Simulação do desempenho de dois aerogeradores de pequeno porte com perfis aerodinâmicos diferentes

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1 Políticas Energéticas para a Sustentabilidade 25 a 27 de agosto de 2014 Florianópolis SC Simulação do desempenho de dois aerogeradores de pequeno porte com perfis aerodinâmicos diferentes Rafael Valotta Rodrigues¹ Luiz Antonio Rossi² RESUMO O sucesso na aplicação de aerogeradores depende de vários fatores, dentre eles: o recurso eólico disponível no local de instalação, o desempenho do equipamento, custos iniciais e operacionais do projeto. Além disso, a eficiência na produção de energia elétrica por meio do aerogerador está diretamente ligada ao perfil de aerofólio do mesmo. Neste trabalho, comparou-se a produção de energia elétrica de dois aerogeradores de pequeno porte, sendo um modelo nacional de 6kW e um importado de mesma potência nominal, por meio de simulação utilizando o programa computacional Homer. O recurso eólico de três cidades diferentes foi considerado: Campinas (SP/BR), Cubatão (SP/BR) e Roscoe (TX/EUA). Os resultados mostraram que o aerogerador nacional têm 20% e 28% a mais de produção anual de energia elétrica em comparação com o importado, se considerarmos o recurso eólico de Cubatão (SP/BR) e Roscoe (TX/EUA), respectivamente. Já para Campinas (SP/BR), o aerogerador importado têm produção de energia elétrica anual 15% maior. Palavras-chave: energia eólica, energias renováveis, Homer ¹ Universidade Estadual de Campinas, rafavalotta@gmail.com, (19) ² Universidade Estadual de Campinas, Rossi@feagri.unicamp.br, (19)

2 ABSTRACT The success in the application of wind turbines depends on several factors, among them: the locally available wind resource, the performance of the equipment, initial and operational costs of the project. Furthermore, the electrical energy production efficiency by wind turbines is linked to the airfoil profile used. In this work, the electrical energy production of a 6kW national (Brazilian) wind turbine was simulated and compared with a 6kW imported one, using the software Homer. The wind resource of three different cities was considered: Campinas (SP/BR), Cubatão (SP/BR) and Roscoe (TX/EUA). The results shown that the national wind turbine produces 20 and 28% more electrical energy in comparison with the imported one, if we consider the wind resource of Cubatão (SP/BR) and Roscoe (TX/EUA). But, if we consider the wind resource of Campinas (SP/BR), the imported wind turbine produces 15% more of electrical energy than the national one. 1. Introdução Uma das tecnologias para geração de energia elétrica em pequena escala é o Aerogerador de Pequeno Porte (AEPP). Estes são os de potência nominal de até 50 kw (GWEC, 2013). A regulação da micro e mini geração distribuída foi estabelecida pela resolução normativa ANEEL 482/2012. No Brasil algumas instalações já possuem aerogeradores de pequeno porte (PINHO, 2008) localizadas principalmente no Norte do país. Durante o ano de 2011, o número de AEPP instalados cresceu no mundo em aproximadamente 11%, foram AEPP instalados somente naquele ano, totalizando AEPP instalados no mundo todo. A China continua a crescer como mercado, com cerca de unidades instaladas acumuladas, número que representa 68% do mercado mundial em termos de unidades instaladas. A capacidade global instalada alcançou mais de 576 MW ao final de 2011, sendo que a China contabiliza 40% desse total e os Estados 35%. Mais de 120 MW de capacidade instalada de AEPP foi adicionada em 2011, o que contabiliza um crescimento de 27% para esse ano (WWEA, 2013). Cinco países (Canadá, China, Alemanha, Inglaterra e Estados Unidos) contabilizam cerca de 50% da indústria de fabricantes de AEPP. Ao final de 2011, 330 fabricantes haviam sido identificados mundialmente oferecendo sistemas de 2

