Aproveitamento de energia eólica para geração de energia elétrica www.cresesb.cepel.br
Aproveitamento de energia eólica e para geração de energia elétrica Universalização ão: metas e desafios Energia Eólica - vantagens e limitações Algumas lições aprendidas Conclusões
Universalização ão: metas e desafios Considerando nossa dimensões territoriais e a dispersão geográfica da população rural, não se pode deixar de considerar os limites para a expansão da rede elétrica, particularmente em regiões de florestas, fazendo com que a adoção de soluções de atendimento descentralizado seja imperativa para se atingir o objetivo de universalização do serviço o público p de eletricidade.
Energia Eólica:Aplicações
Aplicações da Energia EólicaE Catavento Bombeamento d água Residências Fazendas Aplicações Remotas
Aplicações da Energia EólicaE Pequeno Porte ( 10 kw) Residências Fazendas Aplicações Remotas Intermediário (10-250 kw) Sistemas Híbridos Geração Distribuída Grande Porte (250 kw - 2+MW) Fazendas Eólicas Geração Distribuída
AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE
Diagrama Típico de Sistemas Isolados Exemplo Inversor CC / CA
Fabricantes Existentes Existem dezenas de fabricantes no mundo produzindo aerogeradores de pequeno porte, com potência na faixa de 0,5kW 10 kw; Em geral, essas máquinas iniciam a produção de energia com velocidades de ventos a partir de 3,5 m/s. Curva típica de um aerogerador de 1200 W
Alguns Modelos Disponíveis no Mercado Modelos Gerar1000 - Modelo Marinizado. Incluindo controlador externo e acessórios para torre de 14m (sem os tubos de 3"). Conjunto completo. Air Wind 403 - Modelo Naval. Controlador de cargas interno Air-X Wind - Modelo Naval. Controlador de Carga interno. Air-X Wind - Modelo Rural. Controlador de Carga interno. Whisper H40 - Modelo Rural. Incluindo controlador externo de cargas EZ-Wire. Whisper H40 - Modelo Marinizada. Incluindo controlador externo de cargas EZ-Wire. Whisper H80 - Modelo Rural. Incluindo controlador externo de cargas EZ-Wire. Whisper H80 - Modelo Marinizada. Incluindo controlador externo de cargas EZ-Wire. Whisper 175 - Modelo Rural. Incluindo estais para 23 m, SEM os tubos. Controlador de cargas externo: EZ-Wire, com possibilidade de arranjo misto com painéis solares. Potência Média Fonte: http://www.energia-alternativa.com.br (Referência: 08/04/04) Tensão (cc) Fabricação Preços (R$) 1.000 W 24 V Enersud 7.215,00 400 W 12/24/48 V Southwest 3.950,00 400 W 12/24/48 V Southwest 4.784,00 400 W 12/24/48 V Southwest 3.551,00 900 W 24/48 V Southwest 8.154,00 900 W 24/48 V Southwest 9.245,00 1.000 W 24/48 V Southwest 10.880,00 1.000 W 24/48 V Southwest 11.971,00 3.200 W 48 V Southwest 29.742,00
CUSTOS E ESTIMATIVA DE MERCADO
Estimativa de Mercado (considerando-se se os fatores atuais) Otimista (com muitos fatores indutores) 1000 MW (até 2004) + 500 MW em 2005 20% ao ano de crescimento até 2022 65 GW Realista (+) (com poucos fatores indutores) 1000 MW (até 2004) + 500 MW em 2005 10% ao ano de crescimento até 2022 24GW Realista (-) (com muito poucos fatores indutores) 1000 MW (até 2004) + 500 MW em 2005 5% ao ano de crescimento até 2022 15GW
Custos Altamente dependentes do regime de ventos Grandes empreendimentos: US$ 35 a 60/MWh Médios empreendimentos: US$ 45 a 80/MWh Pequenos empreendimentos: US$ 70 a 120/MWh
Evolução do Custo da Energia Eólica Redução significativa dos custos da energia eólica: Redução dos custos das turbinas eólicas; Turbinas cada vez maiores, com torres cada vez mais altas; Melhoria da tecnologia e nos métodos de produção; Melhoria na eficiência e na disponibilidade; Queda nos custos de operação e manutenção. 1979 US$ 400,00/MWh 2003 US$ 35-120,00/MWh
Evolução comercial das turbinas eólicas Fonte: DEWI
Energia Eólica e o Meio Ambiente Utilização do Solo para Atividades Agrícolas Emissão de Gases Emissão de Ruído Impacto Visual Impacto sobre a Fauna
Emissão de CO 2 de Diversas Tecnologias Emissões Emissões de CO2 de nos CO2 nos estágios estágios de de produção produção de de Tecnologias Tecnologias energia energia (ton/gwh) (ton/gwh) Extração Extração Construção Construção Operação Operação Total Total Planta Planta convencional