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Energia sustentável
Percentual de eletricidade produzida no mundo, em 2014, por meio de fontes renováveis (ver: Lista de países por produção de eletricidade renovável). Isso inclui biomassa, energia hidrelétrica, solar, eólica, geotérmica e maremotriz. A eletricidade produzida por fontes nucleares não está incluída.
Características
Classificação	disciplina  (energia)
Commons	Sustainable energy
Parte de	sustentabilidade, energy development
Estudado por	ecologia, ciências do ambiente
Localização
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A energia sustentável envolve o aumento da produção de energia renovável, tornando a energia segura universalmente disponível e a conservação de energia. No sentido horário, a partir do canto superior esquerdo: energia solar concentrada com armazenamento de calor de sal fundido na Espanha, energia eólica na África do Sul, transporte público eletrificado em Cingapura e cozinha limpa na Etiópia

A energia é sustentável se "atender às necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras de atenderem às suas próprias necessidades".^[1] A maioria das definições de energia sustentável inclui considerações de aspectos ambientais, como as emissões de gases de efeito estufa, e aspectos socioeconômicos, como a pobreza energética. Fontes de energia renovável, como energia eólica, hidrelétrica, solar e geotérmica são geralmente muito mais sustentáveis ​​do que as fontes de combustíveis fósseis. No entanto, alguns projetos de energia renovável, como o desmatamento de florestas para a produção de biocombustíveis, podem causar graves danos ambientais. O papel das fontes de energia não renováveis ​​na energia sustentável tem sido controverso. A energia nuclear é uma fonte de baixo carbono cujas taxas de mortalidade históricas são comparáveis ​​às eólica e solar, mas sua sustentabilidade tem sido debatida devido a preocupações com resíduos radioativos, proliferação nuclear e acidentes. A mudança do carvão para o gás natural traz benefícios ambientais, incluindo um menor impacto climático, mas pode levar a um atraso na mudança para opções mais sustentáveis. A captura e armazenamento de carbono podem ser incorporados em usinas de energia para remover suas emissões de dióxido de carbono (CO2), mas são caros e raramente são implementados.

Os combustíveis fósseis fornecem 85% do consumo mundial de energia e o sistema energético é responsável por 76% das emissões globais de gases de efeito estufa. Cerca de 790 milhões de pessoas nos países em desenvolvimento não têm acesso à eletricidade e 2,6 bilhões dependem de combustíveis poluentes como madeira ou carvão para cozinhar. Reduzir as emissões de gases de efeito estufa para níveis consistentes com o Acordo de Paris de 2015 exigirá uma transformação em todo o sistema da forma como a energia é produzida, distribuída, armazenada e consumida. A queima de combustíveis fósseis e biomassa é um dos principais contribuintes para a poluição do ar, que causa cerca de sete milhões de mortes a cada ano. Portanto, a transição para um sistema de energia de baixo carbono teria fortes co-benefícios para a saúde humana. Existem caminhos para fornecer acesso universal à eletricidade e à cozinha limpa de maneira compatível com as metas climáticas, trazendo grandes benefícios econômicos e de saúde para os países em desenvolvimento.

Nos caminhos propostos de mitigação das mudanças climáticas que são compatíveis com a limitação do aquecimento global a 2 °C (3,6 °F), o mundo rapidamente elimina as usinas a carvão, produz mais eletricidade a partir de fontes limpas, como eólica e solar, e passa a usar electricidade em vez de combustíveis em setores como os transportes e o aquecimento dos edifícios. Para algumas tecnologias e processos de uso intensivo de energia que são difíceis de eletrificar, muitos caminhos descrevem um papel crescente para o combustível de hidrogênio produzido a partir de fontes de energia de baixa emissão. Para acomodar parcelas maiores de energia renovável variável, as redes elétricas exigem flexibilidade por meio de infraestrutura como armazenamento de energia. Para fazer reduções profundas nas emissões, infraestrutura e tecnologias que usam energia, como edifícios e sistemas de transporte, precisariam ser alteradas para usar formas limpas de energia e também para economizar energia. Algumas tecnologias críticas para eliminar as emissões de gases de efeito estufa relacionadas à energia ainda não estão maduras.

A energia eólica e solar gerou 8,5% da eletricidade mundial em 2019. Essa participação cresceu rapidamente, enquanto os custos caíram e a projeção é que continuem caindo. O Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (PIMC) estima que 2,5% do produto interno bruto (PIB) mundial precisaria ser investido no sistema de energia a cada ano entre 2016 e 2035 para limitar o aquecimento global a 1,5 °C (2,7 °F). Políticas governamentais bem elaboradas que promovam a transformação do sistema de energia podem reduzir as emissões de gases de efeito estufa e melhorar a qualidade do ar. Em muitos casos, também aumentam a segurança energética. As abordagens políticas incluem precificação de carbono, padrões de portfólio renovável, eliminação gradual de subsídios a combustíveis fósseis, e o desenvolvimento de infraestrutura para apoiar a eletrificação e o transporte sustentável. O financiamento de pesquisa, desenvolvimento e demonstração de novas tecnologias de energia limpa também é um papel importante do governo.

