Energia Eólica. Estado da Arte e Princípios Físicos. Sumário

Transcrição

1 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica Energia Eólica Estado da Arte e Princípios Físicos Ricardo Marques Dutra Departamento de Tecnologias Especiais - DTE Sumário Estado da Arte Tecnologia Eólica Viabilidade Técnica de Projetos Eólicos Viabilidade Econômica de Projetos Eólicos

2 Estado da Arte da Energia Eólica no Brasil e no Mundo Utilização da Energia Eólica (A.C.) Substituição da força motriz humana e animal nas atividades agrícolas China 2000 a.c. Imp. Babilônico 1500 a.c. Pérsia 200 a.c.

3 Utilização da Energia Eólica (A.C.) Utilização rudimentar para bombeamento de água na China (2000 a.c.) Utilização da Energia Eólica (A.C.) Ruínas de um moinho de vento para moagem de grãos na Pérsia (700 a.c.)

4 Utilização da Energia Eólica (D.C.) Substituição da força motriz humana e anima nas atividades agrícolas Bombeamento de água e diversificação no uso de moinhos de vento Século XI XVII XIX XX Desenvolvimento dos moinhos de vento após as Cruzadas Utilização dos moinhos para bombeamento na Holanda e diversificação do seu uso em toda a Europa Revolução Industrial Máquina a Vapor Declínio dos Moinhos de Vento Estrutura dos Moinhos de Vento Estrutura típica de um moinho de vento utilizado para moagem de grãos

5 Utilização da Energia Eólica no Transporte Maritimo Utilização da Energia Eólica no Século XX Aerogeradores de Pequeno Porte (expansão territorial e sist. isolados) Aerogeradores de Grande Porte (pesquisas e desenv. industrial) Desenv.e utilização de turbinas eólicas de pequeno porte para suprimento de energia em comunidades isoladas Acidente de Chernobyl 1900 II Guerra Participação de vários países em pesquisa de aerogeradores de grande porte Uso intesivo de combustíveis fósseis Choque do Petróleo Usinas Eólicas Offshore Turbinas eólicas de 1.5 a 2.0 MW Novos Invest. em pesquisa em energia eólica Desenv. da Ind. Alemã

6 Utilização da Energia Eólica no Século XX Turbina Brush ( ) USA - 12kW Turbina Balaclava ( ) Rússia 100 kw Smith-Putnam ( ) USA MW Utilização da Energia Eólica no Século XX Turbina Eólica de Gedser ( ) Dinamarca - 200kW Turbina MOD-5B ( ) Estados Unidos MW Turbina Eixo Vertical( ) USA kw

7 Evolução do Tamanho dos Aerogeradores (EWEA, 2009) Percentual da participação anual das turbinas eólicas instaladas Turbinas Eólicas de pequeno porte (<100 kw) Turbinas eólicas de médio porte (100 kw 600 kw) Turbinas eólicas de grande porte ( > 1 MW) (DEWI, 2006) Evolução do Tamanho dos Aerogeradores

8 Potência Eólica Instalada no Mundo (MW) Fim de 2004 Fim de 2005 Fim de 2006 Fim de 2007 Fim de 2008 Fim de 2009 Europa América do Norte Ásia América Latina Região do Pacífico África Total Potência Eólica Instalada no Mundo (MW)

9 Potência Eólica Instalada Potência Instala até 2009 USA China Alemanha Espanha India Italia França Reino Unido Portugal Dinamarca Outros Total 10+ MW % 22,1% 16,3% 16,3% 12,1% 6,9% 3,1% 2,8% 2,6% 2,2% 2,2% 13,5% 86,5% Total (GWEC, 2010) Potência Eólica Instalada Potência Instala somente em 2009 China USA Espanha Alemanha India italia França Reino Unido Canada Portugal Outros Total 10+ MW % 90,8% 65,8% 16,2% 12,6% 8,4% 7,3% 7,2% 7,1% 6,3% 4,4% 26,3% 84,2% Total (GWEC, 2010)

10 Potência Instalada 10 maiores mercados eólicos Países USA China Alemanha Espanha India Italia França Reino Unido Portugal Dinamarca (GWEC, 2009, 2010) Final Final de Empresas líderes na fabricação de aerogeradores (2008) (DEWI, 2009)

11 Potência Eólica Offshore 2.055,9 MW Offshore (2010) 882 MW (Reino Unido) 639 MW (Dinamarca) 246 MW (Holanda) Potência Eólica Offshore Participação dos principais fabricantes de aerogeradores Evolução da Potência Instalada e participação dos principais mercados

