Fontes de energia renováveis
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Cuando se hace referencia a fuentes de energía, los términos "energía sostenible" y "energía renovable" a menudo se usan indistintamente, sin embargo, los proyectos particulares de energía renovable a veces plantean importantes preocupaciones de sostenibilidad. Las tecnologías de energía renovable son contribuyentes esenciales para la energía sostenible, ya que generalmente contribuyen a la seguridad energética mundial, reduciendo la dependencia de los recursos de combustibles fósiles,[9] y brindando oportunidades para mitigar los gases de efecto invernadero.[9] Se han realizado diversos trabajos de análisis de costo-beneficio realizados por una gran variedad de especialistas y agencias para determinar las vías más baratas y rápidas para descarbonizar el suministro de energía del mundo, y el tema es de gran controversia, en particular sobre el papel de la energía nuclear.[10][11][12][13][14].
Hidroeletricidade
Entre as fontes de energia renováveis, as hidrelétricas têm a vantagem de terem vida longa: muitas usinas existentes operam há mais de 100 anos. Além disso, as hidrelétricas são limpas e apresentam baixas emissões. As críticas feitas às usinas hidrelétricas de grande escala incluem: o deslocamento de pessoas que vivem onde os reservatórios são planejados e a liberação de quantidades significativas de dióxido de carbono durante a construção e inundação dos reservatórios.[15].
No entanto, descobriu-se que as emissões elevadas estão associadas apenas a reservatórios rasos em locais quentes (tropicais), e inovações recentes na tecnologia de turbinas estão a permitir o desenvolvimento eficiente de projectos hidroeléctricos de baixo impacto no curso do rio.[16] Em geral, as usinas hidrelétricas produzem emissões de gases de efeito estufa muito menores do que outros tipos de geração.
A energia hidroeléctrica, que conheceu um intenso desenvolvimento durante o crescimento da electrificação nos séculos XIX e XX, está a experimentar um ressurgimento do desenvolvimento no século XXI. As áreas de maior crescimento da energia hidroeléctrica são as economias em expansão da Ásia. A China é a líder do desenvolvimento; Contudo, outras nações asiáticas estão a instalar energia hidroeléctrica a um ritmo rápido. Este crescimento é impulsionado por um aumento nos custos da energia, especialmente da energia importada, e pelo desejo generalizado de uma produção mais doméstica, limpa, renovável e acessível.
Geotérmica
As tecnologias em uso para produção geotérmica incluem usinas de vapor seco, usinas de vapor flash e usinas de ciclo binário. A geração de eletricidade geotérmica é atualmente utilizada em 24 países, enquanto o aquecimento geotérmico é utilizado em 70 países.[17] Os mercados internacionais cresceram a uma taxa média anual de 5% durante os três anos até 2015, e espera-se que a capacidade global de energia geotérmica atinja 14,5–17,6 GW em 2020.[18]
A energia geotérmica é considerada uma fonte de energia sustentável e renovável porque a extração de calor é pequena em comparação com o conteúdo de calor da Terra.[19] As emissões de gases com efeito de estufa provenientes das centrais geotérmicas são, em média, 45 gramas de dióxido de carbono por quilowatt-hora de electricidade, ou menos de 5% das emissões das centrais a carvão convencionais.[17] Como fonte de energia renovável para energia e aquecimento, a energia geotérmica tem potencial para satisfazer 3-5% da procura global até 2050. Com incentivos económicos, estima-se que até 2100 será possível satisfazer 10% da procura global.[20].
Biomassa
Os briquetes de biomassa são cada vez mais utilizados no mundo em desenvolvimento como alternativa ao carvão vegetal. A técnica envolve a conversão de quase qualquer matéria vegetal em briquetes comprimidos que normalmente têm cerca de 70% do poder calorífico do carvão vegetal. Existem relativamente poucos exemplos de produção de briquetes em grande escala. Uma exceção ocorre no Kivu do Norte, no leste da República Democrática do Congo, onde o desmatamento da floresta para a produção de carvão é considerado a maior ameaça ao habitat dos gorilas das montanhas. A equipe do Parque Nacional de Virunga treinou e equipou com sucesso mais de 3.500 pessoas para produzir briquetes de biomassa, substituindo o carvão produzido ilegalmente no parque nacional e criando empregos importantes para pessoas que vivem em extrema pobreza em áreas afetadas por conflitos.[21].
