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Professor Paulo Favas
Geologia Ambiental
Energia
Geotérmica
Cristiana Valente nº33708 Filipe Marinho nº33706 Gabriela Barros nº35292
Geologia Ambiental 2011-2012
1
Índice
Introdução ..................................................................................................................... 2
Energia geotérmica ....................................................................................................... 3
Tipos de energia geotérmica ..................................................................................... 3
De baixa entalpia ................................................................................................... 3
De alta entalpia ...................................................................................................... 3
Formas de aproveitamento ........................................................................................... 4
Utilizações directas ................................................................................................... 4
Aquecimento ambiente e aquecimento comunitário ........................................ 4
Piscicultura, agricultura e estufas ................................................................... 4
Águas termais (termas, SPA’s, piscinas) ........................................................ 5
Outras aplicações ........................................................................................... 5
Bombas de calor geotérmicas (BCG) ........................................................................ 5
Centrais geotérmicas ................................................................................................ 6
Centrais Geotérmicas de Vapor Seco ............................................................. 7
Centrais geotérmicas de Vapor Flash ............................................................. 7
Centrais geotérmicas de Ciclo Binário ............................................................ 8
Vantagens e desvantagens da Energia Geotérmica ..................................................... 8
Vantagens ................................................................................................................. 8
Desvantagens ........................................................................................................... 9
Energia Geotérmica em Portugal ................................................................................ 10
Energia Geotérmica no Mundo ................................................................................... 13
Conclusão ................................................................................................................... 17
Referências Bibliográficas .......................................................................................... 17
Geologia Ambiental 2011-2012
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Introdução
A Terra é constituída por núcleo, manto e crosta, sendo o núcleo a
camada mais profunda e a crosta a mais superficial. À medida que a
profundidade aumenta a temperatura também aumenta, verificando-se em
termos médios que a temperatura aumenta 33oC por km. Porém, devido à
heterogeneidade da crusta terrestre, existem zonas anómalas, isto é, zonas
onde a variação da temperatura com a profundidade (gradiente) é inferior ou
superior ao valor médio. (11 e 12)
O manto superior juntamente com parte da crosta constitui a litosfera,
esta camada é constituída por rochas, sendo por isso, sólida e rígida. Esta
encontra-se imediatamente acima da astenosfera, camada sólida, mas plástica
pertencente ao manto. A litosfera está dividida em porções designadas placas
litosféricas, estas mantêm-nos isolados do interior da Terra, as placas
litosféricas movem-se devido a correntes de convecção na astenosfera. (10 e
13)
Por baixo da superfície terrestre existe calor, estando numas regiões
mais próximo desta do que noutras. No manto encontramos magma, que é
constituído basicamente por rochas no estado líquido. Como já foi referido, com
o aumento da profundidade a temperatura dessas rochas vai aumentando
progressivamente. Esse magma pode formar intrusões, onde a temperatura é
muito elevada. As intrusões magmáticas juntamente com o calor do centro da
terra aquecem as rochas do subsolo. A água meteórica que se infiltra no
subsolo através de rochas porosas e falhas, pode ficar retida entre camadas de
uma rocha impermeável. A água quando perto da rocha quente, aquece e pode
mesmo evaporar, criando bolsas de vapor entre as camadas impermeáveis,
formando-se assim, um reservatório geotérmico, cujas temperaturas podem
atingir os 400oC. O vapor gerado pode atingir a superfície de forma natural ou
de forma artificial através de perfurações, estes dois tipos de fontes podem ser
utilizados para aproveitamentos geotérmicos. (9 e 14)
Geologia Ambiental 2011-2012
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As zonas de elevado gradiente, isto é, as de maior temperatura a
menores profundidades, são de interesse prioritário para a geotermia, como é o
caso das zonas afectadas por vulcanismo. Porém, as zonas de gradiente
normal ou mesmo inferior ao normal podem também ser interessantes, com
base numa análise de custos/benefícios.
Ao longo deste trabalho iremos abordar o tema da energia geotérmica,
temos por objectivos definir, o que é a energia geotérmica, como pode ser
aproveitada, as suas vantagens e desvantagens e a energia geotérmica em
Portugal e no Mundo.
