Álan Cavalcante Maciel
Técnico em Eletroeletrônica
Tecnólogo em Mecatrônica Industrial
CREA: 5063652617
A Energia Solar para o Aquecimento de Água
Guarulhos
2012
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Sumário
Introdução................................................................................................................3
Consumo do Setor Residencial e a Geração das Hidrelétricas...............................5
O Consumo de Energia no Brasil..................................................................5
Projeções da Matriz Energética.....................................................................6
Problemas nas Usinas Hidrelétricas..............................................................7
A Crise do Setor Elétrico de 2001 e o Aquecimento Solar............................8
Energia Solar, Um Antigo Recurso e Uma Nova Tecnologia...................................9
Recursos Energéticos Renováveis................................................................9
A Conversão da Energia Solar....................................................................10
Custo Benefício do Sistema de Aquecimento Solar....................................11
Investimentos..............................................................................................12
População de Baixa Renda.........................................................................13
Considerações Finais.............................................................................................14
Referências Bibliográficas......................................................................................15
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Introdução
Atualmente
a
energia
elétrica
ter
participação
preponderante
no
desenvolvimento e vida do ser humano. Se tratando de energia, desde a sua
produção até seu consumo, envolve transformações de recursos naturais, sendo
que muitos destes processos causam impactos sócio-ambientais. Como
consequência gera discussões globais por ser um influente ao meio ambiente, e
foi a partir destas discussões que se originou a o conceito do desenvolvimento
sustentável, que seria a solução deste grande problema, pois, obtendo energia de
fontes limpas e renováveis, o impacto causado anteriormente seria bem menor,
porém, a implantação da sustentabilidade tem sido um grande desafio para a
humanidade, esta ação pode diminuir impactos ambientais, mas também pode
causar impactos econômicos.
Nos últimos anos, principalmente em razão do problema do aquecimento
global, a questão energética tem sido tema central, levando a negociações da
convenção do clima como é possível observar no Protocolo de Kyoto. Atualmente,
obtêm-se diversas fontes de energia renovável, energia solar, eólica, geotérmica,
maremotriz dentre outras, e ainda assim a matriz energética mundial depende de
quase 80% de combustíveis fósseis, cuja queima tem grande papel no aumento
de gases estufa na atmosfera.
O sol é uma fonte de energia abundante e inesgotável, além de fornecer
seu produto de forma não comercial. Apesar de necessitar uma tecnologia para
seu uso em sistemas de aquecimento, pode ser utilizada por qualquer pessoa,
sendo que é impossível se tornar mercadoria de qualquer empresa ou instituição,
e assim se tratando de energias limpas e renováveis, se torna uma boa opção de
utilização para qualquer que seja seus fins.
No Brasil atualmente, cresce muito as aplicações da energia solar para o
aquecimento de água, principalmente em projetos para pessoas de baixa renda,
como conjuntos habitacionais e casas populares. Esta utilização tem grandes
vantagens tanto para o consumidor quanto para o fornecedor de energia, pois se
reduz o consumo de energia com chuveiros elétricos e outros tipos de
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aquecedores de água, e assim diminui a demanda em horários de pico, causando
menor impacto no sistema de distribuição de energia elétrica.
Existem hoje, várias formas de se utilizar energia a partir do sol, as mais
utilizadas são por meio de células fotovoltaicas que, recebem os fótons solares e
este causa uma movimentação de elétrons positivos e negativos, com essa
movimentação é gerado um fluxo de corrente, tendo assim uma circulação de
energia elétrica, esta pode ser convertida para ser usada nas mais diversas
aplicações. Outra forma muito utilizada para usar a energia solar é a partir de
painéis solares que contém uma placa de absorção com uma tubulação para a
passagem de fluídos, com a retenção do calor por uma placa de cobertura e uma
placa térmica o fluído é aquecido, e este é bombeado até a sua utilização.
