TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO PARA GERADORES EÓLICOS

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1 ICCX Conference Latin America a 28 Válter de março Lúcio e de Carlos 2014Chastre Universidade NOVA de Lisboa TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO PARA GERADORES EÓLICOS Válter J. G. Lúcio e Carlos Chastre Rodrigues Universidade NOVA de Lisboa - Portugal Válter Lúcio: [email protected]

2 ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO 2. O MERCADO DA ENERGIA EÓLICA 3. EQUIPAMENTOS 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS 5. AÇÕES Antigo moinho de vento em Portugal 6. TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO 7. O GRUPO DE TRABALHO DA fib Válter Lúcio: [email protected] 2

3 1. INTRODUÇÃO A energia do vento é usada há mais de anos: Em barcos à vela para transporte em mares, rios e lagos; Em moinhos para reduzir a farinha os cereais; Na indústria em serrarias, fábricas de papel, etc.; Para bombear água para a agricultura, para o gado e os humanos. Válter Lúcio: [email protected] 3

4 1. INTRODUCTION Hoje a energia eólica é usada para produzir eletricidade para a indústria e para os edifícios. 10,7% 15,2% 40,1% A produção de energia eólica para o consumo diário é hoje uma realidade em muitos países. 15,1% 8,9% 10,0% Energia eólica Energia hidráulica Outras fontes renováveis Carvão Cogeração fóssil Outras Fontes da energia elétrica consumida numa habitação Portuguesa, durante 2013 Parque eólico em Torres Vedras - Portugal Válter Lúcio: [email protected] 4

5 2. O MERCADO DA ENERGIA EÓLICA A evolução da capacidade de produção de energia eólica no mundo é altamente positiva. Em 2012, o aumento em relação a 2011 foi de cerca de 19%. Prevê-se que a produção global de energia eólica venha a ter um crescimento exponencial nos próximos anos. Giga Watt ,1 7, Ano Capacidade global de produção de energia eólica (adaptado de Renewables Global Status Report) 283 Válter Lúcio: [email protected] 5

6 O crescimento mais significativo do ano 2012 ocorreu na América Latina, nomeadamente no Brasil, onde houve um aumento de 1.1GW de potência instalada. Este aumento é uma resposta ao crescimento da procura de energia elétrica, devido ao crescimento econômico do Brasil. No entanto, este aumento não foi suficiente para colocar o Brasil no clube top dez em Giga Watt ,0 13,1 2,4 1,1 2,3 Adicionado em 2012 Total em ,9 1,3 0,8 0,5 0,1 10 maiores produtores de energia eólica (adaptado de Renewables Global Status Report) Tendo em conta esta tendência, é claro que a energia eólica é uma área promissora de negócios, isto é, para a construção de torres em concreto premoldado para suporte de geradores eólicos. Válter Lúcio: [email protected] 6

7 Para produzir mais energia com menores custos, nomeadamente os custos relativos aos controles, à ligação à rede elétrica e de manutenção, é necessário ter menos geradores e mais potentes. O desafio futuro é usar turbinas com potência acima de 10 MW, porque são mais econômicas. As torres de suporte das turbinas necessitam ser tanto mais altas quanto maior for o diâmetro das pás, para que as pás fiquem afastadas de obstáculos que provocam turbulência e atrito do vento perto da superfície. Evolução da altura da torre e do diâmetro das pás com a potência do gerador Fonte: Wind Energy The Facts 2010 Válter Lúcio: [email protected] 7

8 3. EQUIPAMENTO EXEMPLO DE UMA TURBINA Vestas V MW ROTOR: 3 pás 90 m diâmetro NACELE: Caixa de velocidades Gerador Transformador DADOS OPERACIONAIS: Start/stop velocidade do vento: 4 m/s 25 m/s Velocidade nominal do vento a 3 MW: 15 m/s TORRE: 65 m, 80 m, 90 m ou 105 m. Transformador Sensores de vento Gerador Caixa de velocidades Chassi da máquina Pesos: Nacele 660 kn Rotor 380 kn Torre 2000 kn Suporte das pás Válter Lúcio: [email protected] 8 Pá

9 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS Estruturas de madeira ou alvenaria de pedra; Treliças ou postes de aço; 10 m de altura 12 m de diâmetro do rotor Válter Lúcio: [email protected] 9

10 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS Estruturas treliçadas em aço; Cascas tronco-cónicas em aço; Cascas em concreto premoldado; 40 m - 80 m de altura 60 m - 90 m de diâmetro do rotor 1 MW 3 MW Válter Lúcio: [email protected] 10

11 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS Soluções híbridas em concreto na base, premoldado ou moldado in situ, e no topo uma casca tronco-cónica em aço; Válter Lúcio: [email protected] Fonte: Hormifust 11

12 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS Para responder do mercado de torres com maior altura, foi projetada uma torre em treliça de concreto armado premoldado. De montagem rápida e fácil transporte. A torre treliçada é composta por elementos premoldados e pretende ser uma solução alternativa e competitiva em termos econômicos. As pequenas dimensões dos elementos: reduzem os custos de transporte, proporcionam a liberdade de escolha da geometria da torre e optimizar a capacidade de carga e o controlo da frequência natural de vibração. A solução apresenta também reduções no custo das fundações. Estrutura treliçada em concreto premoldado Válter Lúcio: [email protected] 12

13 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS Parques eólicos onshore; Parques eólicos offshore. Offshore: O rotor pode estar a uma distância menor da água (do que do solo) devido ao menor efeito do atrito superficial no perfil de velocidade do vento; Maior velocidade de funcionamento porque os inconvenientes causados pelo ruido provocado são menores; Diâmetro do rotor é menor; Torre menor para gerar a mesma potência. Válter Lúcio: [email protected] 13

