Quanta energia renovável há disponível na Terra?

Com informações do Empa

Toda a energia da Terra é, em última instância, irradiada para o espaço - é por isso que há tanto interesse no chamado resfriamento radiativo, ou refrigeração passiva.
[Imagem: NASA]

Fluxos de materiais e fluxos de energia

Que a Terra tem seus limites em termos de energia, é algo sobre o que já temos uma noção muito firme.

É por isso que governos e instituições em todo o mundo estão defendendo o conceito de economia circular. Ao fechar os ciclos dos materiais, os impactos ambientais associados à extração de matérias-primas podem ser evitados e o problema dos resíduos pode ser resolvido em grande medida.

Essa abordagem, no entanto, não é por si só suficiente para construir uma sociedade sustentável, uma vez que deixa em aberto a questão de quanto e com que rapidez os materiais podem ser reciclados e quanta energia é usada para alimentar esses ciclos.

Afinal, em uma sociedade verdadeiramente sustentável, não apenas os fluxos de materiais, mas também os fluxos de energia devem permanecer dentro dos limites estabelecidos pelo nosso planeta.

A questão-chave é, portanto: Há energia renovável suficiente disponível na Terra para gerenciar de forma sustentável os fluxos de materiais sem violar os limites planetários?

Esta questão está sendo investigada por uma equipe liderada pelo professor Harald Desing, do Laboratório de Tecnologia e Sociedade, ligado ao EMPA, na Suíça.

Esquema para quantificação do estoque de energia renovável da Terra.
[Imagem: Harald Desing et al. - 10.3390/en12244723]

Energia limpa sem limites?

Se olharmos para a Terra como um sistema, ela só troca energia com o espaço. De longe, a maior parte da energia trazida para o sistema terrestre é a radiação solar, complementada por pequenas contribuições do movimento planetário e da energia geotérmica. Esses fluxos de energia sempre foram usados inteiramente pela própria Terra, alimentando seus vários subsistemas, como os oceanos, a atmosfera e as florestas, bem como a geração das superfícies de gelo reflexivas.

A maioria desses subsistemas converte a energia recebida em fluxos de energia renováveis adicionais, por exemplo, as correntes de vento e água ou a produção de biomassa. Nessas conversões, a energia livre, chamada exergia, é extraída dos fluxos de energia que chegam.

À medida que a humanidade desvia cada vez mais fluxos de energia renovável para suas atividades, as partes disponíveis para o sistema terrestre são reduzidas. O sistema terrestre pode compensar esses desvios até certo ponto. No entanto, se eles forem muito grandes, aumenta o risco de ultrapassar os chamados "pontos de inflexão". Isso resultaria em mudanças rápidas e irreversíveis no sistema terrestre, como o derretimento das calotas polares, o que por sua vez aceleraria as mudanças climáticas.

A fim de não exceder esses pontos de inflexão, a área de terra ocupada pela tecnosfera não deve exceder um determinado limite planetário - que não sabemos ainda qual é. Contudo, além da escala, a forma como a terra é usada também é crucial: Usinas de energia solar, em vez de florestas, por exemplo - é apenas um exemplo, já que não há propostas de derrubar florestas para instalar painéis solares - atrapalhariam a biodiversidade, a evaporação e, portanto, o ciclo da água, a irradiação de calor de volta ao espaço e muito mais.

Esses limites máximos para ocupação da terra não se aplicam apenas ao uso direto da energia solar, mas também à colheita da chamada energia química - isto é, à agricultura e silvicultura, que produzem alimentos e forragens, materiais de aquecimento, combustíveis e materiais de construção. Aqui, a produção de energia para uso humano, incluindo os biocombustíveis, já compete com a produção de alimentos em muitas áreas.

