TECHNICAL, ECONOMIC, AND ENVIRONMENTAL COMPARATIVE STUDY OF RENEWABLE ENERGY SOURCES AND ELECTRICAL DISTRIBUTION
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.10149782
Almir Cordeiro da Silva
Edigler de Lima Vieira
Fernando Silveira Machado
Gabriel Thomaz Fornereto
Kevin do Carmo Silva
Orientador: Fabio Roberto Vieira
Resumo: Considerando o aumento da demanda por energia e a necessidade de diversificação das matrizes energéticas em todo o mundo, se faz necessário analisar os aspectos técnicos, os impactos ambientais e a viabilidade econômica e energética das tecnologias disponíveis para geração de energia elétrica. Este estudo aborda a importância da eficiência energética, os desafios na implementação de sistemas energéticos baseados em fontes de energias renováveis e o papel crucial desses recursos energéticos, como uma alternativa financeiramente viável e ecologicamente correta. São abordados também os principais conceitos envolvidos no que se refere à distribuição elétrica on-grid e off-grid, bem como, descrever os desafios que envolvem a sua implementação.
Portanto, este artigo trata-se de uma revisão bibliográfica, cujos dados foram coletados mediante pesquisa de produções científicas e de bases de dados sobre a utilização de fontes de energias renováveis como meio de geração de energia elétrica.
Nesse sentido, foram comparados e analisados os aspectos econômicos, ambientais e energéticos das principais fontes de energias renováveis presentes na matriz elétrica brasileira, sendo elas: energia eólica, energia fotovoltaica, energia hidrelétrica, energia biomassa e energia biogás.
Os resultados obtidos da análise comparativa demonstram que, dentre as fontes de energia renováveis, objetos de estudo neste artigo, a energia eólica, é a que possui o menor índice de custo nivelado de eletricidade (LCOE) e o terceiro maior retorno sobre o investimento em energia (EROI). Sendo assim, é a fonte de energia renovável que apresenta os melhores resultados gerais.
Palavras-chave: Energias renováveis, Análise ambiental, Análise energética, Análise econômica e Sistemas On e Off-Grid.
Abstract: Considering the increasing demand for energy and the need for diversification of energy sources worldwide, it is necessary to analyze the technical aspects, environmental impacts, and economic and energy feasibility of available technologies for electricity generation. This study addresses the importance of energy efficiency, challenges in implementing renewable energy-based energy systems, and the crucial role of these energy resources as a financially viable and environmentally friendly alternative. The main concepts related to on-grid and off-grid electrical distribution are also discussed, along with a description of the challenges involved in their implementation.
Therefore, this article is a literature review, with data collected through research on scientific productions and databases regarding the use of renewable energy sources for electricity generation. In this context, the economic, environmental, and energy aspects of the main renewable energy sources in the Brazilian electric matrix were compared and analyzed. These sources include wind energy, photovoltaic energy, hydropower, biomass energy, and biogas energy.
The results obtained from the comparative analysis show that among the renewable energy sources studied in this article, wind energy has the lowest levelized cost of electricity (LCOE) and the third-highest energy return on investment (EROI). Therefore, it is the renewable energy source that demonstrates the best overall results.
Keywords: Renewable energies, Environmental analysis, Energy analysis, Economy analysis, Grid and Off Grid Systems.
1. Introdução
Em um contexto global cada vez mais dependente de energia para atender às demandas diárias e impulsionar o desenvolvimento econômico e social, é inquestionável que a busca por fontes de energia sustentáveis tenha se tornado uma prioridade diante das ameaças ambientais, mudanças climáticas e escassez crescente de recursos naturais não renováveis.
O cenário energético mundial reflete essa necessidade premente, com diferentes países enfrentando desafios únicos. No Brasil, uma nação abundantemente rica em recursos naturais, a matriz energética é singular e desafiadora. A dependência da energia hidrelétrica como principal fonte de eletricidade levanta preocupações sobre a sustentabilidade das usinas, os impactos ambientais e as implicações das mudanças climáticas.
Este estudo propõe uma abordagem comparativa técnica, econômica e ambiental das fontes de energia renovável, como hidrelétrica, solar, eólica e biomassa, em contraste com o atual sistema de geração predominantemente hidrelétrica no Brasil.
Compreender os efeitos dessas mudanças permitirá tomar decisões informadas que moldarão o futuro da produção e distribuição de energia em âmbito global. Este estudo contribuirá para uma discussão mais profunda sobre a transição para uma matriz energética mais limpa e eficiente, bem como promoverá reflexões sobre direções a seguir em escala global, promovendo sustentabilidade, segurança energética e a mitigação dos impactos das mudanças climáticas.
1.1. Justificativa
Com a preocupação com a degradação do meio ambiente e a escassez dos recursos naturais, o setor de energia elétrica tem obtido cada vez mais protagonismo no cenário mundial. O qual se questiona quais são os verdadeiros benefícios das fontes de energia renováveis. Quais são as condições ambientais, econômicas e energéticas das principais formas de se obter energia elétrica através de fontes renováveis.
A geração de energia com fontes renováveis tem possibilitado a democratização do acesso à energia elétrica, tornando assim, com que seja analisado sob diversos aspectos para que se comprove, de fato, os seus benefícios. Nesse respectivo estudo serão comparados e analisados os aspectos: econômicos, ambientais e energéticos.
1.2. Objetivos
O objetivo geral deste trabalho é o de realizar um estudo técnico comparativo, econômico, energético e ambiental acerca das fontes de energia renováveis para geração de energia elétrica e elucidar os principais conceitos da distribuição elétrica on-grid e off-grid.
Como conclusão, uma avaliação sobre a análise será exposta. Não obstante, ressalta-se a dificuldade que há em tentar determinar uma fonte de energia renovável como a melhor opção em detrimento das demais. Desta maneira, a conclusão não terá a pretensão de ser inalterável ou de determinar uma resposta única, mas de colaborar com a discussão do tema.
Isto posto, define-se, como objetivos específicos:
-Apresentar as diferenças entre fontes de energia renováveis;
-Expor de forma global os dados econômico-financeiros;
-Apresentar as possíveis perdas e ganhos ambientais;
-Verificar os dados energéticos das fontes renováveis;
-Analisar de forma comparativa as formas de energias renováveis.
2. Revisão Bibliográfica
Devido ao aumento da demanda por energia e a exigência cada vez maior de diversificação das matrizes energéticas em todo o mundo, se faz necessário avaliar os aspectos técnicos, os impactos ambientais e a viabilidade econômica e energética das tecnologias disponíveis para geração de energia elétrica. Para se atingir a diversificação das matrizes energéticas no mundo, as fontes de energias renováveis, possuem papel central nessa missão.
2.1. Matriz energética
O atual cenário mundial traz uma crescente preocupação no futuro das matrizes climáticas, principalmente no que se diz a produção de energia de forma limpa. Assim, o setor energético brasileiro se projeta cada vez mais a novas tendências globais de geração de energia, onde se tenha cada vez menos meios de produção não renováveis, e sim o incentivo cada vez maior para fontes menos poluentes (EPE, 2022).
Atualmente, no Brasil, a principal fonte de geração de energia elétrica se dá por meio hidráulico, no entanto uma grande parcela de peso de meios fósseis provenientes de petróleo, carvão e gás natural ainda obtém espaço no panorama nacional. O governo brasileiro tem apostado na diversificação da matriz energética, buscando formas de incentivo em fontes cada vez mais limpas, na busca de cumprir os acordos globais de redução de carbono na atmosfera, que buscam reduzir o efeito estufa (EPE, 2022).
A matriz energética é a distribuição real do aproveitamento dos recursos energéticos dentro de um país, ou de uma região. Sendo assim, o conjunto total de fontes energéticas disponíveis, desde o combustível para os motores dos veículos até o gás para cozinhar. A matriz elétrica consiste apenas na produção, consumo, e demanda elétrica de um país, sendo assim um subconjunto de matriz energética. Atualmente a matriz energética mundial é composta principalmente por fontes não renováveis (EPE, 2022).
Estes combustíveis representam a maior parte das fontes utilizadas hoje em dia, enquanto é possível ver no cenário mundial que as fontes de energia limpa representam apenas 15% da matriz energética mundial (EPE, 2022).