A Comissão Brundtland das Nações Unidas descreveu o conceito de desenvolvimento sustentável, para o qual a energia é um componente fundamental, em seu relatório de 1987, Nosso Futuro Comum. Definiu o desenvolvimento sustentável como a satisfação das “necessidades do presente sem comprometer a capacidade das gerações futuras de satisfazerem as suas próprias necessidades”.^[1] Esta descrição do desenvolvimento sustentável tem sido referenciada em muitas definições e explicações de energia sustentável.^[1][2][3]

Não existe uma interpretação universalmente aceita de como o conceito de sustentabilidade se aplica à energia à escala global.^[4] As definições práticas de energia sustentável abrangem múltiplas dimensões da sustentabilidade, tais como as dimensões ambiental, económica e social. Historicamente, o conceito de desenvolvimento de energia sustentável tem se concentrado nas emissões e na segurança energética. Desde o início da década de 1990, o conceito foi alargado para abranger questões sociais e económicas mais amplas.^[5]

A dimensão ambiental da sustentabilidade inclui as emissões de gases do efeito estufa, os impactos na biodiversidade e nos ecossistemas, os resíduos perigosos e as emissões tóxicas,^[6] o consumo de água,^[7] e o esgotamento dos recursos não renováveis. Fontes de energia com baixo impacto ambiental são às vezes chamadas de energia verde ou energia limpa . A dimensão económica da sustentabilidade abrange o desenvolvimento económico, a utilização eficiente da energia e a segurança energética para garantir que cada país tem acesso constante a energia suficiente.^[6][8][9] As questões sociais incluem o acesso a energia acessível e fiável para todas as pessoas, os direitos dos trabalhadores e os direitos à terra.^[4]

O atual sistema energético contribui para muitos problemas ambientais, incluindo mudanças climáticas, poluição do ar, perda de biodiversidade, liberação de toxinas no meio ambiente e escassez de água. Em 2019, 85% das necessidades energéticas do mundo eram satisfeitas pela queima de combustíveis fósseis.^[11] A produção e o consumo de energia são responsáveis por 76% das emissões anuais de gases com efeito de estufa causadas pelo homem em 2018.^[12][13] O Acordo Internacional de Paris de 2015 sobre as alterações climáticas visa limitar o aquecimento global a bem menos de 2 °C e de preferência a 1,5 °C; atingir este objetivo exigirá que as emissões sejam reduzidas o mais rapidamente possível e que se atinjam o valor líquido zero até meados do século.^[14]

A queima de combustíveis fósseis e de biomassa é uma importante fonte de poluição atmosférica,^[15][16] que causa cerca de 7 milhões de mortes por ano, sendo a maior carga de doenças atribuível observada em países de baixo e médio rendimento.^[17] A queima de combustíveis fósseis em usinas de energia, veículos e fábricas é a principal fonte de emissões que se combinam com o oxigênio na atmosfera para causar chuva ácida.^[18] A poluição atmosférica é a segunda principal causa de morte por doenças não infecciosas.^[19] Estima-se que 99% da população mundial vive com níveis de poluição atmosférica que excedem os limites recomendados pela Organização Mundial de Saúde.^[20]

Cozinhar com combustíveis poluentes, como madeira, esterco animal, carvão ou querosene, é responsável por quase toda a poluição do ar interno, causando cerca de 1,6 a 3,8 milhões de mortes anualmente,^[21][19] e também contribui significativamente para a poluição do ar exterior.^[22] Os efeitos na saúde concentram-se entre as mulheres, que são provavelmente responsáveis pela cozinha, e as crianças pequenas.^[22]

Os impactos ambientais vão além dos subprodutos da combustão. Os derrames de petróleo no mar prejudicam a vida marinha e podem causar incêndios que libertam emissões tóxicas.^[23] Cerca de 10% do uso global de água é destinado à produção de energia, principalmente para resfriamento em usinas de energia térmica. Em regiões secas, isso contribui para a escassez de água . A produção de bioenergia, a mineração e o processamento de carvão e a extracção de petróleo também requerem grandes quantidades de água.^[24] A colheita excessiva de madeira e outros materiais combustíveis para queima pode causar sérios danos ambientais locais, incluindo a desertificação.^[25]

Satisfazer as necessidades energéticas actuais e futuras de forma sustentável constitui um desafio crítico para o objectivo global de limitar as alterações climáticas, mantendo simultaneamente o crescimento económico e permitindo a melhoria dos padrões de vida.^[26] A energia fiável e acessível, especialmente a electricidade, é essencial para os cuidados de saúde, a educação e o desenvolvimento económico.^[27] Em 2020, 790 milhões de pessoas nos países em desenvolvimento não têm acesso à eletricidade e cerca de 2,6 bilhões de pessoas dependem da queima de combustíveis poluentes para cozinhar.^[28][29]

Melhorar o acesso à energia nos países menos desenvolvidos e tornar a energia mais limpa são essenciais para atingir a maioria dos Objetivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas para 2030,^[30] que abrangem questões que vão desde a ação climática até à igualdade de gênero.^[31] O Objctivo de Desenvolvimento Sustentável 7 apela ao “acesso a energia acessível, fiável, sustentável e moderna para todos”, incluindo o acesso universal à electricidade e a instalações de cozinha limpas até 2030.^[32]

