Organizador

José Roberto Simões Moreira

Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética

Colaboradores

Alberto Hernandez NetoAlessandra Camilla do AmaralBruno Medeiros LeiteClaudio Roberto de Freitas PachecoDaniel Setrak SowmyDemetrio Cornilios ZachariadisEduardo IoshimotoEduardo Seiji YamadaEliane Aparecida Faria Amaral FadigasEnio KatoGustavo de Andrade BarretoHirdan Katarina de Medeiros CostaIvan Eduardo ChabuJavier Farago EscobarJosé Aquiles Baesso GrimoniJosé Roberto Simões Moreira

Julia da Rosa Howat RodriguesLaiete Soto MessiasLeticia de Oliveira NevesMarcelo da Silva RochaMarcos de Mattos PimentaMarilin Mariano dos SantosMaury Sergio Lima e SilvaNaraisa Moura Esteves ColunaPatricia Helena Lara dos Santos MataiRoberto CastroRonaldo AndreosSuani Teixeira CoelhoTiago Gonçalves GotoVanessa Pecora GarcilassoVinicius Eduardo RibasVirginia Parente

Capitulo_00.indd 3 24/04/2017 10:43:10

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 portuguesaCopyright © 2017 byLTC — 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, 11Rio de Janeiro, RJ — CEP 20040-040Tels.: 21-3543-0770 / 11-5080-0770Fax: 21-3543-0896ltc@grupogen.com.brwww.ltceditora.com.br

Capa: Leônidas LeiteCréditos de imagens de capa: iStockphoto | fmajor, iStockphoto | koya79, iStockphoto | mizoula, iStockphoto | NagyDodo, iStockphoto | Bosca78, iStockphoto | BackyardProduction, iStockphoto | photosoup, iStockphoto | MR1805, iStockphoto | typhoonskiEditoração 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

Capitulo_00.indd 4 24/04/2017 10:43:10

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 utili-zar 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.

José GoldembergProfessor Emérito da USP e Presidente da Fapesp

apREsEntação

Capitulo_00.indd 5 24/04/2017 10:43:10

GEN-IO (GEN | Informação Online) é o repositório de materiais

suplementares e de serviços relacionados com livros publicados pelo

cientí�co-técnico-pro�ssional, composto por Guanabara Koogan, Santos, Roca,

Os materiais suplementares �cam disponíveis para acesso durante a vigência

das edições atuais dos livros a que eles correspondem.

GEN | Grupo Editorial Nacional, maior conglomerado brasileiro de editoras do ramo

AC Farmacêutica, Forense, Método, Atlas, LTC, E.P.U. e Forense Universitária.

Este livro conta com o seguinte material suplementar:

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

O acesso ao material suplementar é gratuito. Basta que o leitor se cadastre em nosso site (www.grupogen.com.br), faça seu login e clique em GEN-IO, no menu superior do lado direito. É rápido e fácil. Caso haja alguma mudança no sistema ou dificuldade de acesso, entre em contato conosco (sac@grupogen.com.br).

Material Suplementar

Capitulo_00.indd 6 24/04/2017 10:43:10

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 apro-veitamento 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 pro-grama 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, geo-térmica 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 distribui-ção 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

pREfácio

Capitulo_00.indd 7 24/04/2017 10:43:11

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 consu-mindo. 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 tam-bém 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 tam-bém 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 téc-nico, 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 enge-nharia 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 eó-lica, 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

Capitulo_00.indd 8 24/04/2017 10:43:11

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 original-mente 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.

José R. Simões Moreira Professor-Associado

SISEA – Lab. de Sistemas Energéticos AlternativosDepto. Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

Capitulo_00.indd 9 24/04/2017 10:43:11

sumáRio

capítulo 1 Energia e panorama Energético .......................................................................................................1José Roberto Simões MoreiraJosé Aquiles Baesso GrimoniMarcelo da Silva Rocha

1.1 O Sol e as fontes de energia ..................................................................................................................... 11.1.1 Formas de energia .................................................................................................................... 2

1.2 Cadeias energéticas .................................................................................................................................. 61.3 Matriz energética mundial e brasileira ..................................................................................................... 7

1.3.1 Matriz energética mundial ........................................................................................................ 71.3.2 Matriz energética brasileira ...................................................................................................... 9

