8.2 UM RESUMO DA HISTÓRIA DA INDÚSTRIA DA ENERGIA ELÉTRICA

Até o final do século XIX, os estudos relativos aos fenômenos elétricos e magnéticos interessavam apenas a alguns poucos cientistas. William Gilbert (1544 – 1603), Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806), Luigi Aloisius Galvani (1737 – 1798), Otto von Guericke (1602 – 1686), Benjamin Franklin (1706 – 1790), Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 – 1827) e outros poucos cientistas fizeram significativas contribuições para a área da eletricidade; porém, à época, ela não era mais que um conjunto bastante limitado de conhecimentos não-sistematizados. Naquele tempo, não se conheciam aplicações práticas para tais conhecimentos, e a principal motivação para os estudos era a curiosidade intelectual. As pessoas iluminavam seus lares com velas e com lampiões e lamparinas a querosene e a óleo de baleia; a força motriz era suprida principalmente pelo trabalho de pessoas e por animais de tração.

No período aproximado de 1800 a 1810, surgiram companhias comerciais de iluminação a gás na Europa e, imediatamente após, nos EUA, ameaçando fortemente os interesses das indústrias das velas de sebo e do querosene, que reagiram com vigor, descrevendo a nova tecnologia como uma ameaça à saúde e enfatizando o potencial explosivo dela. Entretanto, a óbvia vantagem de se ter mais luz com custo mais baixo não pôde ser ocultada indefinidamente. Em razão disso, essa nova indústria apresentou contínuo crescimento durante todo o século XIX e teve o seu apogeu por volta de 1885.

Grandes avanços na compreensão dos fenômenos elétricos e magnéticos ocorreram durante esse mesmo período. Alguns cientistas, como Humphry Davy (1778 – 1829), André-Marie Ampère (1775 – 1836), George Simon Ohm (1787 – 1854) e Johann Friedrich Karl Gauss (1777 – 1855), fizeram importantes descobertas, mas aquela que transformou a eletricidade de mero fenômeno científico interessante em uma tecnologia importante, com extensas implicações sociais, foi feita por dois cientistas que trabalharam independentemente um do outro: Michael Faraday (1791 – 1867) e Joseph Henry (1797 – 1878). Ampère e outros já haviam observado que campos magnéticos eram criados por correntes elétricas; não obstante, ninguém havia descoberto como correntes elétricas poderiam ser produzidas por campos magnéticos. Como resultado dos trabalhos realizados de 1821 a 1831 nesse assunto, Faraday finalmente obteve sucesso na formulação da importantíssima lei que ostenta o nome dele. Em seguida, ele construiu uma máquina que gerava tensão elétrica com base em princípios de indução magnética. Existia, então, uma fonte de energia elétrica de capacidade muito superior à das garrafas de Leyde (1745) e das pilhas voltaicas (1800). Independentemente dos trabalhos de Faraday, Henry também descobriu o fenômeno da indução eletromagnética quase ao mesmo tempo que aquele, e aplicou suas descobertas em muitas áreas, incluindo os eletroímãs e o telégrafo.

No período compreendido entre 1840 e 1880, diversos profissionais, incluindo Charles Wheatstone (1802 – 1875), Samuel Alfred Varley (1832 – 1921), Ernst Werner von Siemens (1816 – 1892), Carl Heinrich von Siemens (1829 – 1906) e Zénobe-Théophile Gramme (1826 – 1901), aplicaram o princípio da indução eletromagnética à construção de geradores elétricos primitivos. Nessa mesma época, um fenômeno descoberto há alguns anos recomeçou a despertar interesse como uma fonte de luz viável: foi observado que, quando dois eletrodos de carbono conduzindo corrente elétrica eram afastados, formava-se um arco elétrico de brilho intenso.

A comercialização da iluminação a arco voltaico deu-se nos anos 70 do século XIX, inicialmente na iluminação residencial e, posteriormente, na iluminação pública e em outras instalações externas. Como era previsível, a iluminação a arco voltaico produziu o estímulo necessário ao desenvolvimento de melhores e mais eficientes geradores elétricos. Charles Francis Brush (1849 – 1929) contribuiu de forma notável com essa área ao desenvolver um sistema de iluminação a arco com gerador associado. Esse sistema era viável e fundou um bem-sucedido negócio com pequena oposição das companhias de iluminação a gás, pois não havia competição direta pelas mesmas aplicações. A principal objeção à iluminação a arco voltaico era sua alta intensidade, que a tornava inadequada para a maioria das aplicações internas. A iluminação a gás ainda era a melhor opção para esses usos.

