Por Henrique Alves Bacco Fonseca, Eduardo Parma, Carina de Souza Teixeira Peraça e Letícia Maria Sampaio Barros

Muitas ou algumas das contribuições do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) e dos demais grupos de pesquisa que hoje constam em artigos científicos e patentes estarão presentes nas próximas tecnologias que usaremos para gerar e armazenar energia limpa. Por tudo isso, a ciência é uma das peças-chave para o desenvolvimento sustentável rumo a um futuro mais “verde”, o qual só será possível com o apoio e financiamento adequado à pesquisa científica.

A produção de energia limpa, segura e de qualidade, capaz de atender ao aumento populacional e acompanhar o desenvolvimento econômico, é um dos maiores desafios da sociedade moderna, dados os evidentes problemas associados ao aquecimento global e a falta de acesso à energia elétrica para muitos habitantes do planeta. Em relação aos efeitos ambientais, as mudanças climáticas deixaram de ser uma preocupação do futuro e já atingem a geração atual. Tais mudanças vêm sendo observadas de diferentes formas, como através de recordes de temperaturas, variação anormal no volume de chuva em diversas regiões, derretimento das calotas polares e até mesmo pela maior proliferação de vírus e aumento de doenças respiratórias. Tudo isso é causado pelo uso desenfreado da energia “suja”, que faz parte de mais de 85% da matriz energética global.

Tal energia é proveniente da queima de combustíveis fósseis, como o petróleo, o carvão e o gás natural, levando à liberação de gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera terrestre, principalmente o dióxido de carbono (CO2) e o metano (CH4). Além da emissão destes gases, a definição de energia “suja” também está relacionada ao uso de fontes não renováveis, ou seja, recursos que praticamente não se regeneram ou levam milhões de anos para isso. Nesse contexto, surge a necessidade da transição energética na matriz mundial, através do aumento na participação e busca por fontes alternativas e de energia limpa para substituir as fontes não renováveis, e que sejam sustentáveis.

Mas o que seria essa “energia limpa” e como está relacionada com sustentabilidade? Para que o leitor tenha uma noção a respeito dessas soluções, é importante deixar claro que as fontes de energia limpa não vão emitir GEE para a atmosfera durante sua geração, e o prejuízo ambiental estará ligado basicamente à instalação, ou seja, em uma escala local, e não global como no caso da queima dos combustíveis fósseis. Essas fontes, conhecidas como renováveis, podem utilizar, por exemplo, a energia proveniente do sol (solar), ou dos ventos (eólica) e da água (hidrelétrica) para girar turbinas na produção de energia elétrica. Fontes renováveis menos convencionais para a obtenção de energia podem ser obtidas através do movimento das marés (maremotriz), do calor proveniente do interior do nosso planeta (geotérmica), ou da queima de matéria orgânica e vegetal (biomassa). Esta última possui lugar de destaque no Brasil, dado pelo reaproveitamento do bagaço da cana-de-açúcar para geração de energia térmica e elétrica nas usinas. Nesse caso, a emissão de CO2 é compensada pela captura do gás pela planta durante a fotossíntese, fechando o ciclo do carbono. Outra fonte de biomassa é o lixo orgânico, que pode ser processado em biodigestores na produção do biogás para a geração de energia. Além disso, é crucial que essas fontes estejam relacionadas à sustentabilidade, onde todas as atividades envolvidas na sua geração e materiais envolvidos durante sua cadeia produtiva existam de maneira que não agridam o meio ambiente e sejam ecologicamente corretos.

Frente às dificuldades que vêm sendo enfrentadas no combate aos GEEs, aumentam-se as pressões internacionais pela adoção de medidas para conter o aquecimento global. Diversos encontros e acordos internacionais têm sido assinados, com metas para a redução de emissões de GEE. Entre esses encontros, destacam-se o Acordo de Paris, que estabelece metas para conter o aumento na temperatura média do planeta abaixo de 2°C até o final do século, e mais recentemente, a 26ª Conferência das Nações Unidas sobre Mudanças Climáticas (COP26), que tratou principalmente sobre as metas de controle de emissões dos gases do efeito estufa, definidas até 2030. Entre as metas mais discutidas está a descarbonização da matriz energética mundial, considerada uma das formas mais eficientes de combate ao aquecimento global, viabilizada por meio da transição energética, que visa a substituição da energia suja por fontes de energia limpa e renováveis.

