Exercícios: Produção e utilização responsável da energia

O mix elétrico espanhol de um determinado ano pode aproximar-se assim: eólica $25\ \%$, nuclear $20\ \%$, solar $17\ \%$, centrais de ciclo combinado a gás $15\ \%$, hídrica $12\ \%$ e outras fontes $11\ \%$, como se mostra no gráfico.

1. a) Considerando renováveis a eólica, a solar e a hídrica, que percentagem da eletricidade espanhola foi de origem renovável?
2. b) Verifica se todas as percentagens do mix somam $100\ \%$.

Classifica estas fontes de energia em renováveis e não renováveis, e justifica a tua escolha em cada caso: vento, carvão, urânio, Sol, gás natural e biomassa.

Produzir $1\ \text{kWh}$ de eletricidade em Espanha emite em média cerca de $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ para a atmosfera. Se uma habitação consumir $300\ \text{kWh}$ num mês, quantos quilogramas de $\text{CO}_2$ correspondem a esse consumo?

Uma lâmpada LED de $10\ \text{W}$ emite a mesma quantidade de luz que uma lâmpada incandescente de $60\ \text{W}$, como se mostra na figura.

1. a) Calcula a energia consumida por cada uma se estiverem acesas durante $5\ \text{h}$, em $\text{kWh}$.
2. b) Qual das duas é mais eficiente? Explica com base nos resultados obtidos.

Os eletrodomésticos têm uma etiqueta energética com classes que vão de A a G, como se mostra na figura.

1. a) O que significa um frigorífico ser de classe A e outro de classe G?
2. b) Explica por que razão convém verificar essa etiqueta antes de comprar, mesmo que o de classe A seja mais caro.

A combustão de um litro de gasolina emite cerca de $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$. Se um carro gastar um depósito de $40\ \text{L}$, quantos quilogramas de $\text{CO}_2$ foram emitidos?

Indica duas vantagens e dois inconvenientes da energia solar fotovoltaica como forma de produzir eletricidade, e explica resumidamente cada um deles.

Uma instalação de painéis solares custa $4000\ \text{€}$ e permite poupar $500\ \text{€}$ por ano na fatura da eletricidade. O gráfico mostra o investimento e a poupança acumulada:

Quantos anos demora a amortizar-se, ou seja, a recuperar o dinheiro investido através da poupança obtida?

A procura de eletricidade anual de Espanha é de cerca de $250\ \text{TWh}$. Com o mix aproximado do ano passado (eólica $25\ \%$, solar $17\ \%$):

1. a) Quantos $\text{TWh}$ foram produzidos pela energia eólica?
2. b) Quantos $\text{TWh}$ foram produzidos pela energia solar?
3. c) Quantos $\text{TWh}$ somaram as duas fontes juntas?

Uma habitação consome $3200\ \text{kWh}$ de eletricidade por ano e o fator de emissão do mix elétrico espanhol é de $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$.

1. a) Calcula os quilogramas de $\text{CO}_2$ correspondentes a esse consumo anual.
2. b) Exprime o resultado em toneladas.

Um carro a gasolina consome $6\ \text{L}$ a cada $100\ \text{km}$ e percorre $12000\ \text{km}$ por ano. A combustão de um litro de gasolina emite $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$.

1. a) Quantos litros consome num ano?
2. b) Quantos quilogramas de $\text{CO}_2$ emite num ano? Exprime o resultado também em toneladas, arredondando a uma casa decimal.

Num átrio de entrada substituem-se $10$ lâmpadas incandescentes de $60\ \text{W}$ por lâmpadas LED de $9\ \text{W}$. Ficam acesas $4\ \text{h}$ por dia durante $365$ dias por ano.

1. a) Quantos $\text{kWh}$ se poupam num ano? Arredonda a uma casa decimal.
2. b) Se o preço for de $0,16\ \text{€/kWh}$, quantos euros se poupam por ano?

Para um trajeto de $400\ \text{km}$ comparam-se duas opções por pessoa:

• Carro a gasolina que consome $6\ \text{L}$ a cada $100\ \text{km}$ e no qual viaja apenas uma pessoa ($2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por litro).

• Comboio elétrico que consome $12\ \text{kWh}$ por passageiro nesse trajeto ($0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$).

1. a) Calcula as emissões de $\text{CO}_2$ do trajeto em cada opção.
2. b) Quantas vezes mais emite o carro em relação ao comboio neste caso? Arredonda a uma casa decimal.

