Fontes Alternativas de Energia Energia Eólica e Energia Solar. Francisco José Arteiro de Oliveira Diretoria de Planejamento e Programação da Operação

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1 Fontes Alternativas de Energia Energia Eólica e Energia Solar Francisco José Arteiro de Oliveira Diretoria de Planejamento e Programação da Operação 1

2 Agenda Introdução Aspectos da Integração de Energia Eólica no Sistema Elétrico Brasileiro Tecnologia Solar como Fonte de Energia Renovável Conclusões 2

3 Introdução 3

4 Aumento da Expansão de Energia Eólica na Matriz Energética Brasileira 4

5 Expansão da Geração Eólica na Região Nordeste 432 MW 18 MW 59 MW PEDRA DO SAL PRAIA DO MORGADO PRAIA FORMOSA VOLTA DO RIO 542 MW AMONTADA PARACURU TAÍBA ALBATROZ PARQUE EÓLICO DE BEBERIBE FOZ DO RIO CHORÓ PRAIAS DE PARAJURU BONS VENTOS MW 373 MW CANOA QUEBRADA CANOA QUEBRADA (RV) ALEGRIA I MANGUE SECO 1 ENACEL ALEGRIA II MANGUE SECO 2 ICARAIZINHO ARATUÁ MANGUE SECO 3 MIASSABA III MANGUE SECO 5 RIO DO FOGO CABEÇO PRETO CABEÇO PRETO IV MILLENIUM ALBATROZ ATLÂNTICA CAMURIM CARAVELA ALHANDRA PIRAUÁ XAVANTE GRAVATÁ MANDACARU SANTA MARIA MW COELHOS I COELHOS II COELHOS III COELHOS IV MATARACÁ PRESIDENTE VITÓRIA 25 MW 66 MW Araras Boca do Córrego Buriti Cajucoco Cataventos Paracuru 1 Colônia Coqueiro Dunas de Paracuru Embuaca Faisa I Faisa II Faisa III Faisa IV Faisa V Fleixeiras I Garças Guajirú Icaraí 78 MW Icaraí I Icaraí II Ilha Grande Jandaia Jandaia I Junco I Junco II Lagoa Seca Malhadinha I Mundaú Pau Brasil Pau Ferro Pedra do Gerônimo Planalto da Taíba Porto Salgado Potengi Quixaba Ribeirão São Paulo Tacaicó Taíba Águia Taíba Andorinha Trairí Vento do Oeste Vento Formoso Ventos de Horizonte Ventos de Santa Rosa Ventos de Santo Inácio Ventos de São Geraldo Ventos de Sebastião Ventos de Tianguá Ventos de Tianguá Norte Ventos do Morro do Chapéu Ventos do Parazinho Marco dos Ventos 1 Marco dos Ventos 2 Marco dos Ventos 3 Marco dos Ventos 4 Marco dos Ventos 5 Ventos do Norte 1 Ventos do Norte 10 Ventos do Norte 2 Ventos do Norte 3 Ventos do Norte 4 Ventos do Norte 5 Ventos do Norte 6 Ventos do Norte 7 Ventos do Norte 8 Ventos do Norte 9 CAPACIDADE INSTALADA DEZEMBRO DE MW MW (50 CGE) MW (210 CGE) Source: ANEEL Barra dos Coqueiros MACAÚBAS NOVO HORIZONTE SEABRA 35 MW 95 MW MW Alvorada Ametista Angical Borgo Caetité Caetité 2 Caetité 3 Caititu Candiba Coqueirinho Corrupião Cristal Da Prata Dos Araçás Dourados Emiliana Espigão Guanambi Guirapá Igaporã Ilhéus Aratuá 3 Carcará I Areia Branca Carcará II Arizona I Carnaúbas Asa Branca I Costa Branca Asa Branca II Dreen Boa Vista Asa Branca III Dreen Cutia Asa Branca IV Dreen Guajiru Asa Branca V Dreen Olho d'água Asa Branca VI Dreen São Bento do Asa Branca VII Norte Asa Branca VIII Eurus I Caiçara 2 Eurus II Caiçara do Norte Eurus III Calango 1 Eurus IV Calango 2 Eurus VI Calango 3 Famosa I Calango 4 Farol Calango 5 GE Jangada Campos dos Ventos II GE Maria Helena Juremas Inhambu Serra do Joana Espinhaço Licínio de Almeida Sete Gameleiras Maron Tamanduá Mirim Morrão Tanque N. Sra. da Conceição Teiu Pajeú do Vento Ventos do Pedra Branca Nordeste Pedra do Reino Pedra do Reino III Pelourinho Pilões Pindaí Planaltina Porto Seguro Primavera Rio Verde São Judas São Pedro do Lago Seraíma Serra do Salto Lanchinha Macacos Mar e Terra Mel 02 Miassaba 3 Miassaba 4 Modelo I Modelo II Morro dos Ventos I Morro dos Ventos II Morro dos Ventos III Morro dos Ventos IV Morro dos Ventos IX Morro dos Ventos VI Pelado Pedra Preta Reduto Rei dos Ventos 1 Rei dos Ventos 3 Rei dos Ventos 4 Renascença I Renascença II Renascença III Renascença IV Renascença V Riachão I Riachão II Riachão IV Riachão VI Riachão VII Santa Clara I Santa Clara II Santa Clara III Santa Clara IV Santa Clara V Santa Clara VI Santa Helena Santo Cristo São João Serra de Santana I Serra de Santana II Serra de Santana III SM União dos Ventos 1 União dos Ventos 10 União dos Ventos 2 União dos Ventos 3 União dos Ventos 4 União dos Ventos 5 União dos Ventos 6 União dos Ventos 7 União dos Ventos 8 União dos Ventos 9 Ventos de Santo Uriel Ventos de São Miguel SOMENTE EMPREENDIMENTOS COM OUTORGA 5

