânicas, bem como o surgimento das indústrias do petróleo e elétrica, impulsionaram o progresso tecnológico da sociedade do século XX e do atual. Automóveis, centrais termelétricas, navios, locomotivas e indústrias diversas passaram a consumir petróleo, gás e carvão em quantidades cada vez maiores. O carvão e os hidrocarbonetos de origem de petróleo e gás passaram a dominar todo o cenário. Na sua versão mais simples a combustão do carvão produz dióxido de carbono (CO2) e a combustão dos hidrocarbonetos resulta em CO2 e vapor de água (H2O), mas também pode produzir fuligem (C) e monóxido de carbono (CO), quando a combustão não é adequada. Se houver também outros compostos, como o enxofre, este vai ser agente de poluição concomitantemente. De forma que a questão ambiental de lançamento de grandes quantidades de CO2 na atmosfera, bem como os cenários de esgotamento dessas fontes não renováveis de energia em nosso século, trouxe grande preocupação à sociedade já no último quarto do século XX. Com efeito, a crise do petróleo de 1973 causou não só um problema econômico de aumento brutal de preço desse energético (400 %), como também o estabelecimento do controle de produção pelos países produtores por meio da recém-criada Organização dos Países Exportadores de Petróleo (OPEP). Essa crise apontou também para o uso racional de energia, expressão cunhada naquela época e usada frequentemente nos decênios seguintes. O Brasil respondeu, ainda na década de 1970, com a criação do programa Pró-Álcool para a indústria automotiva, já que dependia fortemente da importação de petróleo. Desde então, diversos encontros científicos sobre a problemática ambiental e tratados internacionais têm sido realizados. Antes da virada do milênio, ficou claro, portanto, que era necessário buscar uma ou mais fontes energéticas em quantidade, qualidade e disponibilidade necessárias para substituir as fontes tradicionais. Dentre as fontes disponíveis, solar, biomassa, hidrelétrica, ondas, marés, geotérmica e eólica podem substituir as fontes tradicionais – petróleo, gás e carvão – com sucesso, como mostramos neste livro, e constituem as principais fontes renováveis. A energia nuclear não é considerada renovável e não é objeto de estudo neste livro. No final do século XIX foi desenvolvida a lâmpada incandescente por Thomas Edson. Na famosa guerra entre corrente contínua defendida por Edson e a alternada defendida por Tesla, a energia elétrica em corrente alternada se impôs como forma mais eficiente de gerar, transmitir e distribuir energia elétrica, principalmente após a invenção dos geradores e transformadores. O século XX também experimentou o uso da energia elétrica pela sociedade graças à grande expansão do sistema de distribuição e ao domínio tecnológico dessa forma de energia. Grandes geradores elétricos foram construídos para uso em centrais de geração termelétrica, nuclear e hidrelétrica. A abundância da geração elétrica e sua disponibilização territorial por meio das redes

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viii prefácio de distribuição trouxeram grande conforto e capacidade produtiva nunca vista antes. Agora, no início do século XXI, o conceito da geração centralizada de energia elétrica está dando lugar à geração descentralizada ou distribuída, em que cada consumidor poderá gerar sua própria energia elétrica e se conectar com a rede de distribuição ora fornecendo energia elétrica, ora a consumindo. Isso se deu graças ao grande desenvolvimento dos painéis fotovoltaicos e ao uso do conceito de cogeração, acessíveis aos consumidores finais. O consumidor também tem usado a energia proveniente do Sol para aquecimento de água em substituição a outras, diminuindo a dependência da energia elétrica e de outras fontes. No âmbito das energias renováveis, o Sol representa a maior e mais abundante fonte de energia disponível. Sozinho, irradia a astronômica quantidade de 1,0 × 1022 TJ para o Universo por ano, todavia apenas a pequena fração de 0,0000000000038 % dessa quantia atinge nosso planeta anualmente. Não obstante essa diminuta parcela, ela representa mais de 10.000 vezes o que a humanidade demanda na atualidade para suas atividades sociais e industriais. Além disso, toda a vida no planeta é mantida direta ou indiretamente pela energia solar, sendo a fotossíntese a chave desse processo, uma vez que essa reação química transforma a energia solar em energia química armazenada nas cadeias moleculares que formam as plantas. A fotossíntese é responsável também por reciclar o carbono da molécula de dióxido de carbono e pela liberação do gás oxigênio. As plantas são a base da cadeia alimentar na terra e os fitoplânctons, na água. As plantas e os fitoplânctons formam a base da cadeia alimentar, a partir da qual todas as demais formas de vida não vegetal se apropriam direta ou indiretamente. Logo, a energia proveniente da biomassa é, indiretamente, energia solar acumulada. O etanol e o açúcar produzidos nas usinas sucroalcooleiras são, portanto, uma forma de energia solar acumulada nas ligações químicas das moléculas que constituem a cana-de-açúcar. O calor liberado na combustão da lenha e de outras formas de biomassa também é a liberação da energia solar que ali foi acumulada em nível molecular. O Sol também é responsável pela ação dos ventos que acionam as turbinas eólicas, hoje uma realidade no nordeste e no sul do país, além de na Europa, para geração de energia elétrica. Finalmente, os grandes reservatórios de água das hidrelétricas também existem pela ação solar, já que o Sol é o vetor energético que move o ciclo da água. Isto é, a água do mar e de demais corpos de água sofrem o processo de evaporação pela ação da radiação solar. Por ser uma molécula mais leve que as moléculas dos gases nitrogênio e oxigênio que predominantemente compõem o ar atmosférico, o vapor sobe e envolve as águas em suas nuvens, estas não se rompem sob o peso delas. As nuvens se movimentam para as regiões internas dos continentes pela ação do vento, levando água a essas regiões por meio da precipitação na forma de chuva e neve. Assim, as regiões geográficas mais elevadas do planeta são abastecidas continuamente com água, purificada pelo processo evaporativo, que alimenta o solo e as plantas e forma rios e lagos. Cumprido seu papel, a água retorna para o mar, deixando a vida continental abastecida desse precioso líquido. Quantidades imensuráveis de energia térmica solar são desprendidas para evaporar essa massa de água. Energia provém do termo grego energeia e tem como significado “atividade, operação e ação”. Habitualmente, a palavra é empregada para designar a disposição do indivíduo ou grupo de indivíduos para realizar alguma tarefa ou ação. Já no campo técnico, a palavra está associada à “capacidade de realizar trabalho”. Ao se referir ao termo “trabalho” dessa maneira, subentende-se que o conceito deva ser percebido no contexto da ciência e da prática da engenharia e, por assim dizer, implica a capacidade ou no esforço despendido para realizar o deslocamento de uma certa porção de massa por uma força. Forças de naturezas distintas existem e podem causar o deslocamento de uma massa, como a queda de um objeto pela ação da força da gravidade. Assim, energia é, na verdade, um termo que abriga uma multitude de fenômenos de formas e naturezas diversas que podem ou devem ter como efeito principal a realização de trabalho. Em muitas situações, a energia na forma de calor também pode vir acompanhada dos processos de realização de trabalho, ou mesmo isoladamente, quando não há sequer a realização de trabalho. Então, calor e trabalho são formas de manifestação energética. Com isso, o termo “energia” geralmente vem acompanhado de um adjetivo para designar sua natureza ou origem. Daí, incluem-se as formas de energias química, elétrica, mecânica, nuclear, térmica e potencial gravitacional, entre outras. O interessante é que, ao se atribuírem valores de forma consistente às diversas formas de energia de um dado sistema, constata-se que, ao se adicionar todas as formas de energia presentes naquele sistema, a somatória total será sempre a mesma e invariante. Isto é, a energia total de um sistema (isolado) deve ser sempre a mesma, como preconizado pela Primeira Lei da Termodinâmica. A energia, seu impacto, sua importância e suas relações com a sociedade são objetos do Capítulo 1. O Capítulo 2 se encarrega de apresentar as formas de energia de interesse, o método de tratá-las e atribuir-lhes valores e inter-relações no contexto da engenharia por meio das leis de conservação, bem como as devidas análises dos processos de transformação da energia. No Capítulo 3 são abordadas as transformações de calor em trabalho por meio de ciclos termodinâmicos, os quais representam satisfatoriamente muitas máquinas térmicas. O Capítulo 4 é devotado à teoria de combustão, à definição do poder calorífico e ao aproveitamento térmico dos combustíveis. As máquinas, motores e geradores elétricos são analisados no Capítulo 5. As técnicas modernas de armazenamento de energia perfazem o objeto do Capítulo 6. O assunto de geração distribuída e redes inteligentes, que cada vez mais dominará o cenário de distribuição de energia e geração descentralizada, é tratado no Capítulo 7. As formas de energia eólica, solar e de biomassa são os assuntos de capítulos seguintes (8 ao 11). Outro assunto relevante na área de geração e eficiência energética é a cogeração, como tratado no Capítulo 12. Outras formas de geração de energia eletromecânica são abordadas no Capítulo 13. O capítulo seguinte trata da economia do hidrogênio, o combustível por excelência do ponto de vista ambiental e energético. Edifícios “verdes” e normas e técnicas de eficiência energética formam o objeto do Capítulo 15. Como todo projeto de engenharia precisa demonstrar sua viabilidade financeira, o assunto de investimentos de projetos de energia é analisado no

