Energia das marés não é renovável
(cs.stanford.edu)- Classificar a energia das marés como energia renovável é um equívoco, e sua extração em grande escala pode causar impactos ambientais mais graves do que os combustíveis fósseis
- As marés surgem da interação entre a gravidade da Lua e do Sol e a rotação da Terra, e o bojo de maré (tidal bulge) fica quase fixo em relação aos corpos celestes, aplicando um torque de frenagem à rotação
- Essa frenagem dissipa a energia de rotação da Terra e alonga a duração do dia; nos últimos 400 milhões de anos, um ano passou de cerca de 420 dias para 365 dias
- Mesmo que apenas 1% da demanda global de energia fosse suprida por energia das marés, a Terra poderia entrar em travamento de maré (tidal locking) com a Lua em cerca de 1.000 anos
- Com o travamento de maré, um lado teria luz solar permanente e calor extremo, enquanto o outro teria escuridão permanente e frio extremo, o que poderia levar à extinção da maior parte da vida (colapso do ecossistema)
Motivação (Motivation)
- À medida que cresce a percepção do aquecimento global causado pelo uso de combustíveis fósseis, a energia das marés ganha atenção como alternativa, mas ela não é energia renovável
- O uso da energia das marés pode causar problemas ambientais mais graves do que o aquecimento global
- Em uma apresentação de disciplina de pós-graduação em 1990, a energia das marés foi classificada como energia não renovável, e houve perguntas recorrentes sobre "como a extração de energia das marés prejudica o meio ambiente"
- Quando o primeiro navegador web, o Mosaic, surgiu em 1993, foi criado um site sobre o tema, mas algumas empresas de turbinas de maré pediram a remoção da página por considerá-la prejudicial aos negócios
- Hoje, ao buscar por "tidal energy", essa página não aparece, e ainda há muitas páginas que classificam a energia das marés como renovável ao lado da eólica e da solar
Coleta de energia das marés (Collecting Tidal Energy)
- As marés são a elevação e a descida periódicas do nível do mar observadas no litoral, e a energia das marés é principalmente um tipo de energia hidrelétrica que converte isso em eletricidade
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Principais métodos de coleta
- Com uma barragem (barrage), cria-se um reservatório artificial: na maré alta, a água do mar entra; na maré baixa, a diferença de nível aciona turbinas para gerar energia
- O tidal stream generator aciona turbinas com a energia cinética da água corrente, como uma turbina eólica; correntes rápidas surgem em estreitos e baías estreitas
- O dynamic tidal power constrói uma longa barragem da costa em direção ao mar para criar uma diferença de nível pela defasagem das marés; isso se aplica a regiões com fortes correntes paralelas ao litoral, como China e Coreia do Sul
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Usinas representativas
- A primeira grande usina de energia das marés do mundo foi a francesa Rance Tidal Power Station, em operação desde 1966
- A maior é a sul-coreana Sihwa Lake Tidal Power Station, inaugurada em 2011, com geração de 254 megawatts
- Sem regulação adequada, outra crise ambiental será inevitável
Como as marés se formam (How Are Tides Formed?)
- As marés surgem da combinação da gravidade da Lua e do Sol com a rotação da Terra, e forças de maré atuam nos dois lados do planeta, puxando a água do mar e formando o bojo de maré
- O bojo fica quase parado em relação à Lua e ao Sol, e, à medida que a Terra gira, o observador experimenta mudanças periódicas no nível do mar
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Física das forças de maré
- A diferença entre a gravidade (lei da gravitação universal de Newton) e a força centrífuga associada à órbita é a força de maré (tidal force)
- Na massa do lado voltado para o Sol, a gravidade é maior que a força centrífuga, formando o bojo interno; no lado oposto, a força centrífuga é maior, formando o bojo externo
- Isso é a solar tide (maré solar), e a Lua produz de forma semelhante a lunar tide
- Como a Lua está mais perto do que o Sol, a maré lunar é maior, e quando Terra, Lua e Sol ficam alinhados ocorre a maior maré, a king tide
Desaceleração da rotação da Terra (Decelerating Earth)
- A velocidade de rotação da Terra está diminuindo gradualmente, em uma analogia com o freio de um carro
- A relação é entre o disco em rotação (= Terra girando) e a pastilha de freio parada (= bojo de maré estacionário)
