Energias Renováveis, Geração Distribuida e Eficiência Energética

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A maneira de se relacionar com o planeta e seus recursos é de extrema importância para a sociedade do século XXI, que utiliza um volume de energia maior do que nunca na história.iretamente relacionadas ao crescimento econômico e ao desenvolvimento social, as formas de geração, transmissão e utilização da energia precisam ser discutidas para que se possa garantir a sustentabilidade em âmbito mundial.Energias Renováveis, Geração Distribuída e Eficiência Energética é uma contribuição de peso ao debate.obrindo questões técnicas, ambientais, econômicas e regulatórias, aborda temas cada vez mais atuais, como as principais fontes renováveis – solar, biomassa, ondas, marés, geotérmica e eólica – e os conceitos de geração distribuída, redes inteligentes e cogeração.presenta ainda os principais fundamentos do estudo da energia e suas aplicações e contribui para formar um pensamento crítico acerca da eficiência energética, um assunto urgente e oportuno.Graças à abrangência e à profundidade com que as temáticas são tratadas, este é um livro-texto ideal para cursos de Engenharia com ênfase em energia, tanto na graduação quanto na pós-graduação, assim como para profissionais que atuam nesse mercado.

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Capítulo 1 - Energia e Panorama Energético

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1

capítulo

Energia e Panorama

Energético

José Roberto Simões Moreira

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (USP)

José Aquiles Baesso Grimoni

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP

Marcelo da Silva Rocha

Centro de Engenharia Nuclear (CEN)

Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN-CEN/SP)

O Sol é a principal fonte de energia de todo o planeta, seja no fornecimento de energia para a realização de todos os processos climáticos naturais, seja como fonte de calor e luz para os vegetais e os animais e para o homem nas suas próprias atividades. Em última análise, o Sol é a fonte primária de energia, uma vez que praticamente todas as fontes de energia necessárias à sobrevivência do homem, tais como alimentos (vegetais ou animais), calor e luz, além de promover o ciclo da água como elemento fundamental aos seres vivos, são supridas de alguma forma pela energia solar.

 

Capítulo 2 - Elementos de Engenharia Termodinâmica

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capítulo

2

Elementos de Engenharia

Termodinâmica

José ROBERTO Simões Moreira

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

 2.1  Conceituação da termodinâmica

Termodinâmica é a ciência que lida com o trabalho, o calor e suas interações, bem como com a energia em suas diversas formas e transformações. Essa ciência possui inúmeras aplicações práticas, desde o estudo do movimento e da agitação molecular até o estudo do Universo como um todo. Também se preocupa a termodinâmica com a análise do comportamento das substâncias, como a água, ou da mistura de substâncias, como o ar atmosférico, que é composto de diversos gases.

Não obstante seu vasto campo de aplicações, a termodinâmica também permite estudar máquinas e equipamentos que transformam a energia contida nas substâncias ou disponível na natureza nas formas de energia mecânica, química e elétrica, entre outras, as quais são empregadas nas mais diversas atividades humanas e industriais.

 

Capítulo 3 - Máquinas e Processos de Transformação de Energia Térmica

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capítulo

3

Máquinas e Processos de Transformação de

Energia Térmica

José Roberto Simões Moreira

Marcos de MAttos Pimenta

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

A sociedade moderna consome grande quantidade de energia útil.

Consequentemente, há necessidade de um fornecimento contínuo de energia para atender a essa crescente demanda. Os engenheiros e pessoas envolvidas no processo de decisão das políticas energéticas devem considerar alguns fatores antes de decidir por um ou outro modo de obtenção dessa energia útil, considerando a disponibilidade e abundância das fontes energéticas.

Dentre as fontes de energia podem ser citadas a energia química armazenada em moléculas de carvão, madeira, óleo, gás natural, biomassa; a energia nuclear, bem como a energia potencial das águas, dos ventos e das ondas, entre outras, como bem discutído no Capítulo 1. A radiação solar também consiste em outra fonte, tanto para conversão direta em energia elétrica, como para aquecimento. Evidentemente, a escolha vai se basear na disponibilidade de tal fonte, nos custos envolvidos em sua exploração e na política ambiental vigente. Aqui são considerados somente os ciclos térmicos que usam calor como forma de energia primária.

