ANÁLISE ESTRUTURAL, LOGÍSTICA E DE VIABILIDADE FINANCEIRA DE UMA TORRE DE GERADOR EÓLICO

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1 ANÁLISE ESTRUTURAL, LOGÍSTICA E DE VIABILIDADE FINANCEIRA DE UMA TORRE DE GERADOR EÓLICO Alexander Othero Cardoso Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Rua Garret, 925, apt. 302A CEP: Belo Horizonte MG Brasil Bolsista PIBIC-CNPq alexandercardoso@gmail.com João Carlos Menezes Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Rua: Armando de Oliveira Cobra, 210 CEP: São José dos Campos SP - Brasil menezes@ita.br Resumo. O objetivo econômico do investimento em determinado tipo de energia renovável é maximizar a saída de energia por unidade monetária de investimento. É importante, também, determinar-se o capital total de investimento e o custo operacional de uma fonte de energia renovável. Embora o combustível seja gratuito, o estudo econômico e de viabilidade é indispensável. A seguinte pesquisa será focada em energia eólica com o objetivo de analisar a viabilidade de um projeto de uma torre geradora de energia eólica nos seus diversos aspectos: estrutural, logístico, financeiro. Uma turbina eólica de grande porte utiliza como meio de sustentação torres metálicas tubulares e devido a isso, diversas análises devem ser elaboradas. A partir desse primeiro quesito deve-se considerar o material da torre no que diz respeito à obediência das condições físicas do problema e, concomitantemente, as questões logísticas para produção em alta escala. O material deve ser encontrado em dimensões úteis na indústria, ter preço competitivo, gerar uma boa relação de custo - benefício para a energia que se pretende produzir, ser passível de transporte no sistema de rodovias do país, etc. Os critérios de tensões, deformações e cálculo da força gerada pelo vento através da norma ABNT 6123 são considerados. Palavras chaves: Energia eólica, Análise Estrutural, Análise Econômica, Logística. 1. Introdução O presente trabalho é dividido em duas frentes da ciência, a saber: economia e análise financeira voltada para sistemas eólicos e análise estrutural simplificada. Métodos econômicos de levantamento facilitam a comparação entre investimentos em tecnologia relacionados à energia. É comum o uso desses métodos para comparar investimentos em suprimentos ou eficiência energética e todos os setores da comunidade energética necessitam de guias para fazer escolhas economicamente eficientes de energia. Existem diversos métodos para apurar se é economicamente eficiente investir em uma energia específica ou projeto de energia renovável. Utilizar-se-á do Método dos Elementos Finitos, através do software ANSYS, para fins de avaliação dos níveis de tensão equivalente e deformação. Utilização de Métodos de Avaliação Econômica para avaliar a viabilidade do projeto e realização de pesquisas de mercado para consolidar a logística de fabricação montagem e transporte. 2. Resumos das Atividades A primeira etapa consistiu no profundo estudo de assuntos com vasto conteúdo: A Economia dos Sistemas Eólicos e Métodos Econômicos ligados a Energia Renovável. Os estudos realizados abordaram inicialmente os componentes de uma usina eólica bem como as condições mínimas necessárias para sua