1.4 Balanço da energia mundial e brasileira .................................................................................................. 91.4.1 Síntese do balanço energético mundial .................................................................................... 91.4.2 Síntese do balanço energético brasileiro ................................................................................ 10

1.5 O que o futuro nos reserva? ................................................................................................................... 101.5.1 Possibilidades futuras de energia ........................................................................................... 11

capítulo 2 Elementos de Engenharia termodinâmica ....................................................................................14José Roberto Simões Moreira

2.1 Conceituação da termodinâmica .............................................................................................................. 142.2 Propriedades termodinâmicas ................................................................................................................ 14

2.2.1 Temperatura e escalas de temperatura .................................................................................... 142.2.2 Pressão.................................................................................................................................... 152.2.3 Volume específico e densidade ............................................................................................... 152.2.4 Energia interna e entalpia ....................................................................................................... 15

2.3 Substância pura e diagramas termodinâmicos ....................................................................................... 162.3.1 Propriedades e tabelas termodinâmicas ................................................................................. 162.3.2 Equação de estado, gás perfeito ............................................................................................. 182.3.3 Calores específicos ................................................................................................................. 19

2.4 Lei de conservação da massa ou da continuidade .................................................................................. 192.5 Lei de conservação da energia ou Primeira Lei da Termodinâmica ....................................................... 212.6 Segunda Lei da Termodinâmica ............................................................................................................. 23

2.6.1 A entropia e seu uso em volumes de controle ........................................................................ 232.7 Processos termodinâmicos ..................................................................................................................... 24

2.7.1 Diagrama temperatura-entropia e uso de tabelas ................................................................... 242.7.2 Variação da entropia em um gás perfeito ............................................................................... 252.7.3 Processo politrópico reversível para um gás perfeito ............................................................ 25

2.8 Cálculo de trabalho em algumas máquinas ............................................................................................ 262.8.1 Bombas ................................................................................................................................... 262.8.2 Compressores ......................................................................................................................... 272.8.3 Turbinas e expansores ............................................................................................................ 29

Capitulo_00.indd 17 24/04/2017 10:43:12

xviii sumário

capítulo 3 máquinas e processos de transformação de Energia térmica ....................................................32José Roberto Simões MoreiraMarcos de Mattos Pimenta

3.1 Ciclo térmico de Carnot ......................................................................................................................... 323.1.1 Ciclo de Carnot ...................................................................................................................... 33

3.2 Ciclo de Rankine .................................................................................................................................... 353.2.1 Ciclo de Rankine simples ....................................................................................................... 353.2.2 Ciclo de Rankine com superaquecimento .............................................................................. 363.2.3 Ciclo de Rankine com reaquecimento.................................................................................... 373.2.4 Ciclo de Rankine regenerativo com aquecedores de mistura ................................................. 393.2.5 Perdas no ciclo de Rankine .................................................................................................... 393.2.6 Ciclo orgânico de Rankine ..................................................................................................... 41

3.3 Ciclo de Brayton .................................................................................................................................... 423.3.1 Ciclo de Brayton simples ....................................................................................................... 433.3.2 Ciclo de Brayton simples com ineficiências .......................................................................... 453.3.3 Ciclo de Brayton com regenerador ou recuperador de calor .................................................. 47

3.4 Motores de combustão interna (MCI) a pistão de movimento alternativo ............................................. 473.4.1 Principais fenômenos que ocorrem em um MCI e ciclo-padrão a ar ..................................... 483.4.2 Ciclo mecânico do motor de 4 tempos, ignição por centelha e processos termodinâmicos ...................................................................................................................... 48

3.5 Ciclo de Otto .......................................................................................................................................... 493.5.1 Aspectos principais em que o ciclo a ar de Otto se afasta do motor real ............................... 50

3.6 Ciclo de Diesel ....................................................................................................................................... 503.6.1 Ciclo combinado Brayton-Rankine ........................................................................................ 523.6.2 Ciclo combinado – configurações .......................................................................................... 533.6.3 Ciclo combinado – caldeira de recuperação ........................................................................... 54

3.7 Ciclo de refrigeração por compressão a vapor ....................................................................................... 553.7.1 Ciclo-padrão de compressão mecânica a vapor ..................................................................... 553.7.2 Bombas de calor ..................................................................................................................... 573.7.3 Recuperação de calor ............................................................................................................. 58