Biocombustível
O Brasil tem um dos maiores programas de energia renovável do mundo, envolvendo a produção de etanol combustível "Etanol (combustível)") a partir da cana-de-açúcar, e o etanol agora fornece 18% do combustível automotivo do país. Como resultado disso, juntamente com a exploração de fontes domésticas de petróleo em águas profundas, o Brasil, que anos atrás teve que importar grande parte do petróleo necessário para o consumo interno, alcançou completa autossuficiência em petróleo.[22][23][24].
A maioria dos carros em circulação nos Estados Unidos pode funcionar com misturas de até 10% de etanol, e os fabricantes de veículos motorizados já produzem veículos projetados para funcionar com misturas de etanol muito mais elevadas. Ford, DaimlerChrysler e GM estão entre as empresas que vendem carros, caminhões e minivans "flex-fuel" que podem usar misturas de gasolina e etanol, desde gasolina pura até 85% de etanol (E85). Em meados de 2006, havia aproximadamente seis milhões de veículos compatíveis com E85 nas estradas dos Estados Unidos.[25].
Os biocombustíveis podem ser definidos como “renováveis”, mas podem não ser “sustentáveis” devido à degradação do solo. A partir de 2012, 40% da produção de milho dos EUA foi destinada ao etanol. O etanol ocupa uma grande porcentagem do “Uso de Energia Limpa” quando, na verdade, ainda é discutível se o etanol deve ser considerado uma “Energia Limpa”.[26].
De acordo com a Agência Internacional de Energia, as novas tecnologias de bioenergia (biocombustíveis) que estão a ser desenvolvidas hoje, especialmente as biorrefinarias de etanol celulósico, poderão permitir que os biocombustíveis desempenhem um papel muito maior no futuro do que se pensava anteriormente.[27] O etanol celulósico pode ser obtido a partir de matéria vegetal composta principalmente por fibras de celulose não comestíveis que formam os caules e ramos da maioria das plantas. Resíduos de culturas (tais como talos de milho, palha de trigo e palha de arroz), resíduos de madeira e resíduos sólidos urbanos são fontes potenciais de biomassa celulósica. Culturas energéticas dedicadas, como switchgrass, também são fontes promissoras de celulose que podem ser produzidas de forma sustentável em muitas regiões dos Estados Unidos.[28].
Vento
Na Europa do século XIX, havia cerca de 200.000 moinhos de vento, um pouco mais do que as modernas turbinas eólicas do século XXI.[29] Eles eram usados principalmente para moer grãos e bombear água. A era dos motores a vapor movidos a carvão substituiu o uso inicial da energia eólica.
Algumas das energias renováveis de segunda geração, como a energia eólica, têm um elevado potencial e já tiveram custos de produção relativamente baixos. No final de 2008, a capacidade dos parques eólicos em todo o mundo era de 120.791 megawatts (MW), o que representava um aumento de 28,8% ao longo do ano,[31] e a energia eólica produzia aproximadamente 1,3% do consumo global de eletricidade.[32].
Em 2006, a energia eólica representou aproximadamente 20% do consumo de electricidade na Dinamarca, 9% em Espanha e 7% na Alemanha. A capacidade eólica instalada na UE é principalmente offshore e atingiu 14,6 GW em 2021, prevendo-se que aumente pelo menos 25 vezes até 2030, utilizando o grande potencial das 5 bacias marítimas da UE.[33].
A capacidade cumulativa total de geração de eletricidade eólica instalada em todo o mundo aumentou rapidamente desde então e, no final de 2020, era de 733 GW. Desde 2010, mais de metade de toda a nova energia eólica foi adicionada fora dos mercados tradicionais da Europa e da América do Norte, impulsionada principalmente pelo boom contínuo na China, Índia, Brasil, Vietname, entre outros países. Até 2020 os 10 maiores produtores podem ser vistos na tabela abaixo:[34][35]
[36].