2 instalação em determinada localização e a relação desses custos com o tamanho da unidade, a economia de escala. Após esse primeiro passo, pesquisou-se as quatro formas básicas de expressar o custos de uma estação eólica: custo total, custo por unidade de área, custo por kw de classificação e o custo unitário da eletricidade. Conceitos econômicos e de matemática financeira se fizeram necessários ao longo do estudo e foram buscados em livros do assunto. Estudou-se os requerimentos de receita e valor da energia elétrica gerada por ventos. Em um terceiro passo, pesquisou-se fatores logísticos inerentes à produção de uma torre eólica bem como questões relacionadas a meios transporte e instalação. Escolheu-se o meio de transporte mais adequado dada a disponibilidade e acesso no país bem como a localização da malha de transporte para realizar o deslocamento do material envolvido na construção. Em um momento final, utilizando-se os dados colhidos produziu-se dois modelos de torre eólica com a utilização do CAD CATIA com diferentes especificações e submeteu-se esses modelos a semelhantes condições físicas e de contorno para análise de tensões e deformações utilizando, por fim, o software ANSYS. 3. Descrição do Problema A problemática da questão econômica para a construção de usinas eólicas pode ser resumida com a seguinte frase retirada do livro Wind Energy Systems: If one of you is planning to build a tower, he sits down first and figures out what it will cost, to see if he has enough money to finish the job. Ou seja, se algum de vocês está planejando construir uma torre, sente-se primeiro e descubra quanto isso custará, para ver se há dinheiro suficiente para terminar o trabalho em uma tradução livre. Como esse trecho iniciando o capítulo da Economia dos Sistemas Eólicos a análise financeira é concretizada como núcleo para a viabilidade de um processo como esse. Os estudos econômicos são muitos importantes visto que, embora o combustível (ventos) seja gratuito os equipamentos necessários para utilizar esse combustível tendem possuem alto valor agregado. É importante notar que o valor da energia eólica para uma empresa de energia é determinado pela economia de combustível proporcionado pelo crédito em energia fornecido pela usina eólica. Com regimes de ventos intensos, menos óleo e carvão são queimados representando em economia para empresa de energia. Por hora, se a empresa for capaz de desativar sistemas de geração convencionais como resultado da implantação de mais usinas de energia, novamente haverá economia de gastos para empresa. A utilização dos métodos econômicos e de viabilidade financeira, juntamente com recomendações logísticas gerará a escolha de uma torre adequada para uma determinada turbina eólica. A escolha das especificações para torre e turbina eólica leva a questão para um problema estrutural. 4. Resultados Obtidos Em primeira instância, juntamente com o estudo da Economia dos Sistemas Eólicos, buscou-se uma representação do cenário de energia eólica no mundo e no Brasil. A Fig.1 abaixo representa a evolução da capacidade total em MW de energia eólica.

3 +13% % % % +25% +54% Europa Ásia América do Norte América Latina África e Oriente Médio Brasil Figura 1. Evolução da capacidade eólica total (MW). Fonte: Global Wind Energy council 2010 O Brasil, dentre as regiões apresentadas, ocupa o último lugar em capacidade total de energia eólica nos dois anos analisados. Embora tendo desempenhado uma taxa de crescimento de 54% de 2009 a 2010 o país ainda cresceu menos que a média da Amércia Latina. Dada a dimensão do país, o potencial energético eólico disponível apresentado na Fig. 2 o Brasil se mostra no início do processo de implementação de usinas eólicas em grande escala e aproveitamento de maneira eficiente esse recurso abundante. Figura 2. Potencial eólico do brasil. Fonte: Centro de Referência para Energia Solar e Eólica. Com entendimento da capacidade total em 2010 do Brasil e do potencial eólico do país tem-se o estímulo para realizar o estudo e a análise dos fatores econômicos relacionados à energia eólica.

4 Inicialmente, com a análise dos requisitos de receita da indústria de energia elétrica em geral é possível restringir os resultados para os geradores eólicos. A indústria de energia elétrica possui cinco características únicas que a colocam a parte de outras indústrias: 1. A indústria é de capital intensivo. Para uma dada companhia de fornecimento elétrico, mais que metade da receita da venda de eletricidade pode ser alocada para sustentar o investimento de capital. Uma mesma ou maior fração é requerida para geração sem custos de combustível, como o vento; 2. Os itens de investimento desse ramo são de longa duração, geralmente na faixa de 30 a 40 anos; 3. Na base anual, a indústria tem um fluxo de receita relativamente constante; 4. A demanda do produto e seu uso são determinados pelo cliente; 5. A indústria é obrigada a fornecer serviços confiáveis, de baixo custo e ambientalmente aceitáveis e sua eletricidade é regulamentada por órgãos do governo. A Fig. 3 mostra as exigências de receita para implantação de uma nova usina de geração. Basicamente, essas exigências são constituídas de dois componentes: custos fixos e custos variáveis. A receita para construção da nova planta de geração provém de financiamento através de vendas de títulos e debêntures (financiamento de dívida) e ações preferenciais e ordinárias (financiamento de capital). O retorno mínimo aceitável deve ser composto da soma dos montantes obtidos com esses dois tipos de financiamento. Esse é o mínimo valor que os investidores vão aceitar fornecer aos fundos para realização do investimento. Custos Variáveis Exigências de Receita Custos Fixos Retorno Mínimo Incentivos Fiscais Retorno de Capital Retorno de Dívida Depreciação Imposto Sobre os Retornos Seguro Custos de Operação e Combustível Manutenção Receita Total Figura 3. Exigências de receita para indústria de energia elétrica convencional. Fonte:Wind Energy Systems. Conhecidos os elementos que compõem as necessidades de receita de uma indústria com base energética convencional é perceptível que a geração de energia através dos ventos alavanca vantagem em dois quesitos básicos: economia de combustível e substituição de geração convencional quando construída em lugar de uma dessas usinas. Devido a isso, antes de se iniciar a construção de uma torre eólica, busca-se saber se geração eólica é economicamente competitiva com usinas a carvão, óleo ou outros combustíveis não renováveis. Usinas eólicas possuem particularidades quando comparado a usinas de geração convencional. Devido à necessidade de sítios com distribuições adequadas de ventos para geração de eletricidade, muitas vezes esses

