Série Energias Renováveis EÓLICA

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1 Série Energias Renováveis EÓLICA ISBN

2 Carlos Adriano Rosa Geraldo Lúcio Tiago Filho Série Energias Renováveis EÓLICA 1º Edição Organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho Itajubá, 007.

3 Obra publicada com o apoio do Ministério de Minas e Energia e da Fundação de Apoio ao Ensino Pesquisa e Extensão de Itajubá Edição Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas Presidente: Ivonice Aires Campos Secretário Executivo: Geraldo Lúcio Tiago Filho Revisão Ângelo Stano Júnior Adriana Barbosa Organização Prof. Dr. Geraldo Lúcio Tiago Filho Colaboração Camila Rocha Galhardo CERPCH - Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas Avenida BPS, Bairro Pinheirinho CEP: Itajubá - MG - Brasil Tel: (+55 35) Fax: (+55 35) Projeto Gráfico Orange Design Editoração e Arte-Final Adriano Silva Bastos Sumário 1.0 Introdução.0 A energia eólica 3.0 Os ventos 3.1 A velocidade dos ventos 4.0 Panorama da energia eólica 5.0 A energia eólica no Brasil 5.1 Projeto de aerogeradores no Brasil 5. A energia eólica e o setor elétrico brasileiro 6.0 Energia eólica e o meio ambiente 7.0 Tecnologias de aproveitamento turbinas eólicas 7.1 Turbinas eólicas 7. Cataventos para bombeamento de água 7.3 Guia para instalação de um aerogerador 8.0 Bibliografia Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca Mauá - Bibliotecária Margareth Ribeiro - CRB_6/1700 R710e Rosa, Carlos Adriano Eólica / Carlos Adriano Rosa e Geraldo Lúcio Tiago Filho ; organizado por Geraldo Lúcio Tiago Filho ; revisão de Ângelo Stano Júnior e Adriana Barbosa ; colaboração Camila Rocha Galhardo ; editoração e arte-final de Adriano Silva Bastos. -- Itajubá, MG : FAPEPE, p. : il. -- (Série Energias Renováveis) ISBN: ISBN: Energia eólica.. Energias renováveis. I. Título. CDU 60.91

4 Capítulo 1 Capítulo 1 04 Introdução Desde o início dos tempos, o homem aprendeu a viver em comunidade, e para tornar esta convivência melhor e mais tranqüila, tem sempre aprimorado seus conhecimentos, buscando facilitar suas atividades diárias. Com isso seu trabalho se torna mais fácil e a vida em grupo mais produtiva e agradável. Para realizar as tarefas de seu cotidiano, o homem, inevitavelmente, gasta uma determinada quantidade de energia em cada tipo de trabalho. Para gastar menos, ele descobriu que pode se beneficiar de outras fontes de energia que não a sua própria. Assim, ele se valeu de outras formas de energia e de suas mais diversas fontes: o fogo, a água, a tração animal, o vapor, o petróleo, etc. Mas afinal, o que é energia? Entende-se por energia a capacidade de realizar trabalho. A partir deste conceito, os músculos, o sol, o fogo, o vento, e tantas outras fontes de energia podem ser chamados de elementos para produzir e/ou multiplicar o trabalho. Energia é definida, também, como a capacidade da matéria em realizar mudanças no meio. Entende-se por matéria todo corpo que possui massa e ocupa lugar no espaço, como por exemplo, a água, o vento, árvores, pedras, etc; e por mudança os fenômenos naturais ou artificiais que acontecem no meio, como: o movimento das ondas do mar, o aumento ou diminuição de volume dos gases, a variação de temperatura dos corpos, existência de fases da água, etc. Por este motivo, a energia adquire várias formas: Mecânica quando há, por exemplo, movimento de um automóvel; Gravitacional pode ser percebida quando há uma força de atração entre matérias que possuem massa, como um satélite em volta do planeta terra; Química - quando está estocada, podendo ser usada para produzir calor por combustão, como por exemplo:lenha, carvão, petróleo; Elétrica - devido ao movimento de elétrons que produzem luz ou calor; Muscular quando é exercida por qualquer movimento do corpo humano, se referindo também aos animais utilizados para arar terras e transportar pessoas ou mercadorias; Potencial é a energia existente em um corpo, ou seja, a que está armazenada nesse corpo, pronta para realizar movimento. Só é percebida se tiver um ponto de referência em relação ao corpo que está sendo estudado ou observado, como por exemplo: uma pedra parada e, em seguida, jogada ou empurrada de uma certa altura; um balde com água sendo derrubado do alto de uma escada etc.; Cinética é a energia existente num corpo em movimento, como por exemplo uma pedra caindo e batendo no chão; água de dentro de um balde caindo sobre alguma pessoa ou no solo; etc.; Atômica ou fusão nuclear é originada no núcleo do átomo. É a mais recente forma de energia a ser utilizada para aquecimento de água, produção de vapor e geração de energia elétrica. Atualmente, desenvolvem-se pesquisas para tornar possível o uso dessa forma de energia por ser uma fonte limpa e praticamente inesgotável; Luminosa ou radiante é a energia proveniente dos raios solares. Dentre todos estes tipos, a primeira forma de energia que o homem utilizou foi o esforço muscular (humano e de animais domesticados), seguida da energia eólica (do vento) e da energia hidráulica (gerada pela força e movimento das águas). Com o passar do tempo, adquiriu-se conhecimento e técnica e criaram-se os mais variados tipos de tecnologia para realizar o trabalho que antes era puramente braçal. Assim, novos inventos e criações surgiram, mas sempre dependentes de algum tipo de energia para o seu funcionamento. É sobre um destes tipos de energia de que trata o texto a seguir: a energia eólica. Anotações: 05

