DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA EÓLICO RESIDENCIAL

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1 DIMENSIONAMENTO DE UM SISTEMA EÓLICO RESIDENCIAL Fabio Colombo Faculdades Integradas de Taquara Faccat Taquara RS Brasil Jeferson César da Conceição Faculdades Integradas de Taquara Faccat Taquara RS Brasil José de Souza UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre RS Brasil Clayton André Oliveira Motta UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre RS Brasil João Alvarez Peixoto UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre RS Brasil Bernardo Póras Reis PUCRS Pontifícia Universidade Católica do rio Grande do Sul Porto Alegre RS Brasil Resumo: O trabalho tem como objetivo fazer uma aplicação de um sistema de captação de energia eólica aplicada em pequena escala, demonstrando sua relação custo benefício. Através de análise custo benefício constatou-se que é viável a implantação de energia eólica para sistemas residenciais. É importante considerar que os resultados dependem diretamente do local de instalação e a velocidade do vento local. O sistema também pode ser utilizado em locais de difícil acesso onde não há redes de energia elétrica, locais onde o custo de instalação de energia elétrica é alto e até mesmo em locais residências normais levando em consideração o resultado obtido neste trabalho. Palavras-chave: Energia Renovável, Energia eólica, Potencial eólico. SIZING SYSTEM OF A WIND FARM RESIDENTIAL Abstract: The paper aims to make an implementation of a system to capture wind energy applied on a small scale, demonstrating its cost-benefit ratio. Through cost-benefit analysis it was found that it is feasible the deployment of wind power for residential systems. It is important to consider that the results depend directly on the installation location and the local wind speed. The system can also be used in hard to reach places where no electrical power grids, where the installation cost of electricity is high and even in normal residential locations taking into account the results obtained in this work Keywords: Renewable Energy, Wind Energy, Wind potential. 1. INTRODUÇÃO Em 1976 teve a primeira turbina eólica ligada à rede pública na Dinamarca, a partir daí houve um processo de desenvolvimento tecnológico, o que tornou a energia eólica uma fonte de energia alternativa de relevância mundial e de mínimo impacto ambiental, comparada a outras fontes de energia. Seu processo de geração é limpo, isento de contaminações e não emite poluentes

2 causadores do efeito estufa (BARBOSA, 2008). Na figura 1 é mostrado o percentual de oferta interna de energia elétrica por fonte, e energia eólica no Brasil ainda é tem um percentual pequeno comparado com as outras fontes de energia elétrica gerada no país, porem o Brasil segue com investimentos em novas fontes de energia, sendo a eólica uma com potencial de crescimento, principalmente nas regiões costeiras do país onde a velocidade média dos ventos é considerada suficiente para instalação de parques eólicos ou apenas de pequenos geradores de energia através da utilização das forças do vento. Figura 1. Balanço energético nacional ano base Fonte: Adaptado do MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (2012). Com a utilização de hidrelétricas tem-se a necessidade da construção de redes de distribuição de energia elétrica para as todas as regiões a qual serão abastecidas pela mesma, segundo Silveira (2011), gerando isoladamente energia através da implantação de parques eólicos pode-se reduzir a necessidade de grandes redes de distribuições de energia, devido à proximidade dos pontos de uso com as diversas fontes de geração, evidentemente em locais que possibilitem a implantação dos parques geradores. A utilização das forças dos ventos não deve ser vista como apenas nos grandes parques eólicos, mas também nas pequenas e médias instalações, onde deve ser feito o dimensionamento correto e verificado o potencial médio dos ventos no decorrer do ano, pode ser um negócio rentável, mas sempre sendo necessário um estudo do local do projeto de instalação, do custo e capacidade dos aero geradores e um comparativo com o prazo de retorno do investimento (BARBOSA, 2008). Para uma melhor utilização dos ventos necessita-se de tecnologias que possam fazer a avaliação correta do potencial eólico, avaliando a capacidade de transformação de energia cinética dos ventos em energia elétrica. Segundo Horn (2010), simulações computacionais são capazes de representar o processo de geração de energia direcionando quais os melhores modelos de geradores e pás da turbina para a região estudada. O uso da energia limpa, tem sido cada vez mais difundida no mundo, o Brasil acompanha esta tendência de desenvolvimento energético buscando tecnologias que possam aproveitar melhor a energia cinética dos ventos através de avaliações cada vez mais precisas, otimizando a geração de energia elétrica (HORN, 2010). O Uso de simulações computacionais tem a capacidade de representar o processo de funcionamento das pás da turbina, possibilitando maior precisão no dimensionamento dos eixos dos aero geradores, favorecendo o melhor aproveitamento da capacidade de geração de energia, tornando cada vez, mas rentável a utilização de energia eólica (HORN, 2010). Conforme a RMAI (2013), em 2012 houve um crescimento da expansão contínua da indústria de 10% e o aumento da capacidade instalada de utilização de energia eólica de aproximadamente 19%, sendo também um ano recorde neste âmbito nos Estados Unidos.

