FísicaENEMBNCC EM13CNT106Difícil⏱ longo

Comunidade isolada: consumo E_day = 180 kWh/dia, pico P_peak = 40 kW. Rede pública a 30 km (custo conexão R$…

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

Comunidade isolada: consumo E_day = 180 kWh/dia, pico P_peak = 40 kW. Rede pública a 30 km (custo conexão R$ 2000/km). Recursos locais: rio com queda h = 6,0 m e vazão Q = 0,20 m^3/s; irradiância média 5,0 kWh/m^2·dia; vento médio 6,0 m/s. Diesel: 4,0 R$/L, energia 9,0 kWh/L, gerador ? = 0,30. Use ? = 1000 kg/m^3, g = 10 m/s^2. Compare opções (hidro, PV, eólico, diesel, híbrido) e proponha solução técnica justificando custo, eficiência e impacto ambiental. Fórmulas úteis: P_h = ?·g·Q·h·?_h (W); E_PV ˜ kW_p·PSH·?_sys (kWh/dia).

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

Resposta esperada

Cálculos e avaliação modelo: 1) Hidro (base): suponha rendimento da turbina ?_h = 0,70. P_h = ?·g·Q·h·?_h = 1000·10·0,20·6·0,70 = 8 400 W ˜ 8,4 kW. Energia diária gerada ˜ 8,4 kW·24 h = 201,6 kWh/dia (>180 kWh/dia). Anual ˜ 73 584 kWh/ano. Vantagem: geração contínua, baixas emissões e baixo custo operacional. Limitação: potência instantânea 8,4 kW < P_peak 40 kW — não atende picos. 2) Diesel (backup para pico): eficiência do conjunto ? = 0,30 ? energia elétrica por litro = 9,0 kWh/L·0,30 = 2,7 kWh/L. Para 180 kWh/dia seriam ˜ 66,7 L/dia; custo combustível ˜ 66,7·4,0 = R$ 267/dia (~R$ 97 400/ano) — muito elevado. Usar diesel apenas como gerador de pico reduz custo/impacto. 3) Fotovoltaica para suprir picos/recarga de baterias: PSH = 5,0 h/dia. Considerando eficiência do sistema ?_sys ˜ 0,90, energia por kW_p ˜ 5·0,90 = 4,5 kWh/dia. Para suprir déficit diário de pico/recarga (ex.: carregar baterias para 40 kW·1 h = 40 kWh) seriam ˜ 9 kW_p (40/4,5 ˜ 8,9 kW_p). Para reduzir dependência do diesel, dimensionar PV adicional de 15–25 kW_p para margem e consumo noturno. 4) Bateria para picos: P_peak 40 kW exige banco capaz de fornecer potência de pico; se pico dura 1 h, capacidade ˜ 40 kWh útil. Com eficiência round-trip 85% carregar requer ˜ 47 kWh de geração adicional. 5) Eólico: com v médio 6 m/s, fator de capacidade moderado; isoladamente incerto sem dados do rotor; útil como complemento, mas não substitui garantia de carga base. 6) Conexão à rede a 30 km: custo de conexão ˜ R$ 60 000 (capex) além de perdas e tarifas; pode ser competitivo se houver subsídio e demanda crescer, mas OPEX do diesel é muito maior que amortizar conexão em poucos anos. Recomendação técnica: priorizar micro-hidrelétrica de fio d'água (instalar turbina ˜ 8,4 kW) para suprir carga base e reduzir custo/impacto. Complementar com banco de baterias ˜ 40–60 kWh para atender picos imediatos e estabilidade, e instalar PV ˜ 15–25 kW_p para carregar baterias e reduzir ciclos do diesel. Manter um grupo diesel pequeno (capacidade 50 kW) como reserva/backup para baixos caudais ou manutenção. Justificativa: hidrelétrica fornece energia contínua e barata (baixas emissões), PV + baterias cobrem picos e variabilidade diária; diesel fica para contingência, reduzindo consumo de combustível e emissões. Avaliação econômica: diesel como fonte primária resulta em altíssimo OPEX (~R$ 97 000/ano no exemplo) e maior impacto ambiental; CAPEX de hidro+PV+baterias é maior inicialmente, mas menor custo nivelado de energia e menor impacto ambiental a médio prazo. Implementação deve considerar estudos detalhados de fluxo hídrico anual, curve de carga (duração e frequência do pico), licenciamento ambiental e análise de custo nivelado (LCOE) com amortização dos equipamentos.

Explicação

A análise considera a viabilidade técnica e econômica das diferentes fontes de energia disponíveis, priorizando a micro-hidrelétrica por sua capacidade de fornecer energia contínua e de baixo custo operacional. A combinação de hidrelétrica, baterias e energia solar permite atender à demanda de pico e reduzir a dependência de combustíveis fósseis, minimizando o impacto ambiental. A avaliação econômica demonstra que, apesar do investimento inicial mais alto, a solução proposta resulta em menor custo a longo prazo e menor impacto ambiental.

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

fontes de energia renováveis

📌 Objetivo

avaliacao

🧱 Pré-requisitos

fontes de energia renováveis · cálculo de eficiência energética

📚 Reveja

Revisar os princípios de funcionamento de geradores e fontes de energia renováveis.

⚠️ Erro mais comum

O aluno pode subestimar o impacto ambiental das fontes de energia, focando apenas nos custos financeiros sem considerar a sustentabilidade.

🌎 Tema transversal

ciencia_tecnologia

🤝 Socioemocional

pensamento_critico

🏫 Contexto

cientifico

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