Apesar dos atrativos da energia limpa como forma de diminuir consideravelmente a emissão de CO2 na atmosfera, precisamos entender que ela também gera impactos para o meio ambiente e possui algumas limitações. No caso da energia solar, por exemplo, são necessárias placas à base de silício para sua geração, levando à exploração deste metal. Tais placas possuem tempo de vida médio de 20 a 30 anos, precisando, portanto, de soluções para o descarte desse material sem prejudicar o meio ambiente. Já as turbinas usadas para geração de energia eólica necessitam de campos localizados a uma certa distância de áreas habitadas, pois geram poluição sonora e as pás das turbinas podem provocar a morte de animais que voam ou habitam no local. Além disso, as duas fontes já citadas são intermitentes, ou seja, não conseguem gerar energia 24 horas por dia, pois existe a oscilação diária, sazonal e também relacionada à disposição geográfica dos ventos e da luz solar.

Para tais limitações, seriam necessários meios eficientes e baratos de se armazenar a energia excedente e que possibilitassem seu uso nos momentos adequados. Poderíamos, por exemplo, armazenar essa energia em um banco de baterias, o que está ligado à utilização de diversos metais para a sua produção. Uma saída promissora também é o armazenamento da energia retirada de fontes limpas na forma de molécula de hidrogênio (H2). Para isso, podemos imaginar a utilização de energia renovável e limpa para quebrar a molécula de água, com a produção de gás oxigênio e gás hidrogênio. O H2 chama atenção por possuir uma grande densidade de energia por unidade de massa, o que permite obter energia através da quebra da ligação química utilizando menos quantidade de material.

Apesar das diversas possibilidades surgidas na última década, nem todas as soluções sustentáveis aplicam-se para todas as situações. É importante considerar que tanto as necessidades, quanto as soluções variam com o contexto econômico e com recursos naturais de cada país. Um bom exemplo desta questão está na produção de energia eólica que depende de mudanças na temperatura e nas correntes de ar, algo viável no centro-oeste dos EUA ou no litoral brasileiro, mas não em regiões distantes do mar [1]. Sendo assim, a elaboração de uma matriz energética deve considerar fatores históricos, culturais e geográficos de cada local.

Tais aspectos foram bastante enfatizados no Acordo de Paris, já mencionado no início desse artigo, onde 195 países definiram suas metas de mitigação de emissões e produção de energia limpa. Os países foram separados em 4 grupos: países menos desenvolvidos, países emergentes de pequena ilha, outros países emergentes e países desenvolvidos. O último grupo possui uma dívida histórica, visto a poluição que já promoveu. Além disso, estes países possuem grande potencial para investimento em tecnologias verdes, logo, seus compromissos foram definidos com maiores limitações na emissão de GEE. As outras classes apresentaram metas menos ambiciosas, a depender do crescimento econômico local, para que o Acordo não limite o desenvolvimento dessas regiões [2].

Porém, conforme já citado anteriormente, existe ainda uma forte dependência de combustíveis fósseis em todo o mundo, isso porque cada nação possui uma realidade,  história, cultura e economia diferentes. É desafiador, por exemplo, negociar com um país cuja economia é totalmente dependente da extração de petróleo e que não possui disponibilidade de recursos naturais. Também é  complicado  quando  um país desenvolvido, que enriqueceu às custas da queima de combustíveis fósseis e emissões dos GEE, não oferece suporte financeiro a países menos desenvolvidos, a fim de que eles possam alinhar seu crescimento econômico com a transição energética para fontes limpas. O diálogo não deve andar apenas na questão ambiental, sendo necessário também colocar nesta equação as questões sócio-econômicas. Portanto, quando o desenvolvimento econômico, social e ambiental andam em conjunto, temos o desenvolvimento sustentável, garantindo qualidade de vida para a geração atual sem comprometer as gerações futuras.

Apesar do enorme desafio, os benefícios do uso de energia limpa nos motivam na busca por soluções. Em termos de custo, por exemplo, essas energias tendem a se tornar mais baratas à medida que são produzidas, ao contrário dos combustíveis fósseis que ficam mais caros devido às dificuldades de extração cada vez mais acentuadas e também pela diminuição da sua disponibilidade. Nesse sentido, os Estados Unidos, um dos maiores emissores de CO2 do planeta, apresentam 12% de sua matriz energética advinda de fontes renováveis, sobretudo energia eólica [3]. Em um cenário mais positivo, a Alemanha registrou no primeiro semestre de 2022 que a energia advinda de fontes renováveis supriu 49% da demanda energética do país [4]. A produção de energia limpa alemã baseia-se em fontes como eólica, solar, geotérmica, biomassa, processamento de lixo e hidrelétricas.