3 A utilização de aerogeradores podem serem feitas em várias localidades, sendo considerado o potencial eólico local como determinante no uso desta energia limpa, esta cada vez mais viável se utilizar destas fontes de energias mesmo em pequenas propriedades, onde muitas vezes a rede elétrica tem dificuldade de chegar um aero gerador permite a propriedade ser abastecida com energia elétrica gerada com o aproveitamento das forças dos ventos, esta mesma força não necessariamente é viável apenas em grandes parques eólicos que necessitam de grandes investimentos em instalações, maquinários e requerem uma grande preocupação quanto aos seus efeitos ao meio ambiente (MATTUELLA, 2005). O Brasil é o décimo quinto país com maior potencial eólico instalado no mundo e o maior da América Instalada. O país teve um incremento de 1GW, fazendo com que o mesmo tivesse o oitavo maior crescimento no ano de 2012 (REVISTA FUNDAÇÕES E OBRAS GEOTÉCNICAS, 2013). Projetos já estão sendo desenvolvidos no estado do RS para aprimorar a coletada de dados e utilização dos recursos eólicos aqui presentes, os Programas de Incentivo às Fontes Alternativas (PROINFA) incentiva a utilização de aero geradores produzidos no Brasil para geração de energia em pequenas localidades. Comparando os principais fornecedores de aero geradores do mercado com a relação custo beneficio da implantação na propriedade, a utilização dos ventos na geração de energia pode ser viável e com prazo de retorno do investimento em menos de dois anos (MATTUELLA, 2005). Conforme BARBOSA (2008), a instalação de sistemas eólicos em nível residencial é baixa e está em seu princípio e também não há muitos estudos a estes níveis. As instalações residenciais sofrem efeitos que em usinas não seriam tão evidentes, como o local de instalação e a variação dos ventos, pois as usinas são colocadas em locais estratégicos e os residenciais tem uma grande restrição de local de instalação devido à falta de opções, podendo abranger apenas o local da própria residência, locais que podem não captar o vento necessário e também que pode haver uma grande variação de ventos. Devido à energia eólica depender exclusivamente da disponibilidade dos ventos e de sua intensidade, é muito difícil suprir toda a demanda de energia elétrica exclusivamente desta fonte, porém por ser de uma fonte renovável e sem danificar o meio ambiente, deve-se usufruir desta fonte o máximo possível, deixando o excedente para as demais fontes SANTUCCI (2009). 2. DESCRIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS Como podemos ver na tabela 1, nosso planeta tem muito potencial de exploração das forças dos ventos, podendo estas serem transformadas em energia elétrica, uma fonte limpa e renovável e que aos poucos vem sendo explorada devido às novas tecnologias de transformação de ventos em energia elétrica que a cada dia estão mais acessíveis para o aproveitamento da energia eólica, tanto nos grandes parques eólicos tanto em pequenas e médios empreendimentos cujo tenham características positivas à implantação de aero geradores. Região Tabela 1. Estimativas do potencial eólico mundial Potencial Porcentagem de Bruto terra ocupada (TWh/ano) Densidade Demográica (hab/km 2 Potencial líquido (TWh/ano) África Austrália América do Norte América Latina Europa Ocidental Europa Ocidental &ex URSS Ásia(excluindo ex URSS Mundo** Fonte: Adaptado de GRUBB (1993).

4 Figura 2. Velocidade média anual do vento a 50m de altura Fonte: FEITOSA (2003). A figura 2 mostra um mapa dos principais pontos de ventos no Brasil com velocidade favorável a exploração destes para geração de energia elétrica, mostrando as principais regiões que tem potencial de aproveitamento dos ventos. Com tais informações podemos direcionar os trabalhos de viabilidade de implantação de um parque eólico ou simplesmente um aero gerador para fornecimento de energia elétrica em residências, mas antes de qualquer implantação destes equipamentos é necessário um estudo local de viabilidade em função da variação dos ventos que podem ocorrer, sendo este um fator determinante para o sucesso da implantação. A Figura 3 representa as partes de um aero gerador da marca Air Breze, e na tabela 2 as especificações técnicas, que conforme cálculo de viabilidade representa a melhor opção para implantação de um sistema de energia eólica em uma residência. Os aero gerados capazes de transformar a força cinética dos ventos em eletricidade, são compostos basicamente, de pás que giram em função da velocidade e sentido dos ventos, também composto por um aero gerador de energia capaz de transformar força cinética em energia elétrica, tem um sistema de carregamento de baterias com a energia produzida pelo gerador, possibilitando que a energia gerada durante o decorrer do dia, ser utilizada durante a noite ou nos horários que geralmente tem maior consumo.

