Desenvolvimento económico e energia (nuclear, eólica ou solar).

Como já referi, o desenvolvimento económico está ligado a mais e mais energia.

Se, inicialmente, o ser humano apenas usava a energia dos alimentos (uma potência média de cerca de 0,15kw), ao longo dos milénios foi acrescentando mais e mais energia à sua vida a ponto de hoje, um americano médio, utilizar 10 kw de potência, um aumento de mais de 60 vezes.

Nas últimas décadas, o consumo de energia cresceu induzido pelo aumento da população e do consumo per capita.

Como os países menos desenvolvidos usam muito menos energia que os países mais desenvolvidos, a previsão para o futuro é que vai haver um contínuo aumento das necessidades. Por exemplo, um americano médio utiliza tanta energia como 11 habitantes médios da Índia, Paquistão, Bangladesh, Filipinas e Indonésia (um total de 2150 milhões de pessoas).

O problema é que o "normal" acesso a energia está em crise.

Claro que podemos pensar que o problema parte apenas da ideia de que queimar carvão, petróleo ou gás natural (combustíveis fósseis) produz CO2 que tem um efeito nefasto no clima da Terra. 

Mas existe outro problema, é que essas fontes de energia, mais década, menos década, vão acabar. Neste momento, ainda não é um problema premente mas a sua escassez tem feito aumentar o custo da sua exploração. 

E ainda existe outro problema (para os países onde existem combustíveis fósseis), é que as novas tecnologias evoluem no sentido de o custo ser cada vez menor, uma evolução contrária ao que se observa no acesso aos combustíveis fósseis. 

Além dos combustíveis fósseis, existe o nuclear, o eólico e o solar.

Nuclear.

Uma central nuclear actual para produção de electricidade tem um investimento inicial na ordem dos 9000€/kw. Para uma taxa de juro real de 3%/ano (taxa nominal de 5%), amortização em 60 anos e uma disponibilidade de 93% do tempo, o custo de capital é de 0,04€/kwh. 

Ao custo de capital acresce o custo do combustível (cerca de 0,02€/kwh) e de manutenção e operação (outros 0,02€/kwh).

Desta forma, um investimento numa central nuclear tem um custo total na ordem dos 0,08€/kwh, cerca do dobro do custo de uma central a carvão (que emite CO2).

As centrais nucleares (e a carvão) produzirem continuamente, de dia e de noite, meses e meses a fio, sempre a debitar a mesma potência. Desta forma, quando existe menos consumo (durante a noite) as condições de mercado impõem um preço mais baixo (são as horas de "vazio" e de "super vazio").

Solar.

Os painéis solares traduzem um investimento, já instalados com o terreno e sistema eléctrico, de cerca de 900€/kw mas, comparando com o nuclear, o seu período de amortização é mais curto e a disponibilidade menor. Usando uma taxa de juro real de 3%/ano, amortização em 20 anos e uma disponibilidade de 20% do tempo, o custo de capital é de 0,035€/kwh, semelhante ao custo de capital da central nuclear.

Não tendo custos de combustíveis, com um custo de manutenção e operação de cerca de 0,015€/kwh, temos um custo total de produção na ordem dos 0,05€/kwh, semelhante ao carvão.

As centrais solares produzem apenas quando há luz solar. Em termos diários, a produção é máxima entre as 10h da manhã e as 14h da tarde e, em termos anuais, é máxima durante o Verão. Desta forma, terá que haver uma alteração do actual padrão do consumo de forma a que o consumo se concentre entre as 10h e as 14h e que os painéis estejam instalados em locais sem Inverno.

Para motivar os consumidores a mudar o padrão de consumo (e para responder às condições de mercado), quando a energia solar tiver um peso importante na produção de electricidade, esta será muito mais barata durante o dia (e caríssima durante a noite, produzida usando outra tecnologia, por exemplo, recuperada de baterias).

Eólica.

A fonte eólica é parecida com a solar (só produz durante 20% do tempo) mas não existe tanta regularidade no vento como na luz solar. Esta irregularidade coloca mais problemas no planeamento do uso da energia do que a energia solar. Por exemplo, é possível mover os turnos de trabalho para "todos os dias entre as 9h da manhã e as 15h da tarde (um total de 42 h/semana)"  mas não é possível mudá-los para "quando há vento".

Vou falar um bocadinho da sociedade no futuro solar.

O problema das pessoas é que, em presença de uma nova tecnologia, querem repetir o que estão habituadas a fazer. Vou dar o exemplo da "escrita".

