a história ilustrada
de um Saber
Energia
Por Marianne Zotin, Eduardo Müller Casseres, Lucas Gomes e Caroline Souza
em 24 de fevereiro de 2021
É graças ao entendimento das fontes energéticas que atualmente podemos ter mais eficiência na realização de atividades cotidianas
Energia é a capacidade de gerar trabalho. Tudo no mundo é movido, por alguma fonte primária de energia, que é transformada em calor, força motriz ou iluminação. A energia pode ser medida em joules e a potência, que é a rapidez com que a energia é gerada, é medida em watts.
escala de energia em watts
EM ESCALA LOGARÍTMICA
1 Watt é igual a 1 Joule por segundo
80W
1 watt
Corpo humano
em repouso
1 kW
Microondas
kilowatts
Mil Watts
50 - 130 kW
Carro em
movimento
megawatts
140 MW
1 milhão
de Watts
Boeing 747
em vôo
gigawatts
1 bilhão
de Watts
1 GW
Reator
nuclear
Combustíveis fósseis
recursos
renováveis
consumo global de energia por recurso em 2019
formados a partir da decomposição de seres vivos
50%
hidro
nuclear
6,4%
4,3%
éolica
gás
natural
petróleo
carvão
2,2%
33,1%
27,0%
solar
24,3%
1,1%
outros
1,6%
FONTE: OUR wORLD IN DATA
OBSERVAÇÃO: NÃO INCLUI BIOMASSA TRADICIONAL (LENHA, CARVÃO VEGETAL, ETC.).
O avanço das sociedades está atrelado ao controle de fluxos e estoques de energia, um movimento complexo devido à variedade de fontes de energia e a sua relação com o desenvolvimento social e econômico.
Combustíveis fósseis
recursos renováveis
Estoques de energia
fluxos intermitentes
dépositos de gás
RAIOS SOLARES
petróleo
VENTOS
carvão mineral
rios e MARÉS
Atualmente, uma transição energética está em curso, com o objetivo de frear mudanças climáticas e garantir abastecimento seguro de energia.
A era pré-industrial:
trabalho humano e animal
100 a.C.
1000
1700
2020
2.00.000 a.C.
As tecnologias de caça e coleta garantem aos nossos ancestrais melhores meios de subsistência. Milênios depois, o controle do fogo permite a sobrevivência em condições climáticas adversas. Isso aumenta a dispersão geográfica e a variedade na alimentação.
400.000 a.C.
10.000 a.C.
A agricultura é iniciada em várias partes do mundo, criando excedentes de alimento. As pessoas não precisam mais gastar energia e tempo percorrendo longas distâncias para encontrar fontes de subsistência.
100 a.C.
São construídos na Grécia as primeiras rodas d’água e na Mesopotâmia os primeiros moinhos de vento. Essas tecnologias reduzem a necessidade de trabalho humano para algumas aplicações.
No Século 10 as rodas d’água e os moinhos de vento são largamente utilizados na Europa Ocidental
Nessa máquinas, a força dos ventos e das correntes de água é convertida em energia mecânica útil.
Revolução industrial
e combustíveis fósseis
100 a.C.
1000
1700
1900
2020
século 18
Na Inglaterra, a revolução industrial transforma a produção e o consumo de energia. O crescimento populacional e a alta demanda por alimento, lenha e madeira pressionam as florestas. O carvão passa a ser usado em maior escala para aquecimento e para cozinhar alimentos, no lugar da lenha.
1775
O engenheiro escocês James Watt projeta o motor a vapor mais eficiente até o momento. A máquina a vapor tem como fonte de energia as ligações químicas do carvão, um recurso fóssil abundante e de alta densidade energética.
REINO
UNIDO
James
Watt
VAPOR
cilindro
pistão
caldeira
condensador
forno
água
A tecnologia da máquina a vapor se dissemina, aumentando a demanda global por carvão
Década de 1830
O físico norte-americano Joseph Henry e o inglês Michael Faraday, trabalhando separadamente, descobrem o fenômeno da indução eletromagnética. Seus trabalhos tornam-se a base para o desenvolvimento de motores e geradores elétricos.
Os experimentos mostram que um campo magnético pode produzir corrente elétrica em condutores
EUA
inglaterra
imã
fios de cobre
bobina
1879
Thomas Edison desenvolve em seu laboratório a lâmpada incandescente. Quatro anos depois, sua empresa constrói em Londres a primeira central geradora de eletricidade do mundo, movida a carvão.
EUA
Thomas
Edison
1882
A primeira usina hidrelétrica entra em operação nos EUA. A tecnologia utiliza o fluxo de água para movimentar uma turbina e gerar energia. Embora renovável, pode causar impactos socioambientais em função da construção de barragens.
barragem
linhas de
transmissão
gerador
RIO
canal
rio
turbina
1886
Os trabalhos dos inventores alemães Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach e Karl Benz dão origem ao motor ciclo Otto, um motor de combustão interna, adequado a veículos leves. A nova máquina utiliza gasolina como fonte de energia.
