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Fontes de Energia Nova e Renovรกvel

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O GEN | Grupo Editorial Nacional reúne as editoras Guanabara Koogan, Santos, Roca, AC Farmacêutica, Forense, Método, LTC, E.P.U. e Forense Universitária, que publicam nas Essas empresas, respeitadas no mercado editorial, construíram catálogos inigualáveis, com obras que têm sido decisivas na formação acadêmica e no aperfeiçoamento de várias gerações de pro de estudantes de Administração, Direito, Enfermagem, Engenharia, Fisioterapia, Medicina, Odontologia, Educação Física e muitas outras ciências, tendo se tornado sinônimo de seriedade e respeito. 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, sem comprometer o crescimento contínuo e a rentabilidade do grupo.

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Fontes de Energia Nova e RenovĂĄvel Organizador

Marco AurĂŠlio dos Santos

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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 © 2013 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 Imagens da capa: © Fotoember|Dreamstime.com e iStockphoto.com Editoração Eletrônica: Get Designed / Aline Vecchi

CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ F764 Fontes de energia nova e renovável / organização Marco Aurélio dos Santos. - 1. ed. - Rio de Janeiro : LTC, 2013. il. ; 24 cm Inclui bibliografia e índice ISBN 978-85-216-2356-4 1. Energia - Fontes alternativas. 2. Recursos energéticos. 3. Sistemas de energia elétrica. I. Santos, Marco Aurélio dos. II. Título. 13-03973

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Dedicatória Na qualidade de organizador deste livro, gostaria de dedicar esta obra ao colega já falecido Valcir dos Reis Soares, pesquisador do Programa de Planejamento Energético do Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia da Universidade Federal do Rio de Janeiro (PPE/ COPPE/UFRJ). Marco Aurélio dos Santos

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Prefácio É com grata satisfação que apresento o livro Fontes de Energia Nova e Renovável a toda a comunidade de leitores que se interessam pelo tema da energia. O projeto deste livro nasceu do interesse da COPPE/UFRJ, juntamente com a LTC Editora, em produzir uma obra que preenchesse uma lacuna na questão do desenvolvimento do estudo de fontes renováveis de energia e, principalmente, apresentar ao leitor uma série de oportunidades de geração de novas fontes de energia. O desafio de produzi-lo não poderia ser vencido sozinho. Logo, contamos com a colaboração de diversos professores e pesquisadores da COPPE/UFRJ para a completude deste projeto. O livro traz, de forma clara e objetiva, aspectos técnicos, econômicos e ambientais de cada tipo de fonte geradora de energia, seja essa direcionada para o abastecimento de energia elétrica ou de combustíveis. No campo dos combustíveis, o tema é de vital importância para o Brasil, com a questão do etanol produzido pela cana-de-açúcar no presente momento e, em um futuro muito próximo, pelo etanol de segunda geração, a partir da biomassa celulósica. A biomassa lenhosa também é apresentada, discutindo inclusive novas oportunidades de utilização in natura e para a conversão em carvão vegetal. Por fim, o assunto do abastecimento da eletricidade é tratado a partir de novas possibilidades tecnológicas, como o emprego de geração solar fotovoltaica, geração eólica e geração por ondas oceânicas. Também é apresentada ao leitor uma discussão sobre o aproveitamento do potencial hidrelétrico para a geração elétrica. A necessidade de melhor conhecermos nosso potencial de utilização da energia renovável no país, somada às imposições sociais e ambientais do futuro recente, farão desta obra uma fonte de consulta fundamental para os estudantes universitários bem como para os pesquisadores e o público em geral, interessado no tema do planejamento energético no país. Esperamos que este livro venha a suprir essa necessidade e colabore com a valorização das fontes renováveis de energia no Brasil. Marco Aurélio dos Santos

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Agradecimentos Agradecemos às agências de fomento à pesquisa (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq, Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro - FAPERJ) pelo apoio na forma de bolsas de estudo ou de produtividade em pesquisa aos autores deste livro.

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Sobre os Autores Alberto Arruda Villela Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) (1984). Concluiu o mestrado no PPE/COPPE/UFRJ (2009) e está cursando doutorado na mesma instituição e no mesmo programa. Alessandra Magrini Possui graduação em Engenharia Química (1976), mestrado em Planejamento Energético (1984) e doutorado em Administração pela COPPEAD (1992), com doutorado sanduíche junto a Agenzia Nazionale per le Nouve Tecnologie, L’Energia e lo Sviluppo Economico Sostenible (ENEA - Itália). Atualmente é Professora-Associada III do PPE/COPPE/UFRJ. Alexandre Salem Szklo Professor Adjunto do PPE/COPPE/UFRJ. Doutor pelo COPPE/UFRJ. Engenheiro Químico pela Escola de Química da UFRJ. É autor de inúmeros artigos em periódicos científicos indexados e orientador de teses de doutorado e dissertações de mestrado nos temas de eficiência energética, matriz energética, cogeração, biocombustíveis, refino de petróleo e mercado de petróleo e derivados.