Quando eu era criança, usava um lápis para escrever. Aprendi na escola como pegar no lápis e, com um caderno de duas linhas, como garantir que as letras "não fugiam" para cima. Com o passar do tempo, vieram os teclados e aprendi a escrever com quatro dedos (os dois do meio de cada mão). Vieram os telemóveis e os jovens adaptaram os polegares enquanto pegavam com ambas as mãos na máquina. Para os smartphones tivemos que adaptar o indicador direito enquanto segurávamos o bicho com a mão esquerda. 

E agora, o que faz a juventude? Já não escreve. Carrega num botão do whatsup com o polegar direito e fala. Assim que liberta o botão, já está, o som é enviado.

A localização em África dos painéis solares.

Existe um projecto para levar energia desde Marrocos até o Reino Unido.

A ideia é colocar painéis solares no deserto, onde existe uma insolação média de 6kwh/dia, com pequenas oscilações entre o Verão e o Inverno. Depois, usar um cabo eléctrico desde Marrocos até o Reino Unido onde existe, no Inverno, uma baixa insolação média, na ordem de 1kwh/dia.

Fig. 1 - Fornecimento de electricidade solar de Marrocos ao Reino Unido por cabo submarino.

Quanta energia se perde no transporte?

Perde-se pouca energia se a corrente for contínua. Perde-se na transformação de corrente alterna para corrente contínua (na origem) e vice versa (no destino) mas dois cabos de alumínio com 10cm de diâmetro e 2600 km, transportam 4000 MW a 525kv, (o equivalente a 4 reactores nucleares) com perda total de apenas 7% da energia (cerca de 54W/m).

Em termos económicos, o armazenamento terá que ser o mínimo possível.

Se for em barragens, "estraga os rios", se for com baterias, utiliza Lítio que é um recurso escasso.

Comecemos pelos automóveis eléctricos. 

Para alimentar com 10kwh/dia de electricidade (dá para 50km/dia) cada um dos 32 milhões de carros que existem no Reino Unido, será necessária um parque solar com capacidade de 60000 MW e em que a energia será transportada com 30 cabos submarinos de 10 cm de diâmetro.

Acresce o aquecimento que tem que ser armazenado em água aquecida durante o dia.

Se cada casa usar para aquecimento 75kwh/dia, terá que usar 15 kw durante as 5 horas diárias de maior produção, acumulando 60kwh de calor para as outras horas o que pode ser feito com água quente. Para isso é suficiente um depósito de água de 1000 litros (cilindro de 1,1 metros) que, durante o dia, aquece até aos 90ºC e, de manhã, tem a sua temperatura reduzida a 40ºC.

Pensando que há 10 milhões de casas no Reino Unido, temos que somar 140000 MW ao parque solar marroquino e 70 cabos.

No final, considerando o fornecimento sem necessidade de armazenamento em baterias, será necessário instalar 200000 MW de painéis solares, equivalente a 40 reactores nucleares (a trabalhar 24h/dia), ligados de Marrocos aos Reino Unido por 100 cabos eléctricos com 10 cm de diâmetro e 2600 km de extensão.

Tudo tecnologias que já existem mas é necessário mudar comportamentos!

Sobre o cometário do Pedro Alves.

Existe um cabo de 525 000 V capaz de transportar 2600 MW (NKT 525 kV extruded HVDC).

Nos cabos de alta tensão "descarnados" (as normais redes de Alta Tensão) usam-se "metros" de ar de isolamento porque o ar é "mau" isolante porque ioniza facilmente (efeito Corona), o que é medido pela 'rigidez dielétrica". Os isolantes sintéticos, por exemplo, o polietileno de elevada densidade, PET-HD, são muito melhores que o ar.

A rigidez dielétrica do ar é de 3 MV/m - milhões de voltes por metro (são necessários pelo menos 200 mm para isolar 525 kV) enquanto que o PET-HD é de 400 Mv/m (são necessários apenas 1,5 mm para isolar 525 kV). 

Se assim não fosse, não seria possível haver transformadores de muito alta tensão (onde os cabos dos enrolamentos são isolados com 1 mm de resina). Um transformador de 1000 MW em alumínio de 220V para 525000V precisa de cabos com 20 mm de espessura. Com isolante de 1mm, para termos 525 000 espiras precisamos de um transformador de 23m (23x23x23). Se o isolamento fosse de ar (200mm), o transformador teria 430 m (430x430x430), impossível de construir. 

Fig. - 2 - A relação de transformação é a relação entre o número de espiras.

Os cabos de alta tensão também precisam estar longe da vegetação, máquinas ou pessoas para que não haja acidentes.

E é fácil transformar electricidade contínua em alterna e vice-versa. Em termos simplista poderíamos transformar corrente alterna usando um motor de corrente alterna acoplado a um gerador de corrente contínua (um dínamo) e transformar corrente contínua em alterna acoplando um motor de corrente contínua a um gerador de corrente alterna (um alternador). Neste momento, usa-se electrónica de potência - tirístores.