6 Expansão da Geração Eólica na Região Sul CAPACIDADE INSTALADA DEZEMBRO DE MW Cerro Chato I Cerro Chato II Cerro Chato III Cidreira 1 Palmares Parque Eólico de Osório Parque Eólico de Sangradouro Sangradouro 2 Sangradouro 3 Parque Eólico dos Índios Água Doce Amparo Aquibatã Bom Jardim Campo Belo Cascata Cruz Alta Púlpito Rio do Ouro Salto Santo Antônio 390 MW 231 MW 621 MW (21 CGE) MW Atlântica I Atlântica II Atlântica IV Atlântica V Cerro Chato IV Cerro Chato V Cerro Chato VI Cerro dos Trindade Chuí I Chuí II Chuí IV Chuí V Corredor do Senandes II Corredor do Senandes III Corredor do Senandes IV Dos Índios 2 Dos Índios 3 Fazenda Rosário 2 Força 1 Força 2 Força MW (43 CGE) SOMENTE EMPREENDIMENTOS COM OUTORGA Giruá Ibirapuitã I Minuano I Minuano II Osório 2 Osório 3 Pinhal Pontal 2B REB Cassino I REB Cassino II REB Cassino III Vento Aragano I Verace I Verace II Verace III Verace IV Verace V Verace IX Verace VI Verace VII Verace VIII Verace X Source: ANEEL 6

7 Evolução da Expansão Eólica - Horizonte % Geração Eólica no SIN 30% 7

8 Características da Geração Eólicas no Brasil 8

9 A Geração Eólica como Fonte de Energia Sob o ponto de vista energético a geração eólica trará grandes benefícios para o Sistema Interligado Nacional: Sua produção anual é bastante previsível; Há uma perfeita complementaridade de seu comportamento sazonal com o regime hidrológico das bacias hidrográficas. 9

10 A Geração Eólica como Fonte de Potência Sob o ponto de vista elétrico a geração eólica afeta a segurança do sistema se não for adequadamente tratada devido a uma série de razões: Sua grande variabilidade: sua produção máxima pode ocorrer a qualquer hora do dia. 10

11 A Geração Eólica como Fonte de Potência Difícil previsibilidade (intrinsicamente dependente das condições meteorológicas), exigindo forte investimento no desenvolvimento de modelos e ferramentas de previsão de ventos. A possibilidade de desconexão de grandes blocos de geração em razão de adversidades meteorológicas: - ventos de rajada (> 25 m/s ~ 90 km/h) - típicas da Região Sul - calmarias (< 3 m/s ~ 10 km/h) - típicas da Região Nordeste 11

12 Características do Vento nas Regiões Nordeste e Sul Nordeste - Ventos alísios - Direção predominante sudeste - Constante ao longo do ano Sul - São afetados por diferentes sistemas meteorológicos - Sofrem significativa modificação ao longo do dia 12

13 Conexão de Fontes Alternativas na Rede Elétrica A conexão ao sistema de transmissão é feita através de instalações denominadas Instalações de Interesse Exclusivo de Centrais de Geração para Conexão Compartilhada (ICG) A utilização de ICGs representa uma redução de custo na conexão com a rede elétrica, mas também representa um desafio de engenharia... Source: L. A. Barroso, F. Porrua, R. Chabar, M. V. Pereira and B. Bezerra, Incorporating Large-Scale Renewables to the Transmission Grid: Technical and Regulatory Issues - IEEE PES General Meeting 2009, Calgary, Canada 13