O Brasil tende ao alinhamento com países de matriz  energética  mais  limpa, como a Alemanha, sendo uma nação de destaque no tópico, onde 45% de nossa energia provém de fontes renováveis. No setor de transporte, por exemplo, há um largo desenvolvimento em biocombustíveis, onde os postos de gasolina brasileiros apresentam bombas dedicadas ao etanol. Mesmo que este produto possua uma menor participação no abastecimento de veículos leves [5], quando comparado à gasolina, o etanol possui um aumento de investimentos públicos, de modo a incentivar a maior participação dele e de outros biocombustíveis no setor de transporte, a exemplo do programa RenovaBio. Porém, o maior destaque no tópico de energia limpa no país se deve à grande participação das hidrelétricas, que compõem 60% de toda energia elétrica produzida no Brasil. Entretanto, a construção de mais hidrelétricas, pelo menos no sentido tradicional, pode não ser a melhor das opções. Um grande problema  se encontra nos impactos sociais e ambientais associados à instalação dessas usinas, visto o alagamento que invariavelmente ocorre em grandes áreas ao redor da usina [6]. Outro ponto negativo é a dependência do regime de chuvas, que pode levar a perdas no período de secas. Lembremos da seca de 2021, que afetou usinas hidrelétricas importantes, como a de Itaipu. Tivemos que pagar bandeira vermelha na conta de energia, já que fomos forçados a produzir energia em termoelétricas, uma forma mais cara de produção de energia, além de poluir o meio ambiente [7].

Se não com a energia hidrelétrica, então o Brasil deve buscar limpar sua matriz com outras tecnologias, como a energia eólica e solar. Temos feito esforços para implementar a primeira das opções: a fonte eólica já corresponde a mais de 10 % da nossa eletricidade, fruto de investimentos nacionais realizados nos últimos 10 anos [8]. Já a energia solar, apesar da sua participação tímida em torno de 2,5%, tem projeções para continuar se expandindo em decorrência do retorno rápido de capital, uma média de 5 anos após o investimento no setor. Mas ainda há muito espaço para crescimento interno, e para isso, podemos nos inspirar em exemplos de sucesso no exterior. Por exemplo, os Estados Unidos estão implementando turbinas eólicas de pequeno porte para a alimentação de residências ou outras instalações menores. Esse é um mercado ainda inexplorado no Brasil, e pode dar autonomia energética a pequenas comunidades [9]. Outro evento que podemos observar atentamente é o crescente uso de energia solar na Alemanha, tido como o padrão ouro na implementação da tecnologia [10]. O sucesso para a expansão dessas tecnologias envolve tanto aspectos técnicos (certificação, cadeia de produção  etc.) quanto econômicos, tornando valioso nosso diálogo com os países que possuem estas experiências positivas.

Os problemas das mudanças climáticas atingem a todos em uma escala global e fica claro que estamos buscando meios de resolvê-los a curto e a longo prazo. Mesmo com a urgência por serem resolvidos, ainda existe a esperança e a expectativa de que iremos contornar e nos adaptar como uma só população, uma só espécie. Não é hora de focarmos nas diferenças ou de pensarmos em cada nação separadamente, visto que os problemas que estão por vir serão (e já estão sendo) sentidos em todos os lugares do planeta.

É nesse cenário que a ciência se destaca, cumprindo um papel muito importante na transição energética. De fato, para que essa mudança seja possível e ocorra de maneira sustentável, existe a necessidade de novos materiais e processos que sejam eficientes, não agridam o meio ambiente, tenham custo acessível e possam ser realizados na escala industrial.

No mundo, são muitos os grupos de pesquisa que estão atuando no estudo e desenvolvimento de tecnologias para a transição energética. Um exemplo no Brasil é o Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), do qual os autores deste artigo somos membros, que reúne cerca de 300 pesquisadores ligados a oito universidades e institutos de pesquisa públicos localizados no estado de São Paulo. O centro tem financiamento da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e da Shell. Desde a sua criação em 2018, os pesquisadores do CINE, junto a seus colaboradores do Brasil e do exterior, têm se dedicado a compreender as limitações das tecnologias necessárias para a transição energética, bem como a propor formas de superá-las. Mais especificamente, os pesquisadores do CINE fizeram importantes contribuições científicas para o desenvolvimento de baterias e supercapacitores, células solares alternativas, células a combustível, componentes para carros elétricos movidos a etanol, sistemas para produzir hidrogênio de forma sustentável e processos para transformar GEE em matérias-primas para a indústria.

Muitas ou algumas dessas contribuições do CINE e dos demais grupos de pesquisa que hoje constam em artigos científicos e patentes estarão presentes nas próximas tecnologias que usaremos para gerar e armazenar energia limpa. Por tudo isso, a ciência é uma das peças-chave para o desenvolvimento sustentável rumo a um futuro mais “verde”, o qual só será possível com o apoio e financiamento adequado à pesquisa científica.