Energia geotérmica
A energia geotérmica ou energia geotermal é a energia obtida a partir do
calor interno terrestre. Esta energia pode ter várias aplicações como vamos
referir mais a frente, mas para tal ela tem de ser extraída do subsolo. O calor
do interior da terra pode ser recuperado directamente caso exista vapor ou
fluído no reservatório, ou através da injecção de água nas rochas. (9 e 15)
Tipos de energia geotérmica
De baixa entalpia (de baixa temperatura) – se a temperatura do fluído é
inferior a 150oC. A energia de baixa entalpia está associada “acidentes”
tectónicos, como é o caso de uma falha. Este tipo de energia é utilizado, por
exemplo, em termas, no aquecimento de piscinas e águas de hotéis, na
agricultura, na piscicultura e em alguns processos industriais.
De alta entalpia (de alta temperatura) – se a temperatura do fluído é superior a
150oC. Esta energia pode ser utilizada para a produção de energia eléctrica e,
pode ainda, ter aproveitamento para aquecimento de edifícios. (15)
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Formas de aproveitamento
As diferentes formas de aproveitamento da energia geotérmica ou
diferentes sistemas geotérmicos, dependem da quantidade de água existente
no reservatório geológico e da sua temperatura.
Utilizações directas - o aproveitamento do calor geotérmico pode ser feito
directamente da água recolhida em reservatórios, quando as temperaturas são
baixas ou moderadas (20oC a 150oC).
Aquecimento ambiente e aquecimento comunitário (“district heating”)
– quando estes géneros de aquecimento são feitos através do calor
geotérmico podem reduzir-se até 50% o uso dos combustíveis fósseis,
por exemplo, em Chaves o hotel próximo das termas usufrui da energia
geotérmica para aquecimento ambiente (Figura 1).
Figura 1 - Aquecimento
Piscicultura, agricultura e estufas – a utilização do calor geotérmico
permite fornecer até 80% do consumo energético da piscicultura,
agricultura e estufas (Figura 2).
Figura 2 – Estufa à esquerda e Aquacultura à direita
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Águas termais (termas, SPA’s, piscinas) – nestas situações as águas
geotérmicas, são aproveitadas para fins medicinais ou recreativos,
devido à sua temperatura e composição mineralógica (Figura 3).
Figura 3 – Termas
Outras aplicações: piscinas municipais, desidratação de alimentos,
indústria alimentar, indústria farmacêutica, etc. (1)
Bombas de calor geotérmicas (BCG)
Este método de aproveitamento de
energia geotérmica usufruiu do facto da
temperatura do subsolo permanecer
relativamente constante todo o ano, sendo
superior a temperatura do ar no Inverno e
inferior no Verão, para aquecer águas
sanitárias e aquecer ou arrefecer edifícios
(Figura 4). (1)
No inverno, a bomba de calor transfere o
calor do subsolo ou de águas subterrâneas,
para o interior do edifício. No verão, realiza o processo inverso, retirando do
interior do edifício calor e transferindo-o para o subsolo. Deste modo, o subsolo
funciona como fonte de calor no Inverno e como depósito no Verão. (1 e 2)
O funcionamento desta tecnologia consiste no armazenamento do calor
a pouca profundidade, sendo recuperado pelos tubos subterrâneos. A energia
Figura 4– Esquema de BCG
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térmica é armazenada posteriormente no chão da casa, e aquece o líquido que
circula nos tubos, a bomba de calor geotérmico recupera esse calor e utiliza-o
para aquecer a água e toda a casa. (3)
Os dois processos (aquecimento e arrefecimento) ocorrem no mesmo
sistema de canos, o que facilita a troca de um sistema para o outro. Deste
modo, basta carregar no botão existente no termóstato interior para fazer
alterar o sentido da transferência de calor. (5)
Esta tecnologia é composta por três partes: ligação ao subsolo, bomba
de calor e sistema de distribuição. A ligação ao subsolo é constituída por uma
série de tubos com água com anticongelante, que são enterrados na horizontal