5 Capítulo Capítulo A Energia Eólica Capítulo 3 Capítulo 3 Os Ventos No caso específico da energia eólica, o primeiro fato a ser esclarecido é o porquê deste nome. Ela é assim chamada graças a uma lenda grega, a lenda do deus Éolos, conhecido como o deus dos ventos ou Rei dos ventos, às vezes identificado como o filho de Arne e de Poseidon, o senhor do mar e de todas as divindades marinhas. Éolos, Morador das ilhas Eólias, acolheu amigavelmente Ulisses e seus companheiros e deulhes um odre em que estavam encerrados todos os ventos contrários à navegação. Os companheiros de Ulisses, por curiosidade, abriram-no, e os ventos desencadearam uma terrível tempestade que causou o naufrágio de quase toda a frota.por ser a energia eólica a energia proveniente dos ventos é que ela recebeu este nome. Tudo indica que uma das primeiras vezes em que a energia eólica foi utilizada foi em embarcações (figura.1). Algumas publicações mencionam vestígios de sua existência já por volta de A.C, recentemente testemunhado por um barco encontrado num túmulo sumeriano da época, no qual havia também remos auxiliares. Por volta de a.c., os Fenícios, pioneiros na navegação comercial, já utilizavam barcos movidos exclusivamente com a força dos ventos. Ao longo dos anos vários tipos de embarcações a vela foram sendo desenvolvidos, com grande destaque para as Caravelas surgidas na Europa no século XIII e que tiveram papel destacado nas Grandes Descobertas Marítimas. Iniciaremos nossas explicações falando sobre como são formados os ventos. O vento é um recurso natural renovável, gratuito, que não polui o ambiente e que se encontra disponível em todos os lugares. Um fato interessante é o de que a energia eólica provém da energia solar, uma vez que os ventos se formam em decorrência do aquecimento não uniforme da atmosfera que envolve o planeta terra, e que este aquecimento é causado pela radiação solar. Essa não uniformidade é causada principalmente pelo tipo de orientação dos raios solares e pela movimentação do planeta. Os ventos aliviam a temperatura atmosférica e as diferenças de pressão causada pelo aquecimento irregular da superfície da terra. Enquanto o sol aquece o ar, a terra e a água de um lado da terra, o outro lado é resfriado por radiação térmica enviada para o espaço. Assim, a rotação da terra causa um ciclo de aquecimento e resfriamento em sua superfície. Como a formação estrutural da terra é irregular, a resposta da superfície da terra ao aquecimento é variada. As partes com água se aquecem mais lentamente que as partes adjacentes recobertas com terra. As porções do globo terrestre que recebem os raios solares quase que perpendicularmente, o que ocorre na região dos trópicos, são mais aquecidas que as regiões polares. Como conseqüência o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir e é substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento dessa massa de ar quente e frio é o que determina a formação dos ventos. Figura 3.1 Correntes de vento ao redor do globo Uma estimativa da energia total disponível dos ventos ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que, aproximadamente, % da energia solar absorvida pela Terra são convertidos em energia cinética dos ventos. Este percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a energia anual produzida nas centrais elétricas do mundo. Figura.1 os ventos e a navegação Figuras 3. Correntes de vento globais As figuras 3.1 e 3. mostram a formação dos ventos ao longo do globo terrestre. Os ventos que sopram em escala global, e aqueles que se manifestam em pequena escala, são influenciados por diferentes aspectos entre os quais se destacam a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo

6 Próximo à superfície do globo as diferenças de temperatura e de pressão dão origem à circulação do ar e conseqüentemente à formação dos ventos ao redor da terra. Assim, zonas de baixa pressão se formam na região próxima à linha do equador e dos círculos polares em ambos os hemisférios. Já as zonas de altas pressões são encontradas nos pólos e nas regiões próximas às linhas tropicais. Existem locais no globo terrestre nos quais os ventos jamais cessam de "soprar", pois os mecanismos que os produzem (aquecimento no Equador e resfriamento nos pólos) estão sempre presentes na natureza. São chamados de ventos planetários ou constantes e podem ser classificados em: Alísios: ventos que sopram dos trópicos para o Equador, em baixas altitudes. Contra-Alísios: ventos que sopram do Equador para os pólos, em altas altitudes. Ventos do Oeste: ventos que sopram dos trópicos para os pólos. Polares: ventos frios que sopram dos pólos para as zonas temperadas. Tendo em vista que o eixo da Terra está inclinado de 3,5º em relação ao plano de sua órbita em torno do Sol, variações sazonais na distribuição de radiação recebida na superfície da Terra resultam em variações sazonais na intensidade e duração dos ventos, em qualquer local da superfície terrestre. Como resultado, surgem os ventos continentais ou periódicos que compreendem as monções e as brisas. As monções são ventos periódicos que mudam de direção a cada seis meses aproximadamente. Em geral, as monções sopram em determinada direção em uma estação do ano e em sentido contrário em outra estação, como mostra a figura 3.3. para a terra (brisa marítima). À noite, a temperatura da terra cai mais rapidamente do que a temperatura da água e, assim, ocorre a brisa terrestre que sopra da terra para o mar. Normalmente, a intensidade da brisa terrestre é menor do que a da brisa marítima devido à menor diferença de temperatura que ocorre no período noturno. As figuras 3.4 e 3.5 exemplificam o fato citado acima. Figura Brisa marítima Figura Brisa terrestre Sobreposto ao sistema de geração dos ventos descrito anteriormente, encontram-se os ventos locais, que são originados por outros mecanismos mais específicos. São ventos que sopram em determinadas regiões e são resultantes das condições locais, que os tornam bastante individualizados. A mais conhecida manifestação local dos ventos é observada nos vales e montanhas. Durante o dia, o ar quente nas encostas das montanhas se eleva e o ar mais frio desce sobre os vales para substituir o ar que subiu. No período noturno, a direção em que sopram os ventos é novamente revertida e o ar frio das montanhas desce e se acumula nos vales. A figura 3.6 abaixo, exemplifica este processo. Figura Ocorrência das monções Em função das diferentes capacidades de refletir, absorver e emitir o calor recebido do Sol, inerentes a cada tipo de superfície (tais como mares e continentes), surgem as brisas, que caracterizam-se por serem ventos periódicos que sopram do mar para o continente e vice-versa. No período diurno, devido à maior capacidade da terra de absorver os raios solares, a temperatura do ar sobre ela aumenta e, como conseqüência, forma-se uma corrente de ar que sopra do mar Figura Ocorrência de brisas 3.1 A velocidade dos ventos A tomada de medida da velocidade dos ventos é parte indispensável no processo de estudo para instalação de um sistema eólico para geração de energia elétrica. Na seqüência, teremos 08 09