Figura 1 – Matriz energética
Fonte: Adaptado de EPE (2022)
2.1.1. Matriz energética brasileira
Já no Brasil, embora a maior parte dos recursos energéticos sejam de fontes não renováveis, as fontes renováveis têm grande participação, como pode ser observado no gráfico abaixo, que trazem dados do ano de 2022, somando lenha e carvão vegetal (9,0%), hidraulica (12,5%), derivados de cana (15,4%) e outras renováveis (7,0%). Comparando o cenário mundial de matriz energética provenientes de fontes renováveis e não renováveis no Brasil e no mundo no ano de 2020, podemos observar que o Brasil possui a matriz energética mais renovável do mundo (ANP, 2022).
Figura 2 – Matriz energética brasileira
Fonte: Adaptado de EPE (2022)
2.2. Matriz elétrica
A matriz elétrica mundial tem como principais usos a utilização de fontes não renováveis, com o uso do carvão mineral e gás natural em termelétricas que representam mais da metade das fontes de geração de eletricidade. Esses dados deixam evidentes a grande dependência mundial da energia elétrica proveniente de fontes poluentes. Em outro ponto, os atuais interesses da sociedade global fazem com que o incentivo para novas fontes ganhe notoriedade (EPE, 2022).
Sendo assim, a comunidade científica passou a pesquisar e desenvolver estratégias para o aproveitamento de meios alternativos de energia, menos poluentes, renováveis, e que provoquem reduzido impacto ambiental. Esta tendência tem se verificado ao longo dos anos pela maior contribuição das fontes renováveis na matriz energética mundial. Um exemplo disso pode ser observado no mercado de energia solar que vem crescendo de forma exponencial desde 2012 (EPE, 2022).
No ano de 2021 a capacidade instalada de energia fotovoltaica alcançou cerca de 942 GW, enquanto em 2020 e 2019 foram de 760 GW e 623 GW, respectivamente (EPE, 2022).
2.2.1. Matriz elétrica brasileira
No cenário nacional apresentam dados de um país privilegiado por possuir um potencial energético consideravelmente limpo, considerando que geograficamente o Brasil se beneficia de diversos recursos, e a sua extensão territorial traz diversos biomas que potencializam o uso de energias consideradas limpas, o que impacta diretamente em desenvolvimento de novas tecnologias para o campo de geração, mostrando um cenário off grid com energia solar cada vez mais crescente, o que fomenta a economia brasileira, e torna o país cada vez mais sustentável no que se diz a e matriz energética (EPE, 2022).
Segundo a ANEEL o Brasil somou 195.718,1 MW de potência fiscalizada, de acordo com dados do Sistema de Informações de Geração da Aneel, o SIGA, atualizado diariamente com dados de usinas em operação e de empreendimentos outorgados em fase de construção. Desse total em operação, ainda de acordo com o SIGA, 83,8% das usinas são consideradas renováveis (EPE, 2022).
Figura 3 – Matriz elétrica brasileira
Fonte: Adaptado de EPE (2022)
No Brasil, o Plano Decenal de Expansão de Energia 2031 tem papel fundamental no processo de diversificação da matriz elétrica nacional, já que nos mostra a perspectiva dos investimentos do setor, que trará avanços significativos no setor para a próxima década. O plano, pode-se observar que a estratégia de eletrificação renováveis, e para biocombustíveis terão ênfase nos incentivos de pesquisa e desenvolvimento e inovação (MME; EPE, 2022).
2.3. Energias renováveis
O aumento da demanda global por energia, impulsionado pelo crescimento econômico e pelo aumento populacional, tornou-se uma necessidade crítica tanto para países em desenvolvimento quanto para os desenvolvidos. A eficácia na utilização de energia é reconhecida como uma prioridade fundamental para promover o desenvolvimento socioeconômico e mitigar os desafios ambientais, especialmente em um contexto de aumento contínuo dos preços dos combustíveis fósseis e eletricidade.
Neste cenário, as energias renováveis emergem como uma solução sustentável e limpa, aproveitando os recursos naturais para gerar energia de maneira eficiente. A eficiência energética é fundamental para atender à crescente demanda de energia de forma sustentável, tanto a nível nacional quanto global.
2.3.1. Energia fotovoltaica
A energia fotovoltaica é uma forma de geração de eletricidade que utiliza células solares para converter a luz do sol diretamente em eletricidade. Esse processo, conhecido como efeito fotovoltaico, tem sido objeto de pesquisa e desenvolvimento desde o século XIX, com Alexandre Edmond Becquerel realizando descobertas pioneiras em 1839. Desde então, avanços significativos permitiram o uso comercial da energia fotovoltaica (SAMPAIO; GONZÁLEZ, 2017)
O funcionamento básico de um sistema fotovoltaico envolve a instalação de painéis solares, compostos por células fotovoltaicas, que captam a luz solar. Quando os fótons da luz solar atingem as células, eles liberam elétrons no material, criando uma corrente elétrica contínua (CC). Essa corrente é então convertida em corrente alternada (CA), compatível com a rede elétrica convencional, por meio de um inversor (SAMPAIO; GONZÁLEZ, 2017)
2.3.1.1. Potencial de expansão mundial
A energia fotovoltaica apresenta um potencial de expansão verdadeiramente global. O sol é uma fonte de energia abundante em todo o mundo, e muitas regiões têm um grande potencial não explorado para a geração de eletricidade por meio de sistemas fotovoltaicos. De acordo com dados da Agência Internacional de Energia (IEA), a capacidade instalada de energia solar no mundo cresceu cerca de 12 vezes entre 2010 e 2020, atingindo aproximadamente 760 GW (IEA, 2023).
Países como China, Estados Unidos e Índia lideram a expansão da energia solar, implementando projetos de grande escala e incentivando a instalação de sistemas fotovoltaicos em residências e empresas. O custo decrescente dos painéis solares e a conscientização sobre os benefícios ambientais estão impulsionando essa expansão (DINÇER, 2011)
2.3.1.2. Pontos positivos
Renovabilidade: A energia solar é uma fonte de energia renovável e inesgotável, pois o sol continuará a brilhar por bilhões de anos (AL-SHAHRI et al., 2021).
Baixo Impacto Ambiental: A geração de energia fotovoltaica não emite poluentes atmosféricos nem gases de efeito estufa, contribuindo para a redução das mudanças (AL-SHAHRI et al., 2021).
Independência Energética: Os sistemas fotovoltaicos podem fornecer eletricidade a áreas remotas sem acesso à rede elétrica, promovendo a independência energética (AL-SHAHRI et al., 2021).
2.3.1.3. Pontos negativos
Custos Iniciais: A instalação de sistemas fotovoltaicos pode envolver custos iniciais significativos, embora estes custos estejam diminuindo com o tempo (AL-SHAHRI et al., 2021).
Intensidade Solar Variável: A eficiência dos painéis solares pode ser afetada por condições climáticas e geográficas, como dias nublados ou (AL-SHAHRI et al., 2021).
Armazenamento de Energia: Em sistemas isolados da rede, a necessidade de armazenar energia em baterias pode aumentar os custos e requerer manutenção técnica especializada (AL-SHAHRI et al., 2021).
2.3.2. Energia eólica
A energia eólica surge a milênios atrás, quando o homem percebe o potencial do vento como fonte de energia. Os primeiros moinhos de vento foram utilizados por volta de 2000 a.C. na Babilônia, para moer grãos e bombear água. Ao decorrer dos séculos, essa tecnologia se espalhou pelo Oriente Médio e Ásia, contribuindo para atividades agrícolas e no bombeamento de água (GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL-GWEC, 2019).
Entretanto, a energia eólica como a conhecemos hoje teve início no final do século XIX, com o engenheiro dinamarquês Poul la Cour, que construiu um aerogerador que gerava eletricidade, dando o início da produção de eletricidade a partir do vento. Em 1940, Palmer Putnam, um americano, desenvolveu a primeira turbina eólica moderna para a geração de eletricidade, impulsionando a corrida de interesse por essa forma de energia (GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL-GWEC, 2019).
2.3.2.1. Expansão mundial
No ano de 1970, se inicia o uso em larga escala da energia eólica, com a instalação dos primeiros parques eólicos na Dinamarca e nos Estados Unidos. Nas décadas seguintes, a energia eólica continuou a se aprimorar, com a instalação de parques eólicos em vários países europeus, como Espanha e Alemanha (DUTRA, 2007).