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prefácio  ix Capítulo 16. Muito relevante na análise e viabilidade de projetos energéticos, a questão ambiental é apresentada no Capítulo 17. Finalmente, o Capítulo 18 discute toda a questão da legislação e regulação dos empreendimentos de energia. Como palavra final, cabe ressaltar que a presente obra é o resultado do esforço de 32 autores e coautores, que formam uma equipe qualificada de profissionais especialistas e acadêmicos de atuação reconhecida na área. O livro foi concebido originalmente para ser o livro-texto do curso de especialização homônimo ao título desta obra, que tem sido oferecido regularmente na Escola Politécnica da USP desde 2011. Não obstante, o livro é apropriado para ser uma obra de referência de graduação e pós-graduação nas áreas de energia e de cursos de engenharia que têm como opção e ênfase a energia, graças à abrangência e à profundidade com que as temáticas são tratadas.

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José R. Simões Moreira Professor-Associado SISEA – Lab. de Sistemas Energéticos Alternativos Depto. Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

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sobre os colaboradores ALBERTO HERNANDEZ NETO Engenheiro mecânico formado pela Escola Politécnica da USP (1988), mestre (1993) e doutor (1998) em Engenharia Mecânica pela mesma universidade. Atualmente é professor livre-docente do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP. Atua na área de climatização e refrigeração com ênfase em eficiência energética, modelagem e simulação de sistemas de refrigeração e ar condicionado. Membro da Associação Brasileira das Ciências Mecânicas – ABCM e da Associação Nacional de Profissionais de Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação – ANPRAC. ALESSANDRA camilLA DO AMARAL Bacharel em Meteorologia (2011) pela Universidade de São Paulo, com ênfase em pesquisa em Química da Atmosfera, e especialista em Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética (2015) pela mesma universidade, com foco na inserção da geração com uso de biomassa na matriz elétrica brasileira, atua em consultorias do mercado de energia elétrica, gerenciando departamentos na área de inteligência de mercado e serviços para consumidores desde 2014. BRUNO MEDEIROS LEITE Engenheiro mecânico formado pela Escola Politécnica da USP (2012), onde realizou pesquisa com bolsa de iniciação científica da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – Fapesp (2012), e mestre em Engenharia Mecânica pela mesma instituição (2015). Trabalhou como engenheiro mecânico júnior na Figener (2012-2013). CLAUDIO ROBERTO DE FREITAS PACHECO Engenheiro mecânico formado pela Escola Politécnica da USP (1971) e doutor em Engenharia Química pela mesma instituição (1990). Atualmente é consultor industrial em processos térmicos, conservação de energia, ventilação industrial, secagem industrial, evaporação, filtração e utilização de energia solar em aplicações térmicas industriais. Colabora com o Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos da Escola Politécnica da USP – SISEA-EPUSP e ministra a disciplina Energia Solar – Fundamentos do curso de Energias Alternativas do Programa de Educação Continuada em Engenharia da Escola Politécnica – PECEEPUSP. Atua como referee dos periódicos: Experimental Thermal and Fluid Science; Chemical Engineering Science; Food and Bioproducts Processing. Presta assessoria de coaching em projetos industriais para engenheiros. Foi pesquisador do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT de 1973 a 1985. Colaborou em programas governamentais de conservação de energia na indústria e utilização racional de gás combustível industrial. Construiu e operou o laboratório de energia solar e coordenou os projetos de uso de energia solar tanto em habitação multifamiliar como hospitalar. Foi gerente de processos, conservação de energia e meio ambiente da Companhia Nitro Química Brasileira (1985 a 1990) e professor doutor do Departamento de Engenharia Química da Escola Politécnica da USP (1990 a 2008). Publicou seus trabalhos de pesquisa em revistas internacionais, tendo duas vezes recebido o Prêmio Bambu, da Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel – ABTCP, em 2004 e 2005. DANIEL SETRAK SOWMY Engenheiro civil formado pela Escola Politécnica da USP (2001), com mestrado (2007) e doutorado (2013) em Engenharia Civil pela mesma instituição. Tem experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase em Engenharia de Sistemas Prediais e Instrumentação Laboratorial. Atualmente é responsável pelo Laboratório de Instalações Prediais e Saneamento do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT e professor do Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da USP. Atua na avaliação de desempenho e eficiência energética do uso de energia solar em edificações.