Já no ano de 1809, era conhecido o fato de que certos materiais, ao conduzirem corrente elétrica, poderiam aquecer-se até o ponto de incandescência. A idéia de se utilizarem tais materiais como fonte de luz estimulou muitos profissionais a tentaram produzir tal dispositivo. A principal dificuldade a ser superada era que o material incandescente consumia-se rapidamente. Para retardar ou prevenir essa destruição, o material foi encapsulado em um recipiente preenchido com gás inerte ou a vácuo. O desafio de se colocar um material com alto ponto de fusão, condutância elétrica apropriada e boas propriedades de iluminação em um invólucro com atmosfera adequada provou-se insuperável para a tecnologia da época: até os anos 70 do século XIX, a lâmpada elétrica estava muito distante de ser uma realidade. Apesar disso, ocorreram contínuos melhoramentos nos geradores elétricos. Tornou-se claro que, se e quando uma lâmpada elétrica incandescente fosse desenvolvida, uma fonte de energia elétrica estaria disponível.

Em 1875, Thomas Alva Edison (1847 – 1931) construiu um laboratório, o primeiro centro de pesquisas industrial fora de uma universidade, para trabalhar em vários projetos na área de eletricidade, incluindo o desenvolvimento de uma lâmpada elétrica incandescente. Apenas em outubro de 1879, após muitas tentativas e experiências malsucedidas, um bulbo com vácuo contendo um filamento de fio de algodão carbonizado foi energizado. A lâmpada funcionou por 44 horas até finalmente queimar-se. Não havia mais dúvidas de que uma lâmpada incandescente viável poderia ser desenvolvida. Subseqüentemente, Edison aprimorou a lâmpada e propôs um novo projeto de gerador que tinha inacreditável rendimento de quase 90%. Aproximadamente três anos mais tarde, em 1882, o primeiro sistema instalado para vender energia elétrica para iluminação incandescente nos EUA começou a operar em Nova Iorque. Esse sistema funcionava em corrente contínua (CC) a três condutores, com tensões de 220 V/110 V, e alimentava uma carga de 30 kW constituída por lâmpadas incandescentes. Esse e outros sistemas contemporâneos a ele deram início ao que viria a se tornar uma das maiores indústrias do mundo.

As companhias de energia elétrica daquela época autodenominavam-se companhias de iluminação porque esse era o único serviço que forneciam. Entretanto, muito cedo foi encontrado um problema técnico que persiste até hoje: a carga elétrica de uma companhia pode aumentar ao final da tarde, manter-se aproximadamente constante durante todo o início da noite e, então, cair subitamente, por volta das 23h, para a metade do valor máximo ou menos. Isso significava que se tinha um sistema elaborado que era subutilizado na maior parte do tempo. Seria então possível encontrar outras aplicações para a sobra energética? O motor elétrico já era conhecido, e a existência de uma fonte de energia elétrica era um incentivo para o refinamento desse equipamento e a aceitação comercial dele. A força motriz de origem elétrica rapidamente tornou-se popular e foi usada para muitas aplicações. Em reconhecimento à sua nova atuação mais abrangente, as companhias de energia elétrica começaram a se autodenominarem companhias de força e luz.

O aumento das cargas trouxe outro problema técnico: o aumento de correntes a ele associado causava quedas de tensão inaceitáveis se os geradores estivessem localizados a uma distância considerável das cargas. A exigência de se manter a geração próxima às cargas tornou-se cada vez mais inaceitável, pois, freqüentemente, não havia disponibilidade de locais para geração de porte aceitável. Era sabido que potência elétrica é proporcional ao produto entre tensão e corrente elétricas; logo, seriam necessárias menores correntes para maiores tensões. Infelizmente, tensões elevadas não eram desejáveis tanto do ponto de vista da tecnologia da época quanto da segurança do consumidor. Dessa forma, a solução era transmitir potência a alta tensão por longas distâncias e, então, abaixar o valor da tensão no ponto de consumo: havia a necessidade de se desenvolver um equipamento capaz de transformar os níveis de tensão e de corrente com eficiência e confiabilidade.

Nos anos 1990 do século XIX, a recém-criada Westinghouse Company havia experimentado uma nova forma de eletricidade, denominada corrente alternada (CA), inspirada no fato de que a corrente elétrica alternadamente revertia o sentido do seu fluxo em sincronismo com a rotação do gerador. Nikola Tesla (1856 – 1943) não tinha apenas inventado o motor de indução CA polifásico, mas também concebido um sistema elétrico CA polifásico completo. Essa abordagem tinha muitas vantagens inerentes: por exemplo, os problemas de comutação associados aos geradores CC eram eliminados. Uma vigorosa controvérsia entre Edison, da jovem General Electric Company, e a Westinghouse Company desenvolveu-se para se decidir se a indústria deveria ser padronizada em CC ou em CA. A forma CA finalmente saiu-se vitoriosa pelos seguintes motivos: (a) o transformador CA possuía a tão necessária capacidade de converter facilmente níveis de tensão e de corrente com rendimento elevado; (b) os geradores CA eram inerentemente mais simples que os geradores CC; e (c) embora não tão versáteis naquela época, os motores CA eram mais simples e mais baratos que os motores CC.