5 Figura 3. Especificações Técnicas do Air Breeze Fonte: Manual do proprietário Air Breeze. Tabela 2. Especificações Técnicas do Air Breeze Item Especificação Modelo Air Breeze Peso 6 Kg Diâmetro do Rotor 1,17m Velocidade do Vento no Arranque 2,7 m/s Kilowatt Horas/mês 38 12mph / 5,4 m/s velocidade média do vento Velocidade Máxima do Vento 49,5 m/s Potência Nominal mph / 12,5 m/s velocidade do vento Certificações CSA (certificado ) Gama de temperatura de Funcionamento Air Breeze é certificado sob os requisitos IEC aplicáveis a gama de temperatura -10 C a 40 C. Fonte: Manual do proprietário Air Breeze. 3. TECNOLOGIA NECESSÁRIA PARA MONTAGEM DO SISTEMA A aplicação deste sistema de geração de energia através de meio eólico se dará á um nível residencial com consumo médio de 500 kwh/mês, com isso será necessário adquirir equipamentos para que se possa suprir a maior parte possível deste consumo, sendo que o consumo excedente será realizado de energia elétrica convencional. A montagem do sistema na residência se dará similar à Figura 4 conforme abaixo:

6 Figura 4. Exemplo ilustrativo de montagem de um sistema eólico Fonte: Adaptado de Aero gerador Air Breeze Marine. O sistema necessita de um ou mais aerogeradores com controlador acoplado, bateria(s) e um inversor, cada equipamento com uma finalidade específica: Aerogerador - responsável por fazer a captação dos ventos através da rotação das hélices e transformar em energia elétrica. Controladores acoplados nos aerogeradores - tem a função de controlar a energia que é enviada para as baterias, para não prejudicarem a vida útil das baterias. Bateria (estacionária) tem a função de armazenar a energia captada pelo aerogerador. Inversor tem a função de transformar a tensão da energia elétrica das baterias para a utilização na residência, de 12 v CC para 220 v ou 110 v CA. Primeiramente foram avaliados os aerogeradores existentes no mercado e foi constado que há domínio no mercado da marca Air Breeze, pois dificilmente se encontra equipamentos de outras marcas com custo similar para equipamentos com tecnologia semelhante. Porém foi constatado que há uma oscilação grande de preços do mesmo equipamento, podendo chegar em alguns casos no dobro do valor comparando o custo de uma loja para outra. Foi orçado apenas um equipamento conforme Figura 5, o Aero gerador Air Breeze Land de 160 w de potencia nominal e com garantia de três anos a um valor de R$ 1999,00, com especificações técnicas conforme tabela 3.

7 Figura 5. Aerogerador Air Breeze Land Fonte: Adaptado de Aerogerador Air Breeze Marine. Tabela 3. Especificações técnicas do Aerogerador Air Breeze Land Diâmetro do rotor 1.17m Peso 5.9 kg Vento para início de geração 2.68m/s Potencial nominal 160 watts a 12.5 m/s (300 W pico) Voltagem nominal Disponível 12 V Controlador da turbina Microprocessador regulador interno inteligente Corpo Alumínio reforçado de altíssima qualidade Hélices Molde triplamente injetado Proteção de sobrecarga Controle eletrônico de torque Kilowatt Hora por Mês 40 kwh/mês a 5.5 m/s Vento limite 49.2 m/s (177 km/h) Dimensões da embalagem 686x318x229 mm (7.7 kg) Garantia 3 anos Vida Útil Superior a 20 anos Fonte: Adaptado do Manual do proprietário Air Breeze. As baterias orçadas foram, a bateria Moura, a GetPower e a Freedom, onde a mais viável e com maior durabilidade foi à bateria Moura Clean 12 v 105Ah, com custo de R$ 439,00 e vida útil de 5,47 anos á um nível de descarga de 20%. Segue também, conforme tabela 4 as especificações técnicas das baterias orçadas. Tabela 4. Especificações Técnicas das baterias Bateria Moura Bateria GetPower Bateria Freedom Tensão Nominal 12 V 12 V 12 V Capacidade Nominal 105 Ah 100 Ah 105 Ah Dimensões (cm) 33,0 x 17,2 x 24,4 32,8 x 17,2 x 22,2 33,0 x 17,2 x 24 Peso 27,3 Kg 30 Kg 27,1 Kg Vida útil (20% de descarga) 5,47 anos Não fornecido 4,1 anos Fonte: Dos Autores.