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DEMETRIO CORNILIOS ZACHARIADIS Engenheiro naval formado pela Escola Politécnica da USP (1982), mestre em Engenharia Naval (1985) e doutor em Engenharia Mecânica (2001) pela mesma instituição, com pós-doutorado na Université de Poitiers (2007). Professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP. Pesquisa nas áreas de dinâmica e vibrações, tribologia e energia eólica e é revisor dos periódicos Tribology International, Tribology Transactions, Journal of Engineering Tribology, Advances in Tribology e Mechanics & Industry, entre outros. Assessor da Fapesp, da Capes e do CNPq, é autor de dezenas de artigos publicados em periódicos e apresentados em eventos científicos. Trabalha como consultor de fabricantes de máquinas rotativas e de motores de combustão interna. EDUARDO IOSHIMOTO Engenheiro civil e professor doutor da Escola Politécnica da USP, é responsável pela disciplina Eficiência Energética em Empreendimentos do curso de MBA em Energias Renováveis do Programa de Educação Continuada em Engenharia – PECE-EPUSP. É ainda professor do mestrado profissional do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT e Responsável pela disciplina Sistemas Prediais do curso de MBA em Excelência Construtiva da Universidade Presbiteriana Mackenzie. Atua como consultor de empresas construtoras. EDUARDO SEIJI YAMADA Gerente técnico de Sistemas Prediais do Centro de Tecnologia de Edificações – CTE, é engenheiro civil e mestre em Engenharia de Sistemas Prediais pela Escola Politécnica da USP. É Accredited Professional da Leadership in Energy and Environmental Design – LEED. Na USP, é professor do curso profissionalizante Eficiência Energética nas Organizações e Empreendimentos da Fundação de Desenvolvimento Tecnológico da Engenharia – FDTE e do curso de especialização Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética do PECE-EPUSP. É especialista na área de consultoria, elaboração e análise técnica de projetos e comissionamento das instalações visando à sustentabilidade e à eficiência energética de sistemas prediais elétricos, ar condicionado e ventilação mecânica, automação predial, iluminação e sistemas hidráulicos. ELIANE APARECIDA FARIA AMARAL FADIGAS Engenheira eletricista formada pela Universidade Federal do Maranhão (1989), mestre (1993) e doutora (1999) em Engenharia Elétrica pela USP, com foco em Sistemas de Potência. É professora e pesquisadora na USP desde 1996, atuando na área de geração de energia com ênfase em fontes renováveis de energia elétrica. Coordena o Núcleo de Energia Renovável do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP, que desenvolve pesquisas em energia solar fotovoltaica, solar térmica, energia eólica, sistemas híbridos de energia, minirredes elétricas e planejamento energético. Coordena ainda projetos na área eólica com apoio de entidades de fomento à pesquisa, como a Financiadora de Estudos e Projetos do Ministério de Ciência, Tecnologia e Inovação – MCT/Finep, dentre outras. ENIO KATO É diretor da Nittoguen Engenharia, empresa atuante nos mercados de automação e segurança de obras de infraestrutura, data centers e projetos de eficiência energética. Desde 2008, é membro do Comitê de Gestão de Energia da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, atual CB-116, e associado da Associação Brasileira das Empresas de Serviço de conservação de Energia – ABESCO. Membro da American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers – ASHRAE e da Association of Energy Engineers – AEE desde 1999, da qual é auditor desde 1997. Mestre em Engenharia de Sistemas Prediais pela Escola Politécnica da USP (1999), é professor convidado de pós-graduação da mesma instituição no curso de Eficiência Energética em Empreendimentos e Organizações desde 2010. Como auditor de Energia, trabalhou em plantas industriais, hospitais, centros empresariais, prédios públicos do governo do estado, instituições financeiras, shopping centers e instituições de ensino no Brasil, no México, no Chile e na Argentina e em projetos de multinacionais com sede nos Estados Unidos e Alemanha. É agente comissionador em projetos de centros administrativos do setor de óleo e gás, indústria farmacêutica, igrejas, templos e edifícios públicos e comerciais. GUSTAVO DE ANDRADE BARRETO Possui graduação em Tecnologia Elétrica-Eletrônica pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (2001), mestrado e doutorado em Energia pela Universidade de São Paulo e especialização em Energias Renováveis e Eficiência Energética pela Escola Politécnica da USP. Tem experiência na área de engenharia elétrica, com ênfase em sistemas de telecomunicações, sistemas de potência e telemonitoramento. Atualmente, é pesquisador em sistemas energéticos alternativos. HIRDAN KATARINA DE MEDEIROS COSTA Advogada especialista em petróleo e gás natural formada pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Mestre em Energia e Doutora em Ciências pelo Programa de Pós-graduação em Energia da Universidade de São Paulo (PPGE/USP). Mestre

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xii  sobre os colaboradores em Direito de Energia e de Recursos Naturais pela Universidade de Oklahoma (OU), nos Estados Unidos. Fez pós-doutorado em Sustentabilidade pela Escola de Artes, Ciências e Humanidades da USP (EACH/USP). Pesquisadora Visitante na Universidade de Oklahoma (2008), nos Estados Unidos. Professora da Pós-graduação em Petróleo e Gás do Instituto Mauá de Tecnologia (2010-2012) e da Pós-graduação em Direito do Petróleo e Gás da Universidade Católica de Pernambuco (2011-2012). Atualmente, Pesquisadora Visitante do PRH04 ANP/MCTI e Pós-Doutoranda em Energia no Instituto de Energia e Ambiente da USP, Professora Colaboradora no PPGE/USP, Colaboradora do Programa de Políticas de Energia e Economia e do Projeto 21, ambos do Centro de Pesquisa para Inovação em Gás - FAPESP/Shell. IVAN EDUARDO CHABU Possui graduação (1978), mestrado (1990) e doutorado (1997) em Engenharia Elétrica pela Universidade de São Paulo. É professor da Escola Politécnica da USP, ministrando disciplinas de graduação, pós-graduação e extensão na área de Máquinas Elétricas e Conversão Eletromecânica de Energia. Atua há 37 anos no setor industrial, em projeto, fabricação e aplicação de máquinas elétricas especiais. Tem experiência no desenvolvimento de equipamentos eletromecânicos de potência e em pesquisas envolvendo motores brushless, motores lineares, motores de relutância, dispositivos eletromecânicos, sistemas com ímãs permanentes e com fluidos magnetorreológicos. JAVIER FARAGO ESCOBAR Engenheiro florestal formado pela Faculdade de Engenharia Florestal de Garça, tem mestrado em Ciências com ênfase em Tecnologia da Madeira pela Universidade Estadual Paulista – UNESP e doutorado em Energia pelo Instituto de Energia e Ambiente – IEE-USP (2016). No doutorado foi pesquisador visitante do Department of Primary Industries – New South Wales Government, Austrália, e também do Copernicus Institute – Utrecht University, Holanda. Desde 2009 faz parte do Grupo de Pesquisa em Bioenergia – GBio/IEE/USP, e também atua como professor colaborador de Pós-graduação do Programa de Educação Continuada da Escola Politécnica da USP. Atua na área de biocombustíveis de biomassa sólida vegetal, no qual tem duas patentes depositadas em andamento. Com os trabalhos desenvolvidos em 2015, foi escolhido pela OÖ Energiesparverband – Intelligent Energy Europe para representar o Brasil no Young Researcher’s, na Áustria, e no mesmo ano recebeu o Prêmio Brasileiro de Inovação e Tecnologia em Biomassa. Desde 2015 é coordenador técnico do Anuário Brasileiro de Biomassa e Energias Renováveis e desde 2017 é correspondente brasileiro do Renewables Global Status Report – REN21 e do relatório Global wood pellets market, International Energy Agency – IEA. JOSÉ AQUILES BAESSO GRIMONI Engenheiro eletricista formado pela Escola Politécnica da USP (1980), mestre (1989) e doutor (1994) em Engenharia Elétrica e livre-docente (2006) pela Escola Politécnica da USP. No período de 1981 a 1989, trabalhou nas seguintes empresas: ASEA Industrial Ltda.; CESP; BBC Brown Boveri S.A.; ABB – Asea Brown Boveri e Fundação para o Desenvolvimento Tecnológico da Engenharia – FDTE. Atua como professor do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP, ministrando desde 1989 disciplinas de graduação do curso de Engenharia Elétrica, opção Energia, e desde 1994 de disciplinas de pós-graduação. Entre abril de 2003 e abril de 2007 exerceu o cargo de vice-diretor do Instituto de Eletrotécnica e Energia da USP, hoje denominado Instituto de Energia e Ambiente, e, no período de 2007 a 2011, exerceu o cargo de diretor desse mesmo instituto. É coordenador do curso de graduação em Engenharia Elétrica, ênfase em Energia e Automação Elétricas, da Escola Politécnica da USP desde 2012. É coordenador do Programa Permanente para o Uso Eficiente dos Recursos Hídricos e Energéticos na USP – PUERHE-USP desde 2015. Tornou-se diretor adjunto da Fundação de Apoio à Universidade de São Paulo – FUSP em 2016. JOSÉ ROBERTO SIMÕES MOREIRA (Organizador) Engenheiro mecânico formado pela Escola Politécnica da USP (1983), mestre em Engenharia Mecânica pela mesma instituição (1989) e doutor em Engenharia Mecânica pelo Rensselaer Polytechnic Institute, EUA (1994), com pós-doutorado em Engenharia Mecânica na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (1999) e livre-docência pela USP (2000). Atualmente é ProfessorAssociado da Escola Politécnica da USP, onde coordena o curso de especialização em Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética. Foi professor-visitante do Institut National des Sciences Appliquées – INSA, em Lyon, França, em 2009. Tem desenvolvido projetos de cunho tecnológico com apoio do setor produtivo e de instituições de fomento à pesquisa. Possui duas patentes e autoria de mais de 100 artigos técnico-científicos, além de ser autor do livro Fundamentos e aplicações da psicrometria (1999) e de um capítulo do livro Thermal Power Plant Performance Analysis (2012). Orientou mais de 80 teses, dissertações, trabalhos de conclusão e monografias. Atua na área de energia térmica em sentido amplo e, mais especificamente, nas áreas de energia solar, combustíveis solares, ciclos de absorção de calor, cogeração e ciclos térmicos de potência. Ainda coordena o grupo de pesquisa e o Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos – SISEA-EPUSP (www.usp.br/sisea).