O aprimoramento da geração eólica onshore (geração em terra) e offshore (geração em mar) no final do século XX e início do século XXI através do aprimoramento tecnológico dos equipamentos eólicos e os investimentos em P&D do setor produtivo privado e das políticas governamentais gerou forte avanço na quantidade de energia produzida, tornando o setor eólico promissor em diversos países e com altos índices de investimentos chegando entre 1974 e 2002 um total de US$ 23,5 bilhões (DUTRA, 2007).
Com a alta dos investimentos públicos e privados em pesquisas e desenvolvimentos, auxiliaram rapidamente para o desenvolvimento do setor eólico, fazendo com que surgissem empresas especializadas em projetos eólicos. Os segmentos do setor eólico mundial mais promissores foram as corporações empresariais voltadas a fabricação de componentes eólicos (pás, torre e aerogeradores) que surgiram, em sua maioria, em países da Europa, Ásia e nos Estados Unidos (INTERNATIONAL RENEWABLE ENERGY AGENCY-IRENA.Statistics. 2023).
A partir disso, nos anos de 2000 a geração de energia eólica acaba se tornando uma atividade mais atraente em questões econômicas, ganhando assim mais investimentos. No período de 2004 a 2010 se nota um crescimento exponencial, chegando a ultrapassar os US$100 bilhões em 2010, batendo a maior alta de investimentos em 2015 com um total de US$124,2 bilhões (INTERNATIONAL RENEWABLE ENERGY AGENCY-IRENA.Statistics. 2023).
2.3.2.2. Pontos positivos
Um dos principais pontos positivos da energia eólica é por se tratar de uma fonte limpa de energia. Além de ser uma fonte de energia inesgotável, uma vez que o vento é uma força natural constante.
Possui baixos custos operacionais. Após a instalação das turbinas eólicas, os custos de manutenção são relativamente baixos, dado ao baixo índice de manutenção. Além de gerar empregos e promover o crescimento econômico em áreas onde são instalados parques eólicos.
2.3.2.3. Pontos negativos
Entre os pontos negativos, a intermitência é um dos principais, uma vez que a produção de eletricidade depende das condições do vento, o que pode levar a flutuações na geração. Além disso, a construção de parques eólicos pode ter impactos ambientais e visuais, especialmente em áreas sensíveis, como problemas de segurança para aves e morcegos em algumas regiões (DUTRA,2023).
A geração de energia eólica requer espaços significativos, e exige investimentos iniciais consideráveis para a sua instalação. A integração na rede elétrica também pode ser complexa, devido à variabilidade da geração de energia. Além disso, a disponibilidade dos recursos eólicos varia de local para local, pois dependem de condições geológicas, limitando a viabilidade de projetos em algumas áreas (DUTRA,2023).
2.3.2.4. O futuro da energia eólica
O futuro da energia eólica é promissor, e já desempenha um papel vital na matriz energética global. À medida que o mundo busca por soluções mais limpas e sustentáveis para a produção de eletricidade, a energia eólica está se destacando em diversos pontos (WISER et al., 2016).
Uma tendência notável é o crescimento contínuo da capacidade de geração eólica, à medida que a demanda por eletricidade limpa e a necessidade de reduzir as emissões de carbono. Além disso, o desenvolvimento de novas tecnologias para as turbinas eólicas resulta em turbinas mais eficientes, confiáveis e de maior capacidade, o que resulta em uma maior produção de eletricidade a partir do vento (WISER et al., 2016).
Os parques eólicos offshore, em particular, ganham destaque para investimentos futuros. Localizados em águas profundas, eles têm o potencial de gerar grandes quantidades de eletricidade próximas a áreas urbanas densamente povoadas, reduzindo a necessidade de longas linhas de transmissão (HOSSAIN; ALI, 2015).
A combinação de energia eólica com tecnologias de armazenamento de energia, como baterias e sistemas de hidrogênio verde, se tornará cada vez mais comum. Isso ajudará a tornar a energia eólica mais previsível e estável, atenuando a intermitência associada a essa fonte de energia, citado anteriormente (HOSSAIN; ALI, 2015).
A economia de escala desempenhará um papel importante no futuro da energia eólica, tornando a mesma mais competitiva em termos de custos em comparação com as demais fontes de energia. Os custos de instalação e operacionais continuarão a diminuir à medida que a indústria se expande e a tecnologia melhora (INTERNATIONAL RENEWABLE ENERGY AGENCY-IRENA.Statistics. 2023).
As metas de energia renovável estabelecidas por muitos países ajudaram a impulsionar o crescimento da energia eólica, assim como a expansão de algumas nações em desenvolvimento que buscam aumentar suas capacidades de geração de eletricidade e reduzir emissões de carbono. No entanto, desafios relacionados à integração na rede elétrica, impactos ambientais e sociais e a necessidade de modernização da infraestrutura continuam a ser questões importantes (DUTRA,2023).
Em resumo, o futuro da energia eólica é promissor e fundamental na transição para uma matriz energética mais limpa e sustentável, contribuindo para a redução das emissões de carbono e a mitigação das mudanças climáticas. À medida que a tecnologia avança e os investimentos crescem, podemos esperar que a energia eólica se torne uma parte ainda mais integral do fornecimento de energia global (DUTRA,2023).
2.3.3. Energia hidrelétrica
A energia hidrelétrica possui grande contribuição para a matriz elétrica do brasil, Clique ou toque aqui para inserir o texto, respondendo por 60% da energia gerada para o país. Com grande contribuição e grande potencial ainda inexplorado. Na Figura 4 temos o mapa do Brasil com as usinas hidrelétricas ativas e regiões com potencial de instalação de novas usinas (CATOLICO et al., 2021).
No entanto, para a implantação destas usinas, devem ser realizados estudos com relação ao impacto socioeconômico e ambiental na região (CATOLICO et al., 2021).
Figura 4 – Potencial hidrelétrico do Brasil
Fonte: CATOLICO et al., (2021)
2.3.3.1. Pontos positivos
A energia hidroelétrica possui grande contribuição para a matriz elétrica do brasil, correspondendo por 60% da energia gerada para o país. Com grande contribuição e grande potencial ainda inexplorado. Na Figura 4 temos o mapa do Brasil com as usinas hidrelétricas ativas e lugares com potencial de criação de novas usinas (CATOLICO et al., 2021).
2.3.3.2. Pontos negativos
Tendo em vista seus pontos negativos normalmente atrelados a sua construção, pois para executar a sua construção é necessário um grande espaço o que causa alterações na fauna e flora da região, tendo em vista as alterações nos formatos de rios e espaços de vegetação na localidade da represa (CATOLICO et al., 2021).
2.3.4. Energia biomassa
Biomassa é qualquer recurso natural proveniente de matéria orgânica de origem animal ou vegetal, presente na natureza ou gerado por animais. Nesse sentido, resíduos orgânicos de atividades agrícolas, industriais e urbanos podem ser utilizados como insumos para produção de energia através da biomassa (FERREIRA et al., 2018).
A biomassa como insumo energético tem uma característica única entre as fontes de energia, o resultado do processo de sua conversão pode gerar resíduos sólidos, líquidos ou gasosos. Devido às características energéticas desses resíduos orgânicos é possível utilizá-los como combustíveis em processos de geração de energia (FERREIRA et al., 2018).
Esses resíduos podem apresentar um grande risco para a vida humana com a possibilidade de causar a contaminação do solo e de recursos hídricos em casos de descarte inadequado. Desta maneira, para redução do potencial poluidor desses resíduos é necessário a utilização de processos biológicos. Esses processos biológicos são classificados como processos aeróbicos e anaeróbicos. E é através desses processos biológicos que se obtém o biogás (FERREIRA et al., 2018).
2.3.5. Energia biogás
O biogás é obtido através da ação de processos biológicos em resíduos orgânicos (biomassa). É o resultado da degradação anaeróbia da matéria orgânica, realizada por colónias de microrganismos. A degradação anaeróbia produz uma matéria líquida, o digestato, e um elemento gasoso, o biogás. O digestato é um fluído rico em nutrientes e pode ser utilizado como biofertilizante, enquanto o biogás é uma importante fonte de energia renovável (FERREIRA et al., 2018).
O biogás é um composto gasoso, constituído principalmente por gás metano (CH4), dióxido de carbono (CO2) e, em menores quantidades, hidrogênio (H2), nitrogênio (N2) e gás sulfúrico (H2S). Dentre todos os gases presentes no biogás, o metano é o único que é combustível, sendo os demais considerados como impurezas (FERREIRA et al., 2018).