Figura 1 – Aquecedor solar. Fonte: Mundo das tribos (2010)
Mesmo tendo ótimas características se tratando de energia limpa e
renovável, e levando-se em conta a questão do meio ambiente, a energia solar
tem ainda algumas inversões, um dos principais problemas do uso da energia
solar em larga escala, é o seu investimento inicial, que é alto para a compra e
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para a implantação dos equipamentos necessários para a sua funcionalidade, o
que lhe impede de competir com outras fontes energéticas mais baratas.
Consumo do Setor Residencial e a Geração das Hidrelétricas
A energia elétrica é hoje de extrema importância para a vida da
humanidade, sendo que para sua geração, transmissão e consumo, necessita de
certos tratamentos e estes utilizam de recursos que podem ser naturais ou não,
muitos dos recursos naturais utilizados se esgotam a cada dia, e os não naturais
necessitam da própria energia para sua eficácia.
O Consumo de Energia no Brasil
Atualmente no Brasil, a utilização de energia solar é mínima se comparada
com outros tipos de energia, isso se dá devido a vários fatores, o principal deles é
o custo inicial que economicamente falando, inviabiliza o projeto de implantação
em larga escala desta tecnologia. No entanto a energia elétrica que utilizamos em
nossas residências, têm grande parte gerada em usinas hidrelétricas, segundo a
MME (Ministério de Minas e Energia) (2007) cerca de 85% da energia que
consumimos é provinda dos rios, e está tendo uma sobrecarga, devido ao
crescimento do número de consumidores da rede, de acordo com a EPE
(Empresa de Pesquisa Energética) (2011), em julho de 2011, o consumo nacional
de energia elétrica na rede somou 35.069 gigawatts-hora (Gwh), 3,7% acima do
número registrado no mesmo período de 2010. A EPE (2011) afirma ainda que
este aumento se reflete à taxa de crescimento das classes residencial (cerca de
7,9%) e comercial (cerca de 8,3%), já a classe industrial teve praticamente o
mesmo consumo, com apenas 0,3% de crescimento em relação ao mesmo
período de 2010. Com estes dados é possível observar que a classe residencial
obtém um dos maiores índices de crescimento, e conseqüentemente um grande
aumento no número de consumidores, causando certos problemas para o sistema
elétrico.
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Projeções da Matriz Energética
A MME (Ministério de Minas e Energia) em conjunto com a EPE (Empresa
de Pesquisa Energética) (2007), divulga constantemente dados de geração e
consumo de energia em todos os setores do Brasil, bem como projeções de
matrizes energéticas para o futuro. Como o foco desta monografia é voltado para
o setor residencial, foram coletados alguns dados onde podemos observar a
grandeza do consumo deste setor, e ter uma conclusão quanto à viabilidade de se
implantar um sistema de aquecimento solar para obter como resultados a
economia (tanto de energia quanto de dinheiro), a redução da carga do sistema
elétrico além das questões ambientais e sustentáveis.
A tabela 1 mostra o
consumo final de energia no setor residencial com uma projeção para os próximos
anos.
Tabela 1 – Consumo final no setor residencial.
Fonte: Ministério de Minas e Energia; Empresa de Pesquisa Energética. Matriz Energética
Nacional 2030. 2007.
Note a linha em destaque na tabela que 1 mostra o aumento de mais de
170% entre os anos de 2010 e 2030 (MME; EPE, 2007). Esta estimativa diz ainda
que o consumo de energia elétrica total no Brasil em 2030 será de
aproximadamente 1083,4 TWh, que significa um aumento de 4% ao ano desde
2005. O gráfico 1 mostra o consumo de energia entre os setores em 2005 e o
estimado para 2030, é possível observar um aumento de 4% no setor residencial.
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Gráfico 1 – Consumo de energia entre os setores.
Fonte: Ministério de Minas e Energia; Empresa de Pesquisa Energética. Matriz Energética
Nacional 2030. 2007.