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sobre os colaboradores  xiii

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JULIA DA ROSA HOWAT RODRIGUES Engenheira mecânica formada pela Escola Politécnica da USP (2012), com trabalho de conclusão de curso voltado ao estudo de formas alternativas para geração e conversão de energia, e mestre em Engenharia Mecânica, especialidade Energia e Fluidos, pela mesma instituição (2016), com ênfase no aproveitamento da energia solar e na construção de um simulador solar. Possui experiência no gerenciamento de projetos para geração e conversão de energia na iniciativa privada, atuando no momento em projetos de eficiência energética e geração distribuída da empresa AES Eletropaulo. LAIETE SOTO MESSIAS Engenheiro mecânico formado pela Universidade Estadual de Campinas – Unicamp (1980) e mestre em Tecnologia Ambiental pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT (2006). Iniciou as atividades profissionais em 1973 na empresa C. Greco Estudos e Projetos Ltda., na área térmica e de fluidos. A partir de 1981, foi pesquisador do Agrupamento de Engenharia Térmica do Laboratório de Combustão e Gaseificação Industrial e do Centro de Tecnologias Ambientais e Energéticas da Divisão de Engenharia Mecânica do IPT. Desde novembro de 2008 é engenheiro sênior da Figener, empresa de engenharia que atua na área de estudos e projetos de geração de energia e processos industriais. É instrutor de cursos de combustão industrial nos níveis de especialização e MBA em diferentes instituições (IBP, IPT, USP, Unicamp e Instituto Mauá). LETICIA DE OLIVEIRA NEVES Docente do Departamento de Arquitetura e Construção da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas – FEC-Unicamp. É graduada em Arquitetura e Urbanismo pela USP (2003), mestre em Arquitetura, Urbanismo e Tecnologia também pela USP (2006) e doutora em Arquitetura, Tecnologia e Cidade pela Unicamp (2012). Atua principalmente nas áreas de conforto térmico e lumínico, ventilação natural, arquitetura bioclimática e eficiência energética. É membro da diretoria do Chapter Brasil da ASHRAE (Membership Promotion). MARCELO DA SILVA ROCHA Engenheiro civil formado pela Universidade Federal de Juiz de Fora (1996), com mestrado em Engenharia Civil pela Unicamp (1998) e doutorado em Engenharia Mecânica pela Escola Politécnica da USP (2005). Realizou estágio de pós-doutorado em Engenharia Mecânica (2007) e em Engenharia Nuclear (2009). Atualmente é pesquisador adjunto do Centro de Engenharia Nuclear (CEN) do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN-CNEN), onde realiza pesquisas com ênfase em termo-hidráulica de reatores, cogeração de energia e transferência de calor. É docente do Programa de Pós-graduação em Tecnologia Nuclear – Reatores do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares da USP. MARCOS DE MATTOS PIMENTA Engenheiro mecânico formado pela Escola Politécnica da USP (1970), com mestrado (1972) e doutorado (1975) em Engenharia Mecânica pela Stanford University. Atualmente é colaborador da Universidade de São Paulo, funcionário estatutário da Universidade Cidade de São Paulo e parecerista da Fapesp. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, atuando principalmente com os seguintes temas: modelagem e simulação, análise e simulação, automóvel, simulação de equipamentos térmicos, turbulência e escoamento compressível. É professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP e em cursos de Geração Distribuída do PECE-EPUSP. Participa como avaliador do Simpósio Internacional de Iniciação Científica e Tecnológica da USP e da Feira Brasileira de Ciências e Engenharia. É coordenador do convênio USP/Universidade Técnica de Berlim para pesquisas em turbinas eólicas. MARILIN MARIANO DOS SANTOS Engenheira petroquímica pela Universidade Mackenzie (1981), especializada em Gestão e Tecnologias Ambientais pelo PECEEPUSP (2000). É mestre em Saúde Pública pela USP (2003) e doutora em Ciências pelo Programa de Pós-graduação em Energia do IEE-USP (2010), onde desenvolveu pesquisa na área de análise de risco para implantação de empreendimentos de geração de energia. Foi pesquisadora do Laboratório de Energia Térmica, Motores e Emissões do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo – IPT entre 1979 e 2009, onde desenvolveu trabalhos na área de combustão industrial e gaseificação. Coordenou, entre 2010 e 2014, o curso de pós-graduação lato sensu Gás e Petróleo do Instituto Mauá de Tecnologia. Atua também como consultora na área de energia, meio ambiente, monitoramento de emissões atmosféricas e licenciamento ambiental pela empresa Pacto Engenharia e Meio Ambiente, da qual é sócia-proprietária. Pesquisadora do Grupo de Pesquisa em Bioenergia (GBio, antigo Centro Nacional de Referência em Biomassa – CENBIO) do Instituto de Energia e Ambiente da USP. Pós-Doutoranda em Energia pelo IEE/USP.

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xiv  sobre os colaboradores

José Roberto Simões Moreira|Energias renováveis, geração distribuída e eficiência energética.Amostras de páginas não sequenciais e em baixa resolução. Copyright© 2017 LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda.