1893
O engenheiro alemão Rudolf Diesel cria um motor que possui maior eficiência térmica em comparação aos motores ciclo Otto e utiliza gasóleo (diesel), que possui maior densidade energética que a gasolina.
diesel
entrada
de ar
pistão
conforme a mistura de ar e de combustível se inflama e queima, ela empurra o pistão para baixo
Adequado a menores velocidades, o motor a diesel, também derivado do petróleo, ganha espaço no século 20, sendo utilizado desde então em caminhões, locomotivas, navios e maquinário pesado.
1908
O modelo Ford T é lançado no mercado norte-americano. O novo veículo, com vantagens de custo e confiabilidade sobre seus concorrentes (incluindo carros elétricos, a gás e a vapor), torna-se um marco do sucesso da combustão interna.
EUA
Com a produção em massa do Ford T, aumenta a demanda por petróleo
Transição energética
e mudanças climáticas
100 a.C.
1000
1900
2020
O uso de combustíveis fósseis, como o gás natural, o carvão e, principalmente, o petróleo, aumenta no século 20. Durante a 2ª Guerra Mundial, as tecnologias movidas a derivados de petróleo são mais eficientes do que aquelas à base de carvão, influenciando em parte na vitória dos aliados.
evolução do consumo mundial de energia por recurso
recursos
renováveis
160.000 TWh
(160 milhões de gigawatts-hora)
nuclear
120.000 TWh
gás
natural
carvão
80.000 TWh
petróleo
40.000 TWh
Biomassa
tradicional
(lenha, carvão vegetal, etc.)
1900
1950
2019
FONTE: OUR wORLD IN DATA
Década de 1950
Com o Plano Marshall, a recuperação econômica (e energética) na Europa do pós-guerra é alavancada com base no petróleo. Novos derivados como plásticos e lubrificantes surgem e com isso o mundo se torna mais dependente do óleo.
1954
A usina de Obninsk, na União Soviética, é a primeira a utilizar energia nuclear para gerar eletricidade. A energia elétrica gerada na usina nuclear é obtida a partir da fissão do átomo do urânio.
união
soviética
torre de
resfriamento
linhas de
transmissão
VAPOR
gerador
turbina
troca
entre água
fria e quente
água
década de 1970
As crises do petróleo expõem vulnerabilidades do sistema energético global pela dependência do combustível. Esforços são realizados para a substituição do petróleo por alternativas que assegurem o abastecimento de energia aos países.
década de 1980
São criados os primeiros sistemas eólicos e fotovoltaicos de larga escala. A fabricante Arco Solar é a primeira a produzir painéis solares com capacidade de geração de 1 MW por ano, em horário de pico.
vento
Turbina de uma
fazenda eólica
rotor
O gerador converte a energia mecânica das pás em elétrica
pás
gerador
transformador
linhas de
transmissão
sol
painel de uma
usina solar
negativo
O fluxo de elétrons entre as células gera uma corrente elétrica contínua
positivo
inversor
(corrente contínua
para alternada)
célula
fotovoltaica
transformador
(aumenta a tensão elétrica)
linhas de
transmissão
século 21
Diversos países definem metas e criam incentivos para a difusão de tecnologias de energia renovável por todo o mundo, como as Contribuições Nacionalmente Determinadas, no acordo de Paris em 2015.
O futuro da energia ainda é incerto. As fontes fósseis estão na base dos bens e serviços consumidos hoje, mas liberam gases que retém calor da atmosfera, gradualmente aquecendo o planeta e ameaçando a vida como conhecemos.
EVOLUÇÃO DO CONSUMO
médio DE ENERGIA POR PESSOA
20.000 kWh por pessoa
15.000
mundo
10.000
brasil
5.000
0
1965
1980
1990
2000
2010
2019
Assim como transições energéticas passadas, esta dependerá da mobilização de governos e da sociedade civil, além de recursos energéticos abundantes e do trabalho inovador de cientistas.
Produzido por Lucas Gomes
Pesquisa por Marianne Zotin (UFRJ) e Eduardo Müller Casseres (UFRJ)
Roteiro por Marianne Zotin, Eduardo Müller Casseres,
Lucas Gomes e Caroline Souza
Arte por Lucas Gomes
Desenvolvimento por Caroline Souza
Edição por Gabriel Zanlorenssi
©2021 Nexo Jornal
A série ‘A história ilustrada de um Saber’ conta com o apoio do programa de divulgação científica do Instituto Serrapilheira, uma instituição privada sem fins lucrativos, criada em março de 2017, com o objetivo de financiar pesquisas de excelência com foco em produção de conhecimento e iniciativas de divulgação científica.