De acordo com Hakawati et al., (2017) o biogás pode ser utilizado na produção de energia a partir de 4 métodos:
-Geração de eletricidade a partir de usinas de energia, unidades CHP (sistemas combinados de calor e energia) e células de combustível;
-Produção de calor através de caldeira;
-Calor proveniente de centrais elétricas, sistemas CHP e células de combustível;
-Combustível para transporte através de motores de combustão interna e estação de eletricidade.
Os resultados apresentados por Hakawati et al., (2017) demonstram que dentre as 4 opções, a geração de eletricidade a partir de unidades CHP apresentam maiores eficiências energéticas.
A eficiência do biogás em geração de eletricidade, calor e CHP são 8–54%, 16–83%, e 18–90%, respectivamente (ABANADES et al., 2022).
A eficiência do biogás pode ser elevada misturando a outros combustíveis como por exemplo: diesel-biogás, biogás-gás natural e biodiesel-biogás. Na mistura diesel-biogás é reduzida as emissões da queima de diesel, ao mesmo tempo que reduz a eliminação de calor e a queima do biogás (FERREIRA et al., 2018).
A utilização do biogás como fonte de energia renovável ainda é pouco explorada no Brasil, representando menos de 0,5 % da geração de energia elétrica no país (FERREIRA et al., 2018). O aumento da participação do biogás na matriz elétrica brasileira colaboraria para uma matriz cada vez mais limpa e sustentável.
O biogás possui, no Brasil, um elevado potencial para geração de eletricidade, considerando os elevados valores de produção de detritos urbanos e resíduos na agropecuária e indústria. Considerando-se todo o potencial energético do biogás no Brasil seriam gerados 12.481,4 GWh por ano, valor correspondente ao consumo de 4.793.151 habitantes (FERREIRA et al., 2018).
2.3.5.1. Pontos positivos
Produção próxima aos centros consumidores: Produção em áreas rurais através de biodigestores que utilizam estercos de animais para a produção de biogás. Produção em áreas urbanas através de aterros sanitários ou de estações de tratamento de esgoto (FERREIRA et al., 2018).
Diminuição da emissão dos gases do efeito estufa: Através da utilização do biogás para a geração de energia, o metano deixa de ser emitido na atmosfera. O metano é cerca de 21 vezes mais poluente que o CO2 (BARRAGÁN-ESCANDÓN et al., 2020).
Aproveitamento de resíduos: resíduos da digestão anaeróbica dentro dos biodigestores podem ser utilizados como biofertilizantes que são utilizados nas produções agrícolas (FERREIRA et al., 2018).
2.3.5.1. Pontos negativos
Emissão de CO2 na atmosfera: Apesar do biogás possibilitar que o metano não seja emitido na atmosfera, o CO2 presente no biogás ainda é emitido no processo de conversão de energia, mesmo em pequena proporção (BARRAGÁN-ESCANDÓN et al., 2020).
2.4. Distribuição on-grid e off-grid
A distribuição de energia elétrica é um pilar fundamental da infraestrutura moderna, desempenhando um papel vital na vida cotidiana e no desenvolvimento econômico. Duas abordagens distintas na distribuição de eletricidade ganharam destaque nas últimas décadas: o sistema on-grid e o sistema off-grid. Cada um desses métodos possui características únicas e apresenta impactos positivos e negativos que moldam sua adoção e eficácia (AKINYELE et al., 2023).
2.4.1. Distribuição de energia on-grid
O funcionamento do sistema on-grid, também conhecido como sistema conectado à rede elétrica convencional, é a maneira mais comum de distribuir eletricidade. Sua operação é relativamente simples. As usinas de geração de energia, sejam termelétricas, hidrelétricas ou renováveis, geram eletricidade. Essa eletricidade é então alimentada na rede elétrica, que é uma complexa rede de transmissão e distribuição composta por linhas de alta tensão, subestações e linhas de distribuição de baixa tensão (SANTOS; SOUSA, 2022).
Esse sistema é predominante em países industrializados e altamente urbanizados. Na Europa, países como Alemanha, França e Reino Unido dependem fortemente desse sistema. Nos Estados Unidos, a maior parte da eletricidade é gerada e distribuída através de redes on-grid (SANTOS; SOUSA, 2022).
Figura 5 – Sistema de distribuição de energia on-grid
Fonte: Jornal do síndico (2021)
2.4.1.1. Benefícios do sistema on-grid
Os sistemas on-grid geralmente oferecem uma fonte constante e confiável de eletricidade, uma vez que estão conectados à rede elétrica convencional. Os consumidores não dependem exclusivamente da geração local (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
A eletricidade é gerada centralmente, onde as usinas podem operar com alta eficiência, resultando em menos desperdício de energia (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
Esse sistema permite a integração de uma variedade de fontes de energia, incluindo energia solar, eólica, térmica e hidrelétrica, garantindo um suprimento diversificado (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
É possível expandir e modificar facilmente a capacidade de geração para atender à demanda crescente, facilitando a transição para fontes mais limpas (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
2.4.1.2. Desafios do sistema de distribuição on-grid
Perdas na Transmissão: O transporte de eletricidade por longas distâncias resulta em perdas de energia ao longo das linhas de transmissão (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
Impactos Ambientais: Usinas de energia convencionais podem ter impactos ambientais negativos, como a emissão de poluentes e o uso de recursos naturais (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
Vulnerabilidade a Falhas: Se houver uma falha na rede, pode ocorrer um grande apagão, afetando muitos consumidores (UPADHYAI; NEEMA, 2022).
2.4.2. Distribuição de energia off-grid
O sistema off-grid, muitas vezes referido como sistema isolado ou desconectado da rede elétrica convencional, opera de maneira distinta em comparação com o on-grid. Nesse cenário, a eletricidade é gerada localmente, muitas vezes a partir de fontes de energia renovável, como painéis solares e turbinas eólicas. (LIMA; NUNES, 2022).
A energia gerada é armazenada em baterias para uso posterior e, em seguida, convertida para corrente alternada por meio de um inversor antes de ser consumida (LIMA; NUNES, 2022).
Os sistemas off-grid são comuns em áreas remotas e rurais de países em desenvolvimento, onde a expansão de redes on-grid pode ser economicamente inviável. Além disso, em locais com acesso limitado a fontes tradicionais de eletricidade, como comunidades isoladas em regiões montanhosas ou ilhas, os sistemas off-grid são uma solução prática (LIMA; NUNES, 2022).
Figura 6 – Potencial hidrelétrico do Brasil
Fonte: TRX Solar (2019)
2.4.2.1. Benefícios do sistema off-grid
Os sistemas off-grid oferecem independência energética e são ideais para áreas remotas ou locais onde o acesso à rede elétrica é limitado ou economicamente inviável (CAVALCANTE et al., 2022).
Ao utilizar fontes de energia renováveis, esses sistemas reduzem significativamente a pegada de carbono e os impactos ambientais (CAVALCANTE et al., 2022).
Os sistemas off-grid são altamente flexíveis e adaptáveis a diversas aplicações, desde residências rurais até comunidades isoladas, proporcionando uma solução customizada. Uma falha na rede principal não afeta a operação desses sistemas, tornando-os altamente confiáveis (CAVALCANTE et al., 2022).
2.4.2.2. Desafios do Sistema Off-Grid
Os custos iniciais de aquisição e instalação de sistemas off-grid podem ser substanciais, devido aos componentes, como painéis solares, baterias e inversores (CAVALCANTE et al., 2022).
Os sistemas off-grid requerem manutenção regular das baterias e componentes para garantir o funcionamento adequado. Esses sistemas são mais adequados para aplicações de pequena a média escala e podem não ser viáveis em áreas densamente povoadas (CAVALCANTE et al., 2022)
A análise comparativa entre sistemas de distribuição de energia on-grid e off-grid revela um cenário complexo e interdependente no panorama global da eletrificação. Ambos os sistemas têm seu lugar e utilidade, sendo decisões intrinsecamente situacionais, pautadas pelas particularidades de cada contexto. (LIMA; NUNES, 2022).
Sistemas off-grid são uma manifestação notável de independência energética e sustentabilidade. Em áreas geograficamente inacessíveis ou distantes dos centros urbanos, onde a expansão das redes de energia convencional é economicamente inviável, os sistemas off-grid desempenham um papel crucial em assegurar o acesso à eletricidade (HASSAN, 2021).