ou na vertical em relação ao subsolo. A função da bomba de calor já foi
referida, no Inverno remove calor do subsolo e transfere-o ao edifício, e no
Verão realiza o processo inverso. O sistema de distribuição é compreendido
por um sistema de canalizações que serve para conduzir o calor ou o frio no
interior dos edifícios. (1)
Centrais geotérmicas
O vapor, o calor ou a água quente dos reservatórios geotérmicos
fornecem a energia necessária para movimentar geradores de turbina e
produzir electricidade nas centrais geotérmicas. A água geotérmica que é
utilizada pela central, é posteriormente devolvida ao reservatório através de um
poço de injecção, onde volta a ser reaquecida, restabelece a pressão e
assegura o reservatório geotérmico. (7)
As centrais geotérmicas são construídas em locais onde existam
reservatórios de água subterrânea a elevada temperatura. São abertos poços
até chegar aos reservatórios, a água e o vapor aí existentes são drenados até
à superfície através de tubos e canos apropriados. Posteriormente, o vapor é
conduzido até à central eléctrica geotérmica por tubos. Na central o vapor faz
girar as lâminas da turbina, produzindo deste modo energia mecânica, esta é
transformada em energia eléctrica pelo gerador. Após passar pela turbina o
vapor é transportado para um tanque onde vai ser arrefecido e condensar
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(formar água). Tal como já foi referido, a água é devolvida ao reservatório
subterrâneo onde será aquecida pelas rochas quentes envolventes, de forma a
sustentar a produção. (8)
Há três tipos de centrais geotérmicas (que dependem da temperatura e
da pressão no reservatório): (4)
Centrais Geotérmicas de
Vapor Seco – o vapor retirado
do subsolo, pelo poço de
produção, vai directamente
para a uma turbina. A turbina
está ligada a um gerador, e
transforma a energia mecânica
em energia eléctrica.
Posteriormente, o vapor
arrefece e condensa sendo
reencaminhado ao subsolo, pelo poço de injecção. A central emite vapor
em excesso, e uma pequena quantidade de outros gases (Figura 5).
Centrais geotérmicas de
Vapor Flash (reevaporação) –
nestas centrais, fluidos
geotérmicos acima dos 182oC,
a pressões elevadas, são
pulverizados num tanque com
menor pressão, causando a
sua rápida vaporização
(“flash”). O vapor resultante (de
baixa pressão) passa por uma
turbina que está ligada a um gerador, que transforma a energia
Figura 5 – Mecanismos de uma central a
vapor seco
Figura 6 – Mecanismos de uma central de
vapor flash
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mecânica em energia eléctrica. O vapor condensado é reencaminhado
ao subsolo, pelo poço de injecção (Figura 6).
Centrais geotérmicas de
Ciclo Binário – estas centrais
usam águas provenientes de
reservatórios geotérmicos
com temperaturas inferiores a
200oC. O fluido passa por um
permutador de calor onde
existe um fluido secundário
com ponto de ebulição inferior
ao da água, evaporando
rapidamente é injectado na turbina, que move o gerador. Este género de
aproveitamento dos recursos geotérmicos é o mais aplicado nas centrais
geotérmicas (Figura 7).
Vantagens e desvantagens da Energia Geotérmica Vantagens (3 e 5)
Permitem poupar energia, pois substituem aquecedores eléctricos e ar
condicionado (75% de electricidade numa casa);
São muito flexíveis, podendo ser facilmente subdivididos ou expandidos
para um melhor enquadramento e aproveitamento de energia num
edifício, sendo relativamente baratos;
A área necessária para a central geotérmica é mais pequena do que a
da maioria das restantes centrais. Este tipo de instalações não precisam
obstruir rios ou destruir florestas, e também não há necessidade de
Figura 7 – Mecanismos de uma central de ciclo
binário
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cabos de minas, túneis, covas abertas, pilhas de lixo ou derramamento
de óleo;
É fiável, pois funcionam 24h por dia, o ano todo; é resistente a
interrupções de geração de energia devido a condições atmosféricas,
catástrofes naturais etc.