MAURY SERGIO LIMA E SILVA Graduado em Direito pela USP e especialista em Direito Econômico e Direito Regulatório pela Fundação Getulio Vargas – FGV/ SP, é fundador e presidente do Conselho Deliberativo do Instituto Brasileiro de Estudos do Direito da Energia – IBDE e membro do conselho editorial da Revista do Direito da Energia. Advogado especialista em Direito Regulatório, Direito Administrativo e Energia Elétrica, trabalha como consultor e em processos administrativos, judiciais e arbitragens do setor elétrico desde 1987. NARAISA MOURA ESTEVES COLUNA Engenheira agrícola e ambiental formada pela Universidade Federal de Viçosa (2008), tem experiência na área de Engenharia Agrícola, com ênfase em armazenamento de produtos agrícolas e secagem de grãos, qualidade da água e efluentes. É especialista em energias renováveis, geração distribuída e eficiência energética pelo PECE-EPUSP (2013), mestre em Energia pelo IEE-USP e colaboradora no GBio do IEE-USP nas seguintes áreas: resíduos sólidos urbanos, resíduos agropecuários e agroindustriais e produção de biogás. PATRICIA HELENA LARA DOS SANTOS MATAI Mestre e doutora em Engenharia pela Escola Politécnica da USP. Atualmente é professora doutora do Departamento de Engenharia de Minas e de Petróleo da EPUSP. Foi presidente da Comissão do ciclo básico da EPUSP no período de 2008 a 2011 e atualmente é responsável pela coordenação do ciclo básico do curso de Engenharia de Petróleo no campus de Santos. Coordena o Laboratório de Fenômenos de Transporte e Físico-Química de Interfaces no Departamento de Engenharia de Minas e de Petróleo da EPUSP. ROBERTO CASTRO Engenheiro eletricista formado pela Escola de Engenharia Mauá, mestrado e doutorado pela Unicamp, onde concluiu o COSE em 1988, curso sobre operação e planejamento do setor elétrico. Desenvolveu pesquisa e cursou programas na Inglaterra, pela London Business School; na Suécia, em programa de gestão junto à Swedish International Development Agency (Sida), e na Suíça, na área de Risk Assessment pelo Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ITH). Professor de Regulação no Programa de Educação Continuada em Engenharia (PECE) da Escola Politécnica (USP) desde 2012. Desenvolveu carreira na indústria de energia elétrica, acumulando experiência por mais de 30 anos em empresas do setor elétrico brasileiro, como CESP, Elektro e CPFL. Ocupa atualmente o cargo de conselheiro no Conselho de Administração da CCEE, tendo sido reeleito para um segundo mandato que se encerra em 2019. RONALDO ANDREOS Engenheiro mecânico formado pela Universidade Paulista (2006), com pós-graduação em Eficiência Energética Industrial pela Unicamp (2008) e mestrado em Energia pelo IEE-USP (2013), com ênfase em cogeração de energia. Possui experiência internacional em transferência de tecnologia em países como Estados Unidos, Japão, Índia e Reino Unido, além de dez anos de experiência no mercado de energia com foco em climatização, geração e cogeração de energia a gás natural. Atualmente é consultor de negócios na área de energia e professor da disciplina de Cogeração no curso de especialização em Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética do PECE/POLI-USP. SUANI TEIXEIRA COELHO Engenheira química formada pela Fundação Armando Álvares Penteado – FAAP (1972), mestre (1992) e doutora (1999) em Energia pelo Programa de Pós-graduação em Energia – PPGE-USP. Foi secretária adjunta do Meio Ambiente do Estado de São Paulo no período de maio de 2003 a dezembro de 2006. Atualmente, é professora do Programa de Pós-graduação em Energia do IEE/USP, professora do Programa Integrado de Pós-graduação em Bioenergia (USP/Unicamp/UNESP) e coordenadora do Grupo de Pesquisa em Bioenergia (GBio, antigo Centro Nacional de Referência em Biomassa – CENBIO) do IEE-USP, atuando principalmente com os seguintes temas: biomassa, geração de energia, cogeração, biogás, análise do ciclo de vida, externalidades e cana-de-açúcar. Membro do Comitê Executivo e coordenadora de um dos projetos do Centro de Pesquisa e Inovação em Gás (RCGI) da USP/SHELL/FAPESP. TIAGO GONÇALVES GOTO Engenheiro mecânico formado pela Universidade Federal de Mato Grosso (2013), mestre em Engenharia Mecânica pela Escola Politécnica da USP (2015), atualmente é doutorando em Engenharia Mecânica pela Escola Politécnica da USP. Atua em pesquisa sobre energia solar e combustível solar. VANESSA PECORA GARCILASSO Engenheira química formada pela Fundação Armando Alvares Penteado – FAAP (2001), é mestre em Energia (2006) e doutora em Ciência com Ênfase em Energia (2014) pelo Instituto de Energia e Ambiente (IEE) da USP. Pós-doutoranda em Energia pelo

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sobre os colaboradores  xv

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IEE/USP. Pesquisadora do Grupo de Pesquisa em Bioenergia (GBio, antigo Centro Nacional de Referência em Biomassa – CENBIO) do IEE-USP desde 2003, possui experiência em pesquisa e desenvolvimento de projetos de geração de energia a partir de biomassa, com ênfase em biogás e em biocombustíveis líquidos. VINICIUS EDUARDO RIBAS Engenheiro mecânico formado pela Escola Politécnica da USP (2012), com trabalho de conclusão de curso voltado ao estudo de formas alternativas para geração e conversão de energia, e mestre em Engenharia Mecânica, especialidade em Energia e Fluidos, pela mesma instituição (2016), com ênfase no aproveitamento da energia solar para gaseificação de biomassa. Possui experiência na iniciativa privada em projetos e soluções de energia para empresas e indústrias (cogeração, fontes alternativas, eficiência energética). VIRGINIA PARENTE Economista formada pela Fundação Getulio Vargas – FGV/SP (1983) e doutora em Finanças e Economia pela mesma instituição (1998), com intercâmbio na New York University, fez pós-doutorado em Energia no IEE-USP (2003). Atualmente é professora do Programa de Pós-graduação em Energia do IEE-USP e da graduação da FEA-USP e da EPUSP. Foi conselheira de administração da Eletrobras e atualmente é membro do conselho da CHESF e da ANACE-Brasil. É vice-coordenadora do Núcleo de Pesquisa de Política e Regulação das Emissões de Carbono – NUPPREC. Com experiência prática nas áreas pública e privada, trabalhou no Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada – IPEA, vinculado ao Ministério do Planejamento, e em uma série de bancos nacionais e internacionais com projetos de infraestrutura e energia. Entre seus temas de trabalho estão regulação, mediação e arbitragem, e políticas públicas em energia e mudanças climáticas.

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sumário Capítulo 1

Energia e Panorama Energético........................................................................................................1 José Roberto Simões Moreira José Aquiles Baesso Grimoni Marcelo da Silva Rocha 1.1 1.2 1.3

1.4

1.5

Capítulo 2

Elementos de Engenharia Termodinâmica.....................................................................................14 José Roberto Simões Moreira 2.1 2.2

2.3

2.4 2.5 2.6 2.7

2.8

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O Sol e as fontes de energia...................................................................................................................... 1 1.1.1 Formas de energia..................................................................................................................... 2 Cadeias energéticas................................................................................................................................... 6 Matriz energética mundial e brasileira...................................................................................................... 7 1.3.1 Matriz energética mundial......................................................................................................... 7 1.3.2 Matriz energética brasileira....................................................................................................... 9 Balanço da energia mundial e brasileira................................................................................................... 9 1.4.1 Síntese do balanço energético mundial..................................................................................... 9 1.4.2 Síntese do balanço energético brasileiro................................................................................. 10 O que o futuro nos reserva?.................................................................................................................... 10 1.5.1 Possibilidades futuras de energia............................................................................................ 11

Conceituação da termodinâmica............................................................................................................... 14 Propriedades termodinâmicas................................................................................................................. 14 2.2.1 Temperatura e escalas de temperatura..................................................................................... 14 2.2.2 Pressão.................................................................................................................................... 15 2.2.3 Volume específico e densidade................................................................................................ 15 2.2.4 Energia interna e entalpia........................................................................................................ 15 Substância pura e diagramas termodinâmicos........................................................................................ 16 2.3.1 Propriedades e tabelas termodinâmicas.................................................................................. 16 2.3.2 Equação de estado, gás perfeito.............................................................................................. 18 2.3.3 Calores específicos.................................................................................................................. 19 Lei de conservação da massa ou da continuidade................................................................................... 19 Lei de conservação da energia ou Primeira Lei da Termodinâmica........................................................ 21 Segunda Lei da Termodinâmica.............................................................................................................. 23 2.6.1 A entropia e seu uso em volumes de controle......................................................................... 23 Processos termodinâmicos...................................................................................................................... 24 2.7.1 Diagrama temperatura-entropia e uso de tabelas.................................................................... 24 2.7.2 Variação da entropia em um gás perfeito................................................................................ 25 2.7.3 Processo politrópico reversível para um gás perfeito............................................................. 25 Cálculo de trabalho em algumas máquinas............................................................................................. 26 2.8.1 Bombas.................................................................................................................................... 26 2.8.2 Compressores.......................................................................................................................... 27 2.8.3 Turbinas e expansores............................................................................................................. 29

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xviii Sumário Capítulo 3 Máquinas e Processos de Transformação de Energia Térmica.....................................................32

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José Roberto Simões Moreira Marcos de Mattos Pimenta 3.1 3.2