12 Usinas Eólicas em Operação no Brasil Usina Praia Formosa Parque Eólico de Osório Parque Eólico Sangradouro Parque Eólico dos Índios RN 15 - Rio do Fogo N. de empreendimentos USINAS EÓLICAS em Operação Potência (kw) outorgada Proprietário Eólica Formosa Geração e Comercialização de Energia S.A. Ventos do Sul Energia S/A Ventos do Sul Energia S/A Ventos do Sul Energia S/A em operação Energias Renováveis do Brasil S.A. Situação em construção Município Camocim - CE Osório - RS Osório - RS Osório - RS Rio do Fogo - RN Situação Atual dos Empreendimentos de Energia Eólica Potência Associada [MW] 1.996,3 70,0 797,9 (Fonte: Banco de Informações de Geração. ANEEL, 1/06/2010) Potência Total: 797,9 MW Instalados (0,73%) Total: 45 Usinas em Operação PROINFA Eólica (Potência) Contratado 1.422,96 MW Em Operação 737,98 MW Em Obras 103,35 MW PROINFA Eólica (n o de empreendimentos) Contratado 54 Em Operação 36 Em Obras 4 (Fonte: Acompanhamento das Centrais Geradoras do PROINFA. ANEEL, 01/06/2010) Usina Eólica de Taíba - CE 5 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008)

13 Usina Eólica de Prainha - CE 10 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008) Usina Eólica de Mucuripe - CE 2,4 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008)

14 Parque Eólio Elétrica de Palmas - PR 2,5 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008) Usina Eólica de Bom Jardim - SC 0,6 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008)

15 Usina Eólica de Macau - RN 1,8 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008) Usina Eólica de Água Doce - SC 4,8 MW (

16 Parque Eólico do Horizonte - SC 9 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008) Usina Eólica de Rio do Fogo - RN 49,3 MW (CRESESB, 2006)

17 Parque Eólico de Osório, Sangradouro e Índios - RS (CRESESB, 2006) 50 MW 50 MW 50 MW Central Geradora Eólica Millennium - PB 10,2 MW (WOBBENWINDPOWER, 2008)

18 Usina Eólica de Beberibe - CE 25,6 MW ( Eólica Paracuru - CE 23,5 MW (

19 Processo Licitatório para Contratação de Empreendimentos Eólicos - Dezembro 2009 Resultados: Preço inicial: R$ /MWh Preço final: R$ /MWh (Média) (-21.49%) PPA = 20 anos Estados Bahia Ceará Rio Grande do Norte Rio Grande do Sul Sergipe Total Projetos # % Potência (MW) % Tecnologia Eólica Princípios físicos Principais componentes/aplicações Tipos de aerogeradores Instalações on-shore e off-shore

20 Vento: Ar em Movimento Fatores de Influência na Velocidade do Vento Variação do perfil da velocidade do vento em relação a altura: Variação do perfil da velocidade do vento em relação ao relevo: (Gasch & Twele, 2002) Variação do perfil da velocidade do vento em relação aos obstáculos:

21 Energia Cinética dos Ventos Potência extraída do vento P = 1/2 ρ A V 3 Potência Máxima Aproveitada (Teórica) P = Cp 1/2 ρ A V 3 Máxima potência teórica aproveitável: Cp = 16/27 aprox Potência Máxima Aproveitada (Real) P = η Cp 1/2 ρ A V 3 Eficiência da Máquina Eólica: η Curva de Potência

22 Forças Aerodinâmicas no Corte de uma Pá Força a de Sustentação - L Força a de Arrasto - D Produção de Energia Elétrica (DEWI, 2006) Fator de Capacidade (FC) = Produção Anual de Energia Elétrica 8760*(Potência Nominal)

23 Aerogerador Eixo Vertical Eixo Horizontal Aplicações da Energia Eólica Catavento Bombeamento d água Residências Fazendas Aplicações Remotas

24 Aplicações da Energia Eólica Pequeno Porte ( 10kW) Residências Fazendas Aplicações Remotas Intermediário ( kw) Village Power Sistemas Híbridos Geração Distribuída Grande Porte (250 kw - +2MW) Fazendas Eólicas Geração Distribuída Elementos do Aerogerador de Eixo Horizontal Pás Diâmetro do Rotor NACELE Altura do Rotor Torre Fundação Torre Fundação

25 Configurações de Aerogeradores Cubo Rotor Eixo Multiplicador Gerador Nacele Torre Concepção Dinamarquesa de Aerogeradores (com caixa de engrenagem)

26 Concepção Dinamarquesa de Aerogeradores (com caixa de engrenagem) Concepção Dinamarquesa de Aerogeradores (com caixa de engrenagem)