Liberta menos gases poluentes para a atmosfera comparado com outras
fontes de energia não renováveis;
Não é necessário gastar dinheiro em transporte para combustível para
as centrais geotérmicas, pois estas encontram-se sempre nas
imediações dos reservatórios geotérmicos (“combustível”);
Ajuda países em Desenvolvimento, uma vez que, os projectos
geotérmicos podem ajudar estes países a crescer sem poluição e, a
melhorar a qualidade de vida, trazendo electricidade à população longe
de centros demográficos “electrificados”.
Desvantagens (5 e 6)
Se não forem usados em zonas onde o calor geotérmico vem à
superfície (como géisers e vulcões), a perfuração do solo para a
introdução de canos é dispendiosa;
Os anticongelantes utilizados nas zonas mais frias são poluentes,
apesar de terem baixa toxicidade, alguns produzem CFCs e HCFCs;
Alguns gases libertados são poluentes e possuem um odor
desagradável, por exemplo, o ácido sulfídrico (H2S) tem odor
desagradável, natureza corrosiva e propriedades nocivas, que podem
causar sérios problemas de saúde e até mesmo a morte por asfixia;
O sistema de Bombas de calor geotérmico têm um custo inicial elevado,
e a manutenção dos canos também elevada (a água corrói e deposita
minerais), no entanto, a manutenção da bomba é barata (por estar
localizada no interior da Terra ou no edifício, não está sujeita ao mau
tempo);
Perigo de subsidência, quando grande quantidade de água é retirada
dos reservatórios, como aconteceu numa usina geotérmica em Wairaki
na Nova Zelândia;
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Poluição sonora resultante da perfuração de poços.
O calor perdido das centrais geotérmicas é maior que de outras, o que
leva a um aumento da temperatura do ambiente próximo à mesma.
Energia Geotérmica em Portugal Uma complexa e diversificada geologia dotou o País de um apreciável
potencial geotérmico, evidenciado pelo elevado número de ocorrências com
temperaturas superiores a 20ºC (Figura 8) (1).
Em Portugal continental existem essencialmente aproveitamentos de
baixa temperatura ou termais. Este pode ser dividido em duas vias (2):
- Aproveitamento de pólos termais existentes (temperaturas entre 20 e 76
ºC): exemplos disso são os aproveitamentos em Chaves e S. Pedro do Sul com
cerca de 3 MWt a temperaturas de cerca de 75 ºC a funcionar desde a década
de oitenta (2);
- Aproveitamento de aquíferos profundos das bacias sedimentares: caso
do projecto geotérmico do Hospital da Força Aérea do Lumiar, em Lisboa,
obtida a partir de um furo com 1.500 m de profundidade com temperaturas
superiores a 50 ºC, a funcionar desde 1992 (2);
Figura 8- Áreas com potencialidades geotérmicas em Portugal continental
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No primeiro caso temos em funcionamento, desde meados dos anos 80,
pequenos aproveitamentos em Chaves e S. Pedro do Sul, como foi referido.
Outros pólos interessantes, conjugando a disponibilidade de recurso e
mercado, situam-se em Alcafache, Manteigas, Monção, Vizela, Carvalhal, etc
(Figura 9) (1).
Figura 9- Mapa de Portugal com as termas existentes.
De entre os aproveitamentos de baixa entalpia salienta-se os
relacionados com a balneoterapia, praticada desde há longos anos, e mais
recentemente o aquecimento ambiental e de estufas, existindo potencialidades
para uso da energia geotérmica em piscicultura. Estas utilizações podem e
devem ser feitas de forma integrada e sucessiva a fim de ser obtido o melhor
aproveitamento do recurso (1).
Em Portugal continental o aproveitamento de pólos termais já existentes
e das aplicações directas nas orlas sedimentares podem representar um
potencial de cerca de 20 MWt (3).
Uma outra aplicação futura poderá ser a aplicação de Bombas de Calor
Geotérmicas (BCG) reversíveis, que aproveitam o calor a partir de aquíferos ou
das formações geológicas através de permutadores instalados no subsolo,
permitindo utilizações de aquecimento e climatização, que poderá representar
um potencial de 12 MWt (3).
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Os aproveitamentos mais interessantes na área da geotermia são os
realizados nas ilhas dos Açores (2).