3.8 Ciclos de absorção de calor .................................................................................................................... 583.9 Células a combustível ............................................................................................................................ 62

capítulo 4 combustão e combustíveis ............................................................................................................64Marilin Mariano dos SantosPatricia Helena Lara dos Santos MataiLaiete Soto Messias

4.1 Fontes de energia .................................................................................................................................... 644.2 Principais combustíveis .......................................................................................................................... 65

4.2.1 Combustíveis oriundos de fontes renováveis de energia ....................................................... 654.2.2 Combustíveis oriundos de fontes não renováveis .................................................................. 66

4.3 Conceitos de combustão, estequiometria e excesso de ar ...................................................................... 674.3.1 Combustão, estequiometria e excesso de ar .......................................................................... 674.3.2 Estequiometria e razão de equivalência (f) ........................................................................... 71

4.4 Produtos de combustão .......................................................................................................................... 714.4.1 Vapor de água nos gases de combustão.................................................................................. 724.4.2 Concentração de CO2 nos gases de combustão ...................................................................... 72

4.5 Entalpia de combustão e poder calorífico .............................................................................................. 724.5.1 Entalpia de formação e entalpia de combustão ...................................................................... 724.5.2 Poder calorífico ...................................................................................................................... 74

4.6 Temperatura adiabática de chama .......................................................................................................... 764.7 Eficiência de combustão ......................................................................................................................... 76

Capitulo_00.indd 18 24/04/2017 10:43:12

sumário xix

4.8 Formação e técnicas de controle de poluentes ....................................................................................... 774.8.1 Mecanismos de formação de NOx e tecnologias para redução de emissões .......................... 774.8.2 Mecanismo de formação de material particulado e fuligem e técnicas de abatimento .......... 834.8.3 Mecanismos de formação de óxidos de enxofre e técnicas de redução de emissões .............. 844.8.4 Mecanismos de formação de CO e técnica para redução de emissões .................................. 86

capítulo 5 motores e Geradores Elétricos .......................................................................................................90Ivan Eduardo Chabu

5.1 Conceitos fundamentais de eletromagnetismo ....................................................................................... 905.1.1 Caracterização dos circuitos magnéticos ............................................................................... 905.1.2 Caracterização dos materiais ferromagnéticos ....................................................................... 935.1.3 Fundamentos da conversão eletromecânica de energia.......................................................... 96

5.2 Construção e funcionamento de máquinas síncronas ............................................................................. 995.2.1 Aspectos construtivos das máquinas síncronas .................................................................... 1005.2.2 Funcionamento das máquinas síncronas .............................................................................. 1035.2.3 Máquina síncrona operando de forma isolada ..................................................................... 1105.2.4 Máquina síncrona operando conectada ao sistema elétrico ................................................. 112

5.3 Construção e funcionamento de máquinas assíncronas ....................................................................... 1155.3.1 Aspectos construtivos das máquinas assíncronas ................................................................ 1165.3.2 Funcionamento das máquinas assíncronas ........................................................................... 118

capítulo 6 armazenamento de Energia ........................................................................................................132Gustavo de Andrade BarretoBruno Medeiros LeiteJosé Aquiles Baesso Grimoni

6.1 Armazenamento de energia mecânica .................................................................................................. 1336.1.1 Armazenamento por bombeamento hidráulico .................................................................... 1336.1.2 Armazenamento de energia em ar comprimido (CAES) ..................................................... 1346.1.3 Volante de inércia ................................................................................................................. 135

6.2 Armazenamento de energia térmica ..................................................................................................... 1356.2.1 Sem mudança de fase ........................................................................................................... 1366.2.2 Com mudança de fase .......................................................................................................... 136

6.3 Armazenamento eletroquímico ............................................................................................................ 1366.3.1 Baterias secundárias ............................................................................................................. 1366.3.2 Supercapacitores e supercondutores eletromagnéticos ........................................................ 1396.3.3 Armazenamento de hidrogênio ............................................................................................ 141

6.4 Como analisar o armazenamento de energia ........................................................................................ 1426.4.1 Classificações das aplicações de armazenamento ................................................................ 143

capítulo 7 Geração Distribuída e Redes inteligentes ...................................................................................146José Aquiles Baesso GrimoniGustavo de Andrade Barreto

