Nossa Mistura Energética do Futuro

Como prever o futuro dos sistemas energéticos

Poucos temas são tão complexos e importantes quanto a futura matriz energética da sociedade. Há quem considere impossível abandonar os combustíveis fósseis e quem espere uma rápida predominância das renováveis. A realidade é mais complexa, e prever o futuro da energia é difícil.

Este artigo de 2023 examina a situação daquela época, alguns cenários possíveis e as mudanças econômicas ou tecnológicas que podem tornar um cenário mais provável do que outro.

Onde Estamos

Um padrão histórico do crescimento do consumo é que novas fontes tendem a se somar à matriz, em vez de substituir completamente as anteriores.

O mundo ainda usa grandes quantidades de biomassa, principalmente madeira, e mais energia do que no século XIX. O consumo absoluto de carvão também cresceu no longo prazo. Petróleo, gás, hidreletricidade, energia nuclear e outras renováveis vieram, em grande parte, se somar a ele. Isso não impede a substituição de fontes em países ou períodos específicos.

Fonte: OurWorldInData

Isso pode surpreender diante do avanço das renováveis na geração elétrica. Vários fatores ajudam a explicar:

• A China liderava a expansão da capacidade renovável e a transição para carros elétricos, mas também a construção de novas usinas a carvão.
• A eletricidade é apenas parte do uso de energia. Transportes, aquecimento e indústria também consomem combustíveis diretamente, inclusive na produção de aço, fertilizantes, plásticos, medicamentos e outros produtos químicos. Energia primária e eletricidade entregue ao consumidor são medidas diferentes.
• O crescimento populacional e a saída de bilhões de pessoas da pobreza extrema aumentaram a demanda. O carvão muitas vezes era uma opção barata e disponível. Mais consumo de carne, ar-condicionado, automóveis e viagens aéreas também contribui.
• A globalização econômica exige mais transporte de mercadorias, incluindo deslocamentos repetidos de matérias-primas, componentes semiprocessados e produtos acabados.
• A industrialização agrícola aumenta a produtividade e reduz a necessidade de mão de obra, mas também eleva o consumo de combustíveis fósseis e fertilizantes.

Para quem se preocupa com o clima e as emissões, a forte presença dos combustíveis fósseis na matriz global pode parecer desanimadora. Mas esse não é o quadro completo.

A Mudança Contínua

Carros elétricos já eram vendidos comercialmente em 2016. As vendas cresceram rapidamente depois: segundo a IEA, mais de dez milhões foram vendidos em 2022, cerca de 14% das vendas mundiais de carros novos. O total inclui veículos elétricos a bateria e híbridos plug-in. China e Europa lideravam esse avanço.

Fonte: IEA

A participação das renováveis — hidrelétrica, solar, eólica e geotérmica — também cresce. Noruega, Brasil e Canadá já tinham parcelas elevadas graças aos grandes recursos hidrelétricos. Solar e eólica impulsionam boa parte da mudança mais recente.

Fonte: Our World In Data

As séries por país mostram crescimento claro a partir de aproximadamente 2010 e nos anos seguintes. Na China e na Austrália, por exemplo, solar e eólica tiveram papel central. Isso não significa que a participação tenha dobrado apenas dentro do ano de 2010.

Fonte: OurWorldInData

Fonte: OurWorldInData

Avanços tecnológicos e produção industrial em maior escala reduziram custos e melhoraram a competitividade. Muitos novos projetos de eletricidade renovável eram mais baratos que alternativas fósseis, como mostram os dados de custos da IRENA (Agência Internacional de Energia Renovável) discutidos em 2023. São custos de geração, não automaticamente todos os custos de um sistema elétrico completo.

Fonte: IRENA

Os Desafios

Nos anos anteriores ao artigo, a rápida queda de custos levou muitas pessoas a acreditar que os combustíveis fósseis logo desapareceriam, assim como o extinto dodô.

Fonte: Twitter/X

A crise energética ligada à guerra na Ucrânia aumentou as pressões sobre preços e abastecimento. A Alemanha usou temporariamente capacidade adicional a carvão para reduzir a dependência do gás russo. Isso não representou uma reversão completa da transição energética.