8 Os inversores orçados foram o Xpower 1100, o Xpower 3000 e o Hayonik 1000, e como a configuração do sistema necessita de um inversor de 1000 w, o inversor Xpower 3000 foi descartado por tem potência superior à necessária, conforme especificações técnicas ilustradas na tabela 5, sendo assim sem necessidade de um investimento maior sem necessidade. Dos dois inversores restantes foi escolhido o Xpower 1100 com custo de R$ 1169,00 por ser o inversor com menor custo de aquisição e com as características necessárias. Tabela 5. Especificações técnicas dos Inversores Xpower 1100W Xpower 3000W Hayonik 1000W Voltagem de saída 115 VAC +/- 5% 115 VAC +/- 5% 115 VAC +/- 5% Frequência AC 60Hz +/- 4Hz 60Hz +/- 4Hz 60Hz +/- 4Hz Consumo interno sem carga < 0.3 A < 0.6 A Não fornecido Senoidal modificada Senoidal modificada Onda senoidal pura Formato de onda Eficiência 90% 90% 80% Alarme de baixa voltagem 11 Volts 11 Volts 10.5 Volts Voltagem de desligamento automático 10.5 Volts 10.5 Volts 10 Volts Tomada de saída Proteção térmica Sim Sim Sim Proteção de sobrecarga Sim Sim Sim Proteção de curto-circuito Sim Sim Sim Garantia 1 ano 1 ano 1 ano Peso 2.9 Kg 9 Kg Dimensões do produto Fonte: Dos Autores. 4. ANÁLISE DE CUSTOS 290 x 240 x 83mm 470 x 200 x 160mm x 90 Para realizar o levantamento de custo foram mensurados os itens principais como aerogerador, bateria, inversor e materiais de instalação. Desprezando itens mais específicos e que precisariam de uma análise de um especialista para fazer a mensuração e estruturação, como sistema elétrico, cabeamento, disjuntores, torre, etc. A tabela 3 ilustra os itens orçados e mensurados para o sistema eólico residencial, como quatro aerogeradores, uma bateria e um inversor. O custo da bateria foi utilizado em 70% levando em consideração seu tempo de vida útil. Tabela 6. Custos Quantidade Custo unitário Custo total Aerogerador 4 R$ 1.999,00 R$ 7.996,00 Bateria 0,7 R$ 439,00 R$ 302,72 Inversor 1 R$ 1.169,00 R$ 1.169,00 Instalação e materiais de instalação 1 R$ 500,00 R$ 1.000,00 Total R$ ,72 Fonte: Dos Autores. Para montar o sistema é necessária a utilização de quatro aerogeradores, pois é a melhor