Após a padronização em CA, o conceito de geração central estabeleceu-se firmemente, e as cargas remotas deixaram de ser problema. O suave brilho amarelado da lâmpada de Edison era mais conveniente, limpo, e, rapidamente, tornou-se mais barato que seu correspondente a gás. Mais e mais consumidores foram adicionados à lista de clientes das companhias de energia elétrica: uma vez que a maior parte desse aumento de carga pôde ser atendido sem aumento no investimento de capital, o custo unitário da energia caiu, atraindo continuamente mais consumidores.

Empresas de eletricidade locais expandiram-se territorialmente até que começassem a compartilhar fronteiras: já em 1920, cada centro de carga da Europa Ocidental possuía seu próprio sistema de potência. Nesse momento, uma vantagem operacional podia ser vislumbrada: sabendo que as cargas de sistemas vizinhos não necessariamente atingiam seus picos simultaneamente, por que não interconectar os sistemas e associar as condições de pico de carga à geração combinada dos sistemas, empregando melhor os equipamentos de todos os envolvidos? Porém, antes de se realizar a interconexão, era necessário superar um grave problema técnico: muitas freqüências diferentes eram utilizadas naquela época, incluindo CC, 25 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 125 Hz e 133 Hz. Tendo em vista que sistemas CA interconectados devem operar na mesma freqüência, a diversidade de freqüências impunha a necessidade de se utilizarem caros equipamentos conversores de freqüência. Essa necessidade representou, na realidade, um incentivo à padronização de freqüência. Naquele tempo, as unidades geradoras em diversas instalações hidrelétricas geravam em 25 Hz porque as turbinas hidráulicas podem ser projetadas para operar com um pouco mais de eficiência nas correspondentes velocidades mecânicas. Daí, havia forte amparo para se utilizar essa freqüência. O problema com a freqüência de 25 Hz era o perceptível efeito da cintilação luminosa (flicker) em lâmpadas incandescentes produzido por ela. Uma freqüência mais alta, 60 Hz, era eventualmente aceita como padrão nos EUA, pois ela tinha características elétricas aceitáveis e pelo fato de que turbinas a vapor operavam satisfatoriamente nas correspondentes velocidades mecânicas de 1.800 rpm e 3.600 rpm. Como resultado disso, os EUA padronizaram a freqüência em 60 Hz; a Europa, em 50 Hz.

O avanço tecnológico no projeto de equipamentos de potência continuou: quando uma empresa de eletricidade expandia o seu sistema, os novos geradores e transformadores adquiridos tinham, inevitavelmente, maiores capacidade e rendimento. Melhores lâmpadas elétricas foram desenvolvidas, dando ao consumidor mais luz por unidade de energia. Com a contínua queda nos custos da energia elétrica, o uso de motores elétricos como força motriz mecânica para todos os tipos de aplicações tornou-se popular.

O aumento da demanda por energia elétrica incentivou a transmissão em tensões progressivamente mais altas, que foram padronizadas em determinados níveis para evitar a proliferação de um número excessivamente grande de tensões de operação. É interessante notar que, apesar de toda essa evolução, a tensão inicial de Edison, 110 V, com sucessivas revisões para 115 V e 120 V, permaneceu como o padrão para o nível de serviço nos EUA.

Com tudo isso, criou-se o padrão atual de sistema elétrico de potência, que pode ser definido da seguinte forma (Gross, 1986):

Um sistema elétrico de potência é uma rede de componentes interconectados projetados para converter continuamente energia não-elétrica em energia elétrica, transportar a energia elétrica por distâncias potencialmente grandes, transformar a energia elétrica em uma forma específica sujeita a estreitas tolerâncias, e converter a energia elétrica transformada em uma forma não-elétrica utilizável.

De acordo com essa idéia, com propósitos organizacionais, pode-se dividir o sistema em cinco subsistemas muito conhecidos (Gross, 1986): geração, transmissão, subtransmissão , distribuição — primária e secundária — e consumo. Para ser viável, um sistema assim deve ser seguro, confiável, econômico, ambientalmente adequado e socialmente aceitável.