Um parque eólico tem uma potência máxima de $100\ \text{MW}$, mas o vento não sopra sempre com a mesma intensidade, pelo que o seu fator de carga (percentagem média sobre a potência máxima) é de $30\ \%$, como se mostra no gráfico.

1. a) Qual é a sua potência média?
2. b) Quanta energia produz num dia, em $\text{MWh}$?

Uma moradia unifamiliar consome $8000\ \text{kWh}$ de gás natural por ano para aquecimento. O fator de emissão do gás natural é de $0,20\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$.

1. a) Quantos quilogramas de $\text{CO}_2$ emite esse aquecimento por ano?
2. b) Se um bom isolamento térmico reduzir o consumo em $25\ \%$, quantos quilogramas de $\text{CO}_2$ deixam de ser emitidos por ano?

No telhado de uma casa instalam-se $6$ painéis solares de $450\ \text{W}$ cada um. Nessa zona, cada quilowatt instalado produz cerca de $1500\ \text{kWh}$ por ano.

1. a) Quantos quilowatts de potência totalizam os painéis?
2. b) Quantos $\text{kWh}$ produzem por ano?
3. c) A habitação consome $3600\ \text{kWh}$ por ano: os painéis cobrem esse consumo? Quanta energia sobra ou falta?

Uma instalação de painéis solares custa $5000\ \text{€}$ e produz $4000\ \text{kWh}$ por ano que a família deixa de comprar a $0,16\ \text{€/kWh}$.

1. a) Quantos euros poupa por ano?
2. b) Quantos anos demora a amortizar-se? Arredonda a uma casa decimal.
3. c) Se uma comparticipação pagar $30\ \%$ do custo da instalação, qual passa a ser o tempo de amortização?
4. d) Os painéis duram cerca de $25\ \text{anos}$. Quanto dinheiro terão poupado no total durante esse período (sem comparticipação)? Comenta se o investimento compensa.

Uma central nuclear com $1000\ \text{MW}$ de potência funciona $8000\ \text{h}$ por ano.

1. a) Quanta energia elétrica produz num ano, em $\text{MWh}$? Exprime-a também em $\text{TWh}$.
2. b) Se essa mesma energia fosse produzida através da queima de gás natural, que emite $0,45\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$, quantas toneladas de $\text{CO}_2$ seriam emitidas? Uma central nuclear praticamente não emite $\text{CO}_2$ durante o seu funcionamento: quantas toneladas evita por ano em comparação com o gás natural?
3. c) Apresenta duas vantagens e dois problemas da energia nuclear, e conclui dando a tua opinião fundamentada sobre se deve fazer parte do cabaz energético.

Compara-se um carro a gasolina ($6\ \text{L}$ a cada $100\ \text{km}$; $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por litro) com um carro elétrico ($16\ \text{kWh}$ a cada $100\ \text{km}$; $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$ com o mix elétrico português atual).

O gráfico mostra o $\text{CO}_2$ acumulado por cada carro em função dos quilómetros percorridos:

1. a) Calcula os quilogramas de $\text{CO}_2$ por cada $100\ \text{km}$ de cada carro.
2. b) Quantos quilogramas emite cada um por ano se percorrerem $15000\ \text{km}$?
3. c) O fabrico da bateria do carro elétrico emite cerca de $6000\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ a mais do que o de um a gasolina. Utilizando a poupança de emissões por cada $100\ \text{km}$, calcula a partir de quantos quilómetros o elétrico já compensou o fabrico da sua bateria. Arredonda aos milhares.
4. d) Com esses resultados, escreve um pequeno parágrafo argumentando quando vale a pena o carro elétrico do ponto de vista das emissões.

No mix elétrico português aproximado, os ciclos combinados a gás produzem $15\ \%$ de uma procura anual de $250\ \text{TWh}$ e emitem $0,45\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$. O gráfico resume os dados do mix, atual e futuro:

1. a) Quantos $\text{TWh}$ produz hoje o gás?
2. b) Num cenário futuro, a eólica sobe de $25\ \%$ para $35\ \%$ e o gás desce de $15\ \%$ para $5\ \%$, mantendo-se a procura. Quantos $\text{TWh}$ de gás se deixam de produzir?
3. c) Quantas toneladas de $\text{CO}_2$ se evitariam por ano com essa mudança? Exprime o resultado em notação científica.
4. d) O gás costuma ser usado como apoio quando não há vento nem Sol. Explica que problema técnico teria de ser resolvido para o reduzir ao mínimo e indica uma possível solução.

Uma habitação consome $9000\ \text{kWh}$ de gás por ano em aquecimento, a $0,07\ \text{€/kWh}$. Isolar a fachada custa $3000\ \text{€}$ e reduz o consumo em $30\ \%$.