Independentemente da fonte de energia primária que pode variar de painéis solares a turbinas eólicas, ou mesmo geradores a diesel eles garantem um suprimento autossuficiente. No entanto, é imperativo reconhecer que a implementação de sistemas off-grid apresenta desafios financeiros substanciais, com altos custos iniciais de instalação e manutenção. O retorno sobre o investimento tende a ser mais lento quando comparado aos sistemas on-grid tradicionais (LIMA; NUNES, 2022).
Ademais, é crucial mencionar a questão ambiental que envolve o uso de baterias em sistemas off-grid. A necessidade de armazenar energia para utilização em momentos sem geração de eletricidade exige o uso de baterias que, frequentemente, possuem componentes prejudiciais ao meio ambiente. Isso instiga a busca constante por alternativas mais sustentáveis nesse domínio. (LIMA; NUNES, 2022).
Todavia, é primordial compreender que a escolha entre sistemas on-grid e off-grid é intrinsecamente contextual. Fatores como localização geográfica, necessidades energéticas específicas e recursos financeiros desempenham papéis determinantes na tomada de decisão (HASSAN, 2021).
A flexibilidade inerente à eletrificação contemporânea permite que uma variedade de fontes de geração de energia seja explorada e adaptada às necessidades individuais. Em suma, o equilíbrio entre sistemas de distribuição de energia é uma arte da otimização, sopesando eficiência econômica, sustentabilidade e acesso generalizado à eletricidade (CEYLAN; DEVRIM, 2023).
3. Materiais e Métodos
Para a realização de análise técnica comparativa de fontes de energias renováveis deste estudo.
Foram realizadas as análises econômicas e ambientais, principalmente, comparando estudos acadêmicos. Utilizando o cálculo do custo nivelado de eletricidade para obter os custos financeiros e ambientais de usinas de geração de eletricidade. Onde o autor utiliza o cálculo do custo nivelado de eletricidade (LCOE) para se obter os custos financeiros e ambientais de usinas de geração de eletricidade conforme trabalho realizado por De Jong et al., (2015).
Para a análise energética, foram analisados os dados contidos no trabalho realizado por Weissbach et al., (2013), nele o autor analisa o ganho energético de usinas de geração de energia elétrica através do cálculo do índice de retorno sobre o investimento em energia (EROI). Esse índice, relaciona a proporção da energia gerada por uma usina com a energia utilizada para produzir essa mesma energia.
A partir da avaliação de todos esses dados, será realizada uma última análise com intuito de comparar as fontes de energias renováveis e identificar qual apresenta mais vantagens em relação às demais.
Este estudo, trata-se de uma revisão bibliográfica, cujos dados foram coletados mediante pesquisas de produções científicas e de bases de dados sobre a utilização de fontes de energias renováveis como meio de geração de energia elétrica.
3.1. Análise econômica
Com as crescentes preocupações ambientais relacionadas aos meios energéticos, que possuem cada vez mais o foco no desenvolvimento de energia renováveis, principalmente nos países desenvolvidos, à medida que a economia global se desenvolve rapidamente. Os principais tipos de fontes de energia renováveis globais incluem o uso de biomassa, a energia hidrelétrica, a geração eólica e a fotovoltaica (SAIDI; OMRI, 2020).
Os combustíveis fósseis, que possuem uso amplo nos dias de hoje, têm suas quantidades finitas de reserva e possuem enormes impactos negativos que levam às mudanças climáticas, que não são desejáveis. Assim, os governos mundiais cada vez mais influenciam através de investimentos, e incentivos fiscais o desenvolvimento, a pesquisa e a utilização de fontes renováveis (KHAN et al., 2020).
A econômica não estabelece de forma explícita a relação entre o consumo de energia elétrica e o crescimento econômico e, tampouco os estudos já realizados consigam quantificar esta relação, é notório que a evolução tecnológica, o aumento da produção, e consequentemente, o desenvolvimento econômico, se relacionam de forma intrínseca com o aumento por demanda energética (FERREIRA NETO et al., 2016, REGAN, PUTO, 2012).
Para análise econômica eficaz é indispensável o uso de métodos quantitativos e de análise financeira para avaliar a viabilidade econômica de projetos e investimentos. Segundo as definições de engenharia econômica, que procura identificar quais são os benefícios esperados em dado investimento para colocá-los em comparação com os investimentos e custos associados ao mesmo, a fim de verificar a sua viabilidade financeira (KHAN et al., 2020).
A viabilidade de um projeto inicia-se pela definição dos gastos nos investimentos que serão essenciais para operacionalizar os processos envolvidos no negócio e finaliza em uma análise econômica (ZAGO et al., 2005; VERGARA et al., 2017).
A viabilidade econômica dos meios de energia varia de acordo com a localização geográfica, condições climáticas, custo de instalação, incentivos fiscais e tarifas de eletricidade regionais, o que torna alguns aspectos quando analisados de forma global menos aparentes (IEA, 2022).
De Jong et al., (2015), em seu trabalho, realiza análises econômicas e ambientais utilizando-se o cálculo do custo nivelado de eletricidade (LCOE), medidos em megawatts hora (MWh), seguindo a metodologia da Agência de Energia Nuclear (NEA), da Agência Internacional de Energia (AIE) e da OCDE. A fórmula é derivada assumindo que o valor presente líquido de todas as receitas é igual ao custo presente líquido de todo o projeto ao longo da vida do projeto (DE JONG et al., 2015).
Para a elaboração do estudo econômico e ambiental De Jong et al., (2015) realizou estudos de caso em usinas de geração de energia elétrica, conforme a seguir:
-Parque Eólico Brotas de Macaúbas, 90 MW, localizado na Chapada Diamantina, no estado da Bahia;
-Parques Eólicos Caetité, Guanambi e Igaporã, 293.6 MW, localizados nos municípios do interior da Bahia: Caetité, Guanambi e Igaporã;
-Usina fotovoltaica Tauá solar (PV), 1MWP, localizado no interior do Ceará;
-Usina fotovoltaica Pituaçu solar, 0,408 MWP, localizada na cobertura do estádio Pituaçu, no estado da Bahia;
-Usina de biomassa Bioenergia (BEN), 53 MW, localizada em Teotônio Vilela, no estado de Alagoas;
-Simulação via software de uma usina de energia solar térmica concentrada (CSP), nomeadamente Usina de Bom Jesus da Lapa CSP;
-Usina Hidrelétrica de Belo Monte, 11233 MW, no estado do Pará;
-Usina Hidrelétrica Santo Antônio, 3150.4 MW, localizada no Rio Madeira, no estado de Rondônia;
-Usina nuclear Angra 3, 1405 MW, localizada em Angra dos Reis, no estado do Rio de Janeiro;
-Usina termelétrica à carvão, Energia Pecém, 720 MW, localizada no município de São Gonçalo do Amarante, no estado do Ceará;
-Itaqui, Usina à carvão “limpa”, 360 MW, utiliza tecnologias de controle ambiental para permitir a queima “limpa” do carvão, localizada em São Luiz, no estado do Maranhão;
-Usina a gás, Açu II, 3300 MW, localizada município de São João da Barra, estado do Rio de Janeiro;
-Parnaíba – Usina a Gás, 3722 MW, localizada no município de Santo Antônio dos Lopes, no estado do Maranhão;
-Planta EPRI CSP, usina de energia solar térmica concentrada (CSP), localizada nos Estados Unidos;
-Usina maremotriz, localizada na Suécia;
-Usina maremotriz, localizada no Reino Unido.
O estudo de De Jong et al., (2015) estimou os custos dos impactos sociais e ambientais da geração de eletricidade, seguindo o método utilizado pela ATSE e os resultados do projeto “Externe”. Foram estabelecidos custos de danos de GEE para as tecnologias que emitem quantidades consideráveis de GEE.
As perdas resultantes do sistema de transmissão e os custos para as usinas hidrelétricas foram estimadas seguindo os resultados de De Jong e colaboradores (2015). Esses valores foram adicionados ao LCOE dessas usinas. Dessa forma, para o cálculo do LCOE das usinas hidrelétricas foram utilizados os valores totais da energia fornecida à rede de distribuição existente, e não a energia total gerada na usina (DE JONG et al., 2015).