5 locais não apresentam infra-estrutura básica para aproveitamento dessa energia. Antes da decisão de instalação de uma usina eólica deve-se atentar para diversos aspectos: As proximidades da usina devem conter estradas de acesso; O terreno deve ser adequado para construção do conjunto torre e gerador; Linhas de distribuição devem ser acessíveis para se ter um sistema de trabalho; A escolha da localização da usina ao longo de rodovias já prontas e em planícies minimiza fortemente o custo de construção. Entretanto, sítios com boas distribuições de ventos nem sempre estão dispostos em locais com essas características e montanhas distantes de rodovias muitas vezes reúnem as condições ideais. Nesses casos, os gastos com infra-estrutura contribuem com considerável porcentagem do gasto total de implantação da usina. Outros aspectos também possuem relevância como, por exemplo, o custo por kw de potência máxima que varia com o tamanho da turbina de vento. Esse tamanho também está relacionado ao porte da torre a ser construída. Os custos por kw tendem a diminuir com o aumento do tamanho da turbina como mostrado na Fig. 4 que apresenta essas curvas, comuns a transformadores, linhas de distribuição e outros equipamentos elétricos. Figura 4. Curvas de custo do kw de potência máxima em dólares para equipamentos AC (Corrente alternada) e DC (corrente contínua). A queda de custos com o crescimento da potência máxima da turbina ocorre também com os custos de implantação e instalação por unidade de capacidade da usina. Conforme se aumenta a capacidade da usina, há tendência de queda no custo de instalação por unidade de capacidade. Por exemplo, uma torre com o dobro de classificação de outra torre não requer geralmente o dobro de trabalho para sua instalação e, com isso, o custo de instalação por unidade de capacidade fica menor. É fato que existe um ponto crítico para essa queda de custo de instalação, uma vez que, a massa do material cresce com o cubo do raio do motor e o custo cresce com a massa. Com o crescimento do custo atrelado a terceira potência do raio do motor, existirá um ponto crítico em que a economia de escala é superada e não haverá mais vantagem em se aumentar a capacidade da usina visto que, esse aumento não refletirá em um menor custo por unidade de capacidade. O tamanho crítico deve variar de acordo com as premissas adotadas, mas estudos detalhados indicam que motores com potências entre 1500 kw e 2500 kw devem estar próximos desse tamanho. Conhecidos diversos fatores relevantes para os custos envolvidos com a implantação e instalação de uma usina eólica, pode-se agora determinar quatro custos atrelados a essas usinas a fim de obter ferramentas

6 quantitativas. Essas ferramentas são importantes pois fornecem julgamento sobre os parâmetros de usinas de energia eólica. 1. Custo Total (Ct): Para pequenas usinas, o custo total leva em conta todos os gastos com equipamentos e materiais utilizados. Já usinas de grande porte, além dos custos citados, ainda incluem gastos com terra, estradas de acesso, linhas de distribuição e construção para composição do custo total. 2. Custo por Unidade de Área (Ca): Ca CtA $m2 Em que A é a área projetada da turbina em m2. Ca pode ser usado para comparar turbinas de diferentes tipos, diferentes tamanhos e diferentes velocidades nominais de vento. 3. Custo por kw de Classificação: CkW CtPeR $kw Em que PeR é ao máxima potência elétrica de saída da usina eólica. Esse número é normalmente usado para efeito de comparação com outras formas de geração de energia. Infelizmente, a medida CkW particularmente não é uma boa medida de custos para usinas eólicas. Uma usina classificada com 100 kw a um vento de 8 m/s pode ser avaliada em 200 kw com um vento de 10 m/s bastando-se apenas dobrar a classificação do gerador (potência máxima) e a fiação elétrica. Como equipamentos elétricos representam uma pequena porcentagem do custo total, CkW pode fornecer uma informação enganosa. Isso ocorre porque analisando as duas situações hipotéticas acima o custo total variaria, por exemplo, de $1000/kW para $510/kW e, como se sabe, essa alteração no hardware causa a queda do fator de capacidade da usina fazendo com que a produção de energia total anual não cresça ou talvez até diminua. Dessa forma, CkW deve ser usado com cuidado e, de preferência, com o fator de capacidade especificado. 4. Custo Unitário de Eletricidade (na planta): Cu AnE $kwh Em que An é o custo anual de E kwh de eletricidade. E é a energia elétrica líquida produzida por kw de potência máxima. Aprofundando agora a questão logística, escolheu-se o meio de transporte rodoviário para estratégia de transporte. Apesar do alto custo e das deficiências das estradas, o transporte rodoviário é o principal meio de transporte do país e, certamente, a malha com maior probabilidade de atender as necessidades de alcance aos possíveis sítios de ventos do país. Existem também os transportes ferroviário e fluvial, que devido a suas baixas proporções na malha de transportes terrestres Brasileira, não serão considerados nesse estudo. A Figura 5 abaixo, colocada apenas para ilustração, deve ser analisada minuciosamente com a Fig. 2 a fim de se obter possíveis interseções de estradas com sítios potenciais de ventos e, como mencionado anteriormente, reduzir-se os custos de construção e transporte do material para construção da torre.