Aquecimento solar
Os sistemas de aquecimento solar são uma tecnologia bem conhecida de segunda geração e geralmente consistem em coletores solares térmicos, um sistema de fluido para mover o calor do coletor até o ponto de uso e um reservatório ou tanque para armazenamento de calor e uso posterior. Os sistemas podem ser usados para aquecer água quente doméstica, água de piscina ou para aquecimento de ambientes.[37] O calor também pode ser usado para aplicações industriais ou como entrada de energia para outros usos, como equipamentos de refrigeração.[38] Em muitos climas, um sistema de aquecimento solar pode fornecer uma porcentagem muito alta (20 a 80%) da energia de água quente doméstica. A energia recebida do sol pela terra é a radiação eletromagnética. Faixas de luz visível, infravermelha, ultravioleta, raios X e ondas de rádio recebidas pela Terra por meio da energia solar. O maior poder de radiação vem da luz visível. A energia solar é complicada por causa das mudanças nas estações e do dia para a noite. A cobertura de nuvens também pode aumentar as complicações da energia solar, e nem toda a radiação solar atinge a Terra porque é absorvida e espalhada pelas nuvens e gases na atmosfera da Terra.[39].
As usinas solares térmicas têm operado comercialmente com sucesso na Califórnia desde o final da década de 1980, incluindo a maior usina de energia solar de qualquer tipo, a Solar Power Generation Systems de 350 MW. Nevada Solar One é outra usina de 64 MW inaugurada recentemente.[40] Outras usinas parabólicas propostas são duas usinas de 50 MW na Espanha e uma usina de 100 MW em Israel.[41].
eletricidade solar
Na década de 1980 e no início da década de 1990, a maioria dos módulos fotovoltaicos fornecia fornecimento de energia em áreas remotas, mas desde cerca de 1995, os esforços da indústria têm-se concentrado cada vez mais no desenvolvimento de edifícios fotovoltaicos integrados e centrais eléctricas para aplicações ligadas à rede (ver artigo sobre centrais fotovoltaicas para mais detalhes). Atualmente, a maior usina fotovoltaica da América do Norte é a Usina Solar Nellis (15 MW).[42][43] Há uma proposta para construir uma usina solar em Victoria, Austrália, que seria a maior usina fotovoltaica do mundo, com 154 MW.[44][45] Outras grandes usinas fotovoltaicas incluem a usina solar Girassol (62 MW),[46] e o Parque Solar Waldpolenz (40 MW).[47].
Grandes projetos de pesquisa nacionais e regionais sobre fotossíntese artificial estão projetando sistemas baseados em nanotecnologia que usam energia solar para dividir a água em combustível de hidrogênio.[48] e foi feita uma proposta para um projeto global de fotossíntese artificial[49] Em 2011, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram o que chamam de "folha artificial", que é capaz de dividir a água em hidrogênio e oxigênio diretamente da energia solar quando jogada em um copo de água. Um lado da "Folha Artificial" produz bolhas de hidrogênio, enquanto o outro lado produz bolhas de oxigênio.[50].
A maioria das usinas de energia solar hoje são compostas por uma série de unidades semelhantes, onde cada unidade é continuamente ajustada, por exemplo, com alguns motores de passo, de modo que o conversor de luz permaneça no foco da luz solar. O custo de focar a luz em conversores, como painéis solares de alta potência, motor Stirling, etc., pode ser drasticamente reduzido com uma mecânica de corda simples e eficiente. Nesta técnica, muitas unidades são conectadas com uma rede de cordas, de modo que puxar duas ou três cordas é suficiente para manter todos os conversores de luz focados simultaneamente à medida que a direção do sol muda.
O Japão e a China têm programas nacionais voltados para a energia solar espacial em escala comercial (SBSP). A Academia Chinesa de Tecnologia Espacial (CAST) venceu o Concurso Internacional de Design SunSat 2015 com este vídeo de seu projeto de junta multigiratória. Os proponentes do SBSP afirmam que a energia solar baseada no espaço seria limpa, consistente e global, e poderia ser dimensionada para atender a toda a demanda de energia planetária.[20] Uma proposta recente da indústria multiagências (que ecoou a recomendação do Pentágono de 2008) venceu o Desafio de Inovação SECDEF/SECSTATE/USAID D3 (Diplomacia, Desenvolvimento, Defesa).[52].