 

Capítulo 4 - Combustão e Combustíveis

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capítulo

4

Combustão e

Combustíveis

Marilin Mariano dos Santos

Engenheira, Doutora em Ciências pelo Programa de Pós-Graduação em Energia, Coordenadora e Professora do curso de Petróleo & Gás do IMT

Patricia Helena Lara dos Santos Matai

Química, Doutora em Engenharia Química pela USP, Professora e Coordenadora do Curso de Engenharia de Petróleo da USP

Laiete Soto Messias

Engenheiro Mecânico, Mestre em Tecnologia Ambiental pelo IPT. Engenheiro especialista em Combustão Industrial na

Figener S.A.

 4.1   Fontes de energia

Atualmente, mais de 80 % da matriz energética mundial são constituídos por fontes não renováveis de energia: petróleo, gás natural e carvão mineral. As fontes renováveis correspondem a somente 13 %. Desses, mais da metade corresponde à biomassa tradicional, ou seja, ao uso não sustentável de recursos. Florestas são utilizadas para a produção de carvão vegetal e na queima de lenha para cocção.

A crescente demanda da sociedade moderna por fontes de energia tem trazido inúmeros benefícios, mas também malefícios para o meio ambiente. O uso intensivo de recursos naturais para atividades industriais, domésticas e veiculares é a origem da maior parte dos poluentes atmosféricos.

 

Capítulo 5 - Motores e Geradores Elétricos

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capítulo

5

Motores e Geradores Elétricos

Ivan EDUARDO Chabu

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP

Este capítulo apresenta os conceitos básicos da conversão eletromecânica de energia, permitindo uma introdução ao estudo dos geradores e motores elétricos.

As máquinas elétricas promovem a conversão de energia mecânica em elétrica e vice-versa, por meio de princípios físicos gerais e relativamente simples, independentemente do tipo de máquina em consideração. Os diversos tipos de motores e geradores, como os síncronos, assíncronos e de corrente contínua, diferenciam-se por seus aspectos construtivos e topologia magnética, apresentando variadas características externas, compatíveis com cada aplicação.

Como exemplos dessas máquinas, podemos citar os geradores de usinas hidrelétricas, termelétricas e eólicas, os motores elétricos aplicados em todos os acionamentos industriais, na tração elétrica de trens e metrôs, bem como na propulsão naval, além daqueles de uso automotivo. Em toda uma variada gama de equipamentos eletrodomésticos, desde geladeiras e máquinas de lavar roupa, até mesmo em um barbeador portátil, será encontrado algum tipo de máquina elétrica.

 

Capítulo 6 - Armazenamento de Energia

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capítulo

6

Armazenamento de Energia

Gustavo de Andrade Barreto

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

Bruno Medeiros Leite

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

José Aquiles Baesso Grimoni

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP

As tecnologias de armazenamento de energia absorvem energia, conservam-na por um período e a devolvem para suas fontes ou para usos finais.

A intermitência e as variações características de diversas fontes de energias renováveis dificultam mais a compatibilização desses tipos de energia com as demandas dos sistemas de distribuição do que as fontes tradicionais. Para regularizar o fluxo de energia dessas fontes renováveis, conferindo-lhes maior confiabilidade, sistemas de armazenamento de energia foram sendo incorporados aos projetos de fontes renováveis, ou instalados nas redes de distribuição próximas. Podem fazer um papel de reguladores de fluxo momentâneo ou funcionar em ciclos independentes de carga e descarga em diferentes períodos.

 

Capítulo 7 - Geração Distribuída e Redes Inteligentes

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capítulo

7

Geração Distribuída e Redes Inteligentes

José Aquiles Baesso Grimoni

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP

Gustavo de Andrade Barreto

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

 7.1  Redes inteligentes

As redes inteligentes (smart grids) são redes elétricas nas quais ocorre uma convergência das tecnologias das redes de energia elétrica e redes de Tecnologias da Informação e Comunicação

(TIC), ou seja, as redes de energia elétrica e de TIC carregam, além de energia elétrica, dados que, mediante uma série de funções, permitem monitorar, supervisionar, controlar, proteger e atuar para uma melhor gestão do sistema.