3.3

3.4

3.5 3.6

3.7

3.8 3.9

Ciclo térmico de Carnot.......................................................................................................................... 32 3.1.1 Ciclo de Carnot....................................................................................................................... 33 Ciclo de Rankine..................................................................................................................................... 35 3.2.1 Ciclo de Rankine simples........................................................................................................ 35 3.2.2 Ciclo de Rankine com superaquecimento............................................................................... 36 3.2.3 Ciclo de Rankine com reaquecimento.................................................................................... 37 3.2.4 Ciclo de Rankine regenerativo com aquecedores de mistura.................................................. 39 3.2.5 Perdas no ciclo de Rankine..................................................................................................... 39 3.2.6 Ciclo orgânico de Rankine...................................................................................................... 41 Ciclo de Brayton..................................................................................................................................... 42 3.3.1 Ciclo de Brayton simples........................................................................................................ 43 3.3.2 Ciclo de Brayton simples com ineficiências........................................................................... 45 3.3.3 Ciclo de Brayton com regenerador ou recuperador de calor................................................... 47 Motores de combustão interna (MCI) a pistão de movimento alternativo.............................................. 47 3.4.1 Principais fenômenos que ocorrem em um MCI e ciclo-padrão a ar...................................... 48 3.4.2 Ciclo mecânico do motor de 4 tempos, ignição por centelha e processos termodinâmicos....................................................................................................................... 48 Ciclo de Otto........................................................................................................................................... 49 3.5.1 Aspectos principais em que o ciclo a ar de Otto se afasta do motor real................................ 50 Ciclo de Diesel........................................................................................................................................ 50 3.6.1 Ciclo combinado Brayton-Rankine......................................................................................... 52 3.6.2 Ciclo combinado – configurações........................................................................................... 53 3.6.3 Ciclo combinado – caldeira de recuperação............................................................................ 54 Ciclo de refrigeração por compressão a vapor........................................................................................ 55 3.7.1 Ciclo-padrão de compressão mecânica a vapor...................................................................... 55 3.7.2 Bombas de calor...................................................................................................................... 57 3.7.3 Recuperação de calor.............................................................................................................. 58 Ciclos de absorção de calor..................................................................................................................... 58 Células a combustível............................................................................................................................. 62

Capítulo 4 Combustão e Combustíveis.............................................................................................................64 Marilin Mariano dos Santos Patricia Helena Lara dos Santos Matai Laiete Soto Messias 4.1 4.2

4.3

4.4

4.5

4.6 4.7

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Fontes de energia..................................................................................................................................... 64 Principais combustíveis........................................................................................................................... 65 4.2.1 Combustíveis oriundos de fontes renováveis de energia........................................................ 65 4.2.2 Combustíveis oriundos de fontes não renováveis................................................................... 66 Conceitos de combustão, estequiometria e excesso de ar....................................................................... 67 4.3.1 Combustão, estequiometria e excesso de ar . ......................................................................... 67 4.3.2 Estequiometria e razão de equivalência (f)............................................................................ 71 Produtos de combustão........................................................................................................................... 71 4.4.1 Vapor de água nos gases de combustão.................................................................................. 72 4.4.2 Concentração de CO2 nos gases de combustão....................................................................... 72 Entalpia de combustão e poder calorífico............................................................................................... 72 4.5.1 Entalpia de formação e entalpia de combustão....................................................................... 72 4.5.2 Poder calorífico....................................................................................................................... 74 Temperatura adiabática de chama........................................................................................................... 76 Eficiência de combustão.......................................................................................................................... 76

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sumário  xix

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4.8

Formação e técnicas de controle de poluentes........................................................................................ 77 4.8.1 Mecanismos de formação de NOx e tecnologias para redução de emissões........................... 77 4.8.2 Mecanismo de formação de material particulado e fuligem e técnicas de abatimento........... 83 4.8.3 Mecanismos de formação de óxidos de enxofre e técnicas de redução de emissões............... 84 4.8.4 Mecanismos de formação de CO e técnica para redução de emissões................................... 86

Capítulo 5 Motores e Geradores Elétricos........................................................................................................90 Ivan Eduardo Chabu 5.1

5.2

5.3

Conceitos fundamentais de eletromagnetismo........................................................................................ 90 5.1.1 Caracterização dos circuitos magnéticos................................................................................ 90 5.1.2 Caracterização dos materiais ferromagnéticos........................................................................ 93 5.1.3 Fundamentos da conversão eletromecânica de energia.......................................................... 96 Construção e funcionamento de máquinas síncronas.............................................................................. 99 5.2.1 Aspectos construtivos das máquinas síncronas..................................................................... 100 5.2.2 Funcionamento das máquinas síncronas............................................................................... 103 5.2.3 Máquina síncrona operando de forma isolada...................................................................... 110 5.2.4 Máquina síncrona operando conectada ao sistema elétrico.................................................. 112 Construção e funcionamento de máquinas assíncronas........................................................................ 115 5.3.1 Aspectos construtivos das máquinas assíncronas................................................................. 116 5.3.2 Funcionamento das máquinas assíncronas............................................................................ 118

Capítulo 6 Armazenamento de Energia.........................................................................................................132 Gustavo de Andrade Barreto Bruno Medeiros Leite José Aquiles Baesso Grimoni 6.1

6.2

6.3

6.4

Capítulo 7

Geração Distribuída e Redes Inteligentes....................................................................................146 José Aquiles Baesso Grimoni Gustavo de Andrade Barreto 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9

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Armazenamento de energia mecânica................................................................................................... 133 6.1.1 Armazenamento por bombeamento hidráulico..................................................................... 133 6.1.2 Armazenamento de energia em ar comprimido (CAES)...................................................... 134 6.1.3 Volante de inércia.................................................................................................................. 135 Armazenamento de energia térmica...................................................................................................... 135 6.2.1 Sem mudança de fase............................................................................................................ 136 6.2.2 Com mudança de fase........................................................................................................... 136 Armazenamento eletroquímico............................................................................................................. 136 6.3.1 Baterias secundárias.............................................................................................................. 136 6.3.2 Supercapacitores e supercondutores eletromagnéticos......................................................... 139 6.3.3 Armazenamento de hidrogênio............................................................................................. 141 Como analisar o armazenamento de energia......................................................................................... 142 6.4.1 Classificações das aplicações de armazenamento................................................................. 143

Redes inteligentes................................................................................................................................. 146 Tecnologias de informação e comunicação........................................................................................... 148 Medições inteligentes............................................................................................................................ 148 Armazenamento de energia................................................................................................................... 149 Gestão eficiente do sistema de iluminação pública............................................................................... 149 Veículos elétricos e híbridos................................................................................................................. 150 Qualidade de energia............................................................................................................................. 151 Autorrestabelecimento e autocura do sistema....................................................................................... 151 Geração distribuída............................................................................................................................... 151 7.9.1 Incidência de impostos federais e estaduais.......................................................................... 156

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xx Sumário 7.10   Casas inteligentes e cidades inteligentes........................................................................................... 158

Capítulo 8

Energia Eólica.................................................................................................................................160

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Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas 8.1