7.1 Redes inteligentes................................................................................................................................. 1467.2 Tecnologias de informação e comunicação .......................................................................................... 1487.3 Medições inteligentes ........................................................................................................................... 1487.4 Armazenamento de energia .................................................................................................................. 1497.5 Gestão eficiente do sistema de iluminação pública .............................................................................. 1497.6 Veículos elétricos e híbridos................................................................................................................. 1507.7 Qualidade de energia ............................................................................................................................ 1517.8 Autorrestabelecimento e autocura do sistema ...................................................................................... 1517.9 Geração distribuída .............................................................................................................................. 151

7.9.1 Incidência de impostos federais e estaduais ......................................................................... 156

Capitulo_00.indd 19 24/04/2017 10:43:12

xx sumário

7.10 Casas inteligentes e cidades inteligentes ........................................................................................... 158

capítulo 8 Energia Eólica ................................................................................................................................160Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas

8.1 Histórico do desenvolvimento de turbinas eólicas ............................................................................... 1608.1.1 Energia mecânica e moinhos de vento ................................................................................. 1608.1.2 Energia elétrica e turbinas eólicas ........................................................................................ 161

8.2 Energia eólica no mundo e no Brasil ......................................................................................................... 1638.2.1 Situação mundial .................................................................................................................. 1638.2.2 Energia eólica no Brasil ....................................................................................................... 164

8.3 Características dos recursos eólicos ..................................................................................................... 1658.3.1 Modelos de circulação dos ventos........................................................................................ 1658.3.2 Estimativa do potencial eólico ............................................................................................. 1668.3.3 Medição de vento ................................................................................................................. 170

8.4 Conversão da energia eólica ................................................................................................................. 1728.4.1 Energia mecânica extraída do vento por uma turbina eólica ............................................... 1728.4.2 Aerodinâmica de uma turbina eólica .................................................................................... 1748.4.3 Energia elétrica gerada por uma turbina eólica .................................................................... 1768.4.4 Tecnologia de turbinas eólicas ............................................................................................. 177

8.5 Energia eólica e suas aplicações........................................................................................................... 1788.5.1 Aplicações autônomas .......................................................................................................... 1798.5.2 Minirredes isoladas .............................................................................................................. 1798.5.3 Rede elétrica de transmissão/distribuição ............................................................................ 179

8.6 Energia eólica e aspectos econômicos ................................................................................................. 1808.6.1 Estrutura de custos de uma central eólica ............................................................................ 1818.6.2 Indicadores de mérito para avaliação econômica ................................................................. 182

8.7 Aspectos ambientais da energia eólica ................................................................................................ 1848.7.1 Paisagem .............................................................................................................................. 1858.7.2 Ecologia: fauna e flora ......................................................................................................... 1858.7.3 Ruído .................................................................................................................................... 1858.7.4 Solo ...................................................................................................................................... 1858.7.5 Recursos hídricos ................................................................................................................. 1858.7.6 Qualidade do ar .................................................................................................................... 1858.7.7 Socioeconômico ................................................................................................................... 1868.7.8 Patrimônio arqueológico, arquitetônico, etnológico ............................................................ 186

capítulo 9 fundamentos da utilização de Energia solar .............................................................................187Claudio Roberto de Freitas Pacheco

9.1 Avaliação do potencial de energia solar em uma localidade ................................................................ 1879.1.1 Expressões e definições básicas referentes ao posicionamento relativo Sol-Terra .............. 1879.1.2 Expressões fundamentais para o cálculo do posicionamento da incidência da radiação solar referente a um ponto sobre a superfície terrestre ..................................... 1899.1.3 Irradiação solar extraterrestre ............................................................................................... 1919.1.4 Irradiação solar sobre a superfície terrestre ......................................................................... 1929.1.5 Avaliações das frações direta e difusa no plano horizontal a partir da irradiação total no plano horizontal...................................................................................... 1939.1.6 Radiação total horária sobre superfícies inclinadas ............................................................. 1959.1.7 Três modelos para a radiação difusa horária ........................................................................ 1959.1.8 Radiação média diária mensal sobre uma superfície inclinada fixa. Liu e Jordan (1962), modificado por Klein (1977)........................................................................ 196