Os dados levantados de todas as usinas de energia, incluindo investimento total, custos de operação e manutenção, custos de combustível, vida útil presumida, fator de capacidade, tempo de construção da usina, potência instalada e geração anual de energia, estão elencados na Tabela 1 (DE JONG et al., 2015).
Os valores apresentados na Tabela 1 estão acrescidos com os valores de custos de danos de emissão dos gases de efeito estufa, isso para as tecnologias que emitem quantidades significativas de GEE. Há ainda o acréscimo das perdas de energia resultantes dos sistemas de transmissão para usinas hidrelétricas (DE JONG et al., 2015).
Tabela 1 – Valores de LCOE, utilizando uma taxa de desconto real de 10%
Fonte: Adaptado de De Jong et al., (2015)
Com os valores apresentados na Tabela 1, constata-se que as usinas solares fotovoltaicas possuem os maiores custos de instalação por megawatts-hora, seguida pelas usinas solares concentradas (CSP) e as usinas maremotrizes. Já as usinas a gás possuem o menor custo de instalação.
Os custos de operação e manutenção tem-se as usinas maremotriz como as mais custosas. Já entre as mais baratas estão as usinas hidrelétricas, eólicas, a gás e solares.
O impacto social e ambiental as usinas à carvão e a gás são as que mais emitem gases poluentes na atmosfera. Analisando, apenas, as fontes renováveis de energia, a usina de biomassa e a usina hidrelétrica de Belo Monte são as que mais degradam o meio ambiente. As demais fontes de energias renováveis apresentaram valores baixos muito próximos uns dos outros.
Os dados podem ser visualizados na Figura 7. Nela, podemos verificar que as usinas eólicas apresentam os menores valores de custos, em dólar, do megawatts-hora. As usinas solares são as mais caras para se implementar, com valores que variam de $206,35 até $396,37 o megawatts-hora.
Figura 7 – Valores de LCOE, utilizando uma taxa de desconto real de 10%
Fonte: Adaptado de De Jong et al., (2015)
3.1.1. Análise econômica da energia fotovoltaica
A energia fotovoltaica é uma forma de geração de eletricidade que utiliza painéis solares para converter a luz do sol em eletricidade. É uma tecnologia limpa e sustentável que tem ganhado cada vez mais importância nas discussões sobre energia devido aos seus benefícios econômicos, ambientais e sociais (MOHIDEEN et al., 2023).
3.1.1.1. Vantagens econômicas da energia fotovoltaica
Redução de custos a longo prazo: Uma das principais vantagens econômicas da energia fotovoltaica é a redução significativa nos custos de eletricidade a longo prazo. Uma vez instalado, um sistema solar pode gerar eletricidade por décadas, muitas vezes com manutenção mínima (SOUZA, 2022).
Economia na conta de energia: A instalação de um sistema fotovoltaico em uma residência ou empresa permite que os proprietários gerem sua própria eletricidade, reduzindo ou até eliminando sua dependência da rede elétrica convencional. Isso resulta em economia nas contas de energia (SOUZA, 2022).
Incentivos e subsídios: Muitos governos e agências oferecem incentivos financeiros, subsídios e descontos fiscais para a instalação de sistemas fotovoltaicos. Esses incentivos podem ajudar a reduzir os custos iniciais de aquisição e instalação (SOUZA, 2022).
Valorização imobiliária: Residências e edifícios comerciais com sistemas fotovoltaicos instalados geralmente têm um valor de mercado mais alto, o que pode ser benéfico se você planeja vender a propriedade no futuro (SOUZA, 2022).
Produção de excesso de energia: Em muitos casos, os sistemas solares produzem mais eletricidade do que o consumidor consome. Isso pode permitir a venda do excesso de eletricidade de volta à rede elétrica, gerando créditos ou receita adicional (SOUZA, 2022).
3.1.1.2. Desafios econômicos da energia fotovoltaica
Custo inicial: Embora os custos dos painéis solares tenham diminuído significativamente nas últimas décadas, o investimento inicial para a compra e instalação de um sistema fotovoltaico ainda pode ser substancial (SOUZA, 2022).
Dependência de condições climáticas: A produção de eletricidade a partir da energia solar depende das condições climáticas e da disponibilidade de luz solar. Isso pode resultar em flutuações na produção de energia ao longo do ano (SOUZA, 2022).
Armazenamento de energia: Para maximizar os benefícios da energia fotovoltaica, pode ser necessário investir em sistemas de armazenamento de energia, como baterias, para lidar com a geração intermitente e garantir energia disponível durante a noite ou em dias nublados (SOUZA, 2022).
Manutenção e reparos: Embora a manutenção de sistemas fotovoltaicos seja geralmente baixa, pode ser necessária alguma manutenção ao longo da vida útil do sistema.
Retorno do investimento (ROI): O ROI de um sistema fotovoltaico pode variar dependendo de fatores como localização, custos iniciais, incentivos e tarifas de eletricidade. Em alguns casos, o retorno do investimento pode levar vários anos (SOUZA, 2022).
No geral, a energia fotovoltaica é uma opção econômica atraente para muitos consumidores e empresas, especialmente quando se considera o impacto a longo prazo na redução dos custos de energia e a contribuição para a redução das emissões de gases de efeito estufa. Antes de investir em um sistema solar, é importante realizar uma análise financeira detalhada para determinar a viabilidade econômica específica do projeto com base nas condições locais e nos incentivos disponíveis (SOUZA, 2022).
3.1.2. Análise econômica da energia hidrelétrica
A energia hidrelétrica, também conhecida como energia gerada a partir da força da água, tem sido uma fonte importante de eletricidade em muitos países ao redor do mundo. A análise econômica da energia hidrelétrica envolve várias considerações importantes (USMAN et al., 2021).
3.1.2.1. Vantagens econômicas da energia hidrelétrica
Baixos custos operacionais: Uma vez que a infraestrutura de uma usina hidrelétrica está construída, os custos operacionais são relativamente baixos. A manutenção e operação de turbinas e geradores elétricos são menos dispendiosas em comparação com outras fontes de energia. Longa vida útil e durabilidade: As usinas hidrelétricas têm uma vida útil longa, muitas vezes superando 50 anos, e podem operar por décadas com manutenção adequada (SAIDI; OMRI, 2020).
Estabilidade no fornecimento de energia: Usinas hidrelétricas são capazes de fornecer eletricidade de forma consistente e estável, ajudando a atender à demanda de eletricidade de base em muitos sistemas elétricos (SAIDI; OMRI, 2020).
3.1.2.2. Desafios econômicos da energia hidrelétrica
Custo inicial elevado: A construção de uma usina hidrelétrica requer um investimento substancial em infraestrutura, incluindo barragens, turbinas, geradores e sistemas de transmissão de eletricidade (KUMAR et al., 2023).
Impacto ambiental: A construção de barragens para usinas hidrelétricas pode ter impactos ambientais significativos, incluindo a inundação de áreas de terra e possíveis alterações nos ecossistemas locais. Esses impactos podem resultar em custos ambientais e sociais adicionais (KUMAR et al., 2023).
Vulnerabilidade climática: A disponibilidade de água para geração de energia hidrelétrica pode ser afetada por variações climáticas, como secas prolongadas, o que pode reduzir a produção de eletricidade (KUMAR et al., 2023).
Competição com usos múltiplos da água: Em regiões onde a água é utilizada para outros fins, como agricultura e abastecimento público, pode haver conflitos de uso da água que precisam ser gerenciados (KUMAR et al., 2023).
Necessidade de planejamento de longo prazo: Devido aos altos custos de construção e ao tempo necessário para desenvolver usinas hidrelétricas, o planejamento de longo prazo é fundamental. Mudanças nas condições econômicas ou ambientais podem afetar a viabilidade dos projetos (KUMAR et al., 2023).
No geral, a energia hidrelétrica é uma fonte de energia importante com vantagens econômicas significativas, como baixos custos operacionais e confiabilidade na geração de eletricidade. No entanto, é crucial considerar os desafios, incluindo os impactos ambientais e a necessidade de investimentos iniciais substanciais. A análise econômica específica de um projeto hidrelétrico dependerá de fatores como tamanho, localização e regulamentações locais, sendo importante avaliar a viabilidade caso a caso. Além disso, em alguns lugares, a energia hidrelétrica pode ser complementada por outras fontes de energia para garantir um fornecimento de energia estável e sustentável (KUMAR et al., 2023).