A eficiência energética — utilizar menos energia para fornecer os mesmos bens ou serviços, ou fornecer serviços comparáveis com menos bens — é uma pedra angular de muitas estratégias de energia sustentável.^[34][35] A Agência Internacional de Energia (AIE) estimou que o aumento da eficiência energética poderia atingir 40% das reduções de emissões de gases do efeito estufa necessárias para cumprir os objetivos do Acordo de Paris.^[36]

A energia pode ser conservada aumentando a eficiência técnica de aparelhos, veículos, processos industriais e edifícios.^[37] Outra abordagem é usar menos materiais cuja produção exige muita energia, por exemplo, por meio de melhor design de construção e reciclagem. Mudanças comportamentais, como a utilização de videoconferências em vez de voos de negócios, ou a realização de viagens urbanas de bicicleta, a pé ou de transportes públicos em vez de automóvel, são outras formas de conservar energia.^[38] As políticas governamentais para melhorar a eficiência podem incluir códigos de construção, padrões de desempenho, preços de carbono e o desenvolvimento de infraestruturas energeticamente eficientes para encorajar mudanças nos modos de transporte.^[38][39]

A intensidade energética da economia global (a quantidade de energia consumida por unidade do produto interno bruto (PIB)) é um indicador aproximado da eficiência energética da produção económica.^[40] Em 2010, a intensidade energética global foi de 5,6 megajoules por dólar americano do PIB.^[40] Os objetivos das Nações Unidas preveem uma redução da intensidade energética de 2,6% ao ano entre 2010 e 2030.^[41] Nos últimos anos, essa meta não foi atingida. Por exemplo, entre 2017 e 2018, a intensidade energética diminuiu apenas 1,1%.^[41]

As melhorias de eficiência conduzem frequentemente a um efeito de ricochete em que os consumidores utilizam o dinheiro que poupam para comprar bens e serviços com maior consumo de energia.^[42] Por exemplo, as recentes melhorias na eficiência técnica nos transportes e nos edifícios foram largamente compensadas pelas tendências no comportamento do consumidor, como a escolha de veículos e casas maiores.^[43]

As fontes de energia renováveis são essenciais para a energia sustentável, pois geralmente reforçam a segurança energética e emitem muito menos gases de efeito estufa do que os combustíveis fósseis.^[45] Os projetos de energias renováveis levantam por vezes preocupações significativas em matéria de sustentabilidade, tais como riscos para a biodiversidade quando áreas de elevado valor ecológico são convertidas para produção de bioenergia ou para parques eólicos ou solares.^[46][47]

A energia hidrelétrica é a maior fonte de eletricidade renovável, enquanto a energia solar e eólica estão crescendo rapidamente. A energia solar fotovoltaica e a energia eólica terrestre são as formas mais baratas de nova capacidade de geração de energia na maioria dos países.^[48][49] Para mais da metade dos 770 milhões de pessoas que atualmente não têm acesso à electricidade, a energia renovável descentralizada, como as mini-redes alimentadas por energia solar, é provavelmente o método mais barato de a fornecer até 2030.^[50] As metas das Nações Unidas para 2030 incluem o aumento substancial da proporção de energia renovável no fornecimento mundial de energia.^[32]

De acordo com a Agência Internacional de Energia, as fontes de energia renováveis, como a energia eólica e a solar, são agora uma fonte comum de electricidade, representando 70% de todos os novos investimentos feitos na produção de energia no mundo.^{[51][52][53][54]} A Agência espera que as energias renováveis se tornem a principal fonte de energia para a geração de eletricidade a nível mundial nos próximos três anos, ultrapassando o carvão.^[55]

O Sol é a principal fonte de energia da Terra, um recurso limpo e abundantemente disponível em muitas regiões.^[56] Em 2019, a energia solar forneceu cerca de 3% da eletricidade global,^[57] principalmente através de painéis solares baseados em células fotovoltaicas (FV). Espera-se que a energia solar fotovoltaica seja a fonte de eletricidade com maior capacidade instalada em todo o mundo até 2027.^[58] Os painéis são montados no topo de edifícios ou instalados em parques solares de grande porte. Os custos das células solares fotovoltaicas caíram rapidamente, impulsionando um forte crescimento da capacidade mundial.^[59] O custo da electricidade proveniente de novas centrais solares é competitivo ou, em muitos locais, mais barato do que a electricidade proveniente de centrais a carvão existentes.^[60] Várias projeções sobre o uso futuro de energia identificam a energia solar fotovoltaica como uma das principais fontes de geração de energia em uma combinação sustentável.^[61][62]

A maioria dos componentes dos painéis solares pode ser facilmente reciclada, mas isso nem sempre é feito na ausência de regulamentação.^[63] Os painéis geralmente contêm metais pesados, por isso representam riscos ambientais se forem colocados em aterros sanitários.^[64] Leva menos de dois anos para um painel solar produzir tanta energia quanto a que foi usada para sua produção. É necessária menos energia se os materiais forem reciclados em vez de extraídos.^[65]