7 B) Variações Sazonais - O aquecimento não uniforme da superfície terrestre resulta em significativas variações no regime dos ventos, resultando na existência de diferentes estações do ano. Considerando que, em função da relação cúbica entre a potência disponível e a velocidade do vento (na aluma explanação sobre a tomada de dados sobre o vento e os processos relativos à velocidade. se fazer medições, com o anemômetro, para identificar a viabilidade de seu uso, pois num mesmo dia são notadas variações consideráveis, por exemplo, em sua intensidade e freqüência. Figura Anemômetro tipo Robinsom ou tipo concha Figura Anemômetro tipo Hélice portátil Figura 3.10 Bússola Figura 3.11 Rosa dos Ventos Pontos Cardeais: Pontos Colaterais: N - Norte NE Nordeste S - Sul NO Noroeste E Este ou Leste SE Sudeste O Oeste SO Sudoeste Se por algum motivo, for difícil adquirir o anemômetro é possível caracterizar o vento local por fenômenos naturais, como mostra a tabela 3.1 na página ao lado. A direção do vento também é um importante parâmetro a ser analisado, pois mudanças de direção muito freqüentes indicam situações de rajadas de vento. Além disso, a medida da direção do vento auxilia na determinação da localização das turbinas em um parque eólico. Devido à existência do problema de "sombra", isto é, a interferência das esteiras das turbinas, é fundamental o conhecimento da direção predominante. Do ponto de vista do aproveitamento da energia eólica, é importante distinguir os vários tipos de alterações temporais da velocidade dos ventos, a saber: variações anuais, sazonais, diárias e de curta duração. A) Variações Anuais - Para se obter um bom conhecimento do regime dos ventos não é suficiente basear-se na análise de dados de vento de apenas um ano; o ideal é dispor de dados referentes a vários anos. À medida que uma maior quantidade de dados anuais é coletada, as características levantadas do regime local dos ventos tornam-se mais confiáveis. Figura Biruta Figura 3.1 Cata-vento de pás múltiplas 10 11

8 tura do eixo da turbina), em algumas faixas de potência, uma pequena variação na velocidade implica numa grande variação na potência. Sendo assim, a utilização de médias anuais (ao in- Onde: Vel (z) =velocidade do vento a ser estimada na altura desejada em m/s; Vel (zo) = velocidade do vento medida a uma altura conhecida, em m/s Altura(z) =altura em que se deseja estimar a velocidade do vento em m; Número de Beaufort Tabela 3.1 Escala de Beaufort para estimativa da velocidade do vento Descrição Critérios de apreciação na terra Velocidade do vento (m/s) 0 Calmaria A fumaça eleva-se verticalmente. 0 0,4 1 Ar leve O vento inclina a fumaça, mas não faz girar o cata-vento. 0,5 1,5 Brisa leve As folhas se movem e o vento é sentido no rosto. 1,6 3,4 3 Brisa suave As folhas e os ramos pequenos se movem continuamente. 3,5 5,5 4 Brisa moderada O vento levanta o pó e a s folhas. Os ramos se agitam. 5,6 8,0 5 Brisa fresca Pequenas árvores começam a balançar. 8,1 10,9 6 Vento forte Os ramos grandes se movem. Os fios elétricos vibram. Dificuldade em se usar o guarda-chuva. 11,4 13,9 7 Temporal moderado As árvores se agitam. Há um incômodo ao andar contra o vento. 14,1 16,9 8 Temporal Rompem-se os ramos pequenos das árvores. Difícil andar contra o vento. 17,4 0,4 9 Temporal forte Os ramos médios das árvores se quebram 0,5 3,9 10 Temporal muito forte As árvores são arrancadas e danos são espalhados 4,4 8,0 11 Tempestade Destroços extensos. Tetos arrancados, etc. 8,4 3,5 1 furacão Produz efeitos devastadores 3,6 60,0 1 13

9 Altura (zo) = altura na qual foi medida a velocidade do vento, em m; e n = parâmetro relacionado com a rugosidade da superfície local, adimensional, geralmente igual a 0,143. Na tabela 3. ao lado é possível obter diretamente o valor da relação 6)INFLUÊNCIA DA RUGOSIDADE DA SUPERFÍCIE DO TERRENO NA VELOCIDADE DO VENTO A rugosidade do terreno, representada por Z0, refere-se ao conjunto de elementos formados por árvores, arbustos, vegetação rasteira e pequenas construções, sobre a superfície do solo. Este conjunto de fatores oferece resistência à passagem do vento, além de desviar a sua trajetória. Portanto, o valor da rugosidade de uma superfície dependerá da altura e da forma como esses elementos encontram-se distribuídos em uma determinada área. Dessa forma o parâmetro Z0 é definido por uma escala de comprimento utilizada para caracterizar a rugosidade do terreno, atribuindo-se, para cada tipo de terreno, um comprimento de rugosidade Z0. Como exemplo, Z0 será aproximadamente igual a 0,001 metros, em locais com superfície bem lisa (areia, neve e água); Z0 será aproximadamente igual a 0,0 metros em locais com presença de árvores e arbustos; e Z0 será aproximadamente igual a 0,50 metros, quando se tratar de áreas residenciais. Vale lembrar que o valor de Z0 deve ser considerado como um parâmetro temporal, uma vez que está diretamente associado às mudanças naturais da paisagem. A determinação da rugosidade de uma superfície poderá ser feita utilizando-se a fórmula matemática, a seguir: onde: Z0 = rugosidade da superfície, em m; H = altura máxima dos elementos que compõem a rugosidade do local em questão, em m; S = área perpendicular à passagem do vento, formada pela rugosidade; Ah = área ocupada pelos elementos que formam a rugosidade. Figura Velocidade do vento X altura Conhecendo-se as características do local em estudo, pode-se, com a utilização da tabela 3.3, determinar Z0 de modo mais simples. Altura (Z) 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m 11 m 1 m 13 m 14 m 15 m 16 m 17 m 18 m 19 m 0 m 1 m m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 30 m Tabela 3. Lista de alguns valores da relação m 1,140 1,170 1,196 1,19 1,40 1,59 1,76 1,9 1,307 1,31 1,334 1,346 1,358 1,369 1,380 1,390 1,400 1,409 1,418 1,47 1,435 1,443 1,451 1,458 1,466 1,473 Altura ( Z0) 5m 1,000 1,06 1,049 1,070 1,088 1,104 1,119 1,133 1,146 1,159 1,170 1,181 1,191 1,01 1,10 1,19 1,8 1,36 1,44 1,51 1,59 1,66 1,73 1,79 1,86 1,9 10 m 0,906 0,930 0,950 0,969 0,985 1,000 1,014 1,06 1,038 1,049 1,060 1,070 1,079 1,088 1,096 1,104 1,11 1,119 1,16 1,133 1,140 1,146 1,153 1,159 1,164 1,

