Na trilha da energia

Dominando a energia

No momento em que o homem aprendeu a controlar o fogo, realizou sua primeira grande conquista energética, passando a utilizar a natureza de forma inteligente, para se aquecer, cozinhar e se proteger.

Ao longo dos séculos, outros recursos naturais - como a água, o carvão, o gás e o petróleo - foram utilizados como fontes energéticas e aproveitados pela humanidade para gerar luz, calor e movimento.

Hoje a ciência define energia como a capacidade de realizar um trabalho ou mudanças de estado. Para chegar a este conceito, o homem teve de usá-la, entendê-la e reconhecer seus diversos estágios, formas e fontes.

Estágios da energia

O potencial dos recursos que brotam e são extraídos pelo homem da natureza é chamado de energia primária.

As fontes de energia primárias não renováveis são aquelas que correm o risco de se esgotar por serem utilizadas em velocidade maior do que o tempo necessário para a sua formação. É o caso dos combustíveis fósseis (carvão mineral, petróleo, gás natural) e dos combustíveis radioativos (urânio, tório, plutônio, entre outros).

As fontes primárias renováveis, ao contrário, são as que podemos considerar permanentemente disponíveis (sol, rios, mares, ventos) ou aquelas que os seres humanos podem manejar de acordo com a necessidade, como a biomassa, obtida da cana-de-açúcar, da casca do arroz e de resíduos animais, humanos e industriais.

O resultado da conversão da energia primária, ou seja, da transformação de fontes primárias, renováveis ou não, em calor, força, movimento etc., é chamado de energia secundária ou energia derivada.

Já a energia utilizada pelos consumidores residenciais ou industriais, na cidade ou no campo, é denominada energia final e alguns de seus melhores exemplos são a eletricidade e a gasolina.

Tipos básicos

Há dois tipos básicos de energia: a energia potencial e a energia cinética.

A energia potencial é a energia armazenada por um corpo, também chamada de energia de posição. Por exemplo, as águas do rio Iguaçu têm energia potencial; uma pedra no alto de uma montanha também.

Quando empurramos a pedra e ela começa a se movimentar, sua energia potencial se transforma em energia cinética. As águas do rio Iguaçu, ao caírem em cascata, também transformam sua energia potencial em energia cinética, e se tornam capazes de exercer força e movimentar as pás de uma turbina.

A velocidade da pedra, tanto quanto a força das águas, vão depender da sua energia potencial anterior, ou seja, da sua massa e da altura em que se encontrava. Quanto maior a pedra e mais elevada a sua posição, maior será a energia cinética que ela vai gerar.

Durante o trajeto, tanto a pedra quanto a água apresentam, ao mesmo tempo, os dois tipos de energia, sendo que a energia cinética vai se transformar em energia potencial no fim do caminho.

Formas e Fontes

Quando uma força é aplicada sobre um corpo, fazendo com que ele se desloque por um determinado espaço, dizemos que esta força realizou um trabalho mecânico. Esta é uma forma comum de manifestação da energia, denominada energia mecânica.

A queima ou combustão de um recurso natural - como a lenha ou o carvão - gera calor que é também outra forma comum de manifestação da energia, chamada de energia térmica.

A energia que flui do interior da Terra sob a forma de calor é a energia geotérmica. Ela se concentra nas rochas quentes e secas que se encontram em profundidades que variam entre 3 a 5 Km.

Há ainda a energia radiante ou energia de radiações eletromagnéticas, como a luz e o calor do sol, as ondas de rádio e televisão, os raios X e as microondas.

Já a energia nuclear, também chamada energia atômica, é obtida por alterações no núcleo de um átomo pela fissão ou quebra de núcleos pesados (urânio, tório e plutônio), seja pela fusão ou junção de núcleos leves, como o do hidrogênio.

Energia química é a energia liberada ou formada em uma reação química, como acontece nas pilhas e baterias.

Uma das mais importantes características da energia é a sua capacidade de transformação de uma forma para outra. E estas transformações podem ser controladas. Por exemplo: quando ligamos o motor de um carro, a energia química da bateria se transforma em energia elétrica, que produzirá trabalho fazendo girar o motor. Em seguida, a energia potencial da gasolina se transformará em energia cinética e moverá os pistões que fazem as rodas girar. Ao desligarmos o motor, todas as transformações cessam.   

Cadeias energéticas

Chamamos de cadeia energética o conjunto de atividades necessárias para que alguns tipos de energia cheguem onde queremos usá-la. Essas atividades estão relacionadas à obtenção de energia primária, sua transformação em secundária nos centros de transformação e seu transporte de um ponto a outro até o seu consumo final.

Atualmente geramos energia secundária em usinas, destilarias e refinarias, a partir de diversos recursos naturais como a água, o petróleo, a cana-de-açúcar, a lenha, o carvão e o gás natural. Depois, nós a transportamos para as grandes e pequenas cidades, já como energia final, na forma de eletricidade, álcool, gasolina, óleo e gás.

