Fontes de energia e matrizes energéticas (na Física)

Quando falamos em energia no dia a dia, geralmente pensamos em coisas relacionadas com combustíveis e com eletricidade como, por exemplo, carros, lâmpadas e até na bateria do celular. Isso porque muitos dos equipamentos que utilizamos necessitam diretamente da energia elétrica para funcionarem.

Energia é um conceito fundamental da Física que está relacionado com a capacidade de realizar alguma atividade, ou seja, de realizar trabalho.

A luz do sol, a água em movimento, o vento soprando ou a queima de combustíveis fósseis são exemplos de fontes de energia, pois podem ter suas próprias energias transformadas em outras formas de energia capazes de realizarem trabalho, como a energia elétrica, térmica ou mecânica.

Fontes de energia

As fontes de energia são os meios pelos quais obtemos a energia necessária para fazer nossos equipamentos funcionarem e realizar diversas atividades como, por exemplo, iluminar cidades, movimentar máquinas, cozinhar ou aquecer casas.

Em relação à finitude, as fontes são classificadas como:

• Fontes renováveis: são aquelas que se regeneram, ou seja, não se esgotam, pois estão sendo produzidas constantemente. Temos como exemplo a energia solar, a das marés, a eólica e a hídrica.
• Fontes não renováveis: vêm de recursos finitos, como o petróleo, carvão mineral e gás natural. Esses combustíveis foram produzidos a milhões de anos e suas reservas são finitas.

Transformações energéticas

Na Física, analisamos as transformações energéticas usando o Princípio da Conservação de Energia, que diz que a energia não se perde e não se cria, apenas se transforma, ou seja, muda de forma. Observe os dois exemplos abaixo:

Ventilador - a eletricidade (energia elétrica) se transforma primeiro em energia mecânica associada ao movimento das pás. Ao se movimentarem, as pás geram vento, ocorrendo uma transformação de energia mecânica em energia eólica.

Todas as transformações de energia que ocorrem ao ligarmos o ventilador podem ser resumidas pelo esquema: energia elétrica → energia cinética → energia eólica.

Automóvel à combustão - o processo de transformação energética é iniciado quando a energia química do combustível é transformada em energia térmica pela combustão. A energia térmica movimenta os pistões do motor sendo transformada em energia mecânica, e esta coloca o carro em movimento.

Podemos resumir o processo usando: energia química do combustível → energia térmica → energia mecânica → energia cinética.

Vamos agora esquematizar as transformações energéticas que ocorrem nas usinas geradoras de energia elétrica.

Energia solar

A energia proveniente do sol pode ser usada de duas formas diferentes, para produzir eletricidade e para aquecer a água e/ou o ambiente calafetado. Veja os esquemas abaixo:

Energia solar para aquecimento térmico

Nessa transformação a energia solar em forma de calor é transformada diretamente em energia térmica ou calor ao aquecer a água do sistema fechado de circulação de água. Esquematicamente temos: Energia Solar (calor) → Energia Térmica.

Energia solar e produção de eletricidade

A transformação da energia solar em eletricidade ocorre nas células fotovoltaicas que compõem os painéis solares. Abaixo mostramos um esquema simplificado da transformação energética:

O esquema pode ser representado como: Energia solar (Radiação) → Energia elétrica.

Energia eólica

A energia de movimento do ar na forma de vento é transformada em energia elétrica nas usinas eólicas. Abaixo mostramos um esquema do sistema:

A transformação de energia pode ser esquematizada como:

Energia Cinética do vento → Energia Mecânica da pá → Energia Elétrica.

Hidrelétrica

A hidrelétrica basicamente utiliza a velocidade de escoamento da água para girar uma turbina ligada a um gerador de eletricidade. Observe o esquema abaixo:

As transformações energéticas que ocorrem na hidrelétrica podem ser resumidas como:

Energia potencial da água na represa → Energia cinética da água durante a queda e passagem pela turbina → Energia mecânica da turbina → Energia elétrica produzida no gerador.

Termelétricas e combustíveis fósseis

Entre os combustíveis fósseis temos gás, carvão e petróleo. Todos eles podem ser usados para a geração de energia elétrica em usinas termelétricas. Abaixo mostramos um esquema simplificado da transformação energética:

As transformações energéticas podem ser resumidas como:

Energia Química (carvão, gás, petróleo) → Energia Térmica → Energia Mecânica → Energia Elétrica.