- Como a Terra gira para leste, o bojo estacionário se desloca para oeste, e a viscosidade da água do mar causa atrito (drag) entre as correntes e o fundo do mar, desacelerando a rotação
- Os blocos continentais do hemisfério norte influenciam o deslocamento do bojo, tornando a desaceleração mais pronunciada
- A energia de rotação é perdida nas marés, reduzindo o número de dias por ano, e isso é comprovado por corais fósseis (fossil coral)
- A tidal acceleration que a Terra exerce sobre a Lua afasta a Lua e também contribui para a desaceleração da rotação, mas esse efeito representa apenas cerca de 4% da perda total de energia
Travamento de maré (Tidal Locking)
- A Lua sempre mostra a mesma face para a Terra, e isso é o tidal locking causado por efeitos de maré
- A força de maré que a Terra exerce sobre a Lua cria bojos sólidos mesmo em sua superfície sem água, esticando a Lua para um formato semelhante ao de uma bola de futebol americano (solid tide)
- Esse efeito desacelerou a rotação lunar até 1 volta por período orbital, fixando uma extremidade sempre voltada para a Terra
- A Terra também desacelera gradualmente e acabará ficando travada com a Lua; as duas girarão voltadas uma para a outra em um binary system (sistema binário) ao redor do centro de massa comum
Energia de rotação (Rotational Energy)
- Corpos em rotação também têm momento angular e energia rotacional, e a energia total de rotação da Terra é de cerca de 2.138×10²⁹ Joules
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Método de estimativa
- Pela fórmula do momento de inércia de uma esfera uniforme, seria 9.696×10³⁷ kgm², mas como o interior da Terra é mais denso que a parte externa, o valor real é menor
- Um valor mais preciso para o momento de inércia da Terra é 8.04×10³⁷ kgm²
- Aplicando o período de rotação de 23,93 horas (velocidade angular de 7.29×10⁻⁵ rad/s), obtém-se a energia rotacional total de 2.138×10²⁹ J
Quanto tempo resta (How Much Time Left)
- Assim como em um freio, a energia de rotação da Terra também é convertida em calor e dissipada pelas marés e pelo atrito com o fundo do mar; como é finita, acabará se esgotando
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Evidência dos corais fósseis
- No Siluriano (444 a 419 milhões de anos atrás), um ano tinha 420 dias; no Devoniano médio, 410 dias; e no início do Carbonífero (350 milhões de anos atrás), 385 dias
- Não há evidência de mudanças na massa ou na órbita da Terra nos últimos 400 milhões de anos, então a redução do número de dias por ano é atribuída principalmente à diminuição da velocidade de rotação
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Tempo até o travamento natural
- Desde 430 milhões de anos atrás, quando a energia de rotação era 2.83×10²⁹ J, até hoje, perderam-se 6.92×10²⁸ J (média anual de 1.73×10²⁰ J)
- Como o atrito é proporcional ao quadrado da velocidade relativa, é necessário um cálculo mais preciso levando em conta a desaceleração
- Com base na taxa histórica de perda, estima-se que o travamento natural com a Lua levaria cerca de 10,468 bilhões de anos
Destruir a Terra em 1.000 anos (Destroy Earth in 1,000 Years)
- Extrair energia das marés acelera a desaceleração, e mesmo que apenas 1% do consumo mundial de energia fosse suprido por ela, a Terra poderia ficar travada com a Lua em cerca de 1.000 anos
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Base do cálculo
- Em 2013, o consumo global de energia foi de cerca de 5.67×10²⁰ J e vinha crescendo mais de 2% ao ano nos 50 anos anteriores; a taxa de crescimento econômico global era de cerca de 3%
- Se 1% disso fosse suprido, a energia de rotação da Terra diminuiria em 5.67×10¹⁸ J por ano
- Resolvendo N até que a energia total caia ao valor do ponto de travamento (2.32×10²⁶ J), obtém-se cerca de 1031 anos
- É uma estimativa muito grosseira, mas mostra quão rápida a desaceleração rotacional poderia ser
No fim das contas (In The End)
- O resultado do atrito de maré é o esgotamento da rotação da Terra, e Terra e Lua se tornarão um sistema binário cujo centro de massa será orbitado uma vez por mês, fazendo com que um dia passe a ter a mesma duração de um mês
- A Lua se afasta 38.247 mm por ano devido à aceleração de maré, aumentando o momento de inércia do sistema Terra-Lua e desacelerando a rotação, de modo que um ano terá menos de 12 meses