No caso do petróleo, por exemplo, podemos verificar que ele é transportado do poço de onde é extraído para a refinaria por um oleoduto ou navio tanque. Depois é transformado em subprodutos como a gasolina e o óleo diesel e transportado novamente por caminhões-tanque, até os postos distribuidores, onde será adquirido pelo consumidor final. Esta é a cadeia energética do petróleo.

Termodinâmica

A Termodinâmica é o ramo da Física que estabelece as leis básicas da energia e nos ajuda a compreender melhor a sua natureza. Ela estabeleceu dois princípios importantes, que devemos conhecer.

A Lei da Conservação de Energia, que diz que a energia não pode ser criada nem destruída e considera imutável a quantidade total de energia no mundo. Essa seria, na verdade, uma versão da Física para o Princípio de Lavoisier: "na natureza nada se perde, nada se cria, tudo se transforma".

E a Lei da Entropia demonstra que, quando há transformação, a qualidade da energia permanece igual ou diminui. Jamais aumenta.

Medindo a energia

A energia pode ser medida e para cada forma de energia existe uma unidade de medida apropriada. Por exemplo, o Joule (J) é a unidade para o trabalho; a Caloria (cal) é a unidade para o calor e o Watt (W) é a unidade para a eletricidade. Já os múltiplos das três unidades são expressos assim:

Quilo (K) = Mil

Mega (M) = Milhão

Giga (G) = Bilhão

Terá (T) = Trilhão

No caso particular do petróleo, podemos medir a quantidade de energia utilizando a unidade denominada Tonelada Equivalente de Petróleo (TEP), que corresponde aproximadamente a 10.800 milhões de calorias.

E já que o fator "tempo" interfere nas transformações energéticas, que podem acontecer mais rápida ou lentamente, é importante saber calcular a potência das fontes de energia.

Uma fonte energética possui uma alta potência quando realiza o trabalho em pouco tempo. Assim, se outra fonte realiza o mesmo trabalho em um tempo maior, dizemos que ela é menos potente. Quanto mais rápida a transformação, maior a potência desenvolvida.

A potência é calculada dividindo-se a quantidade de energia utilizada pelo período de tempo no qual ocorreu a transformação energética.

Energia elétrica

A energia elétrica é a única forma de energia que pode ser transportada com facilidade, através de condutores (geralmente fios de metal, como o cobre, ou cabos). Esta característica e a facilidade com que pode ser obtida a partir de todos os outros tipos de energia tornaram a eletricidade a principal fonte de luz, calor e força utilizada no mundo de hoje.

Conceitos

Para falar de energia elétrica é preciso primeiro compreender os conceitos de tensão e de corrente elétrica.

Tensão ou voltagem é a medida da energia potencial dos aparelhos e equipamentos que utilizam energia elétrica como força motriz. A unidade utilizada para esta medida é o Volt (V). Podemos verificar informações sobre a voltagem em todos os aparelhos eletrodomésticos, que geralmente possuem 110 V ou 220 V.

Corrente elétrica é como chamamos o movimento ordenado das cargas elétricas através dos condutores. O Ampère (A) é a unidade de medida das correntes elétricas.

As correntes elétricas podem ser contínuas ou alternadas. A corrente contínua (CC) é aquela que não muda de sentido, ou seja, as cargas se deslocam sempre na mesma direção. Já na corrente alternada (CA) as cargas se deslocam alternadamente num e no outro sentido.

Já a interferência dos elementos condutores, na passagem da corrente elétrica, é medida pela grandeza física chamada Resistência (R). A corrente será maior quando a resistência for menor e vice-versa.

Sistemas Elétricos

Para que nossa civilização pudesse chegar ao estágio atual foi preciso, primeiro, desenvolver a produção de energia elétrica em larga escala e com custos reduzidos, isto é, em grande quantidade. Para tanto, foram desenvolvidos sistemas elétricos complexos, com diversos elementos, equipamentos e conexões.

As principais etapas de um sistema elétrico são a geração, a transmissão, a distribuição e o consumo.

Para cada uma destas etapas existem elementos fundamentais. No caso da geração, as usinas geradoras; na transmissão, as subestações elevadoras de tensão e as linhas de transmissão; já na distribuição, as subestações abaixadoras de tensão e o sistema de distribuição; no consumo, que é a etapa final, temos as máquinas, os aparelhos eletrodomésticos, as lâmpadas e os equipamentos elétricos em geral.

Geração

O primeiro passo para produzir energia elétrica é obter a força necessária para girar os gigantescos sistemas de hélices, denominados turbinas, que movem os eixos responsáveis pela produção de energia e que, geralmente, são chamados de geradores ou alternadores. Esta força pode ser obtida de diversas formas, sendo que as três mais utilizadas atualmente são:

# a força das águas: energia hidrelétrica

# a força do calor: a energia termelétrica

# a força dos átomos: a energia nuclear

A força das águas (energia hidrelétrica)

Em países como o Brasil, a Itália, o Japão e o Canadá, que possuem rios com grandes desníveis, uma das soluções mais econômicas para fazer girar turbinas é aproveitar a força das águas, construindo usinas hidrelétricas. Em uma usina desse tipo, o rio é represado por uma barragem onde são instalados grandes tubos inclinados onde se abrigam as turbinas. A água desce pelos tubos e faz girar o sistema de hélices, movimentando o eixo dos geradores.