Inflação, custos de financiamento e problemas nas cadeias de suprimento prejudicaram a rentabilidade de projetos renováveis em 2023. Grandes projetos eólicos offshore foram cancelados e ações de empresas solares e eólicas caíram. Leia mais em “A Queda do Setor de Energia Renovável em 2023”.

Os cronogramas da transição para carros elétricos também foram pressionados pelo adiamento ou alteração de projetos e parcerias de fabricantes como GM, Ford e Honda. Isso não significava o cancelamento de todas as estratégias elétricas ou o fim do crescimento das vendas globais.

A produção variável da energia solar e eólica

A geração solar e eólica depende do clima e nem sempre coincide com a demanda. A rede precisa equilibrar continuamente produção e consumo. O armazenamento é uma das ferramentas, ao lado de interligações, demanda flexível e geração controlável.

Algumas formas de armazenamento, como hidrelétricas reversíveis, já são consolidadas. Outras soluções de longa duração ainda tinham implantação limitada. Sem flexibilidade suficiente, podem surgir excedentes e déficits em momentos diferentes, conforme o clima, a matriz e a rede.

O problema tem solução, mas exige políticas coordenadas e mais investimento nas redes elétricas.

Comparações entre sistemas precisam incluir armazenamento, expansão de redes e outros custos de integração. Eles ganham importância com parcelas elevadas de produção solar e eólica variável. A vantagem sobre uma alternativa fóssil depende das condições locais, não apenas do custo de geração.

Os Limites das Baterias

A expansão dos carros elétricos é influenciada pelo preço de compra, autonomia e tempo de recarga. Os primeiros compradores podem ter aceitado compromissos que outros consumidores não desejam. A disponibilidade de lítio e as pressões de preço da época também geraram preocupação.

Baterias de íons de sódio e com eletrólito sólido estão entre as tecnologias em desenvolvimento. Conforme o projeto, podem melhorar custo, autonomia, recarga ou segurança. Não eliminam automaticamente todas as preocupações com autonomia ou incêndio.

Usos de energia difíceis de afastar dos combustíveis fósseis

Alguns usos são difíceis de transformar. O transporte marítimo de longa distância, por exemplo, exige combustíveis práticos com densidade energética suficiente. A aviação também requer alta densidade energética, sobretudo em rotas longas, nas quais as baterias da época seriam pesadas demais. Muitos plásticos usam petróleo como matéria-prima; fertilizantes nitrogenados frequentemente usam gás natural; e a siderurgia tradicional em alto-forno usa carvão metalúrgico.

Também há alternativas nessas áreas, mas muitas tecnologias ainda estavam em desenvolvimento e longe da adoção mundial.

Tecnologias Transformadoras

Mudanças tecnológicas mais prováveis

Diversas soluções disponíveis podem apoiar o crescimento das renováveis e de outras tecnologias de baixo carbono.

Inovação Nuclear

A energia nuclear é controversa, mas tem baixas emissões de carbono e pode apoiar a transição para uma matriz mais renovável.

Os pequenos reatores modulares, ou SMRs, também enfrentaram em 2023 reveses causados pelo aumento dos custos de projetos. Ao mesmo tempo, novos desenhos eram desenvolvidos, como SMRs e microrreatores, além de ciclos de combustível que utilizam tório. Em 2023, a China tinha 24 reatores em construção, e havia relatos de planos de longo prazo para até 150 reatores.

Renováveis Melhores

A energia solar pode se beneficiar de novos materiais e métodos de produção, como células de filme fino, inclusive de silício amorfo, e tecnologias emergentes com materiais orgânicos ou perovskitas. O silício amorfo não pertence à mesma categoria de materiais das duas últimas alternativas.

Grandes projetos de armazenamento em baterias podem apoiar a rede. A projeção da EIA de dezembro de 2022 era para os Estados Unidos: de cerca de 9,2 GW de potência esperada no fim de 2022 para 30 GW no fim de 2025, mais que o triplo. Era uma previsão baseada em planos de projetos, não crescimento global já comprovado.