- Após o travamento, um dia será mais de 30 vezes mais longo do que hoje, deixando um lado em calor extremo e o outro em frio extremo; o grande gradiente de pressão causará correntes intensas e tempestades gigantes, tornando muito difícil a sobrevivência da maior parte da vida
Previsões (Predictions)
- Uma previsão derivada desse entendimento é a super-rotação do núcleo interno (inner core super-rotation), em que o núcleo interno da Terra gira mais rápido do que o restante do planeta
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Evidência sísmica
- Em terremotos, propagam-se ondas P (movimento na direção da propagação) e ondas S (movimento transversal perpendicular); ondas S exigem tensão de cisalhamento e não conseguem atravessar líquidos
- Como as ondas S não atravessam o núcleo externo, conclui-se que o núcleo externo é líquido
- O núcleo externo líquido desacopla (decoupling) a rotação do núcleo interno e do manto, de modo que, quando o manto é arrastado pelas marés, o núcleo interno não desacelera na mesma velocidade e gira mais rápido
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Evidência observacional
- Xiaodong Song e Paul Richards, do Lamont–Doherty Earth Observatory, apresentaram evidências sismológicas de super-rotação de 0,4 a 1,8 grau por ano
- Outros estudos estimam a super-rotação em 3 graus por ano
Conclusões (Conclusions)
- O consumo de energia das marés pode trazer riscos maiores do que a queima de combustíveis fósseis, e a demanda por energia continua crescendo com a disseminação de máquinas e infraestrutura de alta eficiência
- Se a energia das marés suprir essa demanda, a energia de rotação da Terra poderá se esgotar em cerca de 1.000 anos, muito antes da dissipação natural
- Assim como, há um século, poucos acreditavam que os combustíveis fósseis causariam aquecimento global, hoje muitas pessoas desconhecem esse risco e continuam confundindo a energia das marés com um recurso renovável
- Para proteger a Terra, seria necessário evitar a extração de energia das marés e garantir tempo para que as futuras gerações desenvolvam soluções sustentáveis (é preciso evitar a extração de energia das marés)
1 comentários
Opiniões no Hacker News
A suposição mais importante deste texto é que o consumo de energia cresce 2% ao ano. Esse crescimento exponencial levaria a escala de energia das marés exigida pela sociedade a níveis absurdos
O consumo de energia já mostrou uma tendência de se desvincular do crescimento populacional ou econômico. Quanta energia usaremos daqui a 1.000 anos? A maioria das projeções populacionais vê uma estabilização em torno de 15 bilhões de pessoas, mas, assumindo de forma otimista que a taxa atual de crescimento continue, daqui a 1.000 anos seriam cerca de 150 trilhões de pessoas
E, com uma taxa de crescimento de 2%, cada uma dessas pessoas consumiria 20.000 vezes mais energia do que um ser humano por volta de 2023. Mesmo a tecnologia mais moderna desperdiça cerca de 80% da energia consumida, então isso significaria um consumo de energia útil per capita 100.000 vezes maior
Por isso, a física desta página parece uma boa análise de quão surpreendentemente grandes podem se tornar os efeitos compostos do crescimento exponencial descontrolado
Segundo o artigo, a energia das marés se dissipa pelo atrito entre a água do mar e o fundo oceânico, e essa energia dissipada sai da energia de rotação da Terra. Além disso, parte da energia rotacional é transferida para a Lua, fazendo com que ela se afaste mais. Até aqui, tudo bem
A segunda suposição do autor é que, se aproveitarmos a energia das marés, essa mesma quantidade de energia sai adicionalmente da rotação da Terra. Mas será mesmo? A energia das marés extraída pelos humanos pode vir de algum “orçamento” fixo, e apenas o restante se dissipar naturalmente. Ou seja, quanto mais os humanos extraem, menos energia das marés se dissipa pelo atrito entre a água do mar e o fundo oceânico
É parecido com a energia solar incidente. Ela é enorme, mas, desconsiderando variações, é uma quantidade fixa, e só podemos aproveitar uma parte desse potencial; a disponibilidade total não aumenta. A parcela que os humanos não usam é absorvida por outros processos naturais ou irradiada
Não me atrevo a chutar qual dos dois é o caso, mas seria interessante descobrir qual modelo está correto
https://dothemath.ucsd.edu/2012/04/economist-meets-physicist...