Energia é a capacidade de gerar trabalho. Tudo no mundo é movido, por alguma fonte primária de energia, que é transformada em calor, força motriz ou iluminação. A energia pode ser medida em joules e a potência, que é a rapidez com que a energia é gerada, é medida em watts.
escala de energia em watts
EM ESCALA LOGARÍTMICA
1 Watt é igual a 1 Joule por segundo
80W
1 watt
Corpo humano
em repouso
kilowatts
1 kW
Mil Watts
Microondas
50 - 130 kW
Carro em movimento
megawatts
1 milhão de Watts
140 MW
Boeing 747
em vôo
gigawatts
1 bilhão
de Watts
1 GW
Reator
nuclear
consumo global de energia por recurso
em 2019
petróleo
petróleo
33,1%
Combustíveis
fósseis
formados a partir da decomposição de seres vivos
FONTE:
OUR wORLD
IN DATA
carvão
carvão
27,0%
50%
gás
natural
gás
natural
24,3%
recursos
renováveis
6,4%
hidro
4,3%
nuclear
éolica
2,2%
outros
1,6%
1,1%
solar
OBSERVAÇÃO: NÃO INCLUI BIOMASSA TRADICIONAL
(LENHA, CARVÃO VEGETAL, ETC.).
O avanço das sociedades está atrelado ao controle de fluxos e estoques de energia, um movimento complexo devido à variedade de fontes de energia e a sua relação com o desenvolvimento social e econômico.
Combustíveis
fósseis
recursos
renováveis
Estoques
de energia
fluxos
intermitentes
Gás natural
RAIOS SOLARES
petróleo
VENTOS
carvão mineral
rios e MARÉS
Atualmente, uma transição energética está em curso, com o objetivo de frear mudanças climáticas e garantir abastecimento seguro de energia.
Energia na era
pré-industrial
100 a.C.
1000
1700
2020
2.000.000 a.C
As tecnologias de caça e coleta garantem aos nossos ancestrais melhores meios de subsistência. Milênios depois, o controle do fogo permite a sobrevivência em condições climáticas adversas. Isso aumenta a dispersão geográfica e a variedade na alimentação.
400.000 a.C.
10.000 a.C.
A agricultura é iniciada em várias partes do mundo, criando excedentes de alimento. As pessoas não precisam mais gastar energia e tempo percorrendo longas distâncias para encontrar fontes de subsistência.
100 a.C.
São construídos na Grécia as primeiras rodas d’água e na Mesopotâmia os primeiros moinhos de vento. Essas tecnologias reduzem a necessidade de trabalho humano para algumas aplicações.
No Século 10 as rodas d’água e os moinhos de vento são largamente utilizados na Europa Ocidental
Nessa máquinas, a força dos ventos e das correntes de água é convertida em energia mecânica útil.
Revolução industrial
e combustíveis fósseis
100 a.C.
1000
1700
1900
século 18
Na Inglaterra, a revolução industrial transforma a produção e o consumo de energia. O crescimento populacional e a alta demanda por alimento, lenha e madeira pressionam as florestas. O carvão passa a ser usado em maior escala para aquecimento e para cozinhar alimentos, no lugar da lenha.
1775
O engenheiro escocês James Watt projeta o motor a vapor mais eficiente até o momento. A máquina a vapor tem como fonte de energia as ligações químicas do carvão, um recurso fóssil abundante e de alta densidade energética.
REINO
UNIDO
James
Watt
VAPOR
cilindro
pistão
caldeira
condensador
forno
água
A tecnologia da máquina a vapor se dissemina, aumentando a demanda global por carvão
Década de 1830
O físico norte-americano Joseph Henry e o inglês Michael Faraday, trabalhando separadamente, descobrem o fenômeno da indução eletromagnética. Seus trabalhos tornam-se a base para o desenvolvimento de motores e geradores elétricos.
EUA
inglaterra
imã
fios de cobre
bobina
Os experimentos mostram que um campo magnético pode produzir corrente elétrica em condutores
1879
Thomas Edison desenvolve em seu laboratório a lâmpada incandescente. Quatro anos depois, sua empresa constrói em Londres a primeira central geradora de eletricidade do mundo, movida a carvão.
EUA
Thomas
Edison
1882
A primeira usina hidrelétrica entra em operação nos EUA. A tecnologia utiliza o fluxo de água para movimentar uma turbina e gerar energia. Embora renovável, pode causar impactos socioambientais em função da construção de barragens.
barragem
linhas de
transmissão
gerador
RIO
canal
rio
turbina
1886
Os trabalhos dos inventores alemães Gottlieb Daimler, Wilhelm Maybach e Karl Benz dão origem ao motor ciclo Otto, um motor de combustão interna, adequado a veículos leves. A nova máquina utiliza gasolina como fonte de energia.