9.2 Modelo da analogia elétrica para a transferência de calor ................................................................... 1989.2.1 Introdução ............................................................................................................................ 1989.2.2 Coletor solar plano ............................................................................................................... 198

Capitulo_00.indd 20 24/04/2017 10:43:13

sumário xxi

9.2.3 Rendimento térmico de um coletor solar plano ................................................................... 1989.2.4 Representação de um coletor solar plano pelo modelo de resistências térmicas ................. 2009.2.5 Transferência de calor por radiação térmica ........................................................................ 2019.2.6 Transferência de calor por condução e convecção ............................................................... 207

9.3 Desempenho de sistemas de captação de energia solar com armazenamento de energia por meio de calor sensível .................................................................................................................... 216

capítulo 10 Energia solar – tecnologia e aplicações .....................................................................................222Daniel Setrak Sowmy

10.1 Energia solar térmica ............................................................................................................................ 22210.1.1 Sistema de aquecimento solar de água ................................................................................. 22210.1.2 Coletor solar plano ............................................................................................................... 22410.1.3 Reservatório térmico ............................................................................................................ 22510.1.4 Dimensionamento – Lei de São Paulo ................................................................................. 22510.1.5 Dimensionamento – Norma brasileira ................................................................................. 226

10.2 Energia solar fotovoltaica .................................................................................................................... 22810.2.1 Célula e painel fotovoltaico ................................................................................................. 22910.2.2 Sistemas não conectados à rede ........................................................................................... 23010.2.3 Sistemas conectados à rede .................................................................................................. 23010.2.4 Dimensionamento ................................................................................................................ 230

10.3 Rastreamento solar ............................................................................................................................... 23110.4 Concentradores de radiação solar ......................................................................................................... 23110.5 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. CoelhoVanessa Pecora GarcilassoJavier F. EscobarNaraisa ColunaAlessandra C. do Amaral

11.1 Geração de energia elétrica a partir de biomassa ................................................................................. 23511.1.1 Introdução ............................................................................................................................ 23511.1.2 Situação da geração de eletricidade a partir de biomassa no Brasil ..................................... 236

11.2 Tecnologias para geração de eletricidade a partir de biomassa ............................................................ 23811.2.1 Gaseificação de biomassa ..................................................................................................... 23911.2.2 Ciclos a vapor de pequeno porte .......................................................................................... 241

11.3 Geração de energia a partir de biomassa nos setores industriais.......................................................... 24211.3.1 Setor sucroalcooleiro ............................................................................................................ 24211.3.2 Setor de papel e celulose ...................................................................................................... 24411.3.3 Setor madeireiro ................................................................................................................... 244

11.4 Recuperação energética de resíduos urbanos e rurais .......................................................................... 24611.4.1 Resíduos rurais (pecuários) .................................................................................................. 24611.4.2 Resíduos urbanos ................................................................................................................. 247

11.5 Aspectos econômicos e regulatórios .................................................................................................... 25111.6 Barreiras e propostas de políticas ......................................................................................................... 252

capítulo 12 cogeração de Energias térmica e Eletromecânica .....................................................................256Ronaldo Andreos

12.1 Conceituação da cogeração .................................................................................................................. 25612.1.1 Uma breve história da cogeração ......................................................................................... 25612.1.2 Classificação dos sistemas de cogeração.............................................................................. 25712.1.3 Dimensionamento da cogeração .......................................................................................... 257

Capitulo_00.indd 21 24/04/2017 10:43:13

xxii sumário

12.2 Fator de utilização de energia aplicado à cogeração ............................................................................ 25812.2.1 Fator de utilização de energia............................................................................................... 25812.2.2 FUE de termelétrica × cogeração ......................................................................................... 25912.2.3 Resumo do ηe e FUE associado à cogeração ........................................................................ 26012.2.4 Estudo de caso de emissões de CO2 termelétrica × cogeração............................................. 260

12.3 Esquemas básicos e balanço energético ............................................................................................... 26112.3.1 Esquemas básicos de cogeração com ciclo Rankine ............................................................ 26112.3.2 Esquemas básicos de cogeração com ciclo de Brayton ....................................................... 26112.3.3 Esquemas básicos de cogeração com ciclo MCI .................................................................. 262