Há muita energia na Terra, mas apenas uma parte pequena dela pode ser desviada da manutenção do próprio sistema planetário.
[Imagem: Harald Desing et al. - 10.3390/en12244723]

Eletricidade como moeda universal

Para poder comparar ou somar os diversos potenciais de energias renováveis, os pesquisadores os converteram em equivalentes de energia elétrica.

Para fazer essa conversão, foram levadas em consideração as eficiências das tecnologias das usinas disponíveis hoje, já que faz diferença se a eletricidade é gerada a partir de energia solar, queima de madeira ou carvão ou energia hidrelétrica. Essas perdas de conversão reduzem a possível colheita de alguns potenciais de forma significativa.

O resultado do estudo é surpreendente: 99,96% da energia que chega à Terra vinda do espaço é necessária para alimentar o próprio sistema terrestre e a produção de alimentos - portanto, apenas 0,04% pode ser usado tecnicamente.

Embora pareça pouco, esse potencial ainda é cerca de dez vezes maior do que a demanda global de energia de hoje.

Um outro resultado, por outro lado, não é surpreendente quando olhamos para as perdas de conversão: Devemos preferir colher e usar a energia disponível por meio da conversão direta da energia solar. Afinal, quase todos os recursos de energia renovável - incluindo eólica, hidrelétrica e produção de biomassa - são, em última análise, movidos a energia solar. O uso direto de energia solar, portanto, significa menos etapas de conversão e, desta forma, menos perdas.

Outra tecnologia em desenvolvimento a ser considerada em futuros estudos inclui as células termovoltaicas, que geram eletricidade à noite aproveitando o frio do espaço.
[Imagem: Masashi Ono]

Fotovoltaicos em todas as superfícies feitas pelo homem

Grande parte da energia do Sol poderia ser colhida de uma pequena porção dos desertos da Terra, mas isso é técnica e logisticamente problemático.

Assim, a equipe propõe que a energia solar deve ser colhida em superfícies já "tampadas" em todo o mundo, o que inclui telhados e fachadas, mas também estradas, ferrovias e estacionamentos. Essa área seria suficiente para alimentar uma sociedade global com o consumo de energia dos países desenvolvidos.

No entanto, se o interesse for elevar a demanda global de energia ao nível da demanda per capita atual na Suíça, será necessário usar áreas desérticas. Todos os outros potenciais de energia (por exemplo, eólico ou biomassa) são ordens de magnitude menores do que o uso direto de energia solar - e alguns recursos já estão sendo usados em demasia. No entanto, eles podem desempenhar um papel significativo localmente, especialmente porque podem reduzir a necessidade de capacidade de armazenamento de energia, um problema que não foi considerado neste estudo - a coleta de energia solar pela tecnologia fotovoltaica é ótima para o dia, mas não funciona à noite.

Então o caminho para uma sociedade sustentável em termos energéticos é tão simples quanto construir usinas solares em massa? Não é tão simples, é claro.

A equipe analisou apenas a primeira etapa - calcular o potencial de energia disponível. A quantidade real de energia disponível será menor: Os fatores limitantes incluem a disponibilidade de matérias-primas, mas também capital humano e financeiro, impactos ambientais durante a extração ou produção de matérias-primas, operação e descarte das usinas e a necessidade de infraestrutura adicional para distribuição e armazenamento de energia.

Os pesquisadores estão analisando agora como pode ser esse caminho para nos levar de uma sociedade baseada em combustíveis fósseis para uma sociedade solar. O sistema de energia solar não deve apenas ser grande o suficiente para atender à demanda global, mas também deve ser capaz de substituir o sistema de combustível fóssil com rapidez suficiente para evitar a catástrofe climática a tempo, adiantam eles.

Bibliografia:

Artigo: Powering a Sustainable and Circular Economy-An Engineering Approach to Estimating Renewable Energy Potentials within Earth System Boundaries
Autores: Harald Desing, Rolf Widmer, Didier Beloin-Saint-Pierre, Roland Hischier, Patrick Wäger
Revista: Energies
DOI: 10.3390/en12244723