Esse modo organizacional adotado para o sistema elétrico ao longo de quase toda a sua história — grandes centrais de geração e uma extensa rede de linhas de transmissão e de distribuição alimentando os diversos consumidores —, é o que se conhece por geração centralizada de energia elétrica, ou simplesmente geração centralizada, geração central, geração convencional ou geração tradicional, todas expressões encontradas na literatura de língua portuguesa. Cabe aqui uma análise relativa a essa expressão que é, no mínimo, interessante. Considerando-se um sistema elétrico convencional, interligado, em que as linhas de transmissão interligam diversas usinas geradoras entre si e a muitos sistemas de distribuição, a expressão geração centralizada soa inadequada, pois há, de fato, geração de grande porte em diversos pontos do sistema interligado, mas não necessariamente no centro geográfico nem no centro de carga do sistema. No Brasil, um bom exemplo disso é a usina de Itaipu, a maior usina geradora de energia elétrica do país. É provável que essa expressão tenha tido origem na expressão em língua inglesa centralized generation, por referência aos primeiros sistemas elétricos ainda não-interligados: usinas geradoras alimentando radialmente os sistemas de transmissão e de distribuição, em uma configuração na qual se aceita com facilidade a noção de localização central da usina geradora, conforme citado anteriormente neste subitem. É claro que, com a interligação dos diversos pequenos sistemas, essa noção de geração central, ou centralizada, deixou de ser pertinente. Todavia, a expressão geração centralizada não é de todo equivocada, pois, em muitos sistemas isolados, a expressão continua válida, como na origem; nos sistemas interligados, a capacidade de geração não é centralizada, função que é da localização das usinas geradoras, mas o despacho, que define a geração, é centralizado. Sendo assim, neste capítulo, a expressão geração centralizada será utilizada para designar a geração que ocorre nos sistemas elétricos tradicionais, interligados, conforme descrito anteriormente de forma sumária.

Com esse tipo de sistema elétrico, a resposta aos aumentos de demanda era aumentar a energia gerada; quando a demanda excedia a máxima capacidade de geração do sistema, a solução adotada era a construção de novas usinas geradoras, em geral de grande porte, e o aumento correspondente da capacidade de transmissão e distribuição da maior quantidade de energia comercializada. Conforme referido em Rodríguez (2002) e em Rodrigues (2006), os motivos justificadores desse modo de organização dos sistemas elétricos são: (a) a contínua busca de economias de escala, com a conseqüente redução dos custos unitários de investimento e de produção, pois a rápida expansão dos sistemas elétricos reconfigurou o negócio da energia como um monopólio natural em larga escala; (b) a conveniente minimização dos impactos e dos riscos ambientais nos centros mais densamente povoados; (c) o poder que tinham os empreendedores de grandes obras, do setor público ou do setor privado, dando suporte às soluções então propostas; e (d) a alta confiabilidade dos sistemas de transmissão de energia elétrica em alta tensão. Com isso, as indústrias substituíram a geração in loco pela aquisição de energia elétrica das concessionárias, que, em 1970, forneciam mais de 90% da eletricidade mundial, segundo citam Dunn e Flavin (2000).

Na década de 70 do século XX, porém, o grande porte das usinas entrou em choque com preocupações ambientais, com crises energéticas e com vazamentos causadores de prejuízos bilionários em grandes usinas nucleares, o que levou ao questionamento do paradigma da geração centralizada. Na década de 80 do século XX, a tendência de crescimento das usinas geradoras foi revertida, a partir do momento em que turbinas a gás de menor porte, produzidas em massa, chegaram ao mercado. Segundo informado por Dunn e Flavin (2000), o porte médio de uma nova usina de geração elétrica nos EUA caiu de 600 MW, em meados da década de 80, para 100 MW, em 1992, e para 21 MW, em 1998. Com a introdução de novas tecnologias que reduzem progressiva e significativamente o custo da energia elétrica produzida , tem-se utilizado, desde então, unidades geradoras de menor porte, localizadas cada vez mais próximas dos centros de carga, com óbvia valorização da GD.

As contínuas inovações tecnológicas no setor elétrico, associadas à recente regulamentação dos mercados — em que o ambiente mais competitivo, especialmente na geração, possibilitou o surgimento de novos agentes, os produtores independentes e os autoprodutores, vendendo ou não excedentes de energia elétrica para a rede, concorrendo com alguma liberdade — e ao fato de que é cada vez mais difícil obter financiamento para as grandes centrais de geração e lidar com os impactos ambientais decorrentes da implantação delas e com o tempo despendido na obtenção das licenças ambientais para elas exigidas, constituem as principais forças impulsoras da disseminação da GD.