A força do calor (energia termelétrica)

Em regiões ou países com poucos recursos hidrográficos, mas com boas reservas de óleo, carvão ou gás, é possível girar turbinas com a força do vapor resultante da queima desses combustíveis. Para isso, são construídas usinas termelétricas. Nelas, as caldeiras consomem uma quantidade enorme de recursos e mantém a pressão do vapor alta o bastante para que ele possa produzir o movimento das hélices das turbinas e dos eixos dos geradores.

A força dos átomos (energia nuclear)

Na natureza, algumas substâncias, como o urânio, têm núcleos atômicos extremamente pesados e instáveis que podem ser divididos em partículas menores se forem bombardeados por nêutrons. O nêutron, ao atingir um núcleo de urânio, provoca sua quebra em dois núcleos menores e a liberação de mais nêutrons que, por sua vez, irão atingir outros núcleos e provocar novas quebras. É uma reação em cadeia e, no momento em que se dividem os núcleos emitem calor na forma de radiação.

A velocidade de uma reação em cadeia pode ser de dois tipos: não-controlada e controlada. No primeiro caso, a reação ocorre muito rapidamente (em menos de 1 segundo), liberando enorme quantidade de energia. É o que acontece, por exemplo, na explosão da bomba atômica. No segundo caso, a reação é controlada pelos chamados reatores de fissão nuclear, permitindo aproveitar a energia liberada e evitar explosões.

Transmissão

As usinas de energia elétrica geralmente são construídas longe das cidades. Por isso, a eletricidade que sai da casa de força dessas usinas tem de viajar bastante até chegar aos centros consumidores.

A eletricidade é transportada para as cidades através de cabos. Fora dos centros urbanos, os cabos são aéreos, revestidos por camadas isolantes e fixados em grandes torres de metal. O conjunto desses cabos forma uma rede de transmissão . As peças mais importantes nas torres de transmissão são os grandes elementos isolantes de vidro ou porcelana que sustentam os cabos e impedem descargas elétricas.

A eletricidade produzida nos grandes geradores ou alternadores das usinas é, como sugere o nome, de corrente alternada, ou seja, está em constante movimento ora em um sentido, ora no outro, o que facilita sua transmissão a grandes distâncias.

Durante o percurso entre as usinas e as cidades, a eletricidade passa por diversas estações, onde aparelhos chamados transformadores aumentam ou diminuem sua voltagem - a tensão elétrica.

Ao elevar a tensão elétrica no início da transmissão, os transformadores evitam acidentes e a perda excessiva de energia ao longo do caminho.

Distribuição

As subestações, que se situam próximas aos centros de consumo, ao diminuírem as tensões elétricas, permitem a distribuição da energia elétrica nas cidades. A partir delas, os cabos prosseguem por via aérea ou subterrânea, formando as redes de distribuição.

Apesar de mais baixa, a tensão utilizada nas redes de distribuição não é adequada para o consumo imediato. Assim, transformadores menores são instalados nos postes de rua para reduzir ainda mais a voltagem da energia que vai diretamente para as residências, o comércio e outros locais de consumo.

O consumo de uma localidade pode ser medido, o que facilita o planejamento das empresas distribuidoras de energia. A representação gráfica desse consumo é chamada de Curva de Carga e, geralmente, a medição é feita por hora. Chamamos de horário de pico o momento em que aquela localidade utiliza maior quantidade de energia elétrica. Nos centros urbanos, o horário de pico se dá por volta das 18 horas, quando escurece e, normalmente, as pessoas chegam em casa do trabalho.

Vale observar que a curva de carga varia de acordo com a estação do ano e com a região do país, pois o nível de luminosidade e o clima, entre outros fatores, têm influência no consumo de energia elétrica.

No Brasil, o fornecimento de energia elétrica é feito por meio de um grande e complexo sistema de usinas geradoras, que podem ser hidrelétricas, termelétricas ou nucleares, subestações e linhas de transmissão interligadas. A operação é feita pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS) órgão responsável pela integração das diversas empresas geradoras e distribuidoras de energia.

No sistema interligado, os principais centros geradores não são identificados pelas empresas donas das usinas e sim pelos nomes das bacias hidrográficas nas quais elas se localizam. Isto porque qualquer alteração ou interferência nas partes mais altas da bacia prejudica também as áreas localizadas nas planícies ou nas partes mais baixas da região. A gestão dos sistemas por bacia hidrográfica permite um uso mais racional das águas do país.

Apesar de o sistema interligado fornecer energia para a maior parte do país, alguns sistemas isolados também são utilizados, principalmente nas Regiões Norte e Nordeste. Os sistemas isolados geram a energia que vai ser consumida em uma determinada localidade ou até mesmo por uma só indústria. Geralmente são constituídos por usinas hidrelétricas e termelétricas a diesel ou a gás natural, de pequeno ou médio porte.