Energias Renovaveis, Distribuida e Eficiencia Energetica Organizador Jose Roberto Simoes 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 Jose Aquiles Baesso Grimoni Jose Roberto Simoes 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 Gonyalves Goto Vanessa Pecora Garcilasso Vinic ius Eduardo Ribas Virginia Parente LTC
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Energias Renovaveis, Gera~ao Distribuida e Eficiencia ...
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Energias Renovaveis, Gera~ao Distribuida e Eficiencia Energetica
Organizador
Jose Roberto Simoes 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
Jose Aquiles Baesso Grimoni
Jose Roberto Simoes 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 Gonyalves Goto
Vanessa Pecora Garcilasso
Vinic ius Eduardo Ribas
Virginia Parente
LTC
SUMARIO
Capitulo 1
Capitulo 2
Energia e Panorama Energetico ....................................................................................................... 1
Jose Roberto Simoes Moreira Jose Aquiles Baesso Grimoni Marcelo da Silva Rocha
1.1 0 Sol e as fontes de energia ..................................................................................................................... I
1.1.1 Formas de energia .................................................................................................................... 2
3.1.1 Cicio de Camot ...................................................................................................................... 33
3.2 Cicio de Rankine .................................................................................................................................... 35
3.2.1 Cicio de Rankine simples ....................................................................................................... 35 3.2.2 Cicio de Rankine com superaquecimento .............................................................................. 36 3.2.3 Cicio de Rankine com reaquecimento .................................................................................... 37 3.2.4 Cicio de Rankine regenerativo com aquecedores de mistura ................................................. 39 3.2.5 Perdas no cicio de Rankine .................................................................................................... 39 3.2.6 Cicio orgiinico de Rankine ....................................... .............................................................. 41
3.3 Cicio de Brayton .................................................................................................................................... 42
3.3.1 Cicio de Brayton simples ....................................................................................................... 43 3.3.2 Cicio de Brayton simples com ineficiencias ......................................................................... .45 3.3.3 Cicio de Brayton com regenerador ou recuperador de calor.. ............................................... .47
3.4 Motores de combustao intema (MCI) a pistao de movimento alternativo ............................................. 47
3.4.1 Principais fenomenos que ocorrem em urn MCI e ciclo-padriio a ar ..................................... 48 3.4.2 Cicio meciinico do motor de 4 tempos, igni<yao por centelha e processos
3'.5 Cicio de Otto .................................................................................................................. ......... ............... 49
3.5.1 Aspectos principais em que 0 cicio a ar de Otto se afasta do motor reaL ............................. 50
3.6 Cicio de Diesel ............................................................................................................................. .......... 50
3.7 Cicio de refrigera<yiio por compressiio a vapor. ...................................................................................... 55
3.7.1 Ciclo-padrao de compressiio meciinica a vapor ..................................................................... 55 3.7.2 Bombas de calor ..................................................................................................................... 57 3.7.3 Recupera<yiio de calor ............................................................................................................. 58
3.8 Ciclos de absor<yiio de calor .................................................................................................................... 58
3.9 Celulas a combustive I ................ .. ........ .. ..... ....................................................... ....... ............................. 62
Combustao e Combustiveis ............................................................................................................ 64
Marilin Mariano dos Santos Patricia Helena Lara dos Santos Matai Laiete Soto Messias
4.1 Fontes de energia ..................................................................... .. ............................................................. 64
4.2 Principais combustiveis ........................................................................ ............ ....................... ............... 65
4.2.1 Combustiveis oriundos de fontes renovaveis de energia ........... .. .......... .. ... .. .. ... .... .. .... .. ........ 65 4.2.2 Combustive is oriundos de fontes niio renovaveis ................ .. ... .... ... .. ...... .... ...... .. ........ .... ...... 66
4.3 Conceitos de combustao, estequiometria e excesso de ar ................................. .. ................. .... ...... .. ...... 67
4.3.1 Combustao, estequiometria e excesso de ar ................ .. .................... .. ........... .. ........... .. ........ 67 4.3.2 Estequiometria e raziio de equivalencia (¢) ............................................ .. ............................. 71
4.4 Produtos de combustiio .......................................................................................................................... 71