12.4 Combustíveis empregados na cogeração ............................................................................................. 26312.4.1 Combustíveis sólidos ........................................................................................................... 26312.4.2 Combustíveis líquidos .......................................................................................................... 26412.4.3 Combustíveis gasosos .......................................................................................................... 264

12.5 Legislação pertinente à cogeração ....................................................................................................... 26412.5.1 Legislação brasileira pertinente à cogeração ........................................................................ 26412.5.2 Requisitos para qualificação de centrais de cogeração ........................................................ 265

12.6 Análise das aplicações de cogeração por setor .................................................................................... 26612.6.1 Aplicações no setor industrial .............................................................................................. 26612.6.2 Aplicações no setor terciário ................................................................................................ 26612.6.3 Principais características técnicas de aplicação ................................................................... 26612.6.4 Principais parâmetros de aplicação ...................................................................................... 267

12.7 Indicadores de cogeração no Brasil e no mundo .................................................................................. 26812.7.1 Indicadores de cogeração no mundo .................................................................................... 26812.7.2 Indicadores de cogeração no Brasil ...................................................................................... 269

12.8 Benefícios, barreiras e propostas políticas para a cogeração no Brasil ................................................ 27112.8.1 Benefícios da cogeração ....................................................................................................... 27112.8.2 Barreiras da cogeração ......................................................................................................... 27212.8.3 Propostas políticas para a cogeração ...............................................................................................273

capítulo 13 Energia das marés e ondas ..........................................................................................................275Demetrio Cornilios Zachariadis

13.1 Introdução à energia das marés ............................................................................................................ 27513.2 Explicação qualitativa das causas das marés ....................................................................................... 27613.3 Efeitos intensificadores das marés ....................................................................................................... 28113.4 Usinas maremotrizes ............................................................................................................................ 28213.5 Estimativa da energia mecânica gerada ............................................................................................... 28513.6 Energia das correntes de maré .............................................................................................................. 28713.7 Aproveitamento da energia das ondas .................................................................................................. 28913.8 Avaliação da energia extraída das ondas marítimas ............................................................................. 28913.9 Dispositivos para aproveitamento da energia das ondas ...................................................................... 291

capítulo 14 Economia do Hidrogênio ..............................................................................................................296José Roberto Simões MoreiraJulia da Rosa Howat RodriguesTiago Gonçalves GotoVinicius Eduardo Ribas

14.1 Hidrogênio: um futuro promissor......................................................................................................... 29614.1.1 Decomposição da molécula de água .................................................................................... 29714.1.2 Eletrólise .............................................................................................................................. 29714.1.3 Termólise .............................................................................................................................. 29814.1.4 Ciclos metalúrgicos .............................................................................................................. 29914.1.5 Reforma de metano .............................................................................................................. 301

Capitulo_00.indd 22 24/04/2017 10:43:13

sumário xxiii

14.1.6 Gaseificação ......................................................................................................................... 30114.1.7 Fontes de calor não convencionais ....................................................................................... 30214.1.8 Energia solar concentrada .................................................................................................... 30214.1.9 H2 a partir de H2O ................................................................................................................. 30214.1.10 H2 a partir de combustíveis fósseis....................................................................................... 30314.1.11 Energia nuclear ..................................................................................................................... 30314.1.12 Utilização do hidrogênio como fonte de energia ................................................................. 303

capítulo 15 Eficiência Energética .....................................................................................................................306

Alberto Hernandez NetoEduardo IoshimotoEduardo Seiji YamadaEnio KatoLeticia de Oliveira Neves

15.1 Eficiência energética e contexto energético ......................................................................................... 30615.2 Edificações sustentáveis e certificações ............................................................................................... 30815.3 Normas para avaliação do desempenho de instalações ........................................................................ 30815.4 Auditoria energética: conceitos e exemplos ......................................................................................... 31015.5 Estrutura tarifária brasileira .................................................................................................................. 31015.6 Iluminação artificial: tipos de sistemas e ações para redução de consumo de energia ........................ 31215.7 Motores elétricos .................................................................................................................................. 31415.8 Sistemas de climatização e ventilação mecânica: tipos de sistemas e ações para redução de consumo de energia .............................................................................................................................. 31515.9 Medição e verificação: conceitos e exemplos ...................................................................................... 31915.10 Estudo de caso de auditoria de energia no setor industrial ................................................................. 321