3.1.3. Análise econômica da energia eólica
A energia eólica é uma forma de geração de eletricidade que utiliza a força do vento para girar as pás de turbinas eólicas, que, por sua vez, acionam geradores para produzir eletricidade. A análise econômica da energia eólica envolve diversas considerações importantes (KUMAR et al., 2023).
3.1.3.1. Vantagens econômicas da energia eólica
Custo operacional relativamente baixo: Uma vez que as turbinas eólicas estão instaladas e em operação, os custos operacionais são relativamente baixos. A manutenção é necessária, mas é menos dispendiosa em comparação com algumas outras formas de geração de energia (KUMAR et al., 2023).
Energia descentralizada: A energia eólica pode ser gerada em várias escalas, desde pequenos parques eólicos locais até grandes projetos de energia eólica offshore. Isso permite uma geração descentralizada e a possibilidade de fornecer eletricidade a áreas remotas ou descentralizadas (KUMAR et al., 2023).
Capacidade de combinar com outras fontes de energia: A energia eólica pode ser combinada com outras fontes de energia, como energia solar, para criar sistemas de geração híbridos que podem garantir fornecimento de eletricidade mais estável e previsível (KUMAR et al., 2023).
3.1.3.2. Desafios econômicos da energia eólica
Custo inicial de capital: A construção de parques eólicos requer investimentos significativos em turbinas, infraestrutura de transmissão e redes elétricas, o que pode ser um obstáculo inicial para o desenvolvimento de projetos eólicos (KUMAR et al., 2023).
Variabilidade da produção: A produção de eletricidade a partir da energia eólica depende da velocidade do vento, o que pode ser variável e imprevisível. Isso pode resultar em flutuações na geração de energia, tornando necessária a complementação com outras fontes de energia ou o armazenamento de energia (KUMAR et al., 2023).
Impacto visual e ambiental: A instalação de turbinas eólicas pode gerar preocupações em relação ao impacto visual e ambiental, o que pode afetar a aceitação pública e exigir avaliações de impacto ambiental (KUMAR et al., 2023).
Necessidade de áreas adequadas: Para a construção de parques eólicos eficazes, é necessário encontrar áreas com ventos consistentes e adequados. Isso pode limitar a localização de projetos eólicos em algumas regiões (AL-SHARAFI et al., 2017).
Regulamentações e incentivos: A disponibilidade de incentivos fiscais e regulamentações favoráveis pode variar de país para país e afetar a viabilidade econômica dos projetos eólicos (AL-SHARAFI et al., 2017).
A análise econômica da energia eólica varia de acordo com a localização, o tamanho do projeto, as condições climáticas e outros fatores específicos do local. A viabilidade econômica de um projeto eólico é frequentemente avaliada por meio de estudos de viabilidade que consideram os custos de capital, custos operacionais, preços da eletricidade, incentivos fiscais e outros fatores. Em geral, a energia eólica continua a ser uma opção econômica atraente para a geração de eletricidade, com a vantagem adicional de ser uma fonte de energia limpa e renovável (CELIK, 2003).
3.1.4. Análise econômica da energia biomassa
A energia da biomassa é utilizada principalmente como combustível em usinas termelétricas para geração de eletricidade, através da queima de materiais orgânicos, como madeira, resíduos agrícolas e resíduos urbanos. A análise econômica da energia da biomassa envolve várias considerações importantes (CELIK, 2003).
3.1.4.1. Vantagens econômicas da energia da biomassa
Disponibilidade local: A biomassa está disponível em muitas regiões do mundo, tornando-a uma fonte de energia local e potencialmente mais resiliente a interrupções no abastecimento (LO et al., 2021).
Redução de resíduos: A utilização da biomassa para a produção de energia pode ajudar a reduzir o acúmulo de resíduos orgânicos, como resíduos agrícolas e florestais (LO et al., 2021).
Combustíveis alternativos: A biomassa pode ser convertida em biocombustíveis, como etanol e biodiesel, que podem ser usados como alternativas aos combustíveis fósseis em veículos e processos industriais (LO et al., 2021).
3.1.4.2. Desafios econômicos da energia da biomassa
Custo inicial de capital: A construção de instalações de geração de energia da biomassa, como usinas de queima de biomassa ou plantas de biogás, envolve custos iniciais significativos (LO et al., 2021).
Eficiência e emissões: A eficiência energética das instalações de biomassa pode variar, e a queima de biomassa pode gerar emissões de gases de efeito estufa e poluentes atmosféricos, dependendo do tipo de biomassa e da tecnologia utilizada (LO et al., 2021).
Disponibilidade sazonal: Alguns tipos de biomassa, como resíduos de colheita, podem estar disponíveis apenas sazonalmente, o que pode afetar a operação contínua das instalações (LO et al., 2021).
Concorrência com outros usos da biomassa: A biomassa pode ser usada para diversos fins, incluindo produção de alimentos, produtos químicos e materiais. A competição por matérias-primas orgânicas pode afetar a viabilidade econômica da produção de energia da biomassa (LO et al., 2021).
Variações de preços de matérias-primas: Os preços dos materiais orgânicos usados na produção de energia da biomassa podem ser voláteis, o que pode afetar os custos de operação (LO et al., 2021).
A análise econômica da energia da biomassa depende em grande parte do tipo de biomassa, da tecnologia utilizada e das condições locais. Projetos de energia da biomassa são avaliados quanto à viabilidade econômica, levando em consideração os custos de capital, custos operacionais, preços da eletricidade ou biocombustíveis, disponibilidade de matérias-primas e incentivos governamentais (LO et al., 2021).
A eficiência energética e as considerações ambientais também são importantes na avaliação econômica. A energia da biomassa pode ser uma opção econômica atraente em algumas situações, especialmente quando são considerados seus benefícios ambientais e sociais, como a redução de resíduos e a criação de empregos locais (LO et al., 2021).
3.2. Análise energética
Para se realizar análises energéticas de usinas de geração de eletricidade visando alcançar maior eficiência e diminuição de perdas, se faz necessária a realização de cálculos de índices de Energia. Esses índices são métricas adimensionais onde o valor de uma energia a saída (ou entrada) é normalmente dividida por uma entrada (ou saída) de energia (WALMSLEY et al., 2018).
Diferentes tipos de métricas foram propostos na literatura acadêmica, tais como: Retorno sobre o Investimento em Energia (EROI), Tempo de Retorno de Energia (EPT) e Fator de Energia Primária (PEF). Dentre esses, o EROI, é o que se destaca por descrever a eficiência geral do ciclo de vida de um método de geração de energia, independente de flutuações econômicas (WALMSLEY et al., 2018).
Para descrever o ciclo de produção de energia, o índice EROI, relaciona a quantidade de energia entre a saída e a entrada de um mesmo processo. Ou melhor dizendo, EROI (R) é o valor obtido da divisão da energia utilizável (ER) que a usina retorna durante sua vida útil e toda a energia investida (EI) fundamental para obter essa mesma energia (WEISSBACH et al., 2013).
Sendo:
ER = Energia devolvida à sociedade;
EI = Energia necessária para obter a ER.
Um valor de R maior que 1 indica que se trata de um sistema de “geração de energia”. Já para valores menores que 1 trata-se de um processo “dissipador de energia”. Dessa forma, para geração de energia quanto maior o valor de R mais eficiente é o método de geração de energia (WALMSLEY et al., 2018).
O EROI calculado para um determinado método de geração de energia não é um valor imutável e pode sofrer alteração de acordo com a sua disponibilidade no meio ambiente, qualidade do recurso energético natural, localização geográfica e eficiência tecnológica de extração, processamento e conversão (WEISSBACH et al., 2013)
Para Weissbach e colaboradores, 2013, o valor de EROI mínimo para se atingir a viabilidade econômica deve ser superior a 7. Outros autores, no entanto, utilizam outros valores como métrica, como é o caso da “Lei do EROI Mínimo” estabelecido por HALL et al., (2009) em que o autor estabelece, através de estudos de análise energética, o valor de 3 como sendo o limiar mínimo para se atingir a viabilidade econômica em um projeto de geração de energia.
Weissbach et al., (2013) em seu trabalho realizou uma análise energética comparando 8 métodos de geração de energia elétrica a partir de dados coletados de usinas na Alemanha. Assim, o autor, analisou os seguintes métodos de geração de eletricidade: centrais elétricas movidas a gás natural (CCGT), biogás obtido através do cultivo de milho, energia solar fotovoltaica (PV), energia solar térmica (CSP), energia eólica, energia hidrelétrica, usinas termelétricas a carvão e energia nuclear. Os resultados dos cálculos realizados podem ser visualizados na Figura 8.