Fonte: EIA

Baterias com eletrólito sólido

Baterias com eletrólito sólido podem trazer avanços importantes. Em 2023, discutia-se uma faixa ampla de 2026–2029 para diferentes desenvolvedores, não uma data comum e garantida de lançamento. O artigo cita QuantumScape (QS ) (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) e Samsung SDI (006400.KS). A Toyota, por exemplo, visava 2027–2028. A Tesla (TSLA ) (TSLA) era discutida na publicação vinculada por uma abordagem diferente para melhorar baterias; o link, por si só, não confirma um produto comercial com eletrólito sólido.

Mudanças tecnológicas mais incertas

Outras tecnologias eram menos maduras, mas poderiam ter grande potencial no longo prazo. Sua contribuição para a matriz de 2040–2050 é incerta.

Reatores regeneradores e reciclagem de combustível nuclear

Reatores regeneradores podem produzir novo combustível físsil a partir de material fértil. A explicação vinculada sobre reatores regeneradores descreve esse princípio. Certos reatores rápidos também podem aproveitar actinídeos do combustível usado, com reprocessamento. Isso pode melhorar o uso de recursos e reduzir algumas correntes de resíduos, mas não elimina todos os rejeitos nem torna o combustível ilimitado. A França teve experiência com o Superphénix, encerrado em 1997. Além da política, permanecem desafios de tecnologia, custos, reprocessamento e gestão de resíduos.

Solar Baseado no Espaço

A energia solar orbital pode reduzir o efeito das nuvens e de certas variações diárias ou sazonais. Não resolve automaticamente todos os problemas: órbita, eclipses, construção, custos e transmissão segura para a Terra continuam relevantes. A Starlink mostra que grandes redes de satélites são possíveis, mas não prova a viabilidade econômica de transmitir energia do espaço.

Examinamos o tema no artigo “Da Ficção Científica à Órbita: Painéis Solares Espaciais São uma Boa Ideia?”.

Energia geotérmica

Em locais adequados, a geotermia pode fornecer calor e eletricidade continuamente. Exemplos de empresas são Vulcan Energy (VUL.AX), Ormat Technologies (ORA ) (ORA) e Eavor. O setor aproveita conhecimentos de perfuração também desenvolvidos pela indústria de petróleo e gás, mas nem todos utilizam fraturamento hidráulico. A Eavor, por exemplo, trabalha com circuitos fechados. (Abordamos a Ormat neste artigo e a Vulcan no outro.)

Combustíveis Sintéticos

Eletricidade renovável ou nuclear pode ser usada para produzir vetores energéticos gasosos ou líquidos, como hidrogênio, amônia, gás de síntese ou combustíveis sintéticos.

Alternativas biológicas incluem microalgas para produzir biocombustíveis, como discutido em “Biocombustível de Algas: A Próxima Revolução Energética?”, e processos biológicos para produzir biogás e biometano a partir de resíduos orgânicos.

Esses combustíveis podem ser usados em aviões, navios e processos que exigem alta densidade energética ou temperaturas elevadas, como a produção de aço.

Fusão

A fusão libera energia quando núcleos atômicos leves se unem. O Sol também obtém energia por fusão, embora as reações e condições dos experimentos terrestres sejam diferentes. Controlar temperaturas de milhões ou centenas de milhões de graus é um enorme desafio tecnológico.

A reação de fusão não emite CO₂ de combustão. Ainda pode haver resíduos radioativos pela ativação dos materiais estruturais por nêutrons; o trítio também é radioativo. A fusão de deutério e trítio exige isótopos específicos do hidrogênio, e produzir trítio a partir do lítio é um desafio central. Hidrogênio comum não é um combustível ilimitado diretamente utilizável.

Um importante projeto de pesquisa é o ITER. Além dele, muitas empresas jovens desenvolvem fusão, incluindo Helion, General Fusion (GFUZ ), Commonwealth Fusion, TAE Technologies, ZAP Energy e NEO Fusion (financiada também pela fabricante chinesa de veículos elétricos Nio). O ITER é uma instalação de pesquisa, não uma usina elétrica comercial.