Anamélia M. Santos Possui graduação em Relações Internacionais pela Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC Minas) (2001) e mestrado em Planejamento Energético pela COPPE/UFRJ. Foi pesquisadora do Instituto Virtual Internacional de Mudanças Globais – IVIG/COPPE/UFRJ. Atualmente é Gerente de Mercados de Carbono da empresa GDF SUEZ Brasil. Cícero Augusto Prudêncio Pimenteira Possui graduação em Ciências Econômicas (2000), mestrado no PPE/COPPE/UFRJ (2002) e doutorado em Planejamento Energético/COPPE/UFRJ (2010). Professor Adjunto II da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ), lotado no Departamento de Ciências Econômicas e Exatas do Instituto Três Rios. Atualmente é Chefe do Departamento de Ciências Econômicas e Exatas do Instituto Três Rios (DCEEx-ITR/UFRRJ). Conceição Elaine Cardoso Silva Analista de Segurança, Saúde e Meio Ambiente da Esso Brasileira de Petróleo e mestranda do PPE/ COPPE/UFRJ. Daniel Moreira Coelho Graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) (2000). Mestrando em Planejamento Energético do PPE/COPPE/UFRJ.

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SOBRE OS AUTORES

Emílio Lèbre La Rovere Possui graduação em Engenharia Elétrica de Sistemas e Industrial pela PUC-Rio (1975), graduação em Economia pela UFRJ (1976), mestrado em Engenharia de Sistemas e Computação pela UFRJ (1977) e doutorado em Técnicas Econômicas, Previsão, Prospectiva pela École des Hautes Études en Sciences Sociales de Paris (1980). Atualmente é Professor-Associado III do PPE/COPPE/UFRJ. Fernanda Fortes Westin Possui bacharelado em Turismo pela PUC Minas (Campus Poços de Caldas) (2002) e mestrado em Engenharia da Energia pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI) (2007). Doutoranda em Planejamento Energético pelo PPE/COPPE/UFRJ. Luis Guilherme C. Marques Possui graduação em Engenharia Química pela UFRJ. Pesquisador do IVIG/COPPE/UFRJ. Luiz Pinguelli Rosa Possui graduação em Física pela UFRJ (1967), mestrado em Engenharia Nuclear pela COPPE/UFRJ (1969), doutorado em Física pela PUC-Rio (1974). Atualmente é Diretor da COPPE/UFRJ, onde também é Professor Emérito do PPE/COPPE/UFRJ. Marco Aurélio dos Santos Possui graduação em Geografia pela UFRJ (1989), mestrado em Engenharia Nuclear e Planejamento Energético – COPPE/UFRJ (1993), onde também concluiu o doutorado em Planejamento Energético - Área de Concentração em Planejamento Ambiental (2000). Atualmente é Professor Adjunto III do PPE/COPPE/UFRJ. Tem experiência na área de Geociências, Energia e Meio Ambiente, com ênfase em Poluição Ambiental, atuando principalmente nos seguintes temas: efeito estufa, hidrelétricas, meio ambiente, fluxos de metano e dióxido de carbono. Coordenou o Programa de Recursos Humanos da Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP) junto ao PPE/ COPPE/UFRJ no período entre 2008 e 2009. Desde março de 2010 é Pesquisador II do CNPq. Desde dezembro de 2011 é Coordenador Acadêmico de doutorado do PPE/COPPE/UFRJ. Marcos Aurélio Vasconcelos de Freitas Possui graduação em Geografia pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ) (1983), mestrado em Engenharia Nuclear e Planejamento Energético pela UFRJ (1988) e doutorado em Economie de l’Environnement - École des Hautes Études en Sciences Sociales (1994). Atualmente é Professor Adjunto e Coordenador do PPE/COPPE/UFRJ. Maurício Cardoso Arouca Possui graduação em Engenharia Elétrica pela UFRJ (1978), mestrado no PPE/COPPE/UFRJ (1981) e doutorado em Structures Productives et Système Mondial pela Université Paris Diderot - Paris VII (1989). Atualmente é Professor Adjunto do COPPE/UFRJ. Neilton Fidelis Silva Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) (1988), graduação em Licenciatura em Eletricidade pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná

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SOBRE OS AUTORES

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(UTFPR) (1992), mestrado em Engenharia Elétrica pela UFRN (1996) e doutorado em Planejamento Energético pela UFRJ (2006). Docente concursado desde 1990 do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Rio Grande do Norte (IFERN).