3 geração comercialmente completos, e uma estimativa de cerca de 300 fabricantes de peças adicionais, tecnologia, consultoria e revendedores (WWEA, 2013). No Brasil, apenas a empresa ENERSUD fabrica AEPP, com modelos multifólios de pás torcidas projetadas para maximização da geração de energia elétrica em baixas velocidades do vento. A análise de viabilidade técnica e econômica de sistemas híbridos de geração de energia elétrica é uma etapa essencial na concepção de projetos de geração de energia elétrica. A Tabela 1 resume alguns estudos que utilizaram o programa computacional Homer. As tecnologias empregadas variam conforme o recurso energético local, a demanda por energia elétrica e o tipo de aplicação. Tabela 1 -Simulações de sistemas híbridos modeladas pelo Homer Referência Tecnologia avaliada País Aplicação/carga Asrari (2012) Iran Alternativa à extensão da rede elétrica Kusakuna & Vermaak (2013) Congo Estações de telefonia móvel, regiões rurais Henryson & Svensson (2004) Antártica Pesquisa com aerogeradores na Antarctica Rehman et al (2007) Arábia Saudita Aerogeradores em planta diesel existente Sen & Battacharyya (2014) Índia Perfis de carga variados Legenda: = aerogerador, = painéis fotovoltaicos, = gerador diesel, = turbina hidráulica, = bateria, = rede elétrica. Tendo em vista a grande aplicabilidade de aerogeradores de pequeno porte em várias regiões do mundo, este estudo avaliou a viabilidade técnica e econômica da instalação de dois aerogeradores de pequeno porte de eixo horizontal de potência nominal 6kW, considerando recurso eólico de três cidades diferentes. Neste estudo foi utilizado o programa computacional Homer, e os dois aerogeradores foram comparados com base na produção de energia elétrica, custo de geração da energia (COE) e valor presente líquido (NPC). 2. Material e Métodos 2.1 Material Aerogeradores de pequeno porte Os aerogeradores de pequeno porte utilizados foram um modelo importado e um modelo nacional, ambos com eixo principal horizontal, três pás e 6kW de potência nominal. O aerogerador importado utiliza o perfil NACA 4415, sem torção 3

4 nas pás e com o valor de corda constante. O aerogerador nacional utiliza um perfil de pás multifólios, com variação dos valores de corda e ângulo de torção ao longo do comprimento. Um sistema eólico com conexão à rede elétrica foi avaliado Programa computacional Homer Homer (Hybrid Optimization Model for Eletric Renewables), desenvolvido pelo NREL (National Renewable Energy Laboratory) é um programa computacional para projetos de sistemas de geração distribuída, conectados à rede elétrica ou isolados (HOMER, 2014). Sistemas híbridos de geração de energia elétrica, baseados em energias renováveis ou não renováveis, podem utilizar o programa Homer para realizar análise de viabilidade técnica e econômica. A aplicação dos dois AEPP neste trabalhos foi simulada por meio do uso desse programa computacional. 2.2 Métodos Descrição da carga elétrica simulada: A demanda por energia elétrica de uma comunidade isolada no litoral do estado brasileiro do Pará (PINHO, 2008) foi utilizada como referência para simular a carga elétrica atendida. Um sistema híbrido eólico-diesel com um AEPP de 7,5kW e dois geradores diesel de 6kW cada foi instalado foi instalado no local para suprimento de energia elétrica. Figura 1 Carga elétrica de uma comunidade isolada no estado do Pará /BR, utilizada neste trabalho para realizar a simulação. Fonte: Pinho, Recurso eólico 4

5 O diagrama de Weibull foi simulado para três cidades diferentes (Figuras 2a,2b e 2c) utilizando o Homer. Para as cidades de Roscoe (TX/EUA) e Campinas (SP/BR), dados anemométricos da base de dados meteorológicos da NASA (2014) foram consultados. Dados de um em um minuto e já devidamente tratados coletados em torre anemométrica instalada no local foram utilizados para a localidade brasileira de Cubatão (CAMARGO SCHUBERT, 2011). Figura 2a Simulação dos Diagramas de Weibull para a cidade de Campinas (SP/BR). Figura 2b Simulação do diagrama de Weibull para a cidade de Roscoe (TX/EUA). Figura 2c Simulação do diagrama de Weibull para a cidade de Cubatão (SP/BR). Fonte: Adaptado do programa Homer Parâmetros de avaliação utilizados pelo Homer A Produção Anual de Energia Elétrica (PAE), o Custo da Energia (COE), o Valor Presente Líquido (NPC), Fração Renovável (FR) e Fator de capacidade (FC) foram simulados no programa computacional Homer. As equações a seguir, que descrevem esses parâmetros, são todas calculadas pelo programa Homer. A Produção Anual de Energia (PAE) é calculada pelo Homer baseada na curva de potência do aerogerador e na distribuição de Weibull. A PAE pode ser calculada com a Equação (1), em kwh. PAE P( v). f ( v). dv u (1) 5