4.4.1 Vapor de agua nos gases de combustiio ....................... .. ......................................................... 72 4.4.2 Concentra<yiio de CO2 nos gases de combustao ...................................................................... 72
4.5 Entaipia de combustao e poder caiorifico .............................................................................................. 72
4.5.1 Entalpia de fonna<yiio e entaipia de combustao ...................................................................... 72 4.5.2 Poder calorifico ....................................................................................................................... 74
4.6 Temperatura adiabatica de chama .......................................................................................................... 76
4.7 Eficiencia de combustao .................................. .. ..................................................................................... 76
SUMARIO xix
4.8 Fonnayao e tecnicas de controle de poluentes ......................................................................... .............. 77
4.8.1 Mecanismos de fonnayao de NO, e tecnologias para reduyao de emissoes .......................... 77 4.8.2 Mecanismo de fonnayao de material particulado e fuligem e tecnicas de abatimento .......... 83 4.8.3 Mecanismos de fonnayao de 6xidos de enxofre e tecnicas de reduyao de emissoes .............. 84 4.8.4 Mecanismos de fonnayao de CO e tecnica para reduyao de emissoes .................................. 86
capitulo 5 Motores e Geradores Eh~tri(os ....................................................................................................... 90
Ivan EduardoChabu
5.1 Conceitos fundamentais de eletromagnetismo ........................... ......................... ................................... 90
5.1.1 . Caracterizayao dos circuitos magneticos ............................................................................... 90 5.1.2 Caracterizayao dos materiais ferromagneticos ....................................................................... 93 5.1.3 Fundamentos da conversao eletromecanica de energia .......... .. .............................................. 96
5.2 Construyao e funcionamento de maquinas sincronas ................................................ ...... .. ..................... 99
5.2.1 Aspectos construtivos das maquinas sincronas ............. .. ..................................................... 100 5.2.2 Funcionamento das maquinas sincronas ...................... .. ...................................................... 103 5.2.3 Maquina sincrona operando de fonna isolada ............................. ........................................ 110 5.2.4 Maquina sincrona operando conectada ao sistema eletrico ............................... .. ................ 112
5.3 Construyao e funcionamento de maquinas assincronas ....................................................................... 115
capitulo 6 Armazenamento de Energia ........................................................................................................ 132
Gustavo de Andrade Barreto Bruno Medeiros Leite Jose Aquiles Baesso Grimoni
6.1 Annazenamento de energia mecanica ......................................... .. ........................................ .. ............. 133
6.1.1 Annazenamento por bombeamento hidrauJico ....... , ........................... .. ....... ~ ....................... 133 6.1.2 Annazenamento de energia em ar comprimido (CAES) ..................................................... 134 6.1.3 Volante de inercia ...................................................................................... ........................... 135
6.2 Annazenamento de energia tennica ............. .. ..................... ................................................................. 135
6.2.1 Sem mudanya de fase ........................................................... .. ....... .. ..................................... 136 6.2.2 Com mudanya de fase ........................................................................................... .. ............. 136
7.4 Annazenamento de energia ....................................................... .. ..................... .. ............ .. .................... 149
7.5 Gestao eficiente do sistema de iluminayao publica .................. .. ................... .. .. .. ................... .. ............ 149
7.6 Veiculos eletricos e hibridos ....................................................................................... .. ........................ 150
7.7 Qualidade de energia ............................................................................................................................ 151
7.8 Autorrestabelecimento e autocura do sistema .................................................. .... ....... .. ................ ... .... 151
7.9.1 Incidencia de impostos federais e estaduais ............................. .. .......... .. .... .. .. .. .... ....... .. ....... 156
xx SUMARIO
7.10 Casas inteligentes e cidades inteligentes ............. .......... ............ .......... ............ ..... ............ ..... ....... ..... 158
Capitulo 8 Energia E6Iica ................................................................................................................................ 160
Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas
8.1 'Hist6rico do desenvolvimento de turbinas e6Iicas ............................................................................... 160
8.1.1 Energia meciinica e moinhos de vento ................................................................................. 160 8.1.2 Energia eletrica e turbinas e61icas ............................. .. ...... ................................................... 161