1893
O engenheiro alemão Rudolf Diesel cria um motor que possui maior eficiência térmica em comparação aos motores ciclo Otto e utiliza
gasóleo (diesel),
que possui maior
densidade energética
que a gasolina.
diesel
entrada
de ar
pistão
conforme a mistura de ar e de combustível se inflama e queima, ela empurra o pistão para baixo
Adequado a menores velocidades, o motor a diesel, também derivado do petróleo, ganha espaço no século 20, sendo utilizado desde então em caminhões, locomotivas, navios e maquinário pesado.
1908
O modelo Ford T é lançado no mercado norte-americano. O novo veículo, com vantagens de custo e confiabilidade sobre seus concorrentes (incluindo carros elétricos, a gás e a vapor), torna-se um marco do sucesso da combustão interna.
EUA
Com a produção em massa do Ford T, aumenta a demanda por petróleo
Transição energética
e mudanças climáticas
40.000 a.C.
100 a.C.
1000
1900
2020
O uso de combustíveis fósseis, como o gás natural, o carvão e, principalmente, o petróleo, aumenta no século 20. Durante a 2ª Guerra Mundial, as tecnologias movidas a derivados de petróleo são mais eficientes do que aquelas à base de carvão, influenciando em parte na vitória dos aliados.
evolução do consumo mundial de energia por recurso
160.000 TWh
recursos
renováveis
(160 milhões de
gigawatts-hora)
nuclear
gás
natural
120.000 TWh
carvão
80.000 TWh
petróleo
40.000 TWh
Biomassa
tradicional
(lenha, carvão vegetal, etc.)
1900
1950
2019
FONTE: OUR wORLD IN DATA
Década de 1950
Com o Plano Marshall, a recuperação econômica (e energética) na Europa do pós-guerra é alavancada com base no petróleo. Novos derivados como plásticos e lubrificantes surgem e com isso o mundo se torna mais dependente do óleo.
1954
A usina de Obninsk, na União Soviética, é a primeira a utilizar energia nuclear para gerar eletricidade. A energia elétrica gerada na usina nuclear é obtida a partir da fissão do átomo do urânio.
união
soviética
torre de
resfriamento
linhas de
transmissão
VAPOR
gerador
turbina
troca
entre água
fria e quente
água
década de 1970
As crises do petróleo expõem vulnerabilidades do sistema energético global pela dependência do combustível. Esforços são realizados para a substituição do petróleo por alternativas que assegurem o abastecimento de energia aos países.
década de 1980
São criados os primeiros sistemas eólicos e fotovoltaicos de larga escala. A fabricante Arco Solar é a primeira a produzir painéis solares com capacidade de geração de 1 MW por ano, em horário de pico.
vento
Turbina de uma
fazenda eólica
rotor
O gerador converte a energia mecânica das pás em elétrica
pás
gerador
transformador
linhas de
transmissão
sol
painel de uma
usina solar
negativo
positivo
O fluxo de elétrons entre as células gera uma corrente elétrica contínua
célula
fotovoltaica
inversor
(corrente contínua
para alternada)
transformador
(aumenta a tensão elétrica)
linhas de
transmissão
século 21
Diversos países definem metas e criam incentivos para a difusão de tecnologias de energia renovável por todo o mundo, como as Contribuições Nacionalmente Determinadas, no acordo de Paris em 2015.
O futuro da energia ainda é incerto. As fontes fósseis estão na base dos bens e serviços consumidos hoje, mas liberam gases que retém calor da atmosfera, gradualmente aquecendo o planeta e ameaçando a vida como conhecemos.
EVOLUÇÃO DO CONSUMO
médio DE ENERGIA POR PESSOA
20.000 kWh por pessoa
mundo
15.000
10.000
brasil
5.000
0
1965
1980
1990
2000
2010
2019
Assim como transições energéticas passadas, esta dependerá da mobilização de governos e da sociedade civil, além de recursos energéticos abundantes e do trabalho inovador de cientistas.
Produzido por Lucas Gomes
Pesquisa por Marianne Zotin (UFRJ) e Eduardo Müller Casseres (UFRJ)
Roteiro por Marianne Zotin, Eduardo Müller Casseres, Lucas Gomes e Caroline Souza
Arte por Lucas Gomes
Desenvolvimento por Caroline Souza
Edição por Gabriel Zanlorenssi
©2021 Nexo Jornal
A série ‘A história ilustrada de um Saber’ conta com o apoio do programa de divulgação científica do Instituto Serrapilheira, uma instituição privada sem fins lucrativos,, criada em março de 2017, com o objetivo de financiar pesquisas de excelência com foco em produção de conhecimento e iniciativas de divulgação científica.
