Física3ª sérieBNCC EM13CNT106Difícil⏱ longo

DISSERTATIVA (dif.3). Uma comunidade consome E_load = 45,0 kWh/dia. Compare duas soluções físicas para suprir…

Publicado por Alexandre Lombardi dos Santos, fundador do GeraProva

Habilidade BNCC EM13CNT106

Avaliar, com ou sem o uso de dispositivos e aplicativos digitais, tecnologias e possíveis soluções para as demandas que envolvem a geração, o transporte, a distribuição e o consumo de energia elétrica, considerando a disponibilidade de recursos, a eficiência energética, a relação custo/benefício, as características geográficas e ambientais, a produção de resíduos e os impactos socioambientais e culturais.

Fonte: Base Nacional Comum Curricular (MEC).

Questão

DISSERTATIVA (dif.3). Uma comunidade consome E_load = 45,0 kWh/dia. Compare duas soluções físicas para suprir essa carga: (A) gerador a diesel com eficiência elétrica ?_g = 0,33 e energia do combustível E_fuel = 36 MJ/L; (B) sistema fotovoltaico com irradiância média G = 550 W/m² por t = 5,0 h/dia, eficiência de painel ?_p = 18%, rendimento do inversor ?_inv = 0,95 e eficiência de armazenamento (round-trip) ?_bat = 0,85. Calcule (1) consumo de combustível L/dia e energia primária consumida no caso A; (2) área de painéis A (m²) necessária no caso B considerando perdas de inversor e bateria (use E_pan = G·?_p·A·t e ajuste para rendimento do sistema). Com base nos resultados, avalie, do ponto de vista físico-energético, qual solução apresenta menor consumo de energia primária e comente implicações práticas (área, armazenamento, custos energéticos). Use 1 kWh = 3,6 MJ.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Modelo-resposta (passos e cálculos): 1) Gerador diesel - Energia por litro: E_fuel = 36 MJ/L = 36/3,6 = 10,0 kWh/L. - Energia elétrica por litro = 10,0 kWh/L · ?_g = 10,0·0,33 = 3,30 kWh/L. - Consumo de combustível L/dia = E_load / (energia elétrica por litro) = 45,0 kWh / 3,30 kWh·L?¹ = 13,636 L/dia ˜ 13,64 L/dia. - Energia primária consumida (entrada de combustível) = E_load / ?_g = 45,0 kWh / 0,33 = 136,36 kWh ˜ 490,9 MJ/dia (usar 1 kWh = 3,6 MJ). 2) Sistema fotovoltaico + armazenamento - Potência por área: P_area = G·?_p = 550 W/m² · 0,18 = 99,0 W/m². - Energia por m² por dia: E_area = P_area · t = 99,0 W/m² · 5,0 h = 495 Wh/m² = 0,495 kWh/m². - Devido a perdas (inversor e bateria), energia que os painéis devem fornecer = E_req_sys = E_load / (?_inv · ?_bat) = 45,0 kWh / (0,95·0,85) = 45,0 / 0,8075 = 55,75 kWh/dia. - Área necessária A = E_req_sys / E_area = 55,75 kWh / 0,495 kWh·m?² = 112,61 m² ˜ 113 m². - Energia primária solar incidente necessária ˜ G·A·t = 550 W/m²·112,61 m²·5 h = 550·112,61·5 Wh = 309,67 kWh de energia solar incidente; mas essa é energia renovável não consumida como combustível. 3) Avaliação física-energética - O gerador diesel consome ˜13,64 L/dia de combustível e requer entrada primária ˜136,36 kWh/dia (˜491 MJ/dia); gera diretamente 45 kWh elétricos. - O sistema PV exige ˜113 m² de módulos e armazenamento/eletrônica para entregar 45 kWh/dia, produzindo ˜55,8 kWh nos painéis que, após perdas, resulta nos 45 kWh úteis. - Do ponto de vista de consumo de energia primária e emissões, a solução PV tem vantagem (energia solar incidente é renovável e não implica consumo de combustível fóssil), enquanto o diesel apresenta alto consumo de energia primária e emissões associadas. - Implicações práticas: PV requer maior área ocupada (~113 m²), investimento inicial em painéis e baterias; diesel requer menos área, fácil despacho e menor investimento inicial, mas custo operacional contínuo (combustível) e maior impacto ambiental. Conclusão: Fisicamente, o sistema fotovoltaico reduz o consumo de energia primária fóssil e emissões; escolha final depende de análise custo/benefício, disponibilidade de área, perfil de carga e custos locais de combustível versus investimento em capital.

Explicação

A análise comparativa entre as duas soluções energéticas revela que o gerador a diesel consome uma quantidade significativa de combustível e energia primária, resultando em maiores emissões de carbono. Em contrapartida, o sistema fotovoltaico, apesar de exigir uma área maior e um investimento inicial, utiliza uma fonte de energia renovável, reduzindo o consumo de combustíveis fósseis e suas implicações ambientais. Portanto, a escolha entre as opções deve considerar não apenas a eficiência energética, mas também os custos operacionais e o impacto ambiental a longo prazo.

Raio-X da questão

Dificuldade Difícil

Bloom Avaliar

Leitura alto

Discriminação alto

Peso pedagógico alto

Autonomia do enunciado completo

Cobertura da habilidade multipla

🧪 Simulado🩺 Diagnóstico🧮 Exige cálculo🏠 Cotidiano🔗 Interdisciplinar⭐ Representativa✍️ situacional🧩 desafio

🎯 Conceito central

energia primária e eficiência

📌 Objetivo

avaliacao

🧱 Pré-requisitos

cálculo de eficiência energética · conversão de unidades de energia

📚 Reveja

Revisar conceitos de eficiência energética e cálculo de área de painéis solares.

⚠️ Erro mais comum

O aluno pode confundir a eficiência do gerador a diesel com a eficiência do sistema fotovoltaico, levando a um cálculo incorreto do consumo de energia primária.

🌎 Tema transversal

ciencia_tecnologia

🤝 Socioemocional

pensamento_critico

🏫 Contexto

cientifico

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