10 7) INFLUÊNCIA DOS OBSTÁCULOS NA VELOCIDADE DO VENTO São considerados obstáculos à passagem do vento os elementos de dimensões conhecidas que causam redução na sua velocidade. As pedras, as rochas de grandes dimensões, os morros, as edificações, as torres maciças e os agrupamentos de árvores de grande altura, entre outros, podem ser considerados como obstáculos. Os obstáculos obstruem o movimento dos ventos e também atuam modificando a sua distribuição e velocidade. Isso leva à conclusão de que para estudar a influência de um obstáculo sobre o perfil de distribuição do vento, a sua forma deixa de ter importância. A maior preocupação neste caso é com a localização do obstáculo em relação ao ponto de interesse, suas dimensões (comprimento, largura e altura), e sua porosidade. Tabela Classes e valores de rugosidade de diferentes tipos de superfície O vento, ao atingir um obstáculo, terá o seu comportamento bastante modificado, por causa das perturbações. Em geral, pode-se constatar que, no sentido vertical, tais perturbações alcançam níveis correspondentes a três vezes a altura do obstáculo, e no sentido horizontal elas se estendem por distâncias de até 40 vezes a altura do obstáculo, conforme ilustra a Figura Figura 3.16 Ilustração da influência de um obstáculo no comportamento do vento e os percentuais de perda de velocidade, em função da altura do obstáculo 8)INFLUÊNCIA DO RELEVO NA VELOCIDADE DO VENTO Assim como a rugosidade e os obstáculos, o relevo tem influência marcante no estabelecimento da velocidade e do aproveitamento dos ventos, outros acidentes topográficos como vales, depressões e gargantas, também exercem influência no regime dos ventos. Com estes fatos, recomenda-se que a instalação dos sistemas eólicos seja feita em locais mais elevados onde os ventos ocorrem em uma concentração maior. 9) OBTENÇÃO DE DADOS DE VELOCIDADE DO VENTO A avaliação do potencial eólico de um determinado local deve ser feita com base em observações diárias de velocidade do vento, durante um bom período de tempo. Para isso, devem-se 16 17

11 utilizar anemômetros, que são aparelhos simples e que cumprem a função de medir a velocidade do vento no instante desejado. Para obter informações precisas sobre a velocidade dos ventos devem ser efetuadas medidas diárias da velocidade dos ventos por um período mínimo de um ano. Diariamente, devem-se realizar pelo menos cinco medições da velocidade nos seguintes horários: 9horas; 1horas; 15 horas; 18 horas e 1 horas. Esses dados devem ser anotados em tabelas apropriadas, para posterior análise, montando-se uma tabela para cada mês. Ao final de cada mês, os dados obtidos deverão ser encaminhados para um profissional da área, para que possam ser analisados de forma a se obter a intensidade média mensal dos ventos. A Figura 3.17 ilustra uma tabela utilizada para anotação dos dados. Dia Final do mês Horário das medições 09:00 1:00 15:00 18:00 1:00 Figura 3.17 Exemplo de tabela a ser utilizada para registro das medições de velocidade do vento ao longo do dia Onde não haja necessidade de medições tão precisas, para implantação de sistemas eólicos de menor porte e encontrando-se dificuldade em obter as medições adequadas pode-se utilizar a tabela de Beaufort, dada anteriormente. Capítulo 4 Capítulo 4 Panorama da Energia Eólica Não se sabe dizer, com certeza, a data em que o homem começou a utilizar o vento como forma de energia. Sabe-se que por volta do ano.000 A.C o uso do vento para a navegação já estava consolidado. No ano 400 A.C, Índia e China já usavam o vento para elevação de água na irrigação e moagem de grãos. Com o passar do tempo o homem percebeu que seria interessante aproveitar mais esse vento e colocou sobre uma roda de madeira várias velas, feitas com tecido ou pele de animais, que ao girar passou a fazer grande parte do trabalho que antes era totalmente manual. Desta forma, foi criado o moinho de vento. Em existiam na Holanda, aproximadamente, moinhos de vento em funcionamento, que passaram a caracterizar a paisagem holandesa. Desde a década de 1930 essa energia passou a ser usada também na geração de eletricidade para acionamento de alguns equipamentos e iluminação. A França e os Estados Unidos foram os primeiros países do mundo a usar o vento como fonte geradora de eletricidade. Mesmo com as grandes descobertas tecnológicas deste século e do século passado, a produção comercial da energia elétrica a partir da energia eólica só ganhou impulso nos últimos 30 anos. Estes avanços ocorreram graças e através dos conhecimentos da indústria aeronáutica, principalmente em relação às idéias e aos conceitos preliminares. No início da década de 1970, o mundo estava passando por uma crise no mercado de abastecimento do petróleo. Com isso, houve um grande interesse de países europeus e dos Estados Unidos em desenvolver equipamentos para produção de eletricidade que ajudassem a diminuir a dependência do petróleo e carvão. Mais de novos empregos foram criados e uma sólida indústria de componentes e equipamentos foi desenvolvida. Atualmente, a indústria de turbinas eólicas vem acumulando crescimentos anuais acima de 30% e movimentando cerca de bilhões de dólares em vendas por ano (1999). A figura 4.1 mostra um esquema simplificado do funcionamento de uma usina eólica. Agora que as informações sobre o que é a energia eólica e como os ventos se formam já foram explanadas, é interessante saber como este tipo de energia é utilizado no Brasil e no mundo. Figura 4.1 Esquema simplificado de uma usina eólica 18 19