8.2 Energia e6lica no mundo e no Brasil. ........................................................................................................ 163
8.2.1 Situar,:ao mundial .................................................................................................................. 163 8.2.2 Energia e61ica no Brasil ....................................................................................................... 164
8.3 Caracteristicas dos recursos e61icos ..................................................................................................... 165
8.6 Energia e61ica e aspectos economicos ......................................... ..... .................................... ....... ........ 180
8.6.1 Estrutura de custos de uma central e61ica .................... ..... ............................... ..... ............... 181 8.6.2 Indicadores de merito para avaliar,:ao economica ......... ........................................................ 182
8.7 Aspectos ambientais da energia e6lica ........................................ ....... ..... ............................... ............. 184
Capitulo 9 Fundamentos da Utiliza~ao de Energia Solar ............................................................................. 187
Claudio Roberto de Freitas Pacheco
9.1 Avaliar,:ao do potencial de energia solar em uma localidade ................................................................ 187
9.1.1 Expressoes e definir,:oes basicas referentes ao posicionamento relativo Sol-Terra .............. 187 9.1.2 Expressoes fundamentais para 0 calculo do posicionamento da incidencia
da radiar,:ao solar referente a urn ponto sobre a superficie terrestre ..................................... 189 9.1.3 Irradiar,:ao solar extraterrestre .............................. ............................................. ....... ..... ........ 191 9.1.4 Irradiar,:ao solar sobre a superficie terrestre ............................................. .. ...... ..... ....... ........ 192 9.1.5 Avaliar,:oes das frar,:oes direta e difusa no plano horizontal a partir da
irradiar,:ao total no plano horizontal. .......................... \ ....... ; .................................................. 193 9.1.6 Radiar,:ao total horaria sobre superficies inclinadas ............................................................. 195 9.1.7 Tres modelos para a radiar,:ao difusa horaria ........................................................................ 195 9.1.8 Radiar,:ao media diaria mensal sobre uma superficie inclinada fixa. Liu e
Jordan (1962), modificado por Klein (1977) ........................................................... ............. 196
9.2 Modelo da analogia eletrica para a transferencia de calor ...... .......... ............................... ..... ............... 198
9.2.3 Rendimento tennico de urn coletor solar plano ................................................. .......... ........ 198 9.2.4 Representac;;ao de urn coletor solar plano pelo modelo de resistencias tennicas ................. 200 9.2.5 Transferencia de calor por radiac;;ao termica ........................................................................ 20 I 9.2.6 Transferencia de calor por conduc;;ao e convecc;;ao ......... .... ....... ......................... ...... ............ 207
9.3 Desempenho de sistemas de captac;;ao de energia solar com armazenamento de energia por meio de calor sensivel ........... ........... .... ................................................................................ ......... . 216
Capitulo 10 Energia Solar - Tecnologia e Aplicac;oes ..................................................................................... 222
10.5 Concentrac;;ao fotovoltaica e celulas de alta eficiencia ......................................................................... 233
Ca itulo 11 Gerac;ao de Eletricidade a Partir de Biomassa no Brasil. Situac;ao Atual, Perspectivas e Ba~reiras ................................................................................................................ 235
Suani T. Coelho Vanessa Pecora Garcilasso Javier F. Escobar Naraisa Coluna Alessandra C. do Amaral
11.1 Gerac;;ao de energia eletrica a partir de biomassa .................................................. .. ............................. 235
11.1.1 Introduc;;ao .... ............................................ .................................................. .. ..... ................... 235 11.1.2 Situac;;ao da gerac;;ao de eletricidade a partir de biomassa no BrasiL .................................. 236
11.2 Tecnologias para gerac;;ao de eletricidade a partir de biomassa ......... ............... .. ........ .. ...... .. .......... .. .... 238
11.2.1 Gaseificac;;ao de biomassa ...................................................................................... .......... ..... 239 11.2.2 Ciclos a vapor de pequeno porte .......... .................. ......... .. ....... .. .......... ..... .. .. .. ........ .. ........... 241
11.3 Gerac;;ao de energia a partir de biomassa nos setores industriais ................ .. ... ..................................... 242
11.3.1 Setor sucroa1cooleiro ....................................................... .. ................................. ............ .. .... 242 11.3.2 Setor de papel e celulose ........... .. ............ ............................................................................. 244 11.3.3 Setor madeireiro ................................................................................................................... 244
11.4 Recuperac;;ao energetica de residuos urbanose rurais .......................................................................... 246
11.5 Aspectos economicos e regulat6rios ......................................................... .. ......................................... 251