Problemas nas Usinas Hidrelétricas
Existem problemas relacionados a geração da energia em usinas
hidrelétricas se comparada com outros tipos de energia, para que ela ocorra é
necessário que vários fatores variáveis estejam de acordo. A geração da energia
neste tipo de usina depende da água, ou seja, a água tem de estar em um nível
que seja no mínimo o suficiente para o processo de geração, o nível da água das
represas depende das chuvas, as chuvas dependem da temperatura dos oceanos
e do ambiente, sendo assim são vários fatores que não se pode obter um
controle, com isso pode-se ter grandes problemas quando um destes fatores não
se comporta conforme o planejado, como foi possível ver na crise do setor elétrico
10 anos atrás que ficou conhecida como “o apagão de 2001”. Visando o futuro
com a construção de novas usinas hidrelétricas, há ainda outros problemas mais
sérios com relação à construção dessas usinas, o custo ambiental, com o
represamento da água, grandes áreas são inundadas, sendo assim muitas
espécies de animais são extintos e a vegetação fica submersa, com isso alguns
vegetais sofrem decomposição e liberam gases.
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Figura 2 - Usina Hidrelétrica de Xingó, período seca.
A decomposição anaeróbica da matéria vegetal gera a emissão de gases como o
metano, o qual possui um potencial de aquecimento global cerca de 24 vezes
maior que o dióxido de carbono, produto da decomposição aeróbica. (Rocha,
2009, p.161)
A Crise do Setor Elétrico de 2001 e o Aquecimento Solar
No ano de 2001, o Brasil sofreu uma das maiores crises do setor elétrico,
que devido a um período de seca, várias represas esvaziaram-se impedindo a
geração de energia. Com essa crise a população passou por uma política de
racionamento de eletricidade, onde foram determinadas metas de redução de
consumo de energia no setor residencial, os consumidores deste setor foram
obrigados a reduzir 20% do consumo em relação à média anterior. Com este
racionamento, os chuveiros elétricos foram considerados os maiores gastadores
de energia, com a necessidade imposta pela crise, diminuir o consumo era
9
prioridade, foi então que começaram as campanhas para a substituição dos
chuveiros elétricos por aquecedores solares. Com a divulgação da campanha e
incentivo dos fabricantes, e ainda uma ajuda do estado com isenção de impostos
para financiamentos destes equipamentos, este mercado teve uma taxa de
crescimento superior a 50% naquele ano. Com esta ação de racionamento, foi
possível liquidar não somente os eventuais cortes forçados como também toda a
crise energética, e ainda serviu de impulso para a divulgação e crescimento do
sistema de aquecimento solar.
Aos poucos, a geração de eletricidade e calor por meio do aproveitamento da
energia solar conquista espaço na vida cotidiana. As aplicações desta energia
limpa e inesgotável são variadas: do uso doméstico, com sistemas de
aquecimento de água por painéis solares, a veículos experimentais de
passageiros e até a alimentação das baterias dos satélites de telecomunicações
em órbita da terra. (Rot; Et al, 2007, p.48)
Energia Solar, Um Antigo Recurso e Uma Nova Tecnologia
No mundo existem inúmeras fontes de energia, e quase todas essas fontes
são formas indiretas de energia solar, dentre elas estão: hidráulica, biomassa,
eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos. Além disso, a radiação solar
pode ser utilizada de forma direta para aquecimento de fluídos e em ambientes de
geração de energia, como é o caso das células fotovoltáicas.
Recursos Energéticos Renováveis
A natureza é uma gigantesca fábrica geradora de energia limpa e
renovável, e diante da possibilidade de se esgotar recursos como reservas de
gás, petróleo e carvão, em todo o mundo pesquisadores desenvolvem técnicas
para utilizar a partir da natureza, outros tipos de energias alternativas, como
provenientes do sol, vento, água e do interior da terra.
O sol é uma imensa fonte de energia inesgotável. Dele depende a vida na terra.