As redes inteligentes incorporam funcionalidades, como:

medição inteligente; qualidade de energia; autorrestabelecimento e autocura do sistema; mobilidade elétrica (carros elétricos); armazenamento de energia; gestão eficiente do sistema de iluminação pública; gestão da energia elétrica em consumidores (casas inteligentes);

 

Capítulo 8 - Energia Eólica

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capítulo

8

Energia Eólica

Eliane Aparecida Faria Amaral Fadigas

GEPEA – Grupo de Energia

Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da USP

 8.1   Histórico do desenvolvimento de turbinas eólicas

A energia eólica, ou energia contida nos ventos, consiste em energia cinética resultante do deslocamento das massas de ar com velocidades variáveis no tempo e no espaço, provocadas por efeitos climáticos derivados do aquecimento da terra por radiação solar incidente, rotação e translação da terra, bem como pelos efeitos de superfície (rugosidade do terreno, obstáculos, gradiente térmico, dentre outros).

A energia eólica é usada há muito tempo pelo ser humano.

Nos primórdios da civilização, era usada como energia mecânica, nos barcos a vela e moinhos de vento, com aplicação na moagem de grãos, bombeamento de água, na indústria de vidro e de ferro, dentre outras.

Ao final do século XIX, passou a ser usada também na geração de eletricidade, e, na atualidade, é a fonte que mais vem se expandindo no mercado de energia, em função dos avanços tecnológicos, redução de custos e preocupação com os impactos ambientais.

 

Capítulo 9 - Fundamentos da Utilização de Energia Solar

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capítulo

9

Fundamentos da Utilização de

Energia Solar

Claudio Roberto de Freitas Pacheco

Professor do Curso Energias Alternativas do Programa de Educação Continuada (PECE) da Universidade de São Paulo (USP)

Consultor industrial e colaborador do Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos da Escola Politécnica da USP

A elaboração deste capítulo, dentro do espaço disponível, envolveu a escolha de conceitos científicos e técnicos considerados mais significativos para a compreensão da utilização da energia solar no abrangente âmbito deste livro. Aqui se desenvolve, como primeira abordagem, o tema da avaliação do potencial de energia solar em uma localidade e os conceitos de troca de calor aplicados a esse tema. Uma complementação e maior abrangência desses assuntos podem ser encontradas em J. A. Duffie; W. A. Beckman (2006) e P. F. Incropera; D.

P. DeWitt (2003).

Este capítulo é constituído dos tópicos abordados na disciplina Fundamentos de Energia Solar, ministrada no Curso

 

Capítulo 10 - Energia Solar – Tecnologia e Aplicações

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capítulo

10

Energia Solar – Tecnologia e Aplicações

Daniel Setrak Sowmy

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT)

Departamento de Engenharia de Construção Civil da Escola Politécnica da USP

Este capítulo versa sobre a utilização da energia solar. Na primeira parte, é analisada a energia térmica solar em aplicações de aquecimento de água para o consumo humano, o que é normalmente alcançado com coletores solares planos. Particularmente, são abordadas as normas técnicas pertinentes. Para temperaturas mais elevadas ou mesmo produção de vapor de

água para acionamento de ciclos térmicos ou outras finalidades industriais, é indispensável o uso de sistemas de concentração solar, os quais são abordados ao fim do capítulo. A tecnologia fotovoltaica também é abordada juntamente com as técnicas do seu uso com ou sem conexão com a rede elétrica. No caso de não conexão, há de se ter um sistema de armazenamento elétrico (baterias). Finalmente, o capítulo se encerra com a discussão do sistema fotovoltaico multijunção, uma tecnologia emergente que pode elevar a eficiência dos sistemas fotovoltaicos.

 

Capítulo 11 - Geração de Eletricidade a Partir de Biomassa no Brasil. Situação Atual, Perspectivas e Barreiras

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capítulo

11

Geração de Eletricidade a

Partir de Biomassa no Brasil.

Situação Atual, Perspectivas e Barreiras

Suani T. Coelho

Grupo de Pesquisa em Bioenergia, Instituto de Energia e Ambiente (GBio) da USP

Vanessa Pecora Garcilasso

Grupo de Pesquisa em Bioenergia, Instituto de Energia e Ambiente (GBio) da USP

Javier F. Escobar

Grupo de Pesquisa em Bioenergia, Instituto de Energia e Ambiente (GBio) da USP

Naraisa Coluna

Grupo de Pesquisa em Bioenergia, Instituto de Energia e Ambiente (GBio) da USP

Alessandra C. do Amaral

Programa de Educação Continuada da Escola Politécnica (PECE) da USP

 11.1  �Geração de energia elétrica a partir de biomassa

 11.1.1   �

Introdução

No início do século XXI, o sistema energético internacional é ainda fortemente dependente de combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás. Em 2014, 81 % do consumo mundial de energia se originou dessas fontes, consumo esse que apresentava um crescimento anual de cerca de 2 % (média em 20 anos), e que, nos últimos cinco anos, cresceu 3,1 % ao ano (REN21,