A energia geotérmica, entre as renováveis é aquela que apresenta um
maior potencial em consequência do processo de formação do arquipélago e
da sua localização junto da Crista Médio Atlântica, na confluência de três
placas tectónicas - Americana, Africana e Eurasiática, região com um
enquadramento geoestrutural que proporciona uma intensa actividade
vulcânica, bem como de outras manifestações superficiais indicadoras da
enorme quantidade de energia endógena existente no subsolo em muitos
locais do arquipélago (4).
A prospecção geotérmica, iniciada na segunda metade da década de 70
na vertente norte do Vulcão da Lagoa do Fogo culminou em 1980 com a
construção da Central Geotérmica Piloto de Pico Vermelho (Figura 10) (4).
Actualmente estão inventariados 235,5 MWt distribuídos da seguinte
forma representada na seguinte tabela (2):
Figura 10 - Central Geotérmica Piloto do Pico Vermelho (3MW)
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Só em S. Miguel (Centrais Geotérmicas de Ribeira Grande com 13 MWe
e Pico Vermelho com 3 MWe) a energia produzida por esta fonte representou
em 2003 cerca de 25% da electricidade consumida na Ilha, contribuindo a
Central Geotérmica da Ribeira Grande com 85,4 GWh e a Central Geotérmica
do Pico Vermelho com 3,5 GWh. A contribuição máxima atingida pela fonte
geotérmica foi de 35% durante o ano 2001 (2).
A energia geotérmica constitui um recurso endógeno muito importante
para os Açores, podendo ser atingidos nos próximos dez anos mais 30 MWe.
Existe também algum potencial de aproveitamento a baixa temperatura no
Funchal, Ilha da Madeira (3).
Mesmo apenas tendo uma grande representatividade nos Açores a
energia geotérmica tem um potencial bastante interessante a nível nacional,
sendo necessário no futuro uma série de acções de informação,
regulamentação e apoio desta fonte renovável de energia (3).
Energia Geotérmica no Mundo
Tudo começou em 1904, o príncipe italiano Piero Ginori se tornou a
primeira pessoa a usar energia geotérmica para acender cerca de 5 luzes.
Agora, mais de um século depois de seu experimento, 24 países a utilizam. Os
Ilha Potência Instalada [MWt]
S. Miguel 173,0
Terceira 25,0
Faial 8,9
Pico 12,0
S. Jorge 8,0
Graciosa 5,0
Flores 2,5
Corvo 1,1
Total 235,5
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cerca de 10.715 kilowatts de capacidade instalada no mundo geram energia
renovável suficiente para alimentar mais de 6 milhões de lares só nos EUA (5).
O crescimento do sector tem sido de 3% ao ano na última décadas, mas
o ritmo vem crescendo – até 2015, serão mais instalados 9.000 gigawatts. Há
350 projectos em desenvolvimento em dezenas de países (5).
As empresas perfuram para chegar a rochas porosas e permeáveis
contendo reservatórios de água quente ou vapor, que são então trazidos à
superfície para fazer girar uma turbina e produzir electricidade. Historicamente,
isto requer temperatura de 150 graus centígrados ou mais, o que é encontrado
em abundância no chamado Anel de Fogo do Pacífico – que inclui Chile,
Indonésia, Japão e Estados Unidos, assim como na região do Vale da Grande
Falha na África (Figura 11). Mas tecnologias recentes permitiram a geração de
energia com temperaturas mais baixas, permitindo que Alemanha, Hungria e
outros países começassem a explorar este potencial (5 e 6).
Figura 11- O mapa mostra a capacidade instalada de energia geotérmica no mundo (10.715
MWno total) e a sua distribuição.
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Projectos de energia geotérmica requerem altos investimentos,
especialmente na exploração, perfuração e construção de centrais, mas o
baixo custo típico de operação – incluindo um custo zero de combustível -
tornando-os competitivos com os combustíveis fósseis ou energia nuclear
(Figura 12). Há ainda outra vantagem, pois as centrais geotérmicas podem
fornecer energia 24 horas por dia, sem depender de backup não renovável. Há
3.100 megawatts instalados nos EUA, metade deles no complexo de 17
centrais conhecido como “The Geysers”, no norte da Califórnia, o maior do
mundo. Nos últimos anos, menos de 330 megawatts de energia geotérmica
foram instalados no país, mas com recentes incentivos governamentais a
panorâmica começa a mudar. Há mais de 120 projectos confirmados em 14
estados, representando perto de 1.400 megawatts (5 e 7).