Na energia solar concentrada, os raios solares são concentrados por um campo de espelhos, aquecendo um fluido. A eletricidade é produzida a partir do vapor resultante com uma máquina térmica. A energia solar concentrada pode suportar a geração de energia distribuível, já que parte do calor é normalmente armazenado para permitir que a eletricidade seja gerada quando necessário.^[66][67] Além da produção de eletricidade, a energia solar é utilizada de forma mais direta; os sistemas de aquecimento solar térmico são utilizados para a produção de água quente, aquecimento de edifícios, secagem e dessalinização.^[68]

O vento tem sido um importante motor de desenvolvimento ao longo de milênios, fornecendo energia mecânica para processos industriais, bombas de água e navios à vela.^[69] As turbinas eólicas modernas são utilizadas para gerar eletricidade e forneceram aproximadamente 6% da eletricidade global em 2019.^[70] A electricidade proveniente de parques eólicos terrestres é muitas vezes mais barata do que as centrais a carvão existentes e competitiva com o gás natural e a energia nuclear.^[71] As turbinas eólicas também podem ser colocadas no mar, onde os ventos são mais constantes e fortes do que em terra, mas os custos de construção e manutenção são mais elevados.^[72]

Os parques eólicos terrestres, muitas vezes construídos em áreas selvagens ou rurais, têm um impacto visual na paisagem.^[73] Embora as colisões com turbinas eólicas matem tanto morcegos como, em menor grau, aves, estes impactos são menores do que os de outras infra-estruturas, como janelas e linhas de transmissão.^[74][75] O ruído e a luz bruxuleante criados pelas turbinas podem causar incômodo e restringir construções perto de áreas densamente povoadas. A energia eólica, ao contrário das centrais nucleares e de combustíveis fósseis, não consome água.^[76] Pouca energia é necessária para a construção de uma turbina eólica em comparação com a energia produzida pela própria usina eólica.^[77] As lâminas das turbinas não são totalmente recicláveis e a investigação sobre métodos de fabrico de lâminas mais fáceis de reciclar está em curso.^[78]

Usinas hidrelétricas convertem a energia da água em movimento em eletricidade. Em 2020, a energia hidroeléctrica forneceu 17% da electricidade mundial, abaixo do máximo de quase 20% registado em meados do século XX.^[79][80]

Na energia hidrelétrica convencional, um reservatório é criado atrás de uma barragem. Usinas hidrelétricas convencionais fornecem um fornecimento de eletricidade altamente flexível e distribuível. Podem ser combinados com energia eólica e solar para satisfazer picos de procura e compensar quando o vento e o sol estão menos disponíveis.^[81]

Comparada às instalações baseadas em reservatórios, a energia hidrelétrica geralmente tem menos impacto ambiental. No entanto, sua capacidade de gerar energia depende do fluxo do rio, que pode variar de acordo com o clima diário e sazonal. Os reservatórios fornecem controlos da quantidade de água que são usados para controlo de cheias e produção de electricidade flexível, ao mesmo tempo que fornecem segurança durante a seca para o abastecimento de água potável e irrigação.^[82]

A energia hidroeléctrica está entre as fontes de energia com os níveis mais baixos de emissões de gases com efeito de estufa por unidade de energia produzida, mas os níveis de emissões variam enormemente entre projectos.^[83] As emissões mais elevadas tendem a ocorrer em grandes barragens em regiões tropicais.^[84] Essas emissões são produzidas quando a matéria biológica que fica submersa na inundação do reservatório se decompõe e libera dióxido de carbono e metano. A desflorestação e as alterações climáticas podem reduzir a produção de energia a partir de barragens hidroeléctricas.^[81] Dependendo da localização, as grandes barragens podem deslocar residentes e causar danos ambientais locais significativos; uma potencial falha da barragem pode colocar a população circundante em risco.^[81]

A energia geotérmica é produzida através do aproveitamento do calor subterrâneo profundo^[85] e da sua utilização para gerar electricidade ou para aquecer água e edifícios. O uso da energia geotérmica concentra-se em regiões onde a extração de calor é econômica: é necessária uma combinação de altas temperaturas, fluxo de calor e permeabilidade (a capacidade da rocha de permitir a passagem de fluidos).^[86] A energia é produzida a partir do vapor criado em reservatórios subterrâneos.^[87] A energia geotérmica forneceu menos de 1% do consumo global de energia em 2020.^[88]

A energia geotérmica é um recurso renovável porque a energia térmica é constantemente reabastecida por regiões vizinhas mais quentes e pela decomposição radioativa de isótopos naturais.^[89] Em média, as emissões de gases de efeito estufa da electricidade produzida a partir da energia geotérmica são inferiores a 5% das da electricidade produzida a partir do carvão.^[90] A energia geotérmica acarreta o risco de induzir terramotos, necessita de protecção eficaz para evitar a poluição da água e liberta emissões tóxicas que podem ser capturadas.^[91]

A biomassa é um material orgânico renovável proveniente de plantas e animais.^[92] Pode ser queimado para produzir calor e eletricidade ou ser convertido em biocombustíveis, como biodiesel e etanol, que podem ser usados para abastecer veículos.^[93][94]