 

Capítulo 12 - Cogeração de Energias Térmica e Eletromecânica

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capítulo

12

Cogeração de Energias térmica e Eletromecânica

Ronaldo Andreos

Mestre em Energia, Especialista em Eficiência Energética Industrial e Engenheiro Mecânico

 12.1   Conceituação da cogeração

A cogeração consiste no processo de produção simultânea ou sequencial de duas ou mais formas de energia, térmica e mecânica, a partir de um único combustível, como: óleo, carvão, gás natural ou liquefeito, biomassa e energia solar, sendo o gás natural o combustível mais utilizado nos processos de cogeração de energia. Por meio da cogeração é possível obter um aproveitamento de até 85 % da energia primária contida no combustível, a qual pode ser transformada em energia mecânica na forma de força motriz, ou eletricidade, mais energia térmica na forma de ar quente, água quente, vapor e água gelada, conforme ilustra a Figura 12.1.

Energia mecânica

Energia primária

Planta de cogeração

Energia térmica

 12.1.1   Uma breve história da cogeração

 

Capítulo 13 - Energia das Marés e Ondas

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capítulo

13

Energia das Marés e Ondas

Demetrio Cornilios Zachariadis

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA) e Laboratório de Engenharia do Vento (LEVE)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

 13.1   I�ntrodução à energia das marés

As variações periódicas do nível dos oceanos, facilmente perceptíveis nas regiões costeiras, são denominadas marés. Os primeiros registros do aproveitamento da energia das marés datam da Idade Média, durante a qual foram construídos alguns moinhos de maré na França e na Inglaterra. Mais recentemente, a partir da década de 1930, tomaram corpo tentativas de se converter a energia das marés em energia elétrica, até que, em 1967, foi inaugurada a primeira central maremotriz, denominada usina maremotriz de La Rance, em Saint-Malo

(Fig. 13.1), com uma capacidade de geração de 240 MW. Um ano depois, uma central de 400 kW foi instalada em Murmansk, na Rússia; outras centrais maremotrizes estão em operação na Nova Escócia (Canadá) e em Jangxia, no litoral da província chinesa de Zhejiang.

 

Capítulo 14 - Economia do Hidrogênio

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capítulo

14

Economia do Hidrogênio

José Roberto Simões Moreira

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

Julia da Rosa Howat Rodrigues

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

Tiago Gonçalves goto

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

Vinicius Eduardo Ribas

Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos (SISEA)

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

 14.1  �Hidrogênio: um futuro promissor

As energias renováveis vão desempenhar um contínuo, crescente e relevante papel no futuro próximo nas matrizes energéticas das nações. Suas diversas formas e seu uso são o objeto deste livro. Contudo, em adição às energias renováveis, há muito esforço também da comunidade científica e de engenharia em direção ao, assim chamado, futuro sem carbono, ou seja, uma matriz energética não baseada no átomo do carbono, mas em outro elemento químico: o hidrogênio. Em primeiro lugar, o hidrogênio é o elemento químico mais abundante do Universo, constituindo 75 % de sua massa total. No nosso planeta, o hidrogênio está presente em 70 % da superfície terrestre, seja na forma de água ou de compostos orgânicos. Em segundo lugar, o hidrogênio pode ser obtido por meio de diferentes processos plenamente dominados pela nossa tecnologia, e tem grande flexibilidade de produção. Por último, não é tóxico e nem poluente; isso faz dele uma excelente fonte ener-

 

Capítulo 15 - Eficiência Energética

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15

Eficiência Energética

Alberto Hernandez Neto

Departamento de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da USP

Eduardo Ioshimoto

Departamento de Engenharia Civil da Escola Politécnica da USP

Eduardo Seiji Yamada

Professor do Programa de Educação Continuada (PECE) da Escola Politécnica da USP

Associações: BCA e ASHRAE

Gerente técnico de sistemas prediais no Centro de Tecnologia de Edificações (CTE)