15.10.1 Normas e referências técnicas .............................................................................................. 32215.10.2 Estudo de caso no setor industrial ........................................................................................ 32315.10.3 Barreiras e desafios .............................................................................................................. 32315.10.4 Análise.................................................................................................................................. 32415.10.5 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 .......................................... 32815.11.2 Estudo de caso: edificação comercial localizada no Rio de Janeiro .................................... 331

capítulo 16 análise de investimentos aplicada a projetos de Energia .........................................................336Virginia Parente

16.1 Introdução ........................................................................................................................................... 33616.2 Objetivos de aprendizagem e conteúdos .............................................................................................. 33616.3 Técnicas de análise de investimentos ................................................................................................... 337

16.3.1 Desafios da análise de projetos na área de energia............................................................... 33816.4 Método do payback simples ................................................................................................................. 338

16.4.1 Calculando o payback quando os fluxos de caixa não são iguais ........................................ 33916.5 Método do valor presente líquido (VPL) ............................................................................................. 340

16.5.1 O valor do dinheiro no tempo e suas implicações................................................................ 34116.6 Do valor presente ao valor presente líquido ......................................................................................... 34216.7 Juros e taxa de juros ............................................................................................................................. 34316.8 Método do payback descontado ........................................................................................................... 34616.9 Método da taxa interna de retorno (TIR) ............................................................................................. 346

16.9.1 Exemplo com o método da TIR ........................................................................................... 34716.9.2 Alguns conceitos ligados aos fluxos de caixa descontados .................................................. 347

16.10 Comparação das técnicas de análise de investimentos ........................................................................ 348

Capitulo_00.indd 23 24/04/2017 10:43:13

xxiv sumário

capítulo 17 Questões ambientais e licenciamento ambiental .....................................................................354Hirdan Katarina de Medeiros CostaMarilin Mariano dos SantosPatricia Helena Lara dos Santos Matai

17.1 Impactos ambientais decorrentes do uso da energia: fontes primárias, conversão e usos finais.......... 35417.2 Aspectos legais e institucionais relativos à tutela do meio ambiente ................................................... 35617.3 Direito ambiental na Constituição Federal (CF) .................................................................................. 35717.4 Princípios jurídicos do direito ambiental ............................................................................................. 358

17.4.1 Princípio do direito ao meio ambiente equilibrado .............................................................. 35917.4.2 Princípio do direito à sadia qualidade de vida ..................................................................... 35917.4.3 Princípio do acesso equitativo aos recursos naturais ........................................................... 35917.4.4 Princípios usuário/pagador e poluidor/pagador ................................................................... 35917.4.5 Princípio da precaução ......................................................................................................... 36017.4.6 Princípio da prevenção ......................................................................................................... 36017.4.7 Princípio da reparação .......................................................................................................... 36017.4.8 Princípios da informação e da participação ......................................................................... 36017.4.9 Princípio da obrigatoriedade de intervenção do poder público ............................................ 361

17.5 Lei no 6.938/81 ..................................................................................................................................... 36117.5.1 Licenciamento ambiental ..................................................................................................... 362

17.6 Procedimentos administrativos para o licenciamento ambiental ......................................................... 36417.6.1 Estudos ambientais: elaboração e métodos .......................................................................... 364

17.7 Responsabilidade objetiva .................................................................................................................... 365

capítulo 18 legislação e Regulação .................................................................................................................368Roberto CastroMaury Sergio Lima e Silva

18.1 Arcabouço regulatório e particularidades do setor elétrico brasileiro ................................................. 36818.2 Nasceu privado e descentralizado (concessão) .................................................................................... 36818.3 Modelo setorial e arcabouço regulatório .............................................................................................. 36918.4 Energia renovável na matriz de energia elétrica .................................................................................. 374

18.4.1 Geração hidrelétrica ............................................................................................................. 37418.4.2 Outras fontes renováveis ...................................................................................................... 376

18.5 Arcabouço regulatório sobre a geração distribuída .............................................................................. 37618.6 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

Capitulo_00.indd 24 24/04/2017 10:43:13