O impacto climático da bioenergia varia consideravelmente dependendo da origem das matérias-primas de biomassa e da forma como são cultivadas.^[95] Por exemplo, a queima de madeira para obtenção de energia liberta dióxido de carbono; essas emissões podem ser significativamente compensadas se as árvores que foram cortadas forem substituídas por novas árvores numa floresta bem gerida, uma vez que as novas árvores irão absorver dióxido de carbono do ar à medida que crescem.^[96] No entanto, o estabelecimento e o cultivo de culturas de bioenergia podem deslocar ecossistemas naturais, degradar solos e consumir recursos hídricos e fertilizantes sintéticos.^[97][98]

Aproximadamente um terço de toda a madeira utilizada para aquecimento e cozinha tradicionais nas áreas tropicais é colhida de forma insustentável.^[99] As matérias-primas para bioenergia normalmente exigem quantidades significativas de energia para serem coletadas, secas e transportadas; o uso de energia para esses processos pode emitir gases de efeito estufa. Em alguns casos, os impactos das alterações na utilização dos solos, do cultivo e do processamento podem resultar em emissões globais de carbono mais elevadas para a bioenergia, em comparação com a utilização de combustíveis fósseis.^[97][100]

O uso de terras agrícolas para o cultivo de biomassa pode resultar em menos terra disponível para o cultivo de alimentos . Nos Estados Unidos, cerca de 10% da gasolina para motores foi substituída por etanol à base de milho, que consome uma parte significativa da colheita.^[101][102] Na Malásia e na Indonésia, a desflorestação para produzir óleo de palma para biodiesel tem provocado graves efeitos sociais e ambientais, uma vez que estas florestas são sequestradores de carbono e habitats essenciais para diversas espécies.^[103][104] Como a fotossíntese captura apenas uma pequena fração da energia da luz solar, a produção de uma determinada quantidade de bioenergia requer uma grande quantidade de terra em comparação com outras fontes de energia renováveis.^[105]

Os biocombustíveis de segunda geração, produzidos a partir de plantas não alimentares ou de resíduos, reduzem a concorrência com a produção alimentar, mas podem ter outros efeitos negativos, incluindo compensações com áreas de conservação e poluição atmosférica local.^[95] Fontes relativamente sustentáveis de biomassa incluem algas, resíduos e culturas cultivadas em solos inadequados para a produção de alimentos.^[95]

A tecnologia de captura e armazenamento de carbono pode ser usada para capturar emissões de usinas de bioenergia. Esse processo é conhecido como bioenergia com captura e armazenamento de carbono (BCAC) e pode resultar na remoção líquida de dióxido de carbono da atmosfera. No entanto, o BCAC também pode resultar em emissões líquidas positivas, dependendo de como o material de biomassa é cultivado, colhido e transportado. A implementação do BCAC nas escalas descritas em algumas vias de mitigação das alterações climáticas exigiria a conversão de grandes quantidades de terras agrícolas.^[106]

A energia marinha tem a menor fatia do mercado de energia. Inclui OTEC, energia das marés, que está se aproximando da maturidade, e energia das ondas, que está em um estágio inicial de desenvolvimento. Dois sistemas de barragens de maré na França e na Coreia do Sul representam 90% da produção global. Embora os dispositivos de energia marinha individuais representem poucos riscos para o ambiente, os impactos dos dispositivos maiores são menos conhecidos.^[107]

A troca do carvão pelo gás natural tem vantagens em termos de sustentabilidade. Para uma determinada unidade de energia produzida, as emissões de gases de efeito estufa do ciclo de vida do gás natural são cerca de 40 vezes maiores que as emissões da energia eólica ou nuclear, mas são muito menores que as do carvão. A queima de gás natural produz cerca de metade das emissões do carvão quando utilizado para gerar electricidade e cerca de dois terços das emissões do carvão quando utilizado para produzir calor.^[108] A combustão de gás natural também produz menos poluição atmosférica do que o carvão.^[109] No entanto, o gás natural é um potente gás com efeito de estufa por si só, e as fugas durante a extração e o transporte podem anular as vantagens de abandonar o carvão.^[110] A tecnologia para conter vazamentos de metano está amplamente disponível, mas nem sempre é utilizada.^[110]

A mudança do carvão para o gás natural reduz as emissões no curto prazo e, portanto, contribui para a mitigação das mudanças climáticas. No entanto, a longo prazo, não oferece um caminho para emissões líquidas zero. O desenvolvimento de infra-estruturas de gás natural corre o risco de bloqueio de carbono e de ativos encalhados, onde as novas infraestruturas fósseis ou se comprometem com décadas de emissões de carbono, ou têm de ser amortizadas antes de gerarem lucro.^[111][112]

As emissões de gases de efeito estufa de usinas de energia de combustíveis fósseis e biomassa podem ser significativamente reduzidas por meio da captura e armazenamento de carbono (CAC). A maioria dos estudos utiliza uma suposição de trabalho de que a CCS pode capturar 85–90% das emissões de dióxido de carbono de uma central elétrica.^[113][114] Mesmo que 90% desse gás emitido seja capturado por uma central eléctrica a carvão, as suas emissões não capturadas são ainda muitas vezes superiores às emissões de energia nuclear, solar ou eólica por unidade de electricidade produzida.^[115][116]