11.6 Barreiras e propostas de politicas ............................... .. ........................................... .. .... .. ..... .. .............. 252
Capitulo 12 Cogerac;ao de Energias Termica e Eletromedinica ..................................................................... 256
Ronaldo Andreos
12.1 Conceituayao da cogerac;;ao ............................................................ .. ........... ............................. ............ 256
12.1.1 Uma breve hist6ria da cogerac;;ao ................................ .. .. ...... ...... ................................ .... ..... 256 12.1.2 Classificac;;ao dos sistemas de cogerac;;ao ...... .. ..... .. .............. .. ................ .. ..................... ........ 257 12.1.3 Dimensionamento da cogerac;;ao ................................................ .. ........ .. .............................. 257
xxii SUMARIO
12.2 Fator de utilizac;ao de energia aplicado a cogerac;ao ............................................................................ 258 12.2.1 Fator de utilizac;ao de energia ......................... ........ ...................... ............ ............................ 258 12.2.2 FUE de termeh~trica x cogerac;ao ............................................ ............................................. 259 12.2.3 Resumo do rt. e FOE associado a cogerac;ao ........................................................................ 260 12.2.4 Estudo de caso de emissoes de CO2 termeletrica x cogerac;ao ............................................. 260
12.3 Esquemas basicos e balanc;o energetico ............................................................................................... 261 12.3.1 Esquemas basicos de cogerac;ao com cicio Rankine ........... ....... ............. ............................. 261 12.3.2 Esquemas basicos de cogerac;ao com cicio de Brayton ....................................................... 261 12.3.3 Esquemas basicos de cogerac;ao com cicio MCL ............. ............... .......................... ......... 262
12.5.1 Legislac;ao brasileira pertinente a cogerac;ao ........................ ... ................ .. ...... ............ ......... 264 12.5.2 Requisitos para qualificac;ao de centra is de cogerac;ao ........ ........ ..... ......... .. ... ....... .. ... ......... 265
12.6 Analise das aplicac;oes de cogerac;ao por setor ................................................. ................................... 266 12.6.1 Aplicac;oes no setor industrial .............................................................................................. 266 12.6.2 Aplicac;Oes no setor terciario ...................................................................... .......................... 266 12.6.3 Principais caracteristicas tecnicas de aplicac;ao ................................ .............. ............ ......... 266 12.6.4 Principais parametros de aplicac;ao .................... ...... .......... ........... ...... ............ ............ ......... 267
12.7 Indicadores de cogerac;ao no Brasil e no mundo .......... ................. ......................................... ....... ....... 268 12.7.1 Indicadores de cogerac;ao no mundo ........................ .................................. .......................... 268 12.7.2 Indicadores de cogerac;ao no BrasiL ........................................... ........................................ 269
12.8 Beneficios, barreiras e propostas politicas para a cogerac;ao no BrasiL ............................................. 271
12.8.1 Beneficios da cogerac;ao ....................................................................................................... 271 12.8.2 Barreiras da cogerac;1io ...................................................................................... ................... 272 12.8.3 Propostas politicas para a cogerac;ao ............................................................................................... 273
Capitulo 13 Energia das Mares e Ondas .......................................................................................................... 275
Demetrio Cornilios Zachariadis
Capitulo 14
13.1 Introduc;ao a energia das mares ............................................................... : .... .. ...................................... 275
13.2 Explicac;ao qualitativa das causas das mares ........................... ... .. ............. ............ ......... ..................... 276
13.3 Efeitos intensificadores das mares .............................................. ......................................................... 281
13.5 Estimativa da energia mecanica gerada ....................................................... ........................................ 285
13.6 Energia das correntes de mare .......................... .. ... .......... ....... ........................... .. ... .............. ................ 287
13.7 Aproveitamento da energia das ondas ............................... .. .. ............................ .......................... ......... 289
13.8 Avaliac;1io da energia extraida das ondas maritimas ...................................................................... ....... 289
13.9 Dispositivos para aproveitamento da energia das ondas .............. : ....................................................... 291
Economia do Hidrogenio .............................................................................................................. 296 \
Jose Roberto Simoes Moreira
Julia da Rosa Howat Rodrigues
Tiago Gon<;alves Goto
Vinicius Eduardo Ribas
14.1 Hidrogenio: urn futuro promissor.. ................................................... ............................... ..................... 296 14.1.1 Decomposic;ao da molecula de agua .................................................................................... 297 14.1.2 Eletr6lise ............................................................................ '" ............................................... 297 14.1.3 14.1.4 14.1.5
15.8 Sistemas de climatiza<;:ao e ventila<;:ao mecanica: tipos de sistemas e a<;:oes para redu<;:ao de consumo de energia .... .... .... .... .............................................................................................................. 315
15.9 Medi<;:ao e verifica<;:ao: conceitos e exemplos .......................... .. .......................... .. ...... .. ...... ...... .......... 319
15.10 Estudo de caso de auditoria de energia no setor industrial .. .. .. .................................... .. .... .......... .. ..... 321 15.10.1 Nonnas e referencias tecnicas .............................. .. ...................... .... ...... .... .. .. .. .... ................ 322 15.10.2 Estudo de caso no setor industrial... ..................................................... .. .............................. 323 15.10.3 Barreiras e desafios .. .................................................... .. ...... ........................ .................. ...... 323 15.1 0.4 Analise .................................................................................................................................. 324 15.10.5 Resultados e conclusao .......... .... .... ................................ .. .............. .. ...... .. .. ...... .... .... .......... .. 326
15.11 Estudos de caso de estrategias de eficiencia energetica aplicadas em empreendimentos corporativos ....... ................................... ..................... ... ........................ .. ........ ..... ... ......... ..... ....... ........ 327 15.11.1 Estudo de caso: edifica<;:ao comerciallocalizada em Sao Paulo .................. .............. .... .. .. .. 328 15.11.2 Estudo de caso: edifica<;:ao comerciallocalizada no Rio de Janeiro .................................... 331
Capitulo 16 Analise de Investimentos Aplicada a Projetos de Energia ......................................................... 336
16.2 Objetivos de aprendizagem e conteudos .............................................................................................. 336
16.3 Tecnicas de analise de investirnentos ................................................................................................... 337
16.3.1 Desafios da analise de projetos na area de energia ...... .. ........................................ ... ........ .... 338 16.4 Metodo do payback simples .............. ............................... , .................................... .. .............. ...... .. ....... 338
16.4.1 Calculando 0 payback quando os fluxos de caixa nao sao iguais ........................................ 339 16.5 Metodo do valor presente Jiquido (VPL) ................................................................ .... ..................... .... 340
16.5.1 0 valor do dinheiro no tempo e suas implica<;:oes .............................................. .... ....... ...... . 341 16.6 Do valor presente ao valor presente liquido ........................................................................ ................. 342
16.7 Juros e taxa de juros ........ .......... ........ ...... ............................................................ .... ............. .... ...... ...... 343
16.8 Metodo do payback descontado ................................................................................................ .......... . 346
16.9 Metodo da taxa intern a de retorno (TlR) ............................................................................................. 346 16.9.1 Exemplo com 0 metodo da TlR ................................................................................... ........ 347 16.9.2 Alguns conceitos ligados aos fluxos de caixa descontados ...................................... .... .. .. .... 347
16.10 Compara<;:ao das tecnicas de analise de investimentos ........................................................................ 348
xxiv SUMARIO
Capitulo 17 Questoes Ambientais e licenciamento Ambiental... .................................................................. 35£
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 prim arias, conversao e usos finais .. ... ... .. 35 l
17.2 Aspectos legais e institucionais relativos a tutela do meio ambiente ........... ... ...... .. ................... ... ....... 35(
17.3 Direito ambiental na Constitui<;:ao Federal (CF) ........... .... ............. .. .......... .... .... .... ........................... ... 35~
1704 Priocipios juridicos do direito ambiental ...... ..... .... .... ...... .................................................... ... ............. 35~ 1704 .1 Principio do direito ao meio ambiente equilibrado .. ........... .............. ....... .. .. .. .... .................. 355 17.4.2 Principio do direito a sadia qualidade de vida ........ : .................... .. ........... .... .. ..... ......... ....... 355 1704.3 Principio do acesso equitativo aos recurs os oaturais ...... .......... .................... .............. ..... .... 355 17.4.4 Principios usuario/pagador e poluidor/pagador ............................................ .. ..................... 355 1704.5 Principio da precau<;:ao .. .. .... .. .. ... ..... ............... ... ................................................................... 36( 1704.6 Principio da preven<;:ao ............................ ............................................................................ . 36( 17 A . 7 Principio da repara<;:ao ........ ................ ........ .. ....................................................... .. ............... 36( 1704.8 Principios da inforrna<;:ao e da participa<;:ao ......................................................... .. .......... .. .. 36( 17.4.9 Principio da obrigatoriedade de interven<;:ao do poder publico ............................. ............... 36 1