Enio Kato

Professor do Programa de Educação Continuada (PECE) da Escola Politécnica da USP

Associações: ABESCO, Ashrae, ABNT, ISO e AEE

Diretor da Nittoguen Engenharia

Leticia de oliveira Neves

Professora do Departamento de Arquitetura e Construção da Faculdade de Engenharia Civil,

Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp)

Membro da Diretoria do Chapter Brasil da ASHRAE

 15.1  �Eficiência energética e contexto energético

Os aspectos relacionados com o uso racional de recursos, principalmente água e energia, aumentaram em termos de importância, em função da demanda cada vez mais crescente e de suas limitadas fontes. Dessa forma, ações e movimentos da sociedade progridem na direção do aumento da eficiência dos diversos processos usados no dia a dia da população mundial.

 

Capítulo 16 - Análise de Investimentos Aplicada a Projetos de Energia

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16

Análise de Investimentos

Aplicada a Projetos de Energia

Virginia Parente

Instituto de Energia e Ambiente da USP

 16.1  Introdução

No competitivo ambiente de negócios, a capacidade de estimar corretamente o valor dos investimentos de uma empresa e a tomada de decisões conscientes são de fundamental importância tanto para gestores de estratégia como para profissionais nos mais variados níveis de uma organização. É fácil constatar que as principais decisões ao longo da vida das empresas e também dos indivíduos em suas vidas pessoais, têm, de modo geral, um impacto financeiro não desprezível.

Com efeito, nota-se que até mesmo decisões muito pessoais, como casar ou não casar, ter ou não ter filhos, fazer ou não um curso de pós-graduação, possuem desdobramentos financeiros consideráveis. Escolher entre o projeto x ou o projeto y, mudar ou não de emprego ou de cidade, tirar o dinheiro de uma aplicação para comprar um imóvel ou um carro, ou mesmo para participar de um empreendimento como sócio em vez de deixá-lo rendendo juros e com mais liquidez em um fundo de investimento ou Letra do Tesouro, são decisões do dia a dia de muitas pessoas. Além disso, são múltiplas as nossas possibilidades de escolha, diante das quais enfrentamos dilemas

 

Capítulo 17 - Questões Ambientais e Licenciamento Ambiental

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capítulo

17

Questões Ambientais e

Licenciamento Ambiental

Hirdan Katarina de Medeiros Costa

Advogada, Doutora em Ciências pelo Programa de Pós-Graduação em Energia, Pesquisadora Visitante PRH04/ANP/

MCTI/IEE/USP

Marilin Mariano dos Santos

Engenheira, Doutora em Ciências pelo Programa de Pós-Graduação em Energia

PatrIcia Helena Lara dos Santos Matai

Química, Doutora em Engenharia Química pela USP, Professora e Coordenadora do Curso de Engenharia de Petróleo da

USP, Professora do Programa de Pós-Graduação em Energia da USP

  17.1   �Impactos ambientais decorrentes do uso da energia: fontes primárias, conversão e usos finais

Cavalcante, Costa e Freitas (2004) já salientaram que os desenvolvimentos industrial e tecnológico ocorridos ao longo da história trouxeram sérias consequências ao meio ambiente. Costa (2012) aponta que o usufruto de alguns recursos pode encontrar limitações temporais em virtude de sua inerente esgotabilidade, que é o caso dos hidrocarbonetos, ou pelo abuso em seu uso, por exemplo, a poluição dos mananciais de água doce.

 

Capítulo 18 - Legislação e Regulação

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capítulo

18

Legislação e Regulação

Roberto Castro

Professor do Programa de Educação Continuada em Engenharia (PECE) da Escola Politécnica da USP

Maury Sergio Lima e Silva

Membro dos Conselhos Deliberativo e Editorial do Instituto Brasileiro de Estudos do Direito da Energia (IBDE)

 18.1  �Arcabouço regulatório e particularidades do setor elétrico brasileiro

O setor elétrico brasileiro constitui a indústria de energia elétrica no Brasil e representa o conjunto de atividades relacionadas com os segmentos de geração, transmissão, distribuição, comercialização, importação e exportação1 da energia elétrica. De maneira geral, denomina-se o setor elétrico como mercado.

As características climáticas, a vasta extensão territorial do

Brasil, a diversidade, as diferentes localizações geográficas das fontes de geração de energia elétrica disponíveis, além do acelerado crescimento na demanda, emprestam a essa indústria particularidades que a distinguem das demais indústrias de energia elétrica no mundo.

 

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