Como as centrais a carvão que utilizam CAC são menos eficientes, necessitam de mais carvão e, portanto, aumentam a poluição associada à extracção e ao transporte do carvão.^[117] A CCS é uma das formas mais dispendiosas de reduzir as emissões no sector energético.^[118] A implantação desta tecnologia é muito limitada. Em 2024, a CCS era usada em apenas 5 centrais eléctricas e em 39 outras instalações.^[119]

A energia nuclear tem sido usada desde a década de 1950 como uma fonte de eletricidade de base com baixo teor de carbono.^[121] As centrais nucleares em mais de 30 países geram cerca de 10% da electricidade mundial.^[122] Em 2019, a energia nuclear gerou mais de um quarto de toda a energia de baixo carbono, tornando-se a segunda maior fonte depois da energia hidroeléctrica.^[88]

As emissões de gases do efeito estufa ao longo do ciclo de vida da energia nuclear — incluindo a extracção e o processamento de urânio — são semelhantes às emissões provenientes de fontes de energia renováveis.^[83] A energia nuclear utiliza pouca terra por unidade de energia produzida, em comparação com as principais energias renováveis. Além disso, a energia nuclear não cria poluição atmosférica local.^[123][124] Embora o minério de urânio usado para abastecer as centrais de fissão nuclear seja um recurso não renovável, existe o suficiente para fornecer energia durante centenas a milhares de anos.^[125] Contudo, os recursos de urânio que podem ser acedidos de uma forma economicamente viável, no estado actual, são limitados e a produção de urânio dificilmente conseguiria acompanhar a fase de expansão.^[126] As vias de mitigação das alterações climáticas consistentes com objetivos ambiciosos normalmente assistem a um aumento do fornecimento de energia nuclear.^[127]

Há controvérsia sobre se a energia nuclear é sustentável, em parte devido às preocupações em torno dos resíduos nucleares, da proliferação de armas nucleares e dos acidentes.^[128] Os resíduos nucleares radioactivos devem ser geridos durante milhares de anos^[128] e as centrais nucleares criam material físsil que pode ser utilizado para armas.^[128] Por cada unidade de energia produzida, a energia nuclear causou muito menos mortes acidentais e relacionadas com a poluição do que os combustíveis fósseis, e a taxa histórica de mortalidade da energia nuclear é comparável à das fontes renováveis.^[115] A oposição pública à energia nuclear torna muitas vezes as centrais nucleares politicamente difíceis de implementar.^[128]

A redução do tempo e do custo de construção de novas centrais nucleares tem sido um objectivo durante décadas, mas os custos continuam elevados e os prazos longos.^[129] Várias novas formas de energia nuclear estão em desenvolvimento, na esperança de resolver as desvantagens das usinas convencionais. Os reatores reprodutores rápidos são capazes de reciclar resíduos nucleares e, portanto, podem reduzir significativamente a quantidade de resíduos que requerem eliminação geológica, mas ainda não foram implementados numa base comercial em larga escala.^[130] A energia nuclear baseada no tório (em vez do urânio) pode ser capaz de proporcionar maior segurança energética aos países que não têm um grande fornecimento de urânio.^[131] Os pequenos reatores modulares podem ter várias vantagens em relação aos grandes reactores actuais: deveria ser possível construí-los mais rapidamente e a sua modularização permitiria reduções de custos através da aprendizagem pela prática.^[132]

Vários países estão tentando desenvolver reatores de fusão nuclear, que gerariam pequenas quantidades de resíduos e nenhum risco de explosões.^[133] Embora a energia de fusão tenha avançado no laboratório, o prazo de várias décadas necessário para a sua comercialização e posterior expansão significa que não contribuirá para a meta de zero emissões líquidas até 2050.^[134]

As reduções de emissões necessárias para manter o aquecimento global abaixo de 2 °C exigirá uma transformação em todo o sistema da forma como a energia é produzida, distribuída, armazenada e consumida.^[11] Para que uma sociedade substitua uma forma de energia por outra, diversas tecnologias e comportamentos no sistema energético precisam mudar. Por exemplo, a transição do petróleo para a energia solar como fonte de energia para automóveis requer a geração de electricidade solar, modificações na rede eléctrica para acomodar flutuações na produção de painéis solares ou a introdução de carregadores de baterias variáveis e uma procura global mais elevada, a adopção de carros elétricos e redes de instalações de carregamento de veículos eléctricos e oficinas de reparação.^[135]

Muitos caminhos de mitigação das mudanças climáticas preveem três aspectos principais de um sistema de energia de baixo carbono:

• A utilização de fontes de energia de baixa emissão para produzir eletricidade
• Eletrificação – ou seja, o aumento do uso de eletricidade em vez da queima direta de combustíveis fósseis
• Adoção acelerada de medidas de eficiência energética^[136]

Algumas tecnologias e processos que consomem muita energia são difíceis de eletrificar, incluindo aviação, transporte marítimo e siderurgia. Existem várias opções para reduzir as emissões destes sectores: os biocombustíveis e os combustíveis sintéticos neutros em carbono podem alimentar muitos veículos concebidos para queimar combustíveis fósseis, no entanto os biocombustíveis não podem ser produzidos de forma sustentável nas quantidades necessárias e os combustíveis sintéticos são actualmente muito caros.^[137] Para algumas aplicações, a alternativa mais proeminente à eletrificação é desenvolver um sistema baseado em combustível de hidrogênio produzido de forma sustentável.^[138]