Muitas das fontes de energia renováveis derivam do sol, incluindo o uso direto da
energia solar para fins de aquecimento ou geração de eletricidade e o uso
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indireto, como a energia dos ventos, as ondas e a água corrente, bem como a
energia das plantas e animais (madeira, palha, estrume e outros restos de plantas
e resíduos). (REIS, 2011, 1ª Ed. p.40)
De acordo com a afirmação, têm-se uma escolha quanto à utilização da
energia solar, usar a favor da população, ou deixar que ela se perca e continuar a
usar de outros recursos, sendo que a segunda opção nos tempos de hoje não é
um luxo que o homem deveria ter, devido aos diversos fatores já citados neste
trabalho. Afinal de uma maneira ou de outra a energia solar vai ser transformada
em calor, basta que a população domine esta energia e aplique de forma que
possa atender a suas necessidades.
A conversão da Energia Solar
Quando a luz é absorvida por algum objeto, o qual, como resultado, se aquece, a
energia luminosa foi transformada em outro tipo de energia: energia térmica. A
energia térmica compreende as vibrações e os movimentos das moléculas que
constituem um objeto. (Odum, 1988, p.57)
Para utilizar a energia solar no aquecimento de água, é preciso um sistema
de coletores para que a radiação solar seja absorvida e transformada em energia
térmica, como neste sistema o aquecimento obtém temperaturas relativamente
baixas (abaixo de 100ºC) o uso é predominante no setor residencial, segundo a
ANEEL, nos países em que há maior uso da energia solar (Israel, Grécia,
Austrália e Japão), cerca de 80% a 90% destes equipamentos têm sido
destinados a uso doméstico. A figura 1 mostra um sistema tradicional de
aquecimento de água.
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Figura 1 – Sistema tradicional de aquecimento de água. Fonte: ANEEL , 2011
O sol é a fonte de energia para o nosso planeta. Apenas 44 % da energia solar
que alcança o planeta chega até a superfície. Desta energia, parte dela é
absorvida e convertida em calor e a restante, cerca de 30%, é refletida de volta ao
espaço. (Rocha, 2009, p.161)
Mesmo com este percentual de energia que se perde na trajetória do
espaço até a terra, a CRESESB (2000) estima que a energia solar incidente na
superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial.
Custo Benefício do Sistema de Aquecimento Solar
Segundo a ANEEL e a CRESESB, para uma residência onde moram 4
pessoas, são necessários entre 2 e 4 metros quadrados de coletores solares para
um aquecimento médio de água. A CRESESB afirma ainda que o investimento
inicial seja relativamente alto, mas o tempo de retorno é normalmente de 1 a 2
anos. O custo de um sistema básico para 4 pessoas com coletor de 2m² e
reservatório de 200L situa-se na faixa de R$2.000,00. Com relação à energia
elétrica após a instalação do sistema de aquecimento solar, o custo é
praticamente zerado, já em relação a água não se pode dizer o mesmo. A CIRRA
(Centro Internacional de Referência em Reuso de Água), entidade vinculada à
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP), realizou uma
pesquisa quanto a consumo de um banho, os valores estimados são relacionados
ao custo total (energia e água), estima-se que um banho de oito minutos com
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chuveiro elétrico custa em média R$ 0,22 contra R$ 0,35 do banho com sistema
de aquecimento solar, com esses valores é possível observar que o sistema de
chuveiro elétrico é mais barato, porém sabendo-se que o sistema de aquecimento
solar praticamente não usa a energia elétrica, o custo fica automaticamente no
gasto de água. Segunda a CIRRA, o sistema de aquecimento solar consome em
média 8,7 litros de água por minuto contra 4 litros do chuveiro elétrico, um
consumo aproximadamente 118% maior. Com esses valores é possível chegar
aos dados que mostra a tabela 2.
Tabela 2 – Gasto mensal do banho.
Fonte: CIRRA, 2009.
Investimentos
Segundo o MME nos próximos anos (entre 2005 e 2030) os investimentos
no setor de energia (geração, transmissão e consumo) pode chegar a U$$ 168
bilhões, sendo que U$$ 117 bilhões (70%) em hidrelétricas de grande porte, U$$
22 bilhões (13%) e fontes de geração alternativa, U$$ 17 bilhões (10%) em
termelétricas convencionais e U$$ (7%) em centras nucleares. Para estes
investimentos é necessário ter-se um bom planejamento de divisão, pois, os
custos dividem-se em várias partes, e caso seja mal dividido pode-se obter um
resultado ruim em relação ao esperado.