Possíveis matrizes energéticas futuras

Apesar do potencial de longo prazo, os cenários a seguir, voltados aproximadamente para 2040, examinam principalmente matrizes sem os avanços tecnológicos mais incertos discutidos acima.

A Energy Information Administration dos Estados Unidos, EIA, publicou no International Energy Outlook 2023 um caso de referência e seis alternativas com premissas diferentes para crescimento econômico, preços de combustíveis e custos tecnológicos. As narrativas a seguir são uma classificação própria deste artigo, não os nomes oficiais dos cenários da EIA.

Em muitos casos da EIA, o uso de energia continua crescendo e os combustíveis fósseis mantêm uma parcela grande em 2050. Os resultados dependem das premissas e das políticas vigentes naquela época. São projeções condicionais, não previsões certas.

Fonte: EIA

Continuação da trajetória existente

Este é um cenário desanimador para quem acompanha a mudança climática. Pressupõe que carvão, gás e petróleo continuem dominando o sistema nos dois decênios seguintes e fornecendo a maior parte da energia.

O uso temporário de capacidade adicional a carvão na Alemanha durante a crise mostrou a tensão entre segurança energética e metas climáticas. Não foi um retorno completo a uma matriz exclusivamente fóssil.

O caminho da alta tecnologia

Outra possibilidade é a sociedade adotar mudanças tecnológicas com renováveis e grande expansão nuclear, utilizando tanto reatores convencionais quanto menores.

Nesse cenário, a geração fóssil perde competitividade para alternativas melhores ou é restringida e proibida por lei.

Os veículos elétricos também continuam se difundindo rapidamente, possivelmente com apoio de baterias melhores.

A energia nuclear oferece aqui produção controlável de baixo carbono, inclusive no inverno. Excedentes renováveis podem produzir combustíveis que reduzam emissões da aviação, navegação e indústria pesada. Isso exige processos adequados e eletricidade suficientemente barata.

O caminho do menor consumo

Diante da demanda crescente na China, América do Sul, África, Índia e Indonésia, o artigo considera esse caminho menos provável.

Seria uma escolha deliberada de reduzir a produção e, na avaliação do autor, provavelmente o padrão médio de vida. Viagens e comércio internacional diminuiriam, a agricultura seria parcialmente menos industrializada e as economias, mais locais.

O artigo associa uma queda tão brusca de atividade a possíveis tensões internacionais, guerra ou depressão global. O autor considera uma redução voluntária da produção politicamente improvável tanto em democracias quanto em regimes autoritários.

O cenário de adaptação gradual

Aqui, diferentes tendências ocorrem ao mesmo tempo. Os fósseis diminuem um pouco, mas não desaparecem. O carvão é abandonado mais rapidamente que petróleo e gás. Alguns países apostam no nuclear, outros nas renováveis e outros mantêm a trajetória anterior.

A eletrificação e a redução de emissões avançam mais devagar que o desejado. O CO₂ permanece claramente acima das trajetórias de emissões líquidas zero examinadas pelo IPCC para limitar o aquecimento.

Isso se parece, em certos aspectos, com os casos da EIA. Mais adiante, a captura de carbono poderia reduzir novas emissões, enquanto a remoção da atmosfera poderia tratar parte do CO₂ emitido no passado.

O cenário de grande avanço tecnológico

Nesse cenário, surge um avanço na geração que permite energia abundante e pode ser adotado rapidamente no mundo inteiro.

Um exemplo seria uma forte queda no custo da infraestrutura solar orbital pela concorrência entre a SpaceX (SPCX ) e empresas chinesas. Cairia o custo, não a quantidade de infraestrutura.

Outro exemplo seria um grande avanço científico no ITER. O início em 2025–2026 mencionado em 2023 pertencia a um cronograma antigo, não à geração comercial de eletricidade. O projeto foi reprogramado depois; a data antiga não é uma meta atual de início.

Ou surgiriam novos projetos revolucionários de células solares e baterias.

Mudanças desse tipo são quase impossíveis de prever ou quantificar. Ainda assim, não devem ser totalmente descartadas.