12 Através do conhecimento da indústria aeronáutica, os equipamentos para geração eólica foram evoluindo rapidamente até chegar aos produtos de alta tecnologia. Existem, atualmente, mais de turbinas eólicas de grande porte em operação no mundo, com capacidade instalada da ordem de MW. Os países que estão na vanguarda do desenvolvimento tecnológico são a Alemanha e a Dinamarca. Este último país desenvolveu um dos maiores parques de produção de eletricidade eólica do Mundo. Os primeiros equipamentos, a serem utilizados no bombeamento e moagem, no caso os cata-ventos, foram sendo aperfeiçoados e substituídos por modelos mais eficientes em tamanho, forma, potência, tipo de material utilizado em sua fabricação, peso e quantidade das pás; entre outros, principalmente quando passaram a ter utilização na geração de eletricidade. Da década de 190 até a metade da década de cinqüenta, milhares de moinhos de vento, como os norte americanos chamavam os cata-ventos, forneceram energia elétrica a fazendas, principalmente para alimentação de iluminação e aparelhos de rádio. Na década de 1970, nos EUA, foram instaladas centrais eólicas experimentais com potências variando de 10 até mais de 1000 kw. Posteriormente desenvolvimentos similares ocorreram na União Soviética, Dinamarca, França, Inglaterra e Alemanha. Estas usinas apresentavam aerogeradores de poucas pás, de grande comprimento e girando a baixas velocidades. A primeira turbina eólica comercial ligada à rede elétrica pública foi instalada na Dinamarca, em A meta atual da Associação Européia de Energia Eólica é alcançar a marca de MW na Europa até 010 e 10% do suprimento de toda energia elétrica até 00. Em termos de capacidade instalada, estima-se que, até 00, a Europa já terá MW. Os Estados Unidos possuem um parque eólico com cerca de MW já instalados e com uma estimativa de crescimento de 10% ao ano. Figura 4. Distribuição da capacidade instalada de energia eólica no mundo Até o ano de 1990 o mundo possuía uma capacidade instalada inferior a 000 MW. Já no final de 00 esta capacidade foi além de 3000 MW. Estima-se que em 00 o mundo terá 1% da energia gerada pelo vento, com uma capacidade instalada de mais de 1.00 GW.A figura 4. mostra como está a distribuição da capacidade instalada de energia eólica no mundo. O gráfico apresentado anteriormente, mostra com clareza que a Alemanha é o pais responsável pela maior parte da capacidade eólica instalada no mundo. A tabela 4.1 fornece dados numéricos mais precisos para validar esta afirmação. Alemanha Estados Unidos Dinamarca Espanha Brasil Tabela Capacidade instalada de Energia eólica no mundo em MW País/região Europa (exceto Alem., Din. e Espanha). Ásia Américas (exceto EUA e Brasil) Austrália e Pacífico África e Oriente Médio Total Os avanços tecnológicos têm levado os custos deste tipo de equipamento a valores cada vez mais acessíveis à comercialização em grande escala e melhorado o desempenho e a confiabilidade dos equipamentos. Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m, a uma altura de 50 m, o que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s. Segundo a Organização Mundial de Meteorologia, em apenas 13% da superfície terrestre o vento apresenta velocidade média igual ou superior a 7 m/s, a uma altura de 50 m. Essa proporção varia muito entre regiões e continentes, chegando a 3% na Europa Ocidental, como indicado nas Tabelas 4. e A energia eólica é considerada a energia mais limpa do planeta, disponível em diversos lugares e em diferentes intensidades, uma boa alternativa às energias não-renováveis.

13 Tabela 4. - Distribuição da área continental segundo a velocidade média do vento Capítulo 5 Capítulo 5 A Energia Eólica no Brasil Região/Continente África Austrália Velocidade do Vento (m/s) a 50 m de Altura (103 km ) ,4 a 7,0 7,0 a 7,5 7,5 a 11,9 (%) 1 8 (103 km ) (%) 11 4 (103 km ) (%) 1 5 No caso do Brasil, tradicionalmente, a utilização dos recursos eólicos é voltada para o uso de cata-vento multipás para bombeamento d'água. Estudos realizados no país demonstram que o Brasil possui um grande potencial eólico ainda não explorado. A instalação da primeira central eólica no Brasil, com potência de 75 kw e localizada em Fernando de Noronha (PE). América do Norte América Latina Europa Ocidental 345 8, Europa Ocidental & ex-urss Ásia (excluindo ex-urss) Mundo Tabela Estimativa do potencial eólico mundial Região Porcentagem de Terra Ocupada* Potencial Bruto (TWh/ano) Densidade Demográfica (hab/km ) Potencial Líquido (TWh/ano) África Austrália América do Norte América Latina Europa Ocidental Europa Ocidental & ex-urss Ásia (excluindo ex-urss) Mundo (*) Em relação ao potencial bruto; (**) Excluindo-se Groenlândia, Antártida, a maioria das ilhas.média do vento Figura Potencial eólico no Brasil 3