Espera-se que a descarbonização total do sistema energético global demore várias décadas e possa ser alcançada principalmente com as tecnologias existentes.^[139] Na proposta da AIE para atingir emissões líquidas zero até 2050, cerca de 35% da redução das emissões depende de tecnologias que ainda estão em desenvolvimento em 2023.^[140] As tecnologias relativamente novas incluem baterias e processos para criar combustíveis neutros em carbono.^[141][142] O desenvolvimento de novas tecnologias requer investigação e desenvolvimento, demonstração e redução de custos através da implementação.^[141]

A transição para um sistema energético com zero emissões de carbono trará fortes benefícios para a saúde humana: a Organização Mundial de Saúde estima que os esforços para limitar o aquecimento global a 1,5 °C poderiam salvar milhões de vidas todos os anos, apenas através da redução da poluição atmosférica.^[143][144] Com um bom planeamento e gestão, existem caminhos para proporcionar acesso universal à eletricidade e à cozinha limpa até 2030, de formas que sejam consistentes com os objetivos climáticos.^[145][146] Historicamente, vários países obtiveram ganhos económicos rápidos através da utilização do carvão.^[145] Contudo, continua a existir uma janela de oportunidade para muitos países e regiões pobres “ultrapassarem” a dependência dos combustíveis fósseis, desenvolvendo os seus sistemas energéticos com base em energias renováveis, desde que haja investimento internacional adequado e transferência de conhecimentos.^[145]

Para fornecer eletricidade confiável a partir de fontes de energia renováveis variáveis, como a eólica e a solar, os sistemas de energia elétrica exigem flexibilidade.^[147] A maioria das redes elétricas foi construída para fontes de energia não intermitentes, como as usinas elétricas a carvão.^[148] À medida que maiores quantidades de energia solar e eólica são integradas na rede, é necessário introduzir alterações no sistema energético para garantir que o fornecimento de eletricidade corresponde à procura.^[149] Em 2019, estas fontes geraram 8,5% da electricidade mundial, uma quota que tem crescido rapidamente.^[61]

Existem várias maneiras de tornar o sistema elétrico mais flexível. Em muitos lugares, a geração eólica e solar são complementares numa escala diária e sazonal: há mais vento durante a noite e no inverno, quando a produção de energia solar é baixa.^[150] A ligação de diferentes regiões geográficas através de linhas de transmissão de longa distância permite um maior cancelamento da variabilidade.^[151] A demanda de energia pode ser alterada ao longo do tempo por meio do gerenciamento da demanda de energia e do uso de redes inteligentes, correspondendo aos horários em que a produção variável de energia é maior. Com o armazenamento de energia na rede, a energia produzida em excesso pode ser liberada quando necessário.^[150] Poderia ser proporcionada uma maior flexibilidade através do acoplamento sectorial, ou seja, do acoplamento do sector da eletricidade ao sector do aquecimento e da mobilidade através de sistemas de conversão de energia em calor e de veículos elétricos.^[152]

Construir capacidade excedente para geração eólica e solar pode ajudar a garantir que eletricidade suficiente seja produzida mesmo durante condições climáticas adversas. Em condições climáticas ideais, a geração de energia pode ter que ser reduzida se o excesso de eletricidade não puder ser usado ou armazenado. O desfasamento final entre a procura e a oferta pode ser coberto através da utilização de fontes de energia distribuíveis, como a energia hidroelétrica, a bioenergia ou o gás natural.^[153]

O armazenamento de energia ajuda a superar as barreiras à energia renovável intermitente e é um aspecto importante de um sistema de energia sustentável.^[154] O método de armazenamento mais comumente utilizado e disponível é a energia hidrelétrica por bombeamento, que requer locais com grandes diferenças de altura e acesso à água.^[154] As baterias, especialmente as de iõns de lítio, também são amplamente utilizadas.^[155] As baterias normalmente armazenam eletricidade por curtos períodos; estão em curso pesquisas sobre tecnologia com capacidade suficiente para durar todas as estações.^[156]

Os custos das baterias de grande escala nos EUA caíram cerca de 70% desde 2015, no entanto, o custo e a baixa densidade energética das baterias tornam-nas impraticáveis para o armazenamento de energia muito grande necessário para equilibrar as variações inter-sazonais na produção de energia.^[157] Em alguns locais, foi implementado o armazenamento de energia hidroeléctrica bombeada e a conversão de electricidade em gás e vice-versa, com capacidade para utilização durante vários meses.^[158][159]

Em comparação com o resto do sistema energético, as emissões podem ser reduzidas muito mais rapidamente no sector eléctrico.^[136] Em 2019, 37% da eletricidade global foi produzida a partir de fontes de baixo carbono (energia renovável e nuclear). Os combustíveis fósseis, principalmente o carvão, produzem o resto do fornecimento de electricidade.^[160] Uma das formas mais fáceis e rápidas de reduzir as emissões de gases com efeito de estufa é eliminar gradualmente as centrais eléctricas alimentadas a carvão e aumentar a produção de electricidade renovável.^[136]