Henrique Alves Bacco Fonseca é bacharel em Química com ênfase em Química Ambiental pela Universidade de São Paulo, no Instituto de Química de São Carlos, onde, atualmente, faz doutorado em físico-química. Faz parte do Grupo de Teoria Quântica de Nanomateriais (QTNano), e sua pesquisa é baseada na investigação de materiais 2D como candidatos a catalisadores para a transformação de CO2 em materiais com valor agregado. henrique.alves.fonseca@usp.br

Eduardo Parma é bacharel em Química pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), e atualmente é doutorando em Química pela mesma universidade.   Sua pesquisa envolve a simulação de baterias de íon-lítio, buscando desvendar os processos que levam às oscilações de potencial elétrico no dispositivo. e170193@dac.unicamp.br

Carina de Souza Teixeira Peraça tem mestrado em Física pela Universidade Federal de Pelotas (UFPEL) e Licenciatura em Física pela mesma instituição. Atualmente, integra o Grupo de Teoria Quântica de Nanomateriais (QTNano) e o Centro de Inovações em Novas Energias (CINE), como doutoranda do Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo (IQSC-USP). Sua pesquisa é focada na conversão de gases de efeito-estufa em insumos para produção de energia limpa. carinaperaca@usp.br

Letícia Maria Sampaio Barros é bacharel em Engenharia Química pela Universidade Federal de Alagoas (UFAL) e tem mestrado na mesma área pela Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Atualmente, é doutoranda da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, integrante do CINE  e  do  grupo “Brazilian Renewable Energies” (BRE). Sua pesquisa envolve o desenvolvimento e caracterização de eletrodos para células combustíveis de terceira geração. Em 2022, recebeu o “Prêmio Inventores Unicamp”. l262798@dac.unicamp.br

Os   autores    recentemente    participaram    do    curso    “Growing Intercultural Global Energy Leaders”, uma parceria do CINE com o Center of Innovative and Strategic Transformation of Alkane Resources (CISTAR). O curso foi oferecido na Universidade Purdue, nos Estados Unidos, com o intuito de apresentar técnicas para melhores interações interculturais, com foco na colaboração internacional para o desenvolvimento de novas soluções em energia.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio da FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, processos número 2021/05728-9, 2020/12632-5 e 2021/03357-3), à FUNDEP/FEQ/Rota 2030-Protot. Células Combustível (Convênio 5816), à Shell e à importância estratégica do apoio da ANP (Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis), por meio do regulamento da Taxa de P&D.

Referências 

[1] Renewable Energy vs Sustainable Energy: What’s the Difference? 2021; https://sais.jhu.edu/articles/renewable-energy-vs-sustainable-energy/

[2] Pauw, ; Mbeva, K.; van Asselt, H. Subtle Differentiation of Countries’ Responsibilities under the Paris Agreement. Palgrave Communications 2019, 5, 86, DOI: 10.1057/s41599-019-0298-6

[3] Renewable Energy Explained. 2022; https://www.eia.gov/energyexplained/renewable-sources/

[4] Germany’s  Renewables   Output   Climbs    to    49 %    of    Power    Demand in First Half of 2022; https://www.cleanenergywire.org/news/germanys-renewables-output-climbs-49-power-demand-first-half-2022

[5] BEN, Relatório Síntese 2022; https://www.epe.gov.br/sites-pt/publicacoes-dados-abertos/publicacoes/PublicacoesArquivos/publicacao-675/topico-631/BEN_S%C3%ADntese_2022_PT.pdf

[6] Carvalho, N.; Viana, D. B.; de Araújo, M. M.; Lampreia, J.; Gomes, M.; Freitas, M. How likely is Brazil to Achieve its NDC Commitments in the Energy Sector? A Review on Brazilian Low-carbon Energy Perspectives. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2020, 133, 110343.

[7] Crise Hídrica: Uso de Termelétricas tem Impacto em Setores  da  2021;  https://g1.globo.com/jornal-nacional/noticia/2021/06/16/crise-hidrica-uso-de-termeletricas-tem-impacto-em-setores-da-economia.ghtml

[8] IEA Countries: 2022; https://www.iea.org/countries/brazil

[9] Chagas, C. M.; Pereira, M. G.;  Rosa, L. P.;  da Silva, N. F.;  Freitas, M.V.; Hunt, J. D. From Megawatts to Kilowatts: A  Review  of  Small  Wind Turbine Applications, Lessons From The US to Brazil. Sustainability 2020, 12, DOI: 10.3390/su12072760

[10] Doliveira, S. L. D.; Franco, A. C.; Barbosa, C.  T.;  Franco,  L.;  Kuasoski,  M.; Mangoni, S. S. The Evolution Potential of Photovoltaic Energy: A Comparative Study Between Brazil and Germany. Environmental Progress & Sustainable Energy 2022, e13874, DOI: https://doi.org/10.1002/ep.13874