14 Hoje a capacidade instalada no Brasil é de cerca de 0 MW, com turbinas eólicas de médio e grande porte, conectadas à rede elétrica. Além disso, existem dezenas de turbinas eólicas de pequeno porte funcionando em locais isolados da rede convencional para aplicações diversas - bombeamento, carregamento de baterias, telecomunicações e eletrificação rural. Vários estados brasileiros iniciaram, como já fizeram os estados do Ceará e Pernambuco, programas de levantamento de dados de vento. Hoje existem mais de cem anemógrafos computadorizados espalhados por vários estados brasileiros. Dada a importância da caracterização dos recursos eólicos da região Nordeste, o Centro Bra- sileiro de Energia Eólica - CBEE, com o apoio da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL e do Ministério de Ciência e Tecnologia - MCT lançou, em 1998, a primeira versão do Atlas Eólico do Nordeste do Brasil (WANEB - Wind Atlas for the Northeast of Brazil) com o objetivo principal de desenvolver modelos atmosféricos, analisar dados de ventos e elaborar mapas eólicos confiáveis para a região. Mapas do potencial eólico do Brasil foram mostrados nas figuras 5.1 e 5. anteriormente. 5.1 Projeto de aerogeradores no Brasil No Brasil, o Centro Brasileiro de Energia Eólica CBEE em parceria com faculdades, empresas e concessionárias tem contribuído para a instalação de centrais eólicas no país, totalizando um potencial eólico de 0,3 MW. Entre os projetos desenvolvidos pela CBEE, destacam-se: Taiba, Prainha e Mucuripe no Ceará; Olinda em Pernambuco; Morro do Camelinho em Minas Gerais; Palmas no Paraná e o da ilha de Fernando de Noronha. As figuras 5.3, 5.4 e 5.5 mostram alguns aerogeradores em funcionamento no Brasil, de acordo com os projetos desenvolvidos pela CBEE. Figura 5. - Mapa do potencial eólico no Brasil, CBEE (001) Figura 5.3 Central eólica na ilha de Fernando de Noronha, com 75 kw de potência elétrica instalada Figura 5.4 Central eólica do Morro do Camelinho em Minas Gerais, com 50 kw de potência elétrica instalada Figura 5.5 Central eólica de Palmas, no Paraná, com 500 kw de potência elétrica instalada, CBEE (001) 4 5

15 No Brasil ainda não há fabricantes especializados na construção de turbinas eólicas, embora a tecnologia seja explorada, desde 1970, por algumas concessionárias, como a Cemig (Companhia Energética de Minas Gerais), a Coelba (Companhia de Eletricidade da Bahia) e a Coelce (Companhia de Eletricidade do Ceará). 5.- A energia eólica e o setor elétrico brasileiro No Brasil é pequena a participação da energia eólica no montante da geração de energia elétrica. A tabela 5.1 mostra, numericamente, esta percepção de inserção da energia eólica no contexto da energia elétrica do Brasil Tabela 5.1 A energia eólica no contexto da energia elétrica do Brasil Destino Nome Pot.(kW) Município - UF Proprietário da Energia Bom Jardim Bom Jardim Prainha Taíba Olinda Experimental Fernando de Noronha - PE Bom Jardim da Serra SC Bom Jardim da Serra - SC Aquiraz - CE São Gonçalo do Amarante - CE Olinda - PE Gouveia - MG SP PIE PIE PIE PIE PIE SP Companhia Energética de Pernambuco Parque Eólico de Santa Catarina Ltda. Parque Eólico de Santa Catarina Ltda Wobben Wind Power Indústri a e Comércio Ltda Wobben Wind Power Indústria e Comércio Ltda Centro Brasileiro de Energia Eólica FADE/UFPE Companhia Energética de Minas Gerais do Morro do Camelinho Figura Complementaridade entre a geração hidrelétrica e eólica drelétricas, eólica, fotovoltaica e biomassa). Além deste tipo de incentivo, outra possibilidade igualmente interessante é a complementação entre a geração hidrelétrica e a geração eólica. A viabilidade deste tipo de investimento pode ser observada na região Nordeste. Nesta região, no período de menor disponibilidade hídrica, existe uma maior disponibilidade do potencial eólico. A figura 5.6, ao lado, deixa claro visualmente este aspecto de complementabilidade de produção energética. A figura 5.7 abaixo, mostra a localização dos empreendimentos eólicos, instalados ou outorgados no Brasil. Palmas.500 Palmas - PR PIE Centrais Eólicas do Paraná Ltda Mucuripe.400 Fortaleza - CE O esperado pelo mercado, hoje, é que o interesse dos empreendedores com relação ao mercado de energia eólica aumente, graças aos incentivos vigentes para o setor elétrico brasileiro. Dentre os incentivos existentes, destaca-se o PROINFA - Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica. Sua principal meta é chegar ao ano de 0, com o atendimento de 10% do consumo anual de energia elétrica no País por fontes alternativas (pequenas centrais hi- PIE Wobben Wind Power Indústria e Comércio Ltda. Figura Localização dos projetos eólicos em operação e outorgados (construção não iniciada) situação em setembro de

16 Como comentado anteriormente, o Brasil possui vários empreendimentos já instalados. O primeiro deles é o das turbinas eólicas do Arquipélago de Fernando de Noronha - PE, desde 199. Este projeto foi realizado através de uma parceria entre o Grupo de Energia Eólica da Universidade Federal de Pernambuco UFPE e a Companhia Energética de Pernambuco CELPE, com financiamento do Folkecenter (um instituto de pesquisas dinamarquês). Na época em que foi instalada, a geração de eletricidade dessa turbina correspondia a cerca de 10% da energia gerada na Ilha, proporcionando uma economia de aproximadamente litros de óleo diesel por ano. A segunda turbina (figura 5.8), um projeto realizado pelo CBEE, com a colaboração do RISO National Laboratory da Dinamarca, e financiado pela ANEEL, foi instalada em maio de 000 e entrou em operação em 001. Os dois projetos juntos geram até 5% da eletricidade consumida na ilha, o que veio a tornar o sistema elétrico de Fernando de Noronha o maior sistema híbrido eólicodiesel do Brasil. Outros projetos instalados no Brasil são mostrados a seguir. Figura 5.8 Segunda turbina eólica de Fernando de Noronha Central Eólica Experimental do Morro do Camelinho MG: instalado em 1994, no Município de Gouveia MG. Com capacidade nominal de 1 MW, o projeto foi realizado pela Companhia Energética de Minas Gerais CEMIG, com o apoio financeiro do governo alemão (Programa Eldorado). A central é constituída por 4 turbinas de 50 kw, com rotor de 9 m de diâmetro e Figura Central Eólica Exp. do Morro do Camelinho (Gouveia) - MG torre de 30 m de altura (figura 5.9). Central Eólica de Taíba CE: localizada no Município de São Gonçalo do Amarante CE, a Central Eólica de Taíba (figura 5.10), com 5 MW de potência, foi a primeira a atuar como produtor independente no País. Em operação desde janeiro de 1999, a central é composta por 10 turbinas de 500 kw, geradores assíncronos, rotores de 40 m de diâmetro e torre de 45 m de altura. Central Eólica de Prainha CE: localizada no Município de Aquiraz CE, a Central Eólica de Figura Central Eólica de Taíba São Gonçalo do Amarante CE Figura Central Eólica da Prainha Aquiraz CE Figura Central Eólica Mucuripe Fortaleza CE Prainha (figura 5.11) é o maior parque eólico do País, com capacidade de 10 MW (0 turbinas de 500 kw). O projeto foi realizado pela Wobben Windpower e inaugurado em abril de As turbinas utilizam geradores síncronos, funcionam com velocidade variável e com controle de potência por pitch (ângulo de passo das pás). Central Eólica Mucuripe CE: situada em Fortaleza - CE (Figura 5.1), esta central tinha potência instalada de 1.00 kw. Desativada em 000, foi posteriormente repotenciada e passou a contar com 4 turbinas eólicas E-40 de 600 kw (.400 kw). Central Eólica de Palmas PR: inaugurada em 000, trata-se da primeira central eólica do Sul do Brasil, localizada no Município de Palmas PR, com potência instalada de,5 MW (figura 5.13). Realizado pela Companhia Paranaense de Energia COPEL e pela Wobben Windpower (do Brasil), o projeto foi inaugurado em novembro de 1999, com 5 turbinas de 500 kw, idênticas àquelas de Taíba e Prainha. Central Eólica de Olinda PE: O CBEE instalou, em 1999, uma turbina eólica WindWord (Figura 5.14) na área de testes de turbinas eólicas em Olinda. Esta turbina conta com sensores e instrumentação para medidas experimentais. Central Eólica de Bom Jardim SC: em 00 uma turbina Enercon de 600 kw foi instalada no Município de Bom Jardim da Serra - SC (figura 5.15) pela CELESC e Wobben Windpower, sendo a mais recente central implantada no País. 8 9