Os EUA têm uma produção importante, mas em nenhum lugar a energia
geotérmica é tão presente como na Islândia. Os seus 575 MW de capacidade
instalada, número que pode dobrar até 2015, fornecem um quarto da
electricidade do país. Em Reykjavik, capital da Islândia, cerca de 95% das
casas são aquecidas por este processo, sendo, por isso, considerada uma das
Figura 12- Centrais geotérmicas em todo o mundo.
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cidades menos poluídas do mundo. O governo do país está a equacionar a
construção de um cabo submarino de 1.170 quilómetros para exportar a
energia para a Escócia. No Pacífico, as Filipinas aproveitam os seus recursos
geotérmicos, e ocupam o segundo lugar do mundo em capacidade instalada,
de 1.900 MW. Mas os planos mais ambiciosos do mundo estão na Indonésia. O
país, que ocupa o terceiro lugar, com 1.200 MW, planeja mais que triplicar sua
capacidade até 2015 – e chegar a 12.000 MW em 2025, suprindo 75% da
eletricidade do país (5 e 8).
O México ocupa o quarto lugar, com 958 MW, o Japão corre
principalmente depois do desastre de Fukushima (tem menos de 540 MW) e a
Associação de Energia Geotérmica, baseada nos EUA, calcula que 39 países
podem ter toda sua energia gerada por fonte geotérmica. Nove deles estão nas
Américas Central e do Sul, e 13 se encontram na África (5).
País 1990 MWe 1995 MWe 2000 MWe 2005 MWe 2010 MWe
Argentina 0.7 0.6 0 0 0
Austrália 0 0.2 0.2 0.2 1.1
Áustria 0 0 0 1 1.4
China 19.2 28.8 29.2 28 24
Costa Rica 0 55 142.5 163 166
El Salvador 95 105 161 151 204
Etiópia 0 0 8.5 7 7.3
France (Guadalupe) 4.2 4.2 4.2 15 16
Alemanha 0 0 0 0.2 6.6
Guatemala 0 33.4 33.4 33 52
Islândia 44.6 50 170 322 575
Indonésia 144.8 309.8 589.5 797 1197
Itália 545 631.7 785 790 843
Japão 214.6 413.7 546.9 535 536
Quénia 45 45 45 127 167
México 700 753 755 953 958
Zelândia 283.2 286 437 435 628
Nicarágua 35 70 70 77 88
Papua New Guine 0 0 0 39 56
Filipinas 891 1227 1909 1931 1904
Portugal (Açores) 3 5 16 16 29
Rússia (Kamchatka) 11 11 23 79 82
Tailândia 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3
Turquia 20.6 20.4 20.4 20.4 82
USA 2774.6 2816.7 2228 2544 3093
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Total 5831.7 6866.8 7974.1 9064.1 10716.7
Tabela 1- Capacidade de produção de produção de
electricidade geotérmica globalmente, discriminando cada país. (dados da Associação
Internacional de Geotermia).
Conclusão
No decurso deste trabalho tentámos abordar o tema da energia
geotérmica de modo a demonstrar todos os seus benefícios e defeitos, bem
como a sua distribuição no nosso país e mundialmente. É possível também
consultar dados que relatam a evolução do aproveitamento geotérmico mundial
através das diversas formas de aproveitamento e aplicação.
Com este trabalho foi nos possível constatar que a energia possui muita
importância, nuns países mais que outros, e que é uma energia que em termos
do seu aproveitamento está em pleno crescimento.
No futuro, com a impossibilidade da utilização de petróleo devido ao seu
esgotamento, a energia geotérmica, juntamento com outras energias
renováveis, apesar de ainda precisar de melhoramentos, perfila como sendo
uma das principais soluções.
Referências Bibliográficas
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Figura 11-
http://cienciahoje.uol.com.br/noticias/2010/11/imagens/energiageotermica.jpg
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Tabela 1-http://www.geothermal-
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