9 combinação custo/benefício para a utilização numa residência de consumo médio mensal de 500kwh, conforme custos listados na tabela 3. É necessária a utilização de uma bateria, porém para fazer o cálculo de viabilidade foi calculado o valor de 0,7 sendo que cada bateria, conforme informação fornecida pelo fornecedor, dura 5,47 anos, pois está sendo analisado um período de 3,6 anos, conforme análise de custo/benefício. Com mais um inversor e o custo da instalação, o sistema total instalado custará R$ ,72. Tabela 7. Análise Custo/benefício Análise de Custo/Benefício Aparelhos e instalação de sistema eólico R$10.467,72 Custo do kwh (residencial) R$ 0,50 Produção de energia eólica mensal em KW (potencia nominal do aerogerador) 460 Economia mensal R$230,00 Tempo de retorno do investimento (anos) 3,8 Fonte: Dos Autores. Fazendo a análise de custo, conforme ilustrado na tabela 4, a partir do custo dos equipamentos e da instalação e evidenciando a economia mensal de R$ 230,00, que é resultante da produção de 460 KW através do aerogerador multiplicado ao custo de R$ 0,50/KW, que é o valor cobrado pela CEEE (Companhia Estadual de Energia Elétrica Rio grande do Sul), no mês de Maio de 2013, temos um tempo de retorno do investimento de 3,8 anos. O cálculo de custo/benefício é feito considerando a potência nominal do aerogerador, mas a energia adquirida varia de acordo com a velocidade do vento do local onde é instalado o aerogerador e também a altura de instalação do aerogerador. Deve ser verificando a velocidade média dos ventos de cada região, a 50 metros de altura do solo. Também deve ser analisada a altura em que será instalado o aerogerador e as barreiras de vento, como prédios e árvores, que podem existir e interferir no vento captado pelo aerogerador. 5. CONCLUSÃO O sistema eólico analisado teve o retorno esperado, com tempo de retorno do investimento de 3,8 anos, um prazo ótimo considerando o investimento inicial de R$ ,72. A implantação do sistema com aerogerador pode ser viável em pequenas propriedades ou em residências, porém antes de qualquer instalação é necessário fazer uma análise detalhada tecnicamente, avaliando a velocidade média dos ventos do local a ser instalado e também itens como altura da torre, local de instalação e equipamentos necessários. A pouca utilização do sistema eólico a nível residencial se deve a dois fatores principais, primeiramente pela falta de divulgação dos sistemas de geração de energia através dos ventos, demonstrando suas características e formas de aplicação. A segunda é o apoio governamental, que atualmente incentiva a geração de energia subsidiando as tarifas sobre estas fontes de energia, porem este subsídio não foi considerado nos cálculos de retorno de investimento deste trabalho. A instalação deste sistema em locais de difícil acesso tem vantagem comparada ao sistema de redes de energia elétrica convencional, onde requer maior investimento na construção da rede elétrica, com a análise correta das características do local e o mesmo sendo favorável a instalação de aerogerador, é possível a redução do prazo de retorno do investimento. A aplicação de sistemas eólicos em nível residencial necessita passar por uma quebra de paradigmas, pois o sistema além de viável é sustentável, esta a cada dia investindo no desenvolvimento de novas tecnologias de aproveitamento das forças dos ventos, o que possibilita mais facilidade no momento da implantação e redução dos custos com o sistema, popularizando a ideia de geração de energia limpa utilizando as forças dos ventos. Atualmente os materiais técnico e teórico de

10 aplicações de sistemas de pequeno porte não são difundidos ao ponto de incentivar a instalação do sistema em grande escala, tem também a restrição dos fornecedores que não são muitos e possuem preços ainda não popularizados, sendo estes pontos importantes para a análise do poder publico que deve acompanhar o crescimento nas buscas de novas tecnologias para fontes de energia sustentável. 6. REFEÊNCIAS AEROGERADOR AIR BREEZE MARINE. Disponível em < Acesso BARBOSA, Ana Carolina Lourenzi; Avaliação ambiental do uso da energia eólica para usuários de pequeno porte. Trabalho de conclusão do curso de Ciências administrativas UFRGS, Porto Alegre, FEITOSA, E. A. N. et al. Panorama do potencial eólico no Brasil. Brasília: ANEEL, GRUBB, M. J; MEYER, N. I. Wind energy: resources, systems and regional strategies. In: JOHANSSON, T. B. et. al. Renewable energy: sources for fuels and electricity. Washington, D.C.: Island Press, HORN, Diego Anderson; Análise numérica da esteira aerodinâmica formada por uma turbina eólica com dimensionamento ótimo de Beltz. Trabalho de conclusão do mestrado em Engenharia UFRGS, Porto Alegre, MANUAL DO PROPRIETÁRIO AIR BREEZE. Disponível em: < Acesso em: 03/2014. MATTUELLA, Jussara Leite; Fontes energéticas sustentáveis: Um estudo sobre a viabilidade do aproveitamento da energia eólica em três localidades, no RS. Trabalho de conclusão do mestrado em Engenharia Civil UFRGS, Porto Alegre, MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Balanço energético nacional 2012 Ano base 2011: Síntese do relatório final. Rio de Janeiro: EPE, REVISTA FUNDAÇÕES E OBRAS GEOTÉCNICAS, publicado em abril de RMAI (Revista Meio Ambiente Industrial). Energia Eólica Mundial: crescimento sólido em Revista Meio Ambiente Industrial, Fevereiro de SANTUCCI, Jô. Conselho em Revista. De Vento em Popa CREA/RS, edição de Setembro de SILVEIRA, Stevan Ruschel de. Geração descentralizada de energia através de fonte alternativa. Trabalho de conclusão do curso de Engenharia Elétrica UFRGS, Porto Alegre, 2011.