O benefício mais comumente mencionado na literatura para a geração distribuída
é o de fornecer capacidade ao sistema no lugar de aumentar sua infraestrutura.
Porém, para que ela possa ser realmente utilizada como solução, é necessário o
desenvolvimento de projetos confiáveis de geração distribuída, nos quais os
custos da interconexão devem ser levados em consideração. (Reis, 2011, p.384)
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População de Baixa Renda
Para populações de baixa renda a energia é mais utilizada para
conservação de alimentos, iluminação e aquecimento de água que associa uma
despesa que compromete parte da renda das famílias. No Brasil atualmente
22,2% em média do consumo de energia elétrica é destinada ao aquecimento de
água para banho. A energia gasta para este fim poderia ser feita com a utilização
da energia solar, que é abundante e gratuita. O uso da energia solar para o
aquecimento de água além de diminuir a demanda de energia ainda permite que
as famílias de baixa renda à usem na forma de água quente sem ter custos
comerciais. De acordo com a Lei 10.438, de 26 de abril de 2002, o consumidor
que se enquadra como baixa renda deve ter um consumo de até 80kWh/mês,
sendo assim esses consumidores não utilizam muito de chuveiros elétricos, caso
contrário não se enquadrariam como baixa renda. Segundo Santos (1978, p.15),
“A pobreza, um fenômeno qualitativo, foi transformado num problema quantitativo
e reduzido a dados numéricos”.
Esta forma de energia contribui, também para o equilíbrio do mercado e
para a redução de tarifas no futuro. A demanda concentrada de eletricidade no
horário entre 19 e 21 horas, devido à utilização dos chuveiros elétricos, provoca a
necessidade de maior investimento nos ativos de distribuição de eletricidade,
refletindo-se nas tarifas de energia. A utilização do sol para aquecer água,
substituindo os chuveiros elétricos, possibilita a melhor modulação da curva de
carga das distribuidoras de energia elétrica, diminuindo o pico de demanda e o
volume de investimentos. Em conseqüência, o seu uso beneficiaria duplamente o
consumidor pelo seu uso direto e pela redução das tarifas.
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Considerações Finais
Atualmente, o homem dispõe de inúmeras fontes de energia, estas se
classificam como renováveis e não renováveis. Muitas das fontes renováveis não
estão sendo exploradas ao nível de consumo em larga escala, por motivos
econômicos e projetos inviáveis, no entanto, com o aumento da população e
consequentemente do consumo de energia, as fontes utilizadas atualmente estão
ficando limitadas.
Para resolver este e outros problemas relacionados à geração e consumo
de energia, devem-se tomar medidas pensando não somente no problema da
energia, mas também em problemas ambientais, com as ações do homem
utilizando o meio ambiente para satisfazer suas necessidades, a natureza está
sofrendo grandes impactos, sendo assim se torna um problema do mesmo nível
de prioridade ou até maior que o problema da saturação de energia, pois, em um
futuro próximo os pequenos problemas existentes atualmente, se tornarão
imensos e complexos. A solução não será rápida, as melhoras virão
gradativamente em relação ao tempo e as medidas tomadas, por isso, devem ser
imediatas, para que as futuras gerações não sofram consequências das ações
atuais. A energia solar apesar de ser uma energia primária, que origina diversos
outros tipos de energia, é classificada como alternativa, isto se dá devido ao
conceito adotado pelo homem ao redor de geração de energia e de combustíveis
fósseis. A energia proveniente do sol hoje em dia, tem como maior aplicação o
aquecimento de fluídos, em sua maior parte aquecimento de água no setor
residencial, esse já é um ótimo começo para uma ação global de economia de
energia, pois, em horários de pico, os maiores consumidores de energia são
aquecedores elétricos de água, com o aquecimento solar aplicado em larga
escala, poderia se obter uma redução considerável de carga no atual sistema
elétrico, e além desta vantagem, estariam contribuindo para uma menor
degradação do meio ambiente, sem ter de retirar dele elementos para geração de
energia com destino final o aquecimento de água.