17 Capítulo 6 Capítulo 6 Energia Eólica e o Meio Ambiente Figura Central Eólica de Palmas Palmas - PR O mundo hoje necessita de uma maior segurança relacionada ao fatos que cercam a utilização do ambiente como um todo. Isso se comprova através das pressões de organizações não governamentais, leis específicas voltadas para o meio ambiente e sua utilização, criação de marcas e selos ofertados a produtos e trabalhos ecologicamente corretos, os chamados selos verdes, etc. Dentro deste padrão, cabe uma análise, mesmo que simplificada, dos impactos ambientais causados pela utilização da energia eólica. Este tipo de tecnologia para a geração de energia elétrica, como as demais com o mesmo propósito, apresenta algumas características ambientalmente desfavoráveis, como relacionado a seguir. Impacto visual, Ruído audível, Interferência eletromagnética, Ofuscamento Danos a fauna. Esses efeitos podem ser minimizados ou mesmo eliminados através de planejamento e estudos adequados, aliados aos avanços e inovações tecnológicos sempre em desenvolvimento. Com relação às vantagens atribuídas à energia eólica conta-se o fato de que ela não utiliza a água como elemento chave para a geração da energia elétrica, não apresenta resíduos radioativos ou emissões gasosas nocivas. Além destes aspectos, é relevante salientar que cerca de 99% da área utilizada para a implantação do parque eólico pode ser utilizada para outros fins como a agricultura, pecuária, etc. Tipo de Impacto: Emissão de gases Características: Não emite gases poluentes durante operação Observação: Proporcionam redução de emissão de gases de efeito estufa e na redução da concentração de CO durante operação. Uma turbina de 600 kw, por exemplo, instalada em uma re- gião de bons ventos poderá evitar a emissão entre e toneladas de Co. Figura Central Eólica de Olinda PE Figura Central Eólica de Bom Jardim Bom Jardim da Serra - SC Tipo de Impacto: Emissão de Ruídos Características: O ruído produzido pela turbina pode ser audível a 100 m, na direção do vento, e a 1400 m, na direção oposta. O valor do nível de ruído emitido por uma torre eólica a cerca de 50 m de distância desta e a 1,5 m do solo é cerca de 55 db(a). Para distâncias em relação ao ae

18 rogerador de aproximadamente 400 m, este valor reduz-se para cerca de 36 db(a). Observação: O ruído proveniente das turbinas eólicas tem duas origens: mecânica e aerodinâmica. O ruído mecânico é proveniente, principalmente, da caixa de engrenagens e da hélice. O ruído aerodinâmico é influenciado direta-mente pela velocidade do vento incidente sobre a turbina eólica. Tipo de Impacto: Impacto Visual Características: É altamente subjetiva. Tipo de Impacto: Fase de construção Características: Associado ao movimento de terras, nomeadamente às obras de terraplenagem e às escavações necessárias à construção das plataformas de suporte dos aerogeradores e da subestação e à abertura das valas para colocação dos cabos elétricos. Observação: Os movimentos de terra são, também, susceptíveis de provocar uma alteração da morfologia original do terreno. Os impactos resultantes podem persistir ou não, após a conclusão da obra. Durante a fase de construção, ocorre a remoção da cobertura vegetal, com eventual favorecimento do processo de erosão. Tipo de Impacto: Hidrologia Características: A inadequada localização de um parque eólico pode provocar impactos no nível da hidrologia, durante as fases de construção e exploração da obra, se as torres forem implantadas sobre as cabeceiras de nascentes, afetando as linhas de drenagem natural e as condições de infiltração das águas pluviais. Observação: Durante a fase de construção pode ocorrer degradação da qualidade das águas superficiais. A movimentação de terras gera poeiras, durante o tempo seco, e turvação das águas superficiais, durante as chuvas, o que provoca, em ambos os casos, um aumento da carga de partículas sólidas transportadas para os cursos de água. Os derrames acidentais de óleos e combustíveis resultantes da operação de veículos e de máquinas podem provocar aumentos pontuais da poluição por hidrocarbonetos. Observação: O espaço requerido por cada turbina é pouco significativo (cerca de 40 m por turbina) correspondendo apenas ao necessário à instalação da base da torre e de um acesso a ela. Tipo de Impacto: Paisagem Características: Do ponto de vista paisagístico, não se considera negativo a visualização do parque, uma vez que este é um elemento de apreciação subjetiva. Observação: Suas estruturas podem atingir 80 m de altura, com pás de até 60 m de diâmetro, assim o caráter rural de uma área com potencial eólico pode ser significativamente alterado pela presença de aerogeradores. Tipo de Impacto: Fauna Características: Circulação de veículos e pessoas e o funcionamento dos aerogeradores, porém, se o parque é controlado eletronicamente e tem pouco uso de mão de obra, não se encontram impactos significativos sobre a fauna, resultantes da presença humana. O impacto de um parque eólico sobre a fauna em geral resulta, essencialmente, das movimentações de terras e da implantação de estruturas permanentes, com conseqüente perturbação localizada dos habitats. Observação: As causas mais simples de mortalidade das aves em parques eólicos são as colisões e especialmente as eletrocussões. Contudo, existe a perturbação causada por aves em migração. Quanto às aves sedentárias, observações diversas indicam que as mesmas se habituam à presença das turbinas, evitando-as. As aves que vivem nas vizinhanças dos aerogeradores acabam por habituar-se a estas máquinas e ao ruído que emitem; algumas chegam mesmo a adaptar o seu comportamento de forma a tirarem partido dos aerogeradores nas suas atividades de captura das presas. Tipo de Impacto: Características sociais Características: A produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável, além de permitir a redução de emissões de poluentes atmosféricos, dá lugar à economia de matériasprimas finitas. Isso evita a exaustão dos recursos naturais não renováveis, bem como a saída de divisas para o exterior, necessárias à compra, nos mercados internacionais, de combustíveis fósseis. Tipo de Impacto: Fase de exploração Características: Depende da possibilidade da utilização ou não, para outras finalidades, da área que fica disponível entre as turbinas. Tipo de Impacto: Flora Características: Abertura de valas e de fundações; 3 33