27 Caixa de Engrenagem ao Fundo da Nacele Redução de Espaço na Nacele Utilizando Caixa de Engrenagem Acoplado ao Gerador

28 Caixa de Engrenagens Acoplamento entre Gerador e Caixa de Engrenagens

29 Concepção Enercon Sem Caixa de Engrenagens Instalações On-Shore - Transporte (DEWI,2005)

30 Instalações On-Shore - Transporte (DEWI,2005) Centro de Pesquisas (DEWI,2005) de Energia Elétrica - Cepel Instalações On-Shore - Fundação

31 Instalações On-Shore - Torre Instalações On-Shore - Nacele

32 Instalações On-Shore - Nacele (DEWI,2005) Instalações On-Shore - Pás 32

33 Instalações Off-Shore - Fundação Instalações Off-Shore - Transporte

34 Instalações Off-Shore - Transporte Instalações Off-Shore Torre e Nacele

35 Instalações Off-Shore Transmissão e Conexão Elétrica Instalações Off-Shore Transmissão e Conexão Elétrica

36 Instalações Off-Shore Vidby Offshore Wind Farm DK (1991) (450 kw x 11 = 4,95 MW) 2-3km 2 da costa Instalações Off-Shore Horns Ver Offshore Wind Farm (2002) (2MW x 80 = 160 MW) 14-20km da costa

37 Soluções para Projetos Off-Shore Soluções para Projetos Off-Shore

38 Soluções para Projetos Off-Shore Altura: 144 m. Potência: 9 MW. Previsão de Operação: 2015 Planta Piloto: UK (NEW ENERGY, nº 3/July 2008) Viabilidade Técnica de Projetos Eólicos Medição de vento - anemometria Atlas do potencial eólico brasileiro Avaliação de sítios eólicos

39 Etapas do Planejamento de um Empreendimento Eólico Escolha da localização Avaliação da produção energética Avaliação técnicat Licenças de instalação Construção e fiscalização Viabilidade econômica Financiamento Contratos Operação e Manutenção Avaliação da eficiência do parque Atlas do Potencial Eólico Brasileiro Início da Pesquisa pelo Atlas Eólico

40 Prospecção Dúvidas O Atlas indica as regiões com os melhores ventos Onde estão os melhores locais?? São planos? Estão disponíveis? Existe rede de distribuição? Existem rodovias? Existem subestações? Prospecção Como Responder as Dúvidas? 1. Forma manual Prosseguindo a investigação no Atlas Eólico, nos Mapas Cartográficos, nas imagens de satélite disponíveis, nos diagramas elétricos existentes, procurando evidências de vento, obtendo informações com terceiros...

41 Prospecção Programar uma visita técnica à cada um das regiões, para identificar as áreas que apresentam os melhores ventos, de modo a realizar as investigações complementares: Procurar pelo local promissor, através de consulta aos moradores da região; Procurar por evidências objetivas (árvores curvadas na mesma direção, formato de dunas, locais onde não existem moradias, etc); Procurar por estações meteorológicas na região e analisar os dados disponíveis. Campanha de Medição - Motivação Incertezas na medição da velocidade do vento, durante a avaliação do potencial eólico de um sítio promissor, durante a calibração de um sítio ou durante o teste de desempenho de uma turbina eólica (medição da curva de potência de aerogerador), contribuem para que ocorram incertezas no prognóstico de energia produzida. Ou seja, significa risco para o empreendimento eólico. Não existe uma outra área de atuação onde a precisão na medição da velocidade do vento tenha tanta importância.

42 Tipos de Anemômetros de Copo Sensores de Direção

43 Tipos de Anemômetros Ultrasônico Figura: Torre Tubular e Fixação do Datalogger

44 Detalhe do Datalogger Exemplo da Distribuição de Velocidade ao Longo de um Dia :00 0:40 1:20 2:00 2:40 3:20 4:00 4:40 5:20 6:00 6:40 7:20 8:00 8:40 9:20 10:00 10:40 11:20 12:00 12:40 13:20 14:00 14:40 15:20 16:00 16:40 17:20 18:00 18:40 19:20 20:00 20:40 21:20 22:00 22:40 23:20 m/s hora

45 Exemplo da Distribuição da Direção do Vento ao Longo de um Dia Direção em Graus :20 22:40 22:00 21:20 20:40 20:00 19:20 18:40 18:00 17:20 16:40 16:00 15:20 14:40 14:00 13:20 12:40 12:00 11:20 10:40 9:20 10:00 8:40 8:00 7:20 6:40 6:00 5:20 4:40 4:00 3:20 2:40 2:00 1:20 0:40 0:00 0 hora Exemplo de Rosa dos Ventos 45

46 Ricardo Marques Dutra