1. a) Quanto custa o aquecimento por ano antes do isolamento?
2. b) Quantos euros poupa o isolamento em cada ano?
3. c) Qual é o tempo de retorno do investimento? Arredonda às décimas.
4. d) Se um apoio público cobrir $40\ \%$ do custo do isolamento, qual seria o novo tempo de retorno? Comenta como os apoios influenciam as decisões de poupança de energia.

Uma família quer reduzir a sua pegada de carbono. A sua situação atual:

• Eletricidade: $3800\ \text{kWh}$ por ano ($0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$).

• Carro a gasolina: $12000\ \text{km}$ por ano com um consumo de $6,5\ \text{L}$ aos $100\ \text{km}$ ($2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por litro).

1. a) Calcula a sua pegada anual atual somando ambas as parcelas, em quilogramas de $\text{CO}_2$.
2. b) Aplicam duas medidas: mudança de hábitos e lâmpadas LED, que poupam $700\ \text{kWh}$ por ano, e partilha de carro, que reduz os quilómetros anuais para metade. Calcula a nova pegada anual.
3. c) Em que percentagem reduziram a sua pegada? Arredonda às décimas e comenta qual das parcelas contribuiu mais para a redução.

Uma aldeia de $5000$ lares quer abastecer-se apenas com energia solar. Cada lar consome, em média, $10\ \text{kWh}$ por dia, e os painéis produzem nessa zona cerca de $0,25\ \text{kWh}$ por dia por cada $\text{m}^2$ instalado. O esquema mostra o fluxo de energia entre os painéis, os lares e as baterias:

1. a) Quanta energia consome a aldeia por dia, em $\text{MWh}$?
2. b) Quantos $\text{m}^2$ de painéis seriam necessários? Exprime o resultado também em hectares ($1\ \text{ha} = 10000\ \text{m}^2$).
3. c) Se $40\ \%$ do consumo ocorrer durante a noite, quanta energia, em $\text{MWh}$, deveriam armazenar as baterias da aldeia por dia?
4. d) Apresenta dois desafios técnicos ou territoriais de abastecer uma aldeia apenas com energia solar e uma possível solução para cada um.

Um carro elétrico consome $16\ \text{kWh}$ a cada $100\ \text{km}$. A sua pegada depende de como foi produzida a eletricidade (fatores de emissão: mix português atual $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$; eletricidade a carvão $0,9\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ por $\text{kWh}$). Um carro a gasolina comparável emite $13,8\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ a cada $100\ \text{km}$.

1. a) Calcula os quilogramas de $\text{CO}_2$ a cada $100\ \text{km}$ do elétrico com o mix atual e com eletricidade a carvão.
2. b) Compara os três casos: com que eletricidade é que o carro elétrico emite ainda mais do que o a gasolina?
3. c) Com estes dados, escreve um argumento breve a favor do carro elétrico e outro que matize essa conclusão, mencionando o papel do mix elétrico.

Desafio do tema. Quanta energia custa aquecer água e que impacto ambiental tem segundo a hora a que o fazes?

1. Medição experimental: Aquece $m = (0,50 \pm 0,01)\text{ kg}$ de água num micro-ondas ou chaleira elétrica. Mede a sua temperatura a intervalos regulares de $30\text{ s}$ durante $2\text{ min}$ (com incertezas de $\pm 1\text{ s}$ e $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Elabora uma tabela com os dados e constrói o gráfico de $T$ em função de $t$ para calcular a energia térmica útil transferida: $E = m \cdot c \cdot \Delta T$, com $c = 4180\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$.

2. Rendimento energético: Consulta a potência nominal ($P_{\text{nom}}$) na etiqueta do teu eletrodoméstico. Determina a energia elétrica consumida ($E_{\text{cons}} = P_{\text{nom}} \cdot t$) e calcula o rendimento energético do processo: $\eta = (E / E_{\text{cons}}) \cdot 100\,\%$.

3. Mix elétrico e proposta: Entra no site da REN (Redes Energéticas Nacionais) e regista a quota de geração renovável e as emissões de $\text{CO}_2$ associadas nesse momento. Elabora um relatório breve com uma proposta fundamentada que justifique os melhores hábitos e horários de consumo para minimizar o impacto ambiental em tua casa.

Será valorizado:

• Rigor na recolha de medições caseiras, expressão correta de incertezas e qualidade do gráfico.

• Correção no cálculo da energia útil transferida e do rendimento do aparelho.

• Análise crítica dos dados reais da REN integrados numa proposta de consumo responsável.