7 Figura 5. Principais Rodovias Brasileiras. Juntamente ao estudo da malha rodoviária, devem ser acrescentados os tipos e especificações de veículos que serão utilizados para o transporte dos diversos elementos que constituirão a torre eólica. A Tabela 1 abaixo ilustra os tipos de caminhões e carretas autorizados pelo CONTRAN. Tabela. Tipos de caminhões. Fonte: Figura Tipo de Caminhão Peso Bruto máximo Toco Truck Carreta 2 eixos Carreta Baú Carreta 3 eixos Carreta Cavalo Truckado Carreta Cavalo Truckado Baú Bi-trem(Treminhão) - 7 eixos kg kg kg kg kg kg kg kg De acordo com as informações pesquisadas em o Bi-trem ou Treminhão é uma combinação de veículos de carga composta por um total de sete eixos, o que permite o transporte de um peso bruto total combinado de 57 toneladas. Os semi-reboques dessa combinação são interligados por um engate do tipo B (quinta-roda) e podem ser tracionados por um cavalo-mecânico 6x2 (trucado). Possui comprimento de até 30m e largura usual de 3m (alguns modelos apresentam largura de 3,6m). Escolheu-se o Treminhão para se obter uma restrição geométrica para o transporte de chapas metálicas, principais componentes das torres eólicas. Sendo assim os modelos levarão em contas comprimentos múltiplos de 3m que serão construídos através de processos adequados como soldagem e rebitamento de chapas para junção e obtenção do tamanho desejado da torre. Para encontrar a espessura da placa metálica disponível

8 comercialmente, algumas siderúrgicas como Gerdau e CSN foram consultadas, optando pelas placas metálicas laminadas a quente fabricadas pela CSN ( Outra preocupação a cerca da logística inclui a montagem. Com a torre devidamente instalada deve-se possuir um método para a colocação do rotor que inclui a utilização de guindastes e em alguns casos até mesmo helicópteros. Para o seguinte trabalho estudou-se os guindastes disponíveis e suas especificações a fim de estabelecer um limite superior de peso do rotor (e consequentemente de potência) a ser utilizado. Em pesquisa ao locador de guindastes Nebrasco ( e através do catálogo de guindastes encontrou-se guindastes de capacidades variadas, de 25 ton a 220 ton, dependendo do raio de atuação. Devendo, portanto, ser necessário a realização do estudo de rigging: planejamento da movimentação do equipamento, na qual se é verificado as condições gerais para um trabalho com segurança, considerando o peso da peça, ângulos máximos permitidos na tabela do guindaste para a boa realização dos trabalhos. Em análise das tabelas de carga dos guindastes disponíveis no mercado para locação, os guindastes com capacidades elevadas de 220 ton, por exemplo, tinham a restrição de lança curta de 3m. Dessa forma, deve-se estudar mais profundamente a forma de colocação do rotor e da nacele para torres eólicas de grande altura. Em acordo com o estudado, propor-se-á dois modelos de torres a fim de se atender propósitos distintos. O primeiro estudo leva em conta a utilização do gerador Northwind 100 kw da Northern Power Systems ( juntamente com uma torre de 36 m e o segundo estudo utiliza como base o gerador SWT 2,3 kw da Siemens Energy, juntamente com um torre de 81 m, ambos com especificações na Tab. 2 abaixo. Tabela. Pesos dos componentes dos geradores. Northern 100 kw Torre Siemens 2,3 kw Torre Rotor 1,4 ton 36 m Rotor 62 ton 81 m Nacele 5,8 ton Nacele 82 ton Por fim, submeteu-se as especificações acima juntamente com as condições físicas e de contorno de cada problema para se obter a solução com as deformações totais e tensões equivalentes, usando o ANSYS. As cargas utilizadas são apresentadas na Tab. 3 a seguir. Tabela. Cargas devido ao vento. Tipo Vento (KPa) Torre 36 m 20 Torre 81 m 35 As soluções do software são apresentadas abaixo. Torre 36 m para gerador Northern 100 kw:

9 Figura 6. Torre em perspectiva, CATIA. Figura 7. Deformações na estrutura. Figura 8. Tensões equivalentes na estrutura. Torre 81 m para Gerador Siemens SWT 2,3 kw:

10 Figura 9. Torre em perspectiva, CATIA. Figura 10. Deformações na estrutura. Figura 11. Tensões equivalentes na estrutura. 5. Conclusões Apenas com o início do estudo da economia dos sistemas de energia eólica e/ou renovável foi possível perceber a importância das análises que fornecem estudo da viabilidade financeira, logística e econômica para esses sistemas. A construção de uma planta de energia eólica requer muita pesquisa e diversas considerações e estudos devem ser feitos para se chegar a uma escolha acertada. O estudo das métricas mostra os primeiros passos a serem analisados para uma escolha adequada às condições dadas. A estrutura da torre foi desenvolvida no ambiente CATIA - um dos mais apropriados softwares de geração de geometrias no ambiente aeronáutico e a análise estrutural utilizou a plataforma ANSYS. O software de elementos finitos ANSYS é uma ferramenta poderosa na análise de tensões estáticas, análise de vibrações mecânicas e de estabilidade elástica. Escolheu-se analisar duas estruturas de torre a fim de contemplar duas situações distintas

11 de projeto: necessidade moderada de energia e produção em alta escala. A primeira torre proposta, de 36 m, apresenta logística simplificada quando é feito o estudo de transporte dos materiais e montagem da usina e também apresenta custo total reduzido. Em contrapartida, não há economia de escala e o custo por kw de potência nominal é maior e, em geral, o custo unitário de eletricidade na planta também. Devido a sua menor altura, sua estrutura está sujeita a menor pressão de ventos e espessuras menores são requeridas para as chapas metálicas laminadas. Já a torre de 81 m encontra-se na faixa pesquisada de geradores com tamanho ótimo. Seu custo total é maior, mas o custo da eletricidade na planta e o custo por kw de potência nominal são menores. Com a logística mais complexa, sua construção deve levar em conta a disponibilidade de guindastes ou meios alternativos para instalação do conjunto gerador. As estradas são fatores determinantes para o custo total uma vez que caminhões do tipo bi-trem devem ser utilizados para transporte de material. Com um porte mais robusto, a torre, embora com maior altura e sujeita a maiores cargas de vento, apresenta menores deformações e tensões equivalentes distribuídas ao longo de sua estrutura. Os resultados estruturais, apresentados pelo software ANSYS, permitem realizar a conciliação estrutural e econômica. O presente trabalho apresenta de maneira simplificada os primeiros fatores a serem levados em conta para dois projetos de torre distintos e a análise estrutural possibilita a verificação da adequabilidade como projeto de engenharia. O trabalho foi de extrema importância para entender a interseção e o intercâmbio de disciplinas que, juntamente com a engenharia, possibilitam a construção de um projeto mais completo e coerente que esteja em fase com as condições físicas, naturais, sociais e econômicas da problemática. 6. Agradecimentos Agradeço ao CNPq e ao ITA pela oportunidade de desenvolver esse projeto e desenvolver minhas habilidades com softwares de engenharia. Agradeço meu orientador Prof. Dr. João Carlos Menezes que sempre se mostra a disposição para esclarecer minhas dúvidas e muito me ajudou a desenvolver uma visão técnica e também crítica de projetos. 7. Referências Johnson, G. L., 2006, Wind Energy Systems, Estados Unidos da América, KS, Manhattan, pp Kreith, F., 2007, Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy, CRC Press, pp , Técnicas, Associação Brasileira de Normas, 1998, NBR 6123, pp 1 35.