A premissa de que o crescimento econômico de longo prazo continua a uma taxa constante está embutida na maior parte da economia ortodoxa e das políticas econômicas atuais. Até alguém aparentemente heterodoxo como Thomas Piketty, em 『O Capital no Século XXI』, pressupõe que o crescimento continua indefinidamente
Portanto, isso não é tanto uma crítica a Liu, mas sim uma crítica aos alvos que Liu, em geral, mira
Uma humanidade expandida pelo espaço talvez pudesse usar esse nível de potência, mas, se estiver vivendo no espaço, ela já não faz mais parte da biosfera da Terra
Não sei se o autor percebeu, mas na prática ele não está falando da sustentabilidade da geração maremotriz, e sim de quão absurda é a premissa do crescimento exponencial. Isso fica claro quando se olha para o que significa a taxa de crescimento de 2% assumida no texto
Em 2008, o consumo mundial de energia foi estimado em 474 exajoules. A energia total que a Terra recebe do Sol em um ano é de cerca de 5 milhões de exajoules, e só uma parte disso chega à superfície. 5 milhões é muito maior que 474. Mas, se mantivermos uma taxa de crescimento aparentemente modesta de 2% ao ano, como entre 1980 e 2006, em menos de 500 anos o consumo de energia se iguala a esses 5 milhões de exajoules
Pensando bem, se o aumento do consumo de energia continuar no ritmo atual, daqui a 500 anos teremos de estar usando toda a energia solar recebida pela Terra, ou seja, sem deixar nenhuma parcela para a biosfera, ou ter encontrado alguma tecnologia mágica capaz de produzir 5 milhões de exajoules por ano. Mesmo que essa tecnologia mágica exista, onde vamos despejar esse calor adicional? Na prática, seria como colocar um segundo Sol sobre a Terra e nos cozinhar
Os números acima foram copiados de um texto escrito em 2010, então podem estar um pouco desatualizados. Mas Sabine Hossenfelder também fez recentemente um vídeo tratando de uma escala de tempo parecida, ou seja, o problema de os oceanos ferverem em 400 anos: https://www.youtube.com/watch?v=9vRtA7STvH4
Talvez, daqui a algumas centenas de anos, arqueólogos da internet encontrem este comentário como um dos primeiros sinais da crise energética global que se aproximava. Assim como hoje olhamos para a notinha “Coal Consumption Affecting Climate”, do Rodney & Otamatea Times de 1912[0]
E aí eles também vão encontrar este comentário…
[0] https://paperspast.natlib.govt.nz/newspapers/rodney-and-otam...
A população mundial deve atingir um pico cerca de 30% acima do nível atual e depois voltar a diminuir. Talvez se mantenha por volta de 7 bilhões de pessoas. Parece que, para viver realmente bem, são necessários cerca de 200 GJ por pessoa[1], então vamos assumir 300 GJ por pessoa
Mesmo em um nível sustentável, poderíamos viver felizes com 2.000 EJ por ano. Pelos números acima, isso é menos de 1% da energia fornecida pelo Sol
[1] https://esajournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ecs2...
Estou tentando avaliar se isso é muito ou não. Por um lado, não dá para dizer simplesmente que é muito. Não há um limite superior rígido para essa proporção, e a energia metabólica humana é um denominador arbitrário. Ainda assim, numa interpretação bem grosseira, dá para dizer que consumimos em média todos os dias o produto do trabalho de 15 pessoas
Claro que a distribuição é extremamente enviesada. Para o americano ou europeu médio, essa proporção deve ser muito maior
Isso também mostra o quão dourada é, em média, a vida que levamos. Antes da Revolução Industrial, quase toda energia vinha da força muscular, então é parecido com cada pessoa viva ter 15 servos girando geradores para ela. Parte desse número pode corresponder a prestadores de serviço reais alimentados pela comida produzida por uma agricultura mecanizada
Será que existe um limite lógico para esse número? Se a oferta for suficiente, existe alguma quantidade de energia que não conseguiríamos usar? Afinal, toda energia que produzimos é usada em benefício dos humanos, então o consumo de energia também poderia ser visto como uma medida das necessidades energéticas humanas
Mas isso também não está totalmente certo. Muita energia é desperdiçada. Fico curioso para saber quanto desse número vem de roupas que saem da fábrica direto para aterros, ar-condicionado deixado ligado a noite toda, motores ineficientes e armazenamento de energia
Não tenho exatamente uma conclusão, mas acho uma proporção interessante
http://insideenergy.org/wp-content/uploads//2017/01/historic...
Fonte:
https://insideenergy.org/2017/01/12/energy-explained/
Há uma pista importante na frase “a taxa de crescimento de 2% do consumo mundial de energia deve ser uma suposição conservadora”. O texto presume que o consumo de energia continuará crescendo exponencialmente para chegar ao cronograma de esgotar a energia de rotação da Terra em 1000 anos
O que chama atenção é a suposição de crescimento exponencial ilimitado de 2% ao ano. É um erro enorme. Fazendo uma checagem rápida: 1,02^1031 = 735.829.316. Tenho certeza de que, com uma população maior e o desejo de que o padrão de vida de todos melhore, vamos usar muito mais energia do que hoje. Mas, ainda assim, isso é grande demais. Nessa escala, nem sei bem para onde toda essa energia teria que ir. Seria usada para criar massa ou objetos?