14 Maiores Desafios para o Aumento do Grau de Expansão Eólica no Sistema Interligado Nacional 14

15 Desafios do Aumento da Expansão Eólica Os sites no Brasil onde há a incidência dos melhores ventos estão localizados no Nordeste e Sul do Brasil. Estas regiões são caracterizadas por uma baixa relação de curto-circuito (SCR) e baixa inércia, muitas vezes necessitando de reforços na rede para o correto desempenho dos aerogeradores. Isso também provoca uma maior variação dos fluxos de potência (em valores absolutos e temporal), devido ao alto grau de expansão eólica - sistemas de transmissão deve ser adaptada a este novo paradigma. Geradores eólicos devem ser capazes de participar do controle de tensão em redes fracas de forma eficiente, mesmo quando produzem pouca ou nenhuma potência ativa. A rede deve estar preparada para lidar com uma quantidade maior de perda de geração, por exemplo, quando o vento em uma determinada área reduz de forma muito rápida. Normalmente os aerogeradores não contribuem para a inércia do sistema. 15

16 Melhorias nos Procedimentos de Rede Necessárias para Conexão Segura de Usinas Eólicas em Redes com Elevado Grau de Expansão Eólica 16

17 Características de Desempenho dos Aerogeradores Operação Fora das Condições Nominais de Frequência Inércia Sintética Os geradores eólicos devem ser equipados com controlador sensível às variações de frequência de modo a prover resposta inercial, modulando sua potência de saída até pelo menos 10% de sua capacidade nominal, tanto para subfrequência, quanto para sobrefrequência. 17

18 Características de Desempenho dos Aerogeradores Controle de Potência Reativa no Ponto de Conexão No nível do parque eólico: todos os parques eólicos devem ter meios de controle automático da tensão, da potência reativa ou do fator de potência. O modo de controle normal será o modo de controle de tensão no barramento coletor da central de geração eólica. No ponto de conexão das instalações de uso restrito: deve ser atendido o requisito apresentado na figura abaixo. podendo para tal ser utilizados recursos de compensação reativa (compensação shunt ou compensadores estáticos). 18

19 Características de Desempenho dos Aerogeradores Requisito V-Q / Pmax O fator de potência ± 0.95 deve ser atendido no ponto de conexão em toda a faixa operativa de tensões, de acordo com a figura abaixo. 19

20 Características de Desempenho dos Aerogeradores Características Fault Ride-Through e Suportabilidade a Sobretensões Este requisito deve ser atendido para quaisquer tipos de distúrbio, sejam eles provocados por rejeição de carga, defeitos simétricos ou assimétricos, devendo ser atendida pela tensão entre fases que sofrer maior variação. 20

21 Características de Desempenho dos Aerogeradores Requisitos para a Potência de Saída Durante Distúrbios A potência de saída da central geradora deve recuperar-se a 85% do valor préfalta em não mais de 4 segundos após a recuperação da tensão a 85% da tensão nominal. Não será admitida redução na potência de saída da central geradora eólica na faixa de frequências entre 58,5 e 60 Hz (estando as tensões no ponto de conexão entre 0,9 e 1,1 pu). Para frequências na faixa entre 57 e 58,5 Hz é admitida redução na potência de saída de até 10%. 21

22 GT-Eólicas - Reavaliação da Reserva de Potência Operativa Com o aumento na penetração da geração eólica no SIN, a metodologia para o dimensionamento e alocação da Reserva de Potência Operativa deverá ser reavaliada. O grupo interno (GT-Eólicas) já está trabalhando nesta questão, que envolve os seguintes aspectos: Modelos de Previsão de Geração Eólica (contrato assinado com a Meteologica) Dimensionamento da RPO: metodologia determinística x probabilística Programação da RPO (D-1) Ações em Tempo Real Supervisão dos parques eólicos (nível mínimo de visibilidade) Centros de Controle de Parques Eólicos (modelo espanhol CECRE) Na última reunião do Steering Committee dof GO15, os CEOs do ONS e da REE firmaram um acordo de cooperação para o intercâmbio de experiências com a geração eólica. 22