Energia nuclear

As usinas nucleares utilizam a energia liberada na quebra e/ou decaimento de núcleos atômicos para esquentar a água e girar uma turbina ligada a um gerador de eletricidade. Abaixo mostramos um esquema simplificado de uma usina nuclear:

As transformações energéticas que ocorrem na usina nuclear podem ser simplificadas como:

Energia Nuclear (Núcleo atômico) → Energia Térmica na água que se transforma em vapor → Energia Mecânica na turbina e gerador → Energia Elétrica.

Os geradores

Atente que todas as usinas produtoras de energia elétrica, com exceção das usinas solares, possuem um gerador ligado a uma turbina ou às hastes que giram (no caso da usina eólica). Nas usinas solares as células fotovoltaicas produzem elas próprias a energia elétrica.

Os geradores são, então, o coração ou o elemento mais importante na geração da energia elétrica.

E como eles funcionam?

O gerador possui ímãs e uma espira no seu interior. Quando seu eixo é girado pela turbina, passa a existir um movimento relativo entre o campo magnético dos ímãs e a espira. Esse movimento relativo gera, por indução eletromagnética, uma corrente elétrica. Essa corrente elétrica é, então, coletada e distribuída pelas redes de transmissão conectadas às usinas.

Comparação de fontes de energia

No quadro abaixo resumimos os dados apresentados acima, e listamos os impactos de cada processo de geração de energia elétrica:

Fonte	Renovável?	Transformação Física Principal	Impactos	Exemplo de uso
Solar	Sim	Radiação → Elétrica	Baixo impacto, depende do clima	Placas solares em casas
Eólica	Sim	Cinética do vento → Mecânica → Elétrica	Baixo impacto, ocupa espaço	Aerogeradores
Hidrelétrica	Sim	Potencial (água represada) → Cinética → Elétrica	Pode alagar áreas	Usinas hidrelétricas
Petróleo	Não	Química → Térmica → Mecânica → Elétrica	Emissão de gases	Termelétricas, transporte
Carvão	Não	Química → Térmica → Mecânica → Elétrica	Alto impacto ambiental	Termelétricas
Nuclear	Não-renovável (combustível)	Nuclear → Térmica → Mecânica → Elétrica	Resíduos radioativos	Usinas nucleares

Matriz energética

A matriz energética é um retrato das fontes de energia que um país usa para gerar energia elétrica. Esse retrato não é estático porque a geração de energia pode depender de fenômenos naturais, como acontece, por exemplo, no caso da energia eólica e das hidrelétricas que dependem, respectivamente, dos regimes de vento e de chuva. Mas também porque os países estão constantemente em busca de tornar sua matriz energética mais sustentável.

Quando um país utiliza principalmente petróleo e carvão, dizemos que sua matriz energética é baseada em combustíveis fósseis. Por outro lado, se há grande participação de energia solar, eólica e hidráulica, a matriz é considerada sustentável.

A matriz energética do Brasil tem forte presença de energia hídrica e energias renováveis, enquanto que a maioria dos outros países usam mais carvão e/ou petróleo - correspondendo a uma matriz energética menos sustentável e mais poluente.

No gráfico abaixo da Agência Internacional de Energia - IEA é mostrada a variação da Matriz Energética Mundial entre 1990 e 2022.

Observe primeiro que a produção mundial de energia é crescente em todo o intervalo, ou seja, de 1990 a 2022, refletindo o crescimento da demanda por energia.

Atente que o uso dos combustíveis fósseis corresponde a mais da metade das fontes utilizadas em 2022. No gráficos temos 17.772.681 GWh de produção de eletricidade usando carvão, petróleo e gás natural; 8.532.701 GWh usando fontes renováveis, e 2.685.464 GWh usando energia nuclear.

No gráfico abaixo, do IEA também, é mostrada a variação da Matriz Energética Brasileira entre 1990 e 2023:

Observe que o Brasil usa principalmente a energia produzida por hidrelétricas, e que nossa matriz energética é dominada pelas fontes renováveis.

Isso representa por um lado uma enorme vantagem pela parcial independência dos combustíveis fósseis que, lembre-se, são finitos. Mas, por outro lado, traz uma incerteza frente às mudanças climáticas que temos presenciado.

Leia também: Energia: o que é, origem, conservação e tipos

Para praticar: Exercícios sobre as fontes de energia elétrica (com gabarito)