8.2

8.3

8.4

8.5

8.6

8.7

Histórico do desenvolvimento de turbinas eólicas................................................................................ 160 8.1.1 Energia mecânica e moinhos de vento.................................................................................. 160 8.1.2 Energia elétrica e turbinas eólicas......................................................................................... 161 Energia eólica no mundo e no Brasil.......................................................................................................... 163 8.2.1 Situação mundial................................................................................................................... 163 8.2.2 Energia eólica no Brasil........................................................................................................ 164 Características dos recursos eólicos...................................................................................................... 165 8.3.1 Modelos de circulação dos ventos........................................................................................ 165 8.3.2 Estimativa do potencial eólico.............................................................................................. 166 8.3.3 Medição de vento.................................................................................................................. 170 Conversão da energia eólica.................................................................................................................. 172 8.4.1 Energia mecânica extraída do vento por uma turbina eólica................................................ 172 8.4.2 Aerodinâmica de uma turbina eólica..................................................................................... 174 8.4.3 Energia elétrica gerada por uma turbina eólica..................................................................... 176 8.4.4 Tecnologia de turbinas eólicas.............................................................................................. 177 Energia eólica e suas aplicações........................................................................................................... 178 8.5.1 Aplicações autônomas........................................................................................................... 179 8.5.2 Minirredes isoladas............................................................................................................... 179 8.5.3 Rede elétrica de transmissão/distribuição............................................................................. 179 Energia eólica e aspectos econômicos.................................................................................................. 180 8.6.1 Estrutura de custos de uma central eólica............................................................................. 181 8.6.2 Indicadores de mérito para avaliação econômica.................................................................. 182 Aspectos ambientais da energia eólica . ............................................................................................... 184 8.7.1 Paisagem............................................................................................................................... 185 8.7.2 Ecologia: fauna e flora.......................................................................................................... 185 8.7.3 Ruído..................................................................................................................................... 185 8.7.4 Solo....................................................................................................................................... 185 8.7.5 Recursos hídricos.................................................................................................................. 185 8.7.6 Qualidade do ar..................................................................................................................... 185 8.7.7 Socioeconômico.................................................................................................................... 186 8.7.8 Patrimônio arqueológico, arquitetônico, etnológico............................................................. 186

Capítulo 9 Fundamentos da Utilização de Energia Solar..............................................................................187 Claudio Roberto de Freitas Pacheco 9.1

9.2

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Avaliação do potencial de energia solar em uma localidade................................................................. 187 9.1.1 Expressões e definições básicas referentes ao posicionamento relativo Sol-Terra............... 187 9.1.2 Expressões fundamentais para o cálculo do posicionamento da incidência da radiação solar referente a um ponto sobre a superfície terrestre...................................... 189 9.1.3 Irradiação solar extraterrestre................................................................................................ 191 9.1.4 Irradiação solar sobre a superfície terrestre.......................................................................... 192 9.1.5 Avaliações das frações direta e difusa no plano horizontal a partir da irradiação total no plano horizontal...................................................................................... 193 9.1.6 Radiação total horária sobre superfícies inclinadas.............................................................. 195 9.1.7 Três modelos para a radiação difusa horária......................................................................... 195 9.1.8 Radiação média diária mensal sobre uma superfície inclinada fixa. Liu e Jordan (1962), modificado por Klein (1977)........................................................................ 196 Modelo da analogia elétrica para a transferência de calor.................................................................... 198 9.2.1 Introdução............................................................................................................................. 198 9.2.2 Coletor solar plano................................................................................................................ 198

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sumário  xxi 9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6

9.3

Capítulo 10

Rendimento térmico de um coletor solar plano.................................................................... 198 Representação de um coletor solar plano pelo modelo de resistências térmicas.................. 200 Transferência de calor por radiação térmica......................................................................... 201 Transferência de calor por condução e convecção................................................................ 207 Desempenho de sistemas de captação de energia solar com armazenamento de energia por meio de calor sensível..................................................................................................................... 216

Energia Solar – Tecnologia e Aplicações......................................................................................222 Daniel Setrak Sowmy 10.1 Energia solar térmica............................................................................................................................. 222 10.1.1 Sistema de aquecimento solar de água.................................................................................. 222 10.1.2 Coletor solar plano................................................................................................................ 224 10.1.3 Reservatório térmico............................................................................................................. 225 10.1.4 Dimensionamento – Lei de São Paulo.................................................................................. 225 10.1.5 Dimensionamento – Norma brasileira.................................................................................. 226 10.2 Energia solar fotovoltaica..................................................................................................................... 228 10.2.1 Célula e painel fotovoltaico.................................................................................................. 229 10.2.2 Sistemas não conectados à rede............................................................................................ 230 10.2.3 Sistemas conectados à rede................................................................................................... 230 10.2.4 Dimensionamento................................................................................................................. 230 10.3 Rastreamento solar................................................................................................................................ 231 10.4 Concentradores de radiação solar.......................................................................................................... 231 10.5 Concentração fotovoltaica e células de alta eficiência.......................................................................... 233

Capítulo 11 Geração de Eletricidade a Partir de Biomassa no Brasil. Situação Atual, Perspectivas e Barreiras.................................................................................................................235 Suani T. Coelho Vanessa Pecora Garcilasso Javier F. Escobar Naraisa Coluna Alessandra C. do Amaral 11.1 Geração de energia elétrica a partir de biomassa.................................................................................. 235 11.1.1 Introdução............................................................................................................................. 235 11.1.2 Situação da geração de eletricidade a partir de biomassa no Brasil...................................... 236 11.2 Tecnologias para geração de eletricidade a partir de biomassa............................................................. 238 11.2.1 Gaseificação de biomassa...................................................................................................... 239 11.2.2 Ciclos a vapor de pequeno porte........................................................................................... 241 11.3 Geração de energia a partir de biomassa nos setores industriais.......................................................... 242 11.3.1 Setor sucroalcooleiro............................................................................................................. 242 11.3.2 Setor de papel e celulose....................................................................................................... 244 11.3.3 Setor madeireiro.................................................................................................................... 244 11.4 Recuperação energética de resíduos urbanos e rurais........................................................................... 246 11.4.1 Resíduos rurais (pecuários)................................................................................................... 246 11.4.2 Resíduos urbanos.................................................................................................................. 247 11.5 Aspectos econômicos e regulatórios..................................................................................................... 251 11.6 Barreiras e propostas de políticas.......................................................................................................... 252

Capítulo 12 Cogeração de Energias Térmica e Eletromecânica......................................................................256 Ronaldo Andreos 12.1 Conceituação da cogeração................................................................................................................... 256 12.1.1 Uma breve história da cogeração.......................................................................................... 256 12.1.2 Classificação dos sistemas de cogeração.............................................................................. 257 12.1.3 Dimensionamento da cogeração........................................................................................... 257

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xxii Sumário 12.2 Fator de utilização de energia aplicado à cogeração............................................................................. 258 12.2.1 Fator de utilização de energia............................................................................................... 258 12.2.2 FUE de termelétrica × cogeração.......................................................................................... 259 12.2.3 Resumo do ηe e FUE associado à cogeração......................................................................... 260 12.2.4 Estudo de caso de emissões de CO2 termelétrica × cogeração............................................. 260 12.3 Esquemas básicos e balanço energético................................................................................................ 261 12.3.1 Esquemas básicos de cogeração com ciclo Rankine............................................................. 261 12.3.2 Esquemas básicos de cogeração com ciclo de Brayton........................................................ 261 12.3.3 Esquemas básicos de cogeração com ciclo MCI................................................................... 262 12.4 Combustíveis empregados na cogeração.............................................................................................. 263 12.4.1 Combustíveis sólidos............................................................................................................ 263 12.4.2 Combustíveis líquidos........................................................................................................... 264 12.4.3 Combustíveis gasosos........................................................................................................... 264 12.5 Legislação pertinente à cogeração........................................................................................................ 264 12.5.1 Legislação brasileira pertinente à cogeração......................................................................... 264 12.5.2 Requisitos para qualificação de centrais de cogeração......................................................... 265 12.6 Análise das aplicações de cogeração por setor..................................................................................... 266 12.6.1 Aplicações no setor industrial............................................................................................... 266 12.6.2 Aplicações no setor terciário................................................................................................. 266 12.6.3 Principais características técnicas de aplicação.................................................................... 266 12.6.4 Principais parâmetros de aplicação....................................................................................... 267 12.7 Indicadores de cogeração no Brasil e no mundo................................................................................... 268 12.7.1 Indicadores de cogeração no mundo..................................................................................... 268 12.7.2 Indicadores de cogeração no Brasil....................................................................................... 269 12.8 Benefícios, barreiras e propostas políticas para a cogeração no Brasil................................................. 271 12.8.1 Benefícios da cogeração........................................................................................................ 271 12.8.2 Barreiras da cogeração.......................................................................................................... 272 12.8.3 Propostas políticas para a cogeração................................................................................................273