Uma das formas de aumentar a energia disponível é utilizá-la de modo
mais eficiente. Para isso basta que a população implemente esta ação a partir de
pequenos atos diários, tais como: utilizar menos energia para realizar mais
15
trabalho, desenvolvendo equipamentos de baixo consumo (células solares) e
mais eficientes para aquecimento e refrigeração, mudanças de hábitos como
andar a pé ou de bicicleta, utilizar transportes em massa, economizar energia
mantendo luzes e equipamentos que não estão sendo usados desligados, reduzir
o consumo de produtos descartáveis, e realizar diversos outros atos que em
prática a humanidade além de contribuir com os atuais problemas energéticos e
ambientais, pode obter uma melhor qualidade de vida e contribuir para um futuro
eficiente e sustentável.
Referências Bibliográficas
Referências impressas:
ODUM, Eugene P. Ecologia. 1ª Edição. Rio de Janeiro: Editora Guanabara
Koogan. 1988.
REIS, Lineu Belico dos; FADIGAS, Eliane A. Amaral; CARVALHO, Cláudio Elias.
Energia, Recursos Naturais e a Prática do Desenvolvimento Sustentável. 1ª
Edição. São Paulo: Editora Manole Ltda. 2005.
REIS, Lineu Belico dos. Geração de Energia Elétrica. 2ª Edição. São Paulo:
Editora Manole Ltda. 2011.
REIS, Lineu Belico dos. Matrizes Energéticas Conceitos e Usos em Gestão e
Planejamento. 1ª Edição. São Paulo: Editora Manole Ltda. 2011.
ROCHA, Júlio César; ROSA, André Henrique; CARDOSO, Arnaldo Alves.
Introdução à Química Ambiental. 2ª Edição. Porto Alegre: Bookman. 2009.
ROT, Gabriel; Et al. Atlas Visual da Ciência, Energia e Movimento. 1ª Edição.
Barcelona: Editorial Sol 90. 2007.
SANTOS, Miltom. Planejando o Subdesenvolvimento e a Pobreza. 1ª Edição. São
Paulo: Edusp. 2003.
Referências eletrônicas:
ANEEL. Atlas de Energia Elétrica – Energia Solar. 2ª Edição. Disponível em
<http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-Energia_Solar(3).pdf>
Acesso
em 28 setembro 2011.
CENTRO INTERNACIONAL EM REÚSO DE ÁGUA (CIRRA). Estudo da USP
mostra chuveiro elétrico como opção mais econômica para o banho. 2009.
16
Disponível em < http://www.banhoeconomico.com.br/down/ci160409.pdf> Acesso
em 28 setembro 2011.
EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA (EPE). Resenha mensal do mercado
de energia elétrica. Ano IV. 2011. Disponível em <http://www.epe.gov.br/Resenha
Mensal/20110926_1.pdf> Acesso 02 novembro 2011.
LEI 10.438, de 26 de abril de 2002. Disponível em <http://www2.camara.gov.br/
legin/fed/lei/2002/lei-10438-26-abril-2002-456860-publicacaooriginal-1-pl.html>
Acesso em 02 dezembro 2011.
MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (MME); Empresa de Pesquisa Energética
(EPE). Matriz Energética Nacional 2030. 2007. Disponível em <http://www.mme.
gov.br/spe/galerias/arquivos/Publicacoes/matriz_energetica_nacional_2030/Matriz
EnergeticaNacional2030.pdf> Acesso em 28 setembro 2011.
Tutorial de Energia Solar – Princípios e Aplicações. CRESESB. Disponível em
<http://www.cresesb.cepel.br/index.php?link=/tutorial/tutorial_solar.htm> Acesso
em 23 agosto 2011.