23 Tecnologia Solar como Fonte de Energia Renovável 23

24 Índice de Irradiação Solar no Brasil 24

25 Formas de Aproveitamento da Energia Solar Tecnologia Solar Tecnologia de Aquecimento Tecnologia Fotovoltaica Termosolares - Obtenção de água quente e/ou vapor para processos - Fornos solares Centrais Termosolares de Concentração Concentrated Solar Power - CSP Painéis Fotovoltaicos - Painéis monocristalinos - Painéis policristalinos Centrais Fotovoltaicas de Concentração Concentrated PhotoVoltaic - CPV - Receptores de calha cilindro-parabólicas - Ótica de baixa concentração - Receptores de torre central + heliostatos - Receptores lineares do tipo fresnel - Ótica de Reflexão - Ótica de lentes - Receptores parabólicos disco stirling residencial industrial residencial industrial 25

26 Central Solar Fotovoltaica - Diagrama Esquemático 26

27 Central Solar Fotovoltáica Fonte: - Usina Fotovoltáica Waldpolenz Perto de Leipzig, Alemanaha (40 MW) 27

28 Central Solar Fotovoltaica Necessitam de inversores CC-CA para a conexão da central solar com a rede. A utilização desse tipo de equipamento tem as seguintes consequências: Geração de correntes harmônicas que necessitam de filtros para que sejam atendidos os critérios de desempenho harmônico. A presença desses filtros pode levar a dificuldades no controle de tensão da área, sobretudo em regiões de baixo nível de curto-circuito (SCR). Esse tipo de equipamento não contribui nem com o aumento do nível de curto-circuito nem com a inércia da área, se comparada a uma forma convencional de geração. Esse é um fator muito importante se levarmos em conta que os locais do País (sul do Estado da Bahia), onde são observados os maiores índices de irradiação solar são próximos a redes com baixos nível de curto circuito e baixa inércia, tornando a conexão de centrais solares fotovoltaicas nessa áreas um grande desafio. Apesar de minimizado com as novas tecnologias de células fotovoltaicas, ainda existe o problema de aquecimento dos cristais que compõem os painéis, que reduz a geração de energia próximo ao período do dia de maior irradiação solar (meio-dia) devido ao aquecimento. Isso é agravado pelo clima tropical do Brasil. Existe ainda o problema de não existir uma forma eficiente de armazenamento de energia para o momento em que há a passagem de uma nuvem no parque ou durante o período noturno. Isso causa uma redução de potência da planta que deve ser considerado para a correta operação da mesma. 28

29 Tecnologias de Concentração Receptores de calha cilindro-parabólica Receptores de torre central + heliostatos Receptores lineares do tipo fresnel Receptores parabólicos de disco stirling 29

30 Torresol Energy - Gemasolar (Sevilha - Espanha) Torresol Energy - Gemasolar (19,9 MW) Primeira planta solar do mundo com tecnologia CSP e armazenamento térmico em sais fundidos Primeiro receptor solar de alta temperatura utilizando sais fundidos Os sais fundidos são compostos por uma mistura de sais de nitratos principalmente nitrato de sódio (NaNO 3 ) e nitrato de potássio (KNO 3 ) em uma proporção de 60-40%, que se funde a 230 C Temperatura mínima dos sais: 290 C Temperatura máxima dos sais: 565 C (máximo do fluido térmico 400 C) Capacidade de armazenamento térmico para 15 horas Fator de capacidade 75%, 110 GWh anual Altura da torre 140 m, heliostatos com área de 115 m 2 cada, superfície total do campo 195 hectares (1,95 km 2 ) Investimento total de 240 milhões de euros Total de horas de produção anual (74,2%) 30

31 Central Termosolar de Torre Central + Heliostatos Fonte: Torresol Energy 31

32 Torresol Energy - Gemasolar - Ciclo diário de produção Dados de produção: 06/09/ :00 a 09/09/ :00 Fonte: Torresol Energy 32

33 Torresol Energy - Driver de posicionamento dos heliostatos altitude Motor do controle de altitude azimute Motor do controle de azimute Fonte: Torresol Energy 33 16/04/2012

34 Torresol Energy - Gemasolar - Bloco de potência central Fonte: Torresol Energy 34 16/04/2012

35 Central Termosolar de Torre Central + Heliostatos Fonte: Torresol Energy 35

36 Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 (Cádiz - Espanha) Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 (50 MW) (características por planta) Primeiro sistema de armazenamento térmico em sais fundidos do mundo em plantas comerciais termelétricas Utiliza a tecnologia de captadores cilindro-parabólicos e fluido térmico Capacidade de armazenamento térmico para 7,5 horas Produção de energia 170 GWh anual 624 captadores parabólicos, totalizando m 2 Área total do campo solar 195 hectares (1,95 km 2 ) Investimento total de 322 milhões de euros Total de horas de produção anual (39,9%) 36