Capítulo 13

Energia das Marés e Ondas...........................................................................................................275 Demetrio Cornilios Zachariadis 13.1 Introdução à energia das marés............................................................................................................. 275 13.2 Explicação qualitativa das causas das marés........................................................................................ 276 13.3 Efeitos intensificadores das marés........................................................................................................ 281 13.4 Usinas maremotrizes............................................................................................................................. 282 13.5 Estimativa da energia mecânica gerada................................................................................................ 285 13.6 Energia das correntes de maré............................................................................................................... 287 13.7 Aproveitamento da energia das ondas................................................................................................... 289 13.8 Avaliação da energia extraída das ondas marítimas.............................................................................. 289 13.9 Dispositivos para aproveitamento da energia das ondas....................................................................... 291

Capítulo 14

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Economia do Hidrogênio...............................................................................................................296 José Roberto Simões Moreira Julia da Rosa Howat Rodrigues Tiago Gonçalves Goto Vinicius Eduardo Ribas 14.1 Hidrogênio: um futuro promissor......................................................................................................... 296 14.1.1 Decomposição da molécula de água..................................................................................... 297 14.1.2 Eletrólise............................................................................................................................... 297 14.1.3 Termólise............................................................................................................................... 298 14.1.4 Ciclos metalúrgicos............................................................................................................... 299 14.1.5 Reforma de metano............................................................................................................... 301

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sumário  xxiii 14.1.6 Gaseificação.......................................................................................................................... 301 14.1.7 Fontes de calor não convencionais........................................................................................ 302 14.1.8 Energia solar concentrada..................................................................................................... 302 14.1.9 H2 a partir de H2O.................................................................................................................. 302 14.1.10 H2 a partir de combustíveis fósseis....................................................................................... 303 14.1.11 Energia nuclear...................................................................................................................... 303 14.1.12 Utilização do hidrogênio como fonte de energia.................................................................. 303

Capítulo 15

Eficiência Energética......................................................................................................................306 Alberto Hernandez Neto Eduardo Ioshimoto Eduardo Seiji Yamada Enio Kato Leticia de Oliveira Neves 15.1 Eficiência energética e contexto energético.......................................................................................... 306 15.2 Edificações sustentáveis e certificações................................................................................................ 308 15.3 Normas para avaliação do desempenho de instalações......................................................................... 308 15.4 Auditoria energética: conceitos e exemplos.......................................................................................... 310 15.5 Estrutura tarifária brasileira................................................................................................................... 310 15.6 Iluminação artificial: tipos de sistemas e ações para redução de consumo de energia......................... 312 15.7 Motores elétricos................................................................................................................................... 314 15.8 Sistemas de climatização e ventilação mecânica: tipos de sistemas e ações para redução de

consumo de energia............................................................................................................................... 315

15.9 Medição e verificação: conceitos e exemplos....................................................................................... 319 15.10 Estudo de caso de auditoria de energia no setor industrial .................................................................. 321 15.10.1 Normas e referências técnicas............................................................................................... 322 15.10.2 Estudo de caso no setor industrial......................................................................................... 323 15.10.3 Barreiras e desafios............................................................................................................... 323 15.10.4 Análise.................................................................................................................................. 324 15.10.5 Resultados e conclusão......................................................................................................... 326 15.11 Estudos de caso de estratégias de eficiência energética aplicadas em empreendimentos

corporativos . ........................................................................................................................................ 327 15.11.1 Estudo de caso: edificação comercial localizada em São Paulo........................................... 328 15.11.2 Estudo de caso: edificação comercial localizada no Rio de Janeiro..................................... 331 Capítulo 16 Análise de Investimentos Aplicada a Projetos de Energia..........................................................336

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Virginia Parente 16.1 Introdução ............................................................................................................................................ 336 16.2 Objetivos de aprendizagem e conteúdos............................................................................................... 336 16.3 Técnicas de análise de investimentos.................................................................................................... 337 16.3.1 Desafios da análise de projetos na área de energia............................................................... 338 16.4 Método do payback simples.................................................................................................................. 338 16.4.1 Calculando o payback quando os fluxos de caixa não são iguais......................................... 339 16.5 Método do valor presente líquido (VPL).............................................................................................. 340 16.5.1 O valor do dinheiro no tempo e suas implicações................................................................ 341 16.6 Do valor presente ao valor presente líquido.......................................................................................... 342 16.7 Juros e taxa de juros.............................................................................................................................. 343 16.8 Método do payback descontado............................................................................................................ 346 16.9 Método da taxa interna de retorno (TIR).............................................................................................. 346 16.9.1 Exemplo com o método da TIR............................................................................................ 347 16.9.2 Alguns conceitos ligados aos fluxos de caixa descontados................................................... 347 16.10 Comparação das técnicas de análise de investimentos......................................................................... 348

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xxiv Sumário

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Capítulo 17

Questões Ambientais e Licenciamento Ambiental......................................................................354 Hirdan Katarina de Medeiros Costa Marilin Mariano dos Santos Patricia Helena Lara dos Santos Matai 17.1 Impactos ambientais decorrentes do uso da energia: fontes primárias, conversão e usos finais.......... 354 17.2 Aspectos legais e institucionais relativos à tutela do meio ambiente.................................................... 356 17.3 Direito ambiental na Constituição Federal (CF)................................................................................... 357 17.4 Princípios jurídicos do direito ambiental.............................................................................................. 358 17.4.1 Princípio do direito ao meio ambiente equilibrado............................................................... 359 17.4.2 Princípio do direito à sadia qualidade de vida...................................................................... 359 17.4.3 Princípio do acesso equitativo aos recursos naturais............................................................ 359 17.4.4 Princípios usuário/pagador e poluidor/pagador.................................................................... 359 17.4.5 Princípio da precaução.......................................................................................................... 360 17.4.6 Princípio da prevenção.......................................................................................................... 360 17.4.7 Princípio da reparação........................................................................................................... 360 17.4.8 Princípios da informação e da participação.......................................................................... 360 17.4.9 Princípio da obrigatoriedade de intervenção do poder público............................................. 361 17.5 Lei no 6.938/81...................................................................................................................................... 361 17.5.1 Licenciamento ambiental...................................................................................................... 362 17.6 Procedimentos administrativos para o licenciamento ambiental.......................................................... 364 17.6.1 Estudos ambientais: elaboração e métodos........................................................................... 364 17.7 Responsabilidade objetiva..................................................................................................................... 365

Capítulo 18 Legislação e Regulação..................................................................................................................368 Roberto Castro Maury Sergio Lima e Silva 18.1 Arcabouço regulatório e particularidades do setor elétrico brasileiro.................................................. 368 18.2 Nasceu privado e descentralizado (concessão)..................................................................................... 368 18.3 Modelo setorial e arcabouço regulatório............................................................................................... 369 18.4 Energia renovável na matriz de energia elétrica................................................................................... 374 18.4.1 Geração hidrelétrica.............................................................................................................. 374 18.4.2 Outras fontes renováveis....................................................................................................... 376 18.5 Arcabouço regulatório sobre a geração distribuída............................................................................... 376 18.6 Conclusões............................................................................................................................................ 377

Apêndice A – Propriedades da Água Saturada (Líquido-Vapor).........................................................................379 Apêndice B – Propriedades do Vapor d’Água Superaquecido............................................................................381 Apêndice C – Calores Específicos de Gases Ideais de Alguns Gases Usuais (kJ/kg ⋅ K).....................................385 Índice ......................................................................................................................................................................386

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Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética | Simões-Moreira  

A maneira de se relacionar com o planeta e seus recursos é de extrema importância para a sociedade do século XXI, que utiliza um volume de e...

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