energia oceânica
Portugal tem o primeiro parque de ondas comercial do mundo, o Aguçadora Wave Park, em construção em 2007 e inaugurado em 23 de setembro de 2008. O parque utilizou três máquinas Pelamis P-750 que deveriam gerar 2,25 MW.[54][55] e os custos foram estimados em 8,5 milhões de euros. Devido a problemas técnicos com as máquinas Pelamis P-750, estas foram devolvidas ao porto de Leixões em Novembro de 2008. O financiamento para um parque de ondas na Escócia foi anunciado em Fevereiro de 2007 pelo Executivo Escocês, a um custo de mais de £ 4 milhões, como parte de um pacote de financiamento de £ 13 milhões para energia oceânica na Escócia. A fazenda será a maior do mundo, com capacidade de 3 MW gerada por quatro máquinas Pelamis.[56].
Em 2007, a primeira turbina do mundo a criar quantidades comerciais de energia utilizando a energia das marés foi instalada nos estreitos de Strangford Lough, na Irlanda. O gerador subaquático de eletricidade das marés de 1,2 MW aproveita o rápido fluxo das marés no lago, que pode chegar a 4 m/s. Embora o gerador seja potente o suficiente para abastecer até mil casas, a turbina tem impacto ambiental mínimo, pois está quase completamente submersa e os rotores giram devagar o suficiente para não representarem nenhum perigo para a vida selvagem.[57][58].
Habilitando tecnologias para energias renováveis
A energia solar e eólica são fontes de energia intermitentes que fornecem eletricidade de 10 a 40% do tempo. Para compensar esta característica, é comum vincular sua produção à geração hidrelétrica ou a gás natural existente. Em regiões onde isto não está disponível, a energia eólica e solar pode ser combinada com energia hidroelétrica de armazenamento reversível significativamente mais cara.
As bombas de calor e o armazenamento de energia térmica são classes de tecnologias que podem permitir a utilização de fontes de energia renováveis que de outra forma seriam inacessíveis devido a uma temperatura demasiado baixa para utilização ou a um intervalo de tempo entre a disponibilidade de energia e o momento em que esta é necessária. Ao aumentar a temperatura da energia térmica renovável disponível, as bombas de calor têm a propriedade adicional de aproveitar a energia elétrica (ou, em alguns casos, a energia mecânica ou térmica), utilizando-a para extrair energia adicional de uma fonte de baixa qualidade (como a água do mar, a água do lago, o solo, o ar ou o calor residual de um processo).
As tecnologias de armazenamento térmico permitem que o calor ou o frio sejam armazenados por períodos de tempo que variam de horas a durante a noite ou sazonais, e podem envolver o armazenamento de calor sensível (ou seja, alterando a temperatura de um meio) ou calor latente (ou seja, através de mudanças de fase de um meio, como entre água e granizo ou gelo). O armazenamento térmico de curto prazo pode ser usado para regular os máximos na distribuição elétrica ou nos sistemas de aquecimento urbano. Os tipos de fontes de energia renováveis ou alternativas que podem ser permitidas incluem energia natural (por exemplo, recolhida através de colectores solares térmicos ou torres de arrefecimento seco utilizadas para recolher o frio do Inverno), energia residual (por exemplo, de equipamento HVAC, processos industriais ou centrais eléctricas) ou energia excedentária (por exemplo, como sazonalmente de projectos hidroeléctricos ou intermitentemente de parques eólicos). A comunidade solar de Drake Landing (Alberta, Canadá) é ilustrativa. O armazenamento de energia térmica permite que a comunidade obtenha 97% do seu calor durante todo o ano a partir de coletores solares nos telhados das garagens, que se acumulam no verão. Os tipos de armazenamento de calor sensível incluem tanques isolados, conjuntos de furos em substratos que variam de cascalho a rocha, aquíferos profundos ou poços rasos revestidos que são isolados no topo. Alguns tipos de armazenamento são capazes de armazenar calor ou frio entre estações opostas (especialmente se forem muito grandes), e algumas aplicações de armazenamento requerem a inclusão de uma bomba de calor. O calor latente é geralmente armazenado em tanques de gelo ou nos chamados materiais de mudança de fase (PCM).