Figura 8 – Análise energética através do índice de retorno sobre o investimento em energia (EROI)
Fonte: Adaptado de Weissbach et al., (2013)
No gráfico da Figura 8, nota-se que a geração de energia através de usinas nucleares, hidrelétricas, carvão e gás natural apresentam os melhores índices de retorno sobre o investimento em energia. Sendo a hidrelétrica apresentando maior destaque em se tratando de energia renovável. Analisando, apenas, as fontes renováveis, as usinas solares térmicas (CSP) e as usinas eólicas apresentam a segunda e a terceira melhor performance, respectivamente.
O mesmo método de geração de energia pode apresentar valores de EROI distintos, a depender da tecnologia empregada, da localização geográfica, da disponibilidade e qualidade dos recursos energéticos naturais utilizados (WALMSLEY et al., 2018). Dessa forma, outros valores de EROI distintos dos apresentados na Figura 8, podem ser encontrados na literatura para os mesmos métodos de geração de energia.
3.3. Análise ambiental
Todas as fontes de energia apresentam um impacto ambiental para a natureza, sendo renovável ou não. A partir disto, esta análise ambiental irá comparar as fontes de energia fotovoltaica, hidráulica, eólica e biomassa considerando diversos aspectos, incluindo emissões de gases de efeito estufa, impactos na biodiversidade e uso dos recursos naturais.
3.3.1. Energia fotovoltaica
Sistemas fotovoltaicos apresentam impactos socioambientais de baixa escala. Possuem flexibilidade locacional e permitem a aceleração da eletrificação em locais distantes com difícil acesso, além de ter uma fonte inesgotável. Possui impacto mínimo na biodiversidade e requer um baixo uso de recursos naturais para a fabricação dos painéis solares. Entretanto, há necessidade da mineração de minerais para a produção dos mesmos, geração de resíduos tóxicos na fabricação de células solares e a possível inconsistência na geração de energia, caso haja uma variação na luz solar (EPE, 2016).
3.3.2. Energia hidráulica
A energia hidráulica possui a vantagem de emitir quantidades mínimas de gases de efeito estufa durante a operação e oferece geração de energia constante, independentemente das condições climáticas. Além disso, tem a capacidade de armazenamento de energia por meio de reservatórios. No entanto, seus desafios incluem impactos significativos nos ecossistemas aquáticos e terrestres devido a represas, o deslocamento de comunidades humanas e a sedimentação de rios (SILVA et al., 2018).
3.3.3. Energia eólica
A energia eólica também contribui para a redução de emissões de gases de efeito estufa durante a operação e aproveita uma fonte de energia renovável e inesgotável, o vento. Seu impacto na biodiversidade é relativamente baixo, especialmente em comparação com fontes de energia fósseis (SOVACOOL, 2013)
No entanto, há desafios, como o impacto visual e sonoro nas áreas de instalação das turbinas eólicas, risco para as aves e outros animais como morcegos que podem se chocar com as pás (SOVACOOL, 2013)
O desmatamento e a erosão do solo que são outros fatores de extrema preocupação durante a construção de um parque eólico, pois algumas atividades, tais como escavação, fundação e construção de estradas, podem afetar o biossistema local. Se as plantas de superfície são removidas, a superfície do solo fica exposta a fortes ventos e chuvas, resultando em erosão do solo (GONG, 2004).
3.3.4. Energia biomassa
A energia de biomassa é uma fonte renovável proveniente de materiais orgânicos, muitas vezes resíduos agrícolas e florestais, o que ajuda a reduzir o desperdício. Ela tem o potencial de reduzir as emissões de metano de aterros sanitários. No entanto, desafios incluem as emissões de gases de efeito estufa durante a queima de biomassa, dependendo da fonte e tecnologia, a concorrência com a produção de alimentos e o uso de terras agrícolas, além do impacto na biodiversidade e nos ecossistemas, se não for realizada de forma sustentável (Pedro Reis et al., 2016).
A escolha entre essas fontes de energia depende das condições locais, dos objetivos ambientais e das limitações tecnológicas de cada local. A combinação de várias fontes de energia e o avanço tecnológico na mitigação dos impactos ambientais são essenciais para atender às demandas de energia enquanto se protege o meio ambiente (Pedro Reis et al., 2016).
4. Resultados e Discussões
Do ponto de vista ambiental, a energia de biomassa possui o maior índice de degradação do meio ambiente, isso devido à emissão de poluentes durante a queima dos resíduos orgânicos nas usinas termelétricas. Com relação às hidrelétricas, o potencial de dano do meio ambiente irá depender de cada protejo, como podemos constatar através dos dados de De Jong et al., (2015) a usina de Belo Monte degrada 9 vezes mais do que a usina hidrelétrica de Santo Antônio. As demais fontes de energia possuem valores próximos e baixos de impacto ao meio ambiente.
Na análise energética constata-se que as usinas hidrelétricas possuem os maiores valores de EROI, a energia produzida nas hidrelétricas é 49 vezes maior do que a energia gasta durante a produção dessa mesma energia. A energia solar CSP e a energia eólica possuem o segundo e o terceiro maiores valores retorno sobre o investimento em energia, isso considerando, apenas, as energias renováveis. As energias de biomassa e solar fotovoltaica são as que possuem os menores valores de retorno sobre o investimento em energia.
A viabilidade econômica das energias solares CSP e fotovoltaica apresentam os maiores valores de LCOE, isso devido aos elevados custos de instalação. Em contrapartida, as usinas eólicas, possuem os menores valores de LCOE, isso graças aos baixos custos de instalação, operação e manutenção e ao baixo impacto ambiental.
Considerando todos esses aspectos citados e utilizando-se, apenas, dos dados obtidos nos estudos de caso, a energia eólica é a que apresenta o melhor conjunto de características para projetos eficientes de usinas de geração de energia elétrica.
5. Conclusões
Este estudo centrou-se exclusivamente em fontes renováveis de energia, a saber, eólica, solar, hidrelétrica e biomassa, buscando uma análise abrangente que considerasse tanto os aspectos econômicos quanto os impactos ambientais dessas opções.
A análise ambiental destacou peculiaridades em cada fonte. A energia fotovoltaica, embora apresente baixo impacto socioambiental, enfrenta desafios como a mineração de minerais e variações na geração em condições de luz solar flutuante. A energia hidráulica, enquanto emite quantidades mínimas de gases de efeito estufa e oferece geração constante, enfrenta desafios significativos nos ecossistemas aquáticos e terrestres.
A energia eólica, apesar de contribuir para a redução de emissões, enfrenta desafios da poluição sonora e visual, além de impactos no solo durante a construção e a interferência na rota de migração de pássaros. Por fim, a energia de biomassa, proveniente de materiais orgânicos, destaca-se pela capacidade de reduzir resíduos, mas apresenta desafios relacionados a emissões durante a queima e competição com a produção de alimentos.
Ao correlacionar os resultados energéticos e ambientais, as usinas hidrelétricas emergiram como líderes, apresentando os maiores valores de EROI, embora enfrentam desafios ambientais específicos, variando conforme o projeto. A energia solar CSP e a eólica também se destacaram, evidenciando um equilíbrio entre eficiência e impacto ambiental.
No âmbito econômico, a análise do Custo Nivelado de Energia (LCOE) apontou que a energia solar CSP e fotovoltaica possuem os maiores valores, reflexo dos elevados custos de instalação. Contrapondo, as usinas eólicas, destacaram-se com LCOE mais baixo, atribuído aos custos reduzidos de instalação, operação e manutenção, combinados com um impacto ambiental inferior.
Considerando todas as variáveis analisadas, a energia eólica emerge como a opção mais favorável para projetos eficientes de geração de energia elétrica, unindo eficácia econômica com menor impacto ambiental. Entretanto, a escolha da fonte de energia ideal continua a depender das características locais, objetivos ambientais específicos e limitações tecnológicas inerentes de cada região. A combinação de diversas fontes de energia, juntamente com avanços tecnológicos para mitigar impactos ambientais, permanece como uma abordagem essencial para atender às crescentes demandas energéticas enquanto preserva o meio ambiente.
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