19 Instalação de estaleiros de obras; Construção e beneficiação dos acessos (principal e ramais entre aerogeradores e para as demais frentes de obra); Construção de edifícios permanentes; Circulação de pessoas e máquinas; Observação: A duração prevista das obras é de cerca de 6 a 9 meses, sendo o Inverno a época atmosfericamente mais desfavorável à execução das mesmas. Durante a construção há naturalmente trabalhos com maquinas, movimentação de terras e maior presença humana que podem causar o pisoteamento da vegetação e, consequentemente, eliminação de alguns elementos da flora local. Tipo de Impacto: Atividades econômicas Características: Sua implantação ocorre, frequentemente, em locais interessantes sob o ponto de vista de lazer e/ou com uma grande área sem muitos obstáculos. A utilização destes locais pode ser voltada também para o ecoturismo. Neste contexto, a comunidade local pode se estruturar para que este fato possa se tornar um complemento importante de renda a ser explorado. Observação: Iniciado o período de funcionamento, além do movimento gerado pelas equipes de exploração e manutenção, tem-se verificado que os locais de implantação destes empreendimentos acabam por se tornar pontos de atração turística. Figura 6.1 Pássaros atingidos durante seu vôo pelas pás das turbinas Figura 6. vista do topo do monte onde estão instaladas as turbinas eólicas Tipo de Impacto: Qualidade do ar Características: Os impactos sobre a qualidade do ar são pouco significativos e de âmbito muito localizado. Devem-se, essencialmente, ao tráfego de caminhões e às emissões de poeiras, resultantes das escavações e movimentações de terras. Observação: Emissões de partículas que, pela sua granulometria, se depositam normalmente a curta distância do local onde são produzidas. O aumento temporário do tráfego de veículos pesados na obra contribui para o aumento das emissões de poluentes para a atmosfera, com ênfase para os seguintes poluentes: NOx, CO e CO. Como exemplo de prováveis impactos ambientais, causados pela implantação de parques eólicos, temos as imagens abaixo ilustrando o caso do parque eólico de Navarre Espanha. As figuras 6.1 a 6.4 a seguir mostram detalhes do local de instalação das turbinas eólicas. Figura 6.3 vista parcial da coluna de sustentação de turbina eólica (Base) Figura 6.4 Vista parcial do local de instalação das turbinas durante a fase de implantação 34 35

20 Capítulo 7 Capítulo 7 Tecnologias de Aproveitamento 7.1 Turbinas eólicas Vários tipos de turbina já surgiram ao longo da escalada de desenvolvimento deste tipo de tecnologia: Eixo horizontal, Eixo vertical, Com apenas uma pá, Com duas e três pás, Gerador de indução, Gerador síncrono Hoje, a tecnologia dominante estabelece a utilização de turbinas eólicas com as seguintes características: Eixo de rotação horizontal, Três pás, Alinhamento ativo, Gerador de indução Estrutura não-flexível. A figura 7.1 a seguir, ilustra em detalhes este tipo de turbina, que apesar de bastante utilizada não tem aceitação plena. Muitos estudiosos contestam a estrutura deste modelo de turbina eólica. Entre os pontos em desacordo está à utilização ou não do controle do ângulo de passo (pitch) das pás para limitar a potência máxima gerada. Hoje, o que acorre é a combinação destas duas técnicas de controle, ou seja, técnicas de controle de potência (stall e pitch) em pás que podem variar o seu ângulo de passo para ajustar a potência gerada, sem, contudo, utilizar esse mecanismo continuamente. A capacidade de geração elétrica das primeiras turbinas eólicas comerciais ficava entre as marcas de 10 kw a 50 kw. No início da década de 1990 chegaram ao limite de 100 kw a 300 kw. Em 1995 passaram a ser comercializados modelos de 300 kw a 750 kw. Em 1997 entraram no mercado as turbinas de 1MW e 1,5 MW. Em 1999 surgiram as primeiras turbinas de MW. Hoje as turbinas alcançam a casa de 3,6MW e 4,5MW. Quanto ao porte, elas se classificam em: Pequenas, cuja potencia nominal é menor do que 500 kw; Médias, com potencial entre 500 kw e 1000kW (1MW); Grandes, que alcançam um potencial nominal maior que 1kW (1MW). Figura 7.1 Turbina eólica de grande porte 36 37