37 Central Termosolar de Calhas Cilindro-Parabólicas Fonte: Torresol Energy 37

38 Tubo Receptor SCHOOT PTR 70 Fabricação de tubos receptores para receptores cilindro-parabólicos / fresnel Fabricas na Alemanha, Espanha e Estados Unidos Tubo Receptor SCHOOT PTR 70 Tubo com mm a 20ºC Comprimento útil > 96,7% Composto de tubo absorvedor e tubo de vidro estabilidade da junção vidro-metal perdas por reflexão no vidro perdas por reflexão no tubo absorvedor perdas por sombreamento tubo de vidro vácuo tubo absorvedor estabilidade térmica do vácuo perdas por aquecimento do fluido perdas de calor por irradiação Fonte: SHOOT Solar 38

39 Altura do espelho (m) FLABEG - Receptores solares parabólicos Área do espelho interno (m 2 ) Área do espelho externo (m 2 ) Distância focal (m) Espessura do espelho (mm) Fonte: FLABEG 39

40 Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 - Vista aérea Valle 1 Valle 2 Fonte: Torresol Energy 40

41 Torresol Energy - Valle 1 - Bloco de potência central Fonte: Torresol Energy 41

42 Torresol Energy - Valle 1 - Sistema de armazenamento Fonte: Torresol Energy 42

43 Torresol Energy - Valle 1 - Trocadores fluido térmico - sais Fonte: Torresol Energy 43

44 Conclusões 44

45 Conclusões A conexão de grande quantidade de energia eólica no SIN prevista para esta década, de um modo seguro é possível, uma vez que as ações necessárias sejam tomadas a partir de agora, por todas as pessoas e entidades envolvidas no processo. Uma revisão detalhada dos Procedimentos de Rede foi feita pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico - ONS, para incluir os novos requisitos técnicos que as novas tecnologias de geração eólica dispõem. O trabalho foi realizado pelo Grupo de Trabalho GT-Eólicas. As tecnologias de controle disponíveis nos aerogeradores DFIG e Full-Converter devem ser exploradas ao máximo, para permitir a operação segura do sistema com alto grau de expansão eólica. Os Procedimentos de Rede, bem como os requisitos técnicos para os próximos leilões, devem refletir, e ter em conta, a melhoria do desempenho que pode ser obtido para a rede elétrica através do uso das novas tecnologias disponíveis nos aerogeradores de última geração. Um planejamento criterioso da expansão da rede elétrica deve ser feito de forma a permitir a conexão segura de parques eólicos em áreas do sistema com baixo nível de curtocircuito e inércia. O equipamento mais apropriado para melhorar o desempenho de um sistema com estas características é o compensador síncrono. 45

46 Conclusões A melhoria nos modelos de previsão de vento é necessária para se tornar a geração eólica mais previsível e, portanto, tornar o cálculo da reserva de potência mais precisa. Isso irá impactar diretamente na redução dos custos de operação. Melhoria nos controles centralizados dos aerogeradores para tornar a operação dos parques eólicos como um todo, a partir do Centro de Controle, mais amigável. 46

47 Conclusões A tecnologia solar fotovoltaica apresenta como grande desvantagem se comparada a tecnologia CSP a necessidade de inversores CC-CA para a conexão da central geradora à rede. Além do custo elevado esses inversores necessitam de requisitos específicos para seu correto funcionamento. A tecnologia CSP apresenta como grande vantagem se comparada a tecnologia fotovoltaica a possibilidade da conexão com a rede elétrica ser feita através de um gerador síncrono, agregando dessa forma potência de curto-circuito e inércia à rede. Outra vantagem da tecnologia CSP é que parte do calor gerado pode ser armazenado através de tanques de sais fundidos, propiciando uma operação mais estável da planta mesmo em períodos sem sol. O armazenamento térmico também possibilita o planejamento do período de produção da planta, além de contribuir para o aumento na vida útil dos turbogeradores, devido a menores variações nos ciclos térmicos dos mesmos. A tecnologia CSP não apresenta problemas de sobreaquecimento dos cristais presente nos painéis fotovoltaicos, sobretudo em regiões de clima tropical, que provoca decréscimo na energia gerada quase sempre durante o período diário de maior radiação solar. 47

48 Conclusões A tecnologia CSP tem como principal desvantagem um elevado custo de instalação e a tecnologias não totalmente desenvolvidas. Possibilidade de integração de usinas CSP e usinas térmicas de ciclo-combinado como uma usina híbrida (ISSC, Integrated Solar Combined Cycle Pesquisa Siemens). No Brasil temos também a possibilidade de montar uma usina híbida termosolar x bagaço de canade-açúcar, por exemplo. 48

49 Obrigado /