Rômulo Neves Ely Doutorando e mestre em Planejamento Energético pelo PPE/COPPE/UFRJ e graduado em Economia também pela UFRJ. Segen Farid Estefen Engenheiro Civil pela UFJF (1973), mestre em Engenharia Oceânica pela UFRJ (1976) e doutor em Structural Engineering pela Imperial College of Science, Technology and Medicine, em Londres (1984). Concluiu o pós-doutorado na Norwegian University of Science and Technology (1991-1992) e, atualmente, é Professor Titular de Estruturas Oceânicas e Tecnologia Submarina no COPPE/UFRJ. William Wills Graduado em Engenharia Eletrônica pela UFRJ e mestre pelo PPE/COPPE/UFRJ, onde cursa atualmente o doutorado em Planejamento Energético do COPPE/UFRJ.

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Sumário 1 O USO ENERGÉTICO DA BIOMASSA FLORESTAL – LENHA E CARVÃO VEGETAL, 1 Marco Aurélio dos Santos 1.1 Aspectos Gerais, 2 1.2 Aspectos Tecnológicos, 8 1.3 Combustão, 9 1.3.1 Uso industrial da combustão, 10 1.3.2 Uso doméstico da combustão, 12

1.4 Carbonização, 13 1.5 Gaseificação, 19 1.6 Referências Bibliográficas, 22

2 A PRODUÇÃO DE ETANOL NO BRASIL E SEUS IMPACTOS AMBIENTAIS, 25 Conceição Elaine Cardoso Silva e Alessandra Magrini 2.1 Introdução, 26 2.2 Evolução do Setor Sucroalcooleiro Brasileiro, 27 2.2.1 Histórico anterior ao Pró-Álcool, 27 2.2.2 Evolução do Pró-Álcool, 28 2.2.3 Estrutura atual do setor sucroalcooleiro brasileiro, 31

2.3 Processo de Produção de Etanol a Partir da Cana-de-açúcar, 32 2.3.1 Fase agrícola, 32 2.3.2 Fase industrial, 36

2.4 Principais Impactos Ambientais da Produção de Etanol no Brasil, 40 2.4.1 Fase agrícola, 40 2.4.2 Fase industrial, 44

2.5 Considerações Finais, 48 2.6 Referências Bibliográficas, 52

3 BIORREFINARIAS COM BASE EM BAGAÇO DE CANA NO BRASIL: ANÁLISE DE ECONOMIAS DE ESCALA E ESCOPO, 55 Rômulo Neves Ely e Alexandre Salem Szklo 3.1 Introdução, 56 3.2 Economia de Escala (e Modularidade) e Escopo, 57 3.3 Rotas Tecnológicas, 59 3.3.1 Hidrólise, 60

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SUMÁRIO

3.3.2 MixAlco, 62 3.3.3 Gaseificação/gás de síntese, 62 3.3.4 Pirólise/bio-óleo, 65 3.3.5 Rotas tecnológicas identificadas, 68

3.4 Economia de Escala e Escopo nas Rotas Tecnológicas Consideradas, 69 3.5 Considerações Finais, 70 3.6 Referências Bibliográficas, 71

4 BIODIESEL E MUDANÇAS CLIMÁTICAS – INTERFACES E POTENCIALIDADES, 75 Alberto A. Villela, Neilton F. Silva, Cícero P. Pimenteira, Luis Guilherme C. Marques, Anamélia M. Santos e Marcos V. Freitas 4.1 Introdução, 76 4.1.1 O contexto histórico dos biocombustíveis, 76 4.1.2 Pressão sobre o meio ambiente, 78 4.1.3 A importância dos biocombustíveis e o seu potencial, 79 4.1.4 O ambiente para expansão dos biocombustíveis, 80

4.2 O Biodiesel e Suas Etapas, 82 4.2.1 A etapa primária – agrária, 82 4.2.2 Etapa secundária – extração e transporte para os centros de distribuição, 91 4.2.3 Etapa terciária – tecnologia de produção: processos de produção do biodiesel, 92 4.2.4 O biodiesel e a redução de emissões de CO2 , 95 4.2.5 Biodiesel e créditos de carbono, 95 4.2.6 Desafios tecnológicos para a expansão do uso de biodiesel no Brasil, 98

4.3 Considerações Finais, 101 4.4 Referências Bibliográficas, 101

5 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E TECNOLÓGICAS DO USO DA ENERGIA SOLAR, 103 Daniel Moreira Coelho e Maurício Cardoso Arouca 5.1 Características Físicas da Energia Solar, 104 5.1.1 O Sol, 104 5.1.2 A atenuação da radiação solar pela atmosfera, 104 5.1.3 Os ângulos de incidência da radiação, 105 5.1.4 Os ângulos da instalação solar, 105 5.1.5 A radiação incidente sobre a superfície inclinada, 106