6 onde f (v) : função distribuída acumulada de Weibull; c é o fator de escala; k é o fator de forma e v é a velocidade medida em intervalos uniformes. O Custo da Energia (COE) vai determinar a atratividade econômica do empreendimento eólico, sendo calculado pela Equação (2) (SHAAHID et al, 2013). O COE (U$/kWh) é: Custo por kwh= (Custo anual)/(pae) (2) onde Custo anual= (Custo inicial)/(expectativa de vida)+ Custos operacionais anuais O Fator de Capacidade (FC) é um indicador da produtividade do aerogerador, sendo calculado pela Equação (3) (SHAAHID et al, 2013). Fator de capacidade=((pae)/(capacidade nominal x 8760))x100 (3) O Custo Presente do Trabalho (NPC) representa o custo do ciclo de vida do sistema de geração. Este parâmetro inclui todos os custos e revendas durante o tempo de vida de um projeto e trazidos ao valor presente. Portanto, é uma medida do valor presente líquido do empreendimento, sendo calculado pela Equação (4) (SHAAHID et al, 2013). C NPC onde Canntot, CRF ( i, R proj ) C anntot, é o custo anualizado total, i é a taxa de interesse real (taxa de desconto), R proj é o tempo de vida do projeto e CRF é o fator de recuperação do capital, dado pela Equação (5) (SHAAHID et al, 2013): (4) N i(1 i) CRF ( i, N) N (1 i) 1 (5) 6

7 3. Resultados e Discussão 3.1 Sistema eólico conectado à rede elétrica pública Os aerogeradores nacional e importado foram simulados por meio do programa computacional Homer. As Tabelas 1 e 2 resumem os principais resultados da simulação da operação desses dois AEPP com conexão à rede elétrica pública (Figura 3). Figura 3 Sistema eólico conectado à rede elétrica: aerogeradores, barramento AC/ DC, inversor, rede elétrica e cargas elétricas. Em relação ao aerogerador importado (Tabela 1), o perfil de vento de Roscoe (TX/EUA) possui os maiores valores de FC e PAE, 21,2% e 9283 kw.h respectivamente, comparando os três perfis de vento avaliados. O perfil de vento de Campinas (SP/BR) apresentou os valores mais altos de COE e NPC e os menores valores de FC e FR. Cubatão (SP/BR) é a intermediária entre essas cidades em relação aos parâmetros avaliados. Tabela 1 Parâmetros do aerogerador importado para diferentes localidades Brasil Estados Unidos Campinas (SP) Cubatão (SP) Roscoe (TX) COE (U$/kWh) NPC (U$) CF (%) 4,2 9,97 21,2 RF (%) 12 21,3 35 PAE (kwh) PAE vendas PAE compras Para o aerogerador nacional (Tabela 2), o perfil de vento de Roscoe (TX/EUA) novamente possui os maiores valores de FC e PAE, 22,6% e kwh, respectivamente. Roscoe (TX/EUA) também apresentou os menores valores de COE e NPC, U$ 0,17/ kw.h e U$ O perfil de vento de Campinas (SP/BR) 7

8 apresentou os valores mais altos de COE e NPC e os menores valores de CF e RF novamente, U$ 0.327/ kw.h, U$ 25436, 3,05% e 12 %, respectivamente. Tabela 2 Parâmetros do aerogerador nacional para diferentes localidades Brasil Estados Unidos Campinas (SP) Cubatão (SP) Roscoe (TX) COE (U$/kWh) NPC (U$) CF (%) 3,05 9,97 22,6 RF (%) 12 34,1 62 PAE (kwh) PAE vendas PAE compras Em relação ao perfil de vento da cidade de Campinas e comparando os dois AEPP, nacional e importado, o aerogerador importado produziu cerca de 15% a mais de energia elétrica; o fator de capacidade FC foi 1,05 % maior e a fração de energia renovável FR foi igual. Já em relação à cidade de Cubatão, o AEPP nacional produziu aproximadamente 20% a mais de energia elétrica, o fator de capacidade FC foi igual e a fração de energia renovável foi 12% maior. Por último, em relação à cidade de Roscoe, o AEPP nacional produziu cerca de 28% a mais de energia elétrica, o fator de capacidade foi 1,4% maior e a fração de energia renovável 27% maior. Os AEPP simulados não são capazes de suprir a carga elétrica que foi simulada sem a integração com a rede elétrica pública. A cidade de Campinas teve os maiores valores de compra de energia elétrica por ser a região de menor recurso eólico entre as três avaliadas. Em relação à venda de energia elétrica, essa situação ocorre quando a carga elétrica consegue ser suprida em 100% pelos aerogeradores e ainda sim há produção de energia elétrica por eles. O valor máximo de 1,5% da energia elétrica total produzida pelo AEPP importado foi vendida para a rede elétrica pública para a cidade de Roscoe e 46% para o AEPP nacional para a mesma cidade. Asrari et al (2012) avaliaram o COE para um AEPP de 10kW a 0,144 ($/kwh) em uma vila rural remota Iraniana, valor que é 2,3 vezes mais baixo que o COE dos 2 AEPP simulados neste trabalho para o perfil de vento da cidade de Campinas (SP/BR). Para Cubatão (SP/BR), o COE do AEPP importado é 2,2 vezes maior e o COE do AEPP nacional é 1,81 vezes menor. Já em relação a Roscoe (TX/EUA), o 8

9 COE do AEPP importado é duas vezes maior e o COE do AEPP nacional é 1,18 vezes maior. Conclui-se que a viabilidade técnica e econômica da aplicação do AEPP de 10kW é mais facilmente alcançada para o perfil de vento da vila rural remota Iraniana em comparação com os dois AEPP, nacional e importado, para quaisquer dos três perfis de vento avaliados. Kusakuna & Vermaak (2013) avaliaram o COE a 0,539 ($/kwh) para um AEPP de 7,5kW para o perfil de vento de uma região rural do Congo, valor 1,63 vezes maior ao COE dois AEPP importado e nacional para o perfil de vento da cidade de Campinas (SP/BR). Para Cubatão (SP/BR), o COE dos AEPP importado e nacional são 1,70 2 2,06 vezes menor, respectivamente. Já em relação a Roscoe (TX/EUA), o COE dos AEPP importado e nacional são 1,87 e 3,17 vezes menor, respectivamente. Conclui-se que a viabilidade técnica e econômica da aplicação dos dois AEPP nacional e importado, para quaisquer dos três perfis de vento avaliados, é mais facilmente alcançada em comparação com o AEPP de 7,5kW para o perfil de vento da região rural do Congo. Em relação a sistemas eólicos de grande porte, a viabilidade econômica é mais facilmente atingida. SHAHID et al (2013) avaliaram o COE na região costeira da Arábia Saudita variando de 0,0423 ($/kwh) a 0,0711 ($/kwh) para 75 MW de aerogeradores de 600kW a 50 metros de altura. Ou seja, o maior valor do COE para essa região é mais de duas vezes maior do que o menor valor de COE avaliado neste estudo, o AEPP nacional em Roscoe com COE 0,17($/kWh). Demiroren & Yilmaz (2010) avaliaram o COE para sete aerogeradores de 1,5 MW instalados em torres de 80 metros de altura a -0,083 ($/kwh) na ilha Turca de Gokceada. 4. Conclusões O melhor desempenho na produção de potência elétrica é dependente das características do recurso eólico local e também do aerogerador utilizado. O aerogerador nacional produz 20% e 28% a mais de energia elétrica que o aerogerador importado, para os perfis de vento de Cubatão (SP/BR) e Roscoe (TX/EUA), respectivamente. Já o aerogerador importado produz 15% a mais de energia elétrica considerando o perfil de vento de Campinas (SP/BR). 5. Referências Bibliográficas 9

10 ASRARI, A.; GHASEMI, A.; JAVIDI, M.H.. Economic evaluation of hybrid renewable energy systems for rural electrification in Iran A case study, Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.16, p , Iran, CAMARGO SCHUBERT. Certificação de Medições Anemométricas. Relatório técnico para atender o projeto de Pesquisa e Desenvolvimento ANEEL n /2006, Curitiba, 31p.,2011. DEMIROREN, A.; YILMAZ, U.. Analysis of change in electric energy cost with using renewable energy sources in Gokceada, Turkey: An island example, Renewable Energy, Turquia, v.14, p , 2010.Disponível em: < Acesso em 19 abr GWEC - GLOBAL WIND ENERGY COUNCIL. Global Wind Report: Annual market up date Disponível em: < / >. Acesso em: 18 dez HOMER Hybrid Optimization Model for Eletric Renewable. Disponível em: < Acesso em: 19 abr 2014 KUSAKUNA, K.; VERMAAK, H.J.. Hybrid renewable power systems for mobile telephony base stations in developing countries, Renewable Energy, África do Sul, v. 51, p , Disponível em : < Acesso em 19 abr NASA National Aeronautics and Space Administration, disponível: Acesso em: 21/02/2014. PINHO, J.T.; BARRETO, E.J.F.. Sistemas Híbridos: Soluções energéticas para a Amazônia. 1 a ed. Brasília: Editora do Ministério das Minas e Energia, 2008, 396p. SHAAHID, S.M.; AL-HADHRAMI, M.K.; RAHMAN, M.K.. Economic feasibility of development of wind power in coastal location of Saudi Arabia A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, v.19, p , Malaysia, WWEA - WORLD WIND ENERGY ASSOCIATION Small wind world report updated. Bonn, Alemanha,