Mesmo que o consumo de energia atinja o pico daqui a apenas 250 anos, ele ficaria abaixo de 150 vezes o consumo atual. Não fiz as contas, mas ouso dizer que, nesse caso, ganharíamos mais alguns anos neste planeta
Em 2017, o mundo usou 9,717 bilhões de toneladas equivalentes de petróleo. Aplicando essa taxa de crescimento, isso significaria que em 986 o mundo inteiro usava o equivalente a 13 toneladas de petróleo, ou 515,84 milhões de BTU
Nos EUA, uma residência com renda anual inferior a US$ 20 mil e que usa madeira como principal combustível de aquecimento consome 50 milhões de BTU de madeira por ano
Dá para discutir os números em detalhe, mas parece meio baixo que um mundo com 390 milhões de pessoas consumisse apenas o combustível de umas 10 residências
As marés não dissipam naturalmente uma boa parte dessa energia de qualquer jeito? Por exemplo, quando você vê as ondas batendo na costa na praia, esse é o processo em que a energia das marés se dissipa em calor. Se colocarmos uma turbina no meio para extrair trabalho útil antes que vire calor, no fim ela não acaba virando calor de todo modo?
Os geradores maremotrizes atuais funcionam colocando turbinas em água corrente, ou por meio de barragens que represam a maré alta e depois liberam a água pela turbina na maré baixa. Dependendo do projeto em detalhe, isso pode reduzir a energia dissipada por atrito no fundo do mar ao diminuir a velocidade das correntes que depois passam sobre ele. Mas não há garantia de que essa redução compense a energia capturada pelo gerador maremotriz
Também dá para imaginar outras formas de geração maremotriz. Cobrir todo o fundo do mar com uma esteira gigantesca. A água passaria puxando a superfície da esteira, e isso geraria eletricidade. Talvez a energia total dissipada fosse menor do que no atrito natural do fundo do mar, mas não parece algo prático
De todo modo, tudo isso foge do ponto principal. Como outros comentários disseram, se o consumo humano de energia realmente crescer 2% ao ano por 1000 anos, teremos problemas muito maiores do que a Terra ficar travada por maré com a Lua
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_acceleration#Angular_mom...
Então, se bombearmos água para cima e amplificarmos as marés, poderíamos acelerar a rotação da Terra e eliminar o segundo intercalar
Isso é o mesmo velho erro de “meu filho tinha 2 pés de altura no ano passado e 3 pés este ano, então, quando for adulto, será do tamanho de uma casa!”
“Com base na taxa média de aumento do consumo mundial de energia nos últimos 50 anos, mesmo que apenas 1% do consumo mundial de energia seja extraído da energia de rotação da Terra, a rotação da Terra ficará travada por maré com a Lua em cerca de 1000 anos”
Isso não faz sentido nenhum. Fechei ali mesmo. Pelo que vi em outras partes desta thread, parece que chegaram a esse resultado extrapolando por 1000 anos uma curva de crescimento exponencial que passa pelo outlier da Revolução Industrial. Isso até pode ser a explicação
Mas isso não é um simples erro; é completamente insano
Uma busca rápida me diz que a energia cinética de rotação da Terra é plausivelmente 2,1e29 J, e que o consumo mundial de energia é de 22,8 TWh por ano. Então, num cálculo de guardanapo, ao consumo atual restariam apenas… pouco mais de 2 trilhões de anos
Muitos comentários aqui estão apontando que a premissa de que o consumo de energia aumenta 2% ao ano é absurda
Então, de forma mais razoável, e se supusermos que o uso anual de energia se estabilize em 5 vezes o atual e, de forma irracional, que 100% dessa energia venha das marés?
Nesse caso, qual seria a desaceleração da rotação daqui a 1000 anos?
Em outras palavras, depois de 1000 anos a desaceleração da rotação seria de cerca de 0,001%
Relacionado: https://physics.stackexchange.com/questions/6400/are-tidal-p...
Essa teoria é muito interessante, mas o autor a apresenta com confiança demais para uma afirmação tão grande
Por algum motivo, meu celular tem ², mas não tem ^9. O primeiro número significa 1e29