5.2 Tecnologias de Utilização da Energia Solar para Aquecimento de Água, 107 5.2.1 Coletor solar plano para aquecimento de água a baixa temperatura, 107 5.2.2 Principais conceitos e componentes do sistema de aquecimento de água, 108 5.2.3 Sistema de aquecimento solar acoplado ou compacto, 111

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SUMÁRIO

5.2.4 Princípio de funcionamento do termossifão, 111 5.2.5 Sistema de circulação forçada, 112 5.2.6 Sistema de aquecimento solar para piscina, 112 5.2.7 Preparo de alimentos, 113

5.3 Tecnologias de Utilização de Energia Solar para Outros Usos, 114 5.3.1 Geração de frio a partir da radiação solar, 114 5.3.2 Refrigeração por ciclo de sorção, 114 5.3.3 Geração de calor de alta temperatura – energia heliotérmica, 115 5.3.4 Iluminação solar, 117

5.4 Tecnologia Fotovoltaica: Conversão Direta de Energia Solar em Energia Elétrica, 119 5.4.1 Processo fotovoltaico, 119 5.4.2 Tipos de células fotovoltaicas, 120 5.4.3 Células monocristalinas, 120 5.4.4 Células policristalinas, 121 5.4.5 Filmes finos, 121

5.5 Referências Bibliográficas, 124

6 ENERGIA EÓLICA, 127 Emilio Lèbre La Rovere, Fernanda Fortes Westin e William Wills 6.1 Introdução, 128 6.2 Evolução da Tecnologia de Aproveitamento da Energia Eólica, 128 6.2.1 Histórico, 128 6.2.2 A energia dos ventos, 129 6.2.3 Características tecnológicas, 130 6.2.4 Vantagens e desvantagens frente às fontes convencionais, 137 6.2.5 Caracterização dos custos da energia eólica, 138

6.3 Panorama Mundial da Energia Eólica, 139 6.3.1 Evolução da capacidade instalada, 139 6.3.2 Projeções, 141 6.3.3 Principais fabricantes, 142

6.4 Potencial Existente, Desenvolvimento e Geração de Energia Eólica no Brasil, 143 6.4.1 Potencial dos ventos, 143 6.4.2 Incentivos e desenvolvimento da energia eólica, 145 6.4.3 O papel de complementaridade da energia eólica e sua inserção no mecanismo de desenvolvimento limpo (MDL) da convenção do clima, 149 6.4.4 Barreiras para o desenvolvimento das usinas eólicas no Brasil, 150

6.5 Cenários de Energia Eólica para o Brasil, 152

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SUMÁRIO

6.6 Considerações Finais, 153 6.7 Referências Bibliográficas, 155 Anexo Relação das Usinas Eólicas em Operação em 02/09/2010, 159

7 ENERGIA DOS OCEANOS, 161 Segen F. Estefen 7.1 Introdução, 162 7.2 Recursos Energéticos, 162 7.2.1 Ondas, 163 7.2.2 Marés, 163 7.2.3 Correntes, 164 7.2.4 Gradiente térmico, 165 7.2.5 Gradiente de salinidade, 166 7.2.6 Recursos energéticos – potencial da costa brasileira, 166

7.3 Tecnologias para a Conversão em Eletricidade, 167 7.3.1 Energia das marés, 169 7.3.2 Energia de correntes oceânicas e correntes de marés, 169 7.3.3 Conversão da energia térmica do oceano (OTEC), 170 7.3.4 Geração osmótica, 171

7.4 Perspectivas do Desenvolvimento no Brasil, 172 7.4.1 Atuação da COPPE em energia dos oceanos, 172

7.5 Programa Nacional de Energias Renováveis do Mar, 173 7.6 Considerações Finais, 174 7.7 Referências Bibliográficas, 175

8 CENTRAIS HIDRELÉTRICAS, 179 Marco Aurélio dos Santos e Luiz Pinguelli Rosa 8.1 Introdução, 180 8.2 Aproveitamentos Hidrelétricos, 182 8.3 Usinas Hidrelétricas, 182 8.4 Turbinas Hidráulicas, 184 8.4.1 Principais tipos de turbinas hidráulicas, 184

8.5 Hidreletricidade no Mundo, 186 8.6 Hidreletricidade no Brasil, 188 8.7 Vantagens e Desvantagens da Hidreletricidade, 190 8.7.1 Vantagens da hidreletricidade, 190 8.7.2 Desvantagens da hidreletricidade, 191

8.8 Referências Bibliográficas, 192

ÍNDICE, 193

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Fontes de Energia Nova e Renovável  

Atentos às demandas do mercado, no Brasil e no mundo, os autores de Fontes de Energia Nova e Renovável uniram suas experiências e seus esfor...

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