As vias de mitigação das alterações climáticas prevêem uma electrificação extensiva — a utilização da electricidade como substituto da queima directa de combustíveis fósseis para aquecimento de edifícios e para transportes.^[136] Uma política climática ambiciosa permitiria duplicar a quota de energia consumida como eletricidade até 2050, dos 20% em 2020.^[161]

Um dos desafios para fornecer acesso universal à eletricidade é distribuir energia para áreas rurais. Os sistemas fora da rede e as mini-redes baseados em energias renováveis, como pequenas instalações solares fotovoltaicas que geram e armazenam electricidade suficiente para uma aldeia, são soluções importantes.^[162] Um acesso mais alargado a eletricidade fiável levaria a uma menor utilização de iluminação a querosene e de geradores a gasóleo, que são atualmente comuns no mundo em desenvolvimento.^[163]

A infraestrutura para gerar e armazenar electricidade renovável requer minerais e metais, como o cobalto e o lítio para as baterias e o cobre para os painéis solares.^[164] A reciclagem pode satisfazer parte desta procura se os ciclos de vida dos produtos forem bem concebidos; no entanto, atingir emissões líquidas zero ainda exigiria grandes aumentos na mineração de 17 tipos de metais e minerais.^[164] Um pequeno grupo de países ou empresas domina por vezes os mercados destas mercadorias, levantando preocupações geopolíticas.^[165] A maior parte do cobalto do mundo, por exemplo, é extraída na República Democrática do Congo, uma região politicamente instável onde a mineração é frequentemente associada a riscos para os direitos humanos.^[164] Um fornecimento geográfico mais diversificado pode garantir uma cadeia de fornecimento mais flexível e menos frágil.^[166]

O gás hidrogênio é amplamente discutido no contexto energético, como um transportador de energia com potencial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa.^[167][168] Isso exige que o hidrogênio seja produzido de forma limpa, em quantidades suficientes para abastecer setores e aplicações onde alternativas de mitigação mais baratas e energeticamente eficientes são limitadas. Essas aplicações incluem a indústria pesada e o transporte de longa distância.^[167]

O hidrogênio pode ser utilizado como fonte de energia em células de combustível para produzir eletricidade ou por meio da combustão para gerar calor.^[169] Quando o hidrogênio é consumido em células de combustível, a única emissão no ponto de utilização é o vapor de água.^[169] A combustão do hidrogênio pode levar à formação térmica de óxidos de nitrogênio prejudiciais.^[169] As emissões gerais do ciclo de vida do hidrogênio dependem de como ele é produzido. Quase todo o fornecimento atual de hidrogênio do mundo é criado a partir de combustíveis fósseis.^[170][171]

O principal método é a reforma do metano a vapor, na qual o hidrogênio é produzido a partir de uma reação química entre o vapor e o metano, o principal componente do gás natural. A produção de uma tonelada de hidrogénio através deste processo emite 6,6–9,3 toneladas de dióxido de carbono.^[172] Embora a captura e armazenamento de carbono (CAC) possam remover uma grande fração dessas emissões, a pegada de carbono geral do hidrogênio do gás natural é difícil de avaliar desde 2021, em parte devido às emissões (incluindo metano ventilado e fugitivo) criadas na produção do próprio gás natural.^[173]

A eletricidade pode ser usada para dividir moléculas de água, produzindo hidrogênio sustentável, desde que a eletricidade tenha sido gerada de forma sustentável. No entanto, este processo de eletrólise é atualmente mais caro do que a criação de hidrogênio a partir do metano sem CCS e a eficiência da conversão de energia é inerentemente baixa.^[174] O hidrogénio pode ser produzido quando há um excedente de eletricidade renovável variável, sendo depois armazenado e utilizado para gerar calor ou para regenerar electricidade.^[175] Pode ser ainda transformado em combustíveis líquidos, como a amônia verde e o metanol verde.^[176] A inovação nos eletrólisadores de hidrogénio poderá tornar a produção em larga escala de hidrogénio a partir de electricidade mais competitiva em termos de custos.^[177]

O combustível de hidrogénio pode produzir o calor intenso necessário para a produção industrial de aço, cimento, vidro e produtos químicos, contribuindo assim para a descarbonização da indústria, juntamente com outras tecnologias, como os fornos de arco elétrico para a produção de aço.^[178] Para a produção de aço, o hidrogénio pode funcionar como um transportador de energia limpa e simultaneamente como um catalisador de baixo carbono, substituindo o coque derivado do carvão.^[179] O hidrogênio utilizado para descarbonizar os transportes deverá encontrar as suas maiores aplicações no transporte marítimo, na aviação e, em menor medida, nos veículos pesados de mercadorias.^[180] Para veículos ligeiros, incluindo automóveis de passageiros, o hidrogénio está muito atrás de outros veículos movidos a combustíveis alternativos, especialmente quando comparado com a taxa de adopção de veículos elétricos a bateria, e poderá não desempenhar um papel significativo no futuro.^[181]

As desvantagens do hidrogénio como transportador de energia incluem os elevados custos de armazenamento e distribuição devido à explosividade do hidrogénio, ao seu grande volume em comparação com outros combustíveis e à sua tendência para tornar as tubagens quebradiças.^[182]

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