14 FOUNDAÇÕES Onshore: sapatas de grandes dimensões ou estacas; Fonte: Enercon Windblatt, 2009 Offshore: Fonte: Concrete Wind Towers, The Concrete Center, Gravidade ou por estacas para águas superficiais; Flutuante para águas profundas. Fonte: Principle Power Válter Lúcio: 14

15 FUNDAÇÕES EM OFFSHORE Produção de fundações por gravidade na Dinamarca Fonte: Volund, Per; Concrete is the future for Offshore foundations; Wind Engineering, Volume 29, 2005 Válter Lúcio: 15

16 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS COMPARAÇÃO DAS TORRES EM AÇO E EM CONCRETO TORRES EM AÇO Grandes diâmetros (4.3m+) mais difícil de transportar por estrada Sensibilidade a ações dinâmicas, rigidez menor e dificuldade de controle das frequências naturais de vibração. Necessitam fundações com maiores dimensões. As ligações (flanges etc.) são condicionadas pela fadiga. Necessitam manutenção da proteção contra a corrosão, especialmente em offshore. TORRES EM CONCRETO Maior peso do que o aço. Bom comportamento para as ações dinâmicas devido ao maior peso da torre. Menores fundações. Protensão melhora o comportamento da torre e reduz os efeitos da fadiga. Manutenção reduzida. Protensão melhora a durabilidade do concreto. As ligações são vulneráveis à corrosão. Fonte: Concrete Towers for Onshore and Offshore Wind Farms; Gifford, The Concrete Center, Válter Lúcio: [email protected] 16

17 Peso próprio (z) ICCX Conference - Latin America AÇÕES As principais ações na estrutura da Vento na turbina F top (t) M F (t) torre são: G top (t) O peso da turbina e o peso próprio da estrutura; As forças do vento na turbina e na estrutura; Efeitos dinâmicos do vento e do equipamento; Ação dos sismos. Vento na torre q vento (z,t) Sismo a g sismo (t) ONSHORE Válter Lúcio: [email protected] 17

18 Peso próprio (z) ICCX Conference - Latin America AÇÕES Ações das correntes e das ondas, incluindo os efeitos dinâmicos, no caso de torres offshore. Vento na turbina F top (t) Vento na torre q vento (z,t) M F (t) G top (t) Ondas e correntes q ondas e correntes (z,t) Sismo a g sismo (t) OFFSHORE Válter Lúcio: [email protected] Fonte: 18

19 6. TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO Anéis em concreto premoldado, com juntas horizontais, normalmente protendidos na vertical; Meios anéis em concreto premoldado na base e anéis fechados nas zonas superiores, com juntas horizontais, normalmente protendido na vertical; Aduelas verticais, com largura compatível com os meios de transporte correntes, com protensão vertical; Estrutura treliçada de elementos lineares, em concreto premoldado e protendidos, ligados entre si. Válter Lúcio: [email protected] 19

20 Anéis em concreto premoldado com juntas horizontais. Fonte: Enercon Válter Lúcio: Anel inferior com abertura para a porta. Fonte: Enercon 20

21 Fonte: Enercon Ligação entre anéis numa junta horizontal. Válter Lúcio: 21

22 Meios anéis em concreto premoldado, com juntas verticais e horizontais. Pormenor de uma junta vertical. Fonte: Enercon Válter Lúcio: [email protected] 22

23 ATS Advanced Tower System Sistema de aduelas verticais, com largura compatível com os meios de transporte correntes, com protensão vertical. Torre híbrida do sistema ATS Fonte: ATS Válter Lúcio: 23

24 6. TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO ESTRUTURA TRELIÇADA Os autores desta apresentação desenvolveram uma nova solução estrutural, com elementos premoldados (colunas, vigas transversais e diagonais) para construir uma treliça espacial. Esta solução permite uma construção rápida e fácil de transportar, uma vez que os elementos são de dimensão reduzida. Válter Lúcio: [email protected] 24

25 Esta solução estrutural permite diferentes opções como o número e dimensões das colunas, o seu afastamento e a intensidade da protensão. A solução é flexível permitindo adaptar a torre àaltura especificada, às forças do vento, ao peso da turbina e aos limites definidos para as frequências próprias de vibração. Prémio BES de Inovação 2009, no tópico Novos materiais e tecnologias industriais. PATENT PENDING em Portugal e no Brasil. Válter Lúcio: [email protected] 25

26 ONSHORE A solução de Torre Treliçada permite a construção de torres altas para suportar turbinas pesadas: onshore e offshore. OFFSHORE Válter Lúcio: [email protected] A solução para offshore tem como vantagens maior durabilidade e menores custos de manutenção do que as soluções em aço, menor resistência às ações hidrodinâmicas do que as soluções em poste e pode ser usada em águas profundas. 26

27 7. GRUPO DE TRABALHO fib Commission 6 - Prefabrication: Precast concrete towers for wind energy production Commission 6 Prefabrication Este grupo de trabalho tem como objetivo produzir um documento com o estado da arte sobre estruturas em concreto premoldado para suporte de turbinas eólicas. Pretende-se analisar e discutir os aspetos relacionados com a conceção, dimensionamento, pormenorização, construção e impacte ambiental de torres em concreto premoldado para produção de energia elétrica. Válter Lúcio: [email protected] 27

28 7. GRUPO DE TRABALHO O documento abordará os seguintes tópicos: Tipos de torres de concreto Equipamento Segurança Ações Análise estrutural fib Commission 6 - Prefabrication: Precast concrete towers for wind energy production Commission 6 Ligações e pormenorização Construção Aspetos ambientais Prefabrication Desenvolvimentos recentes Válter Lúcio: [email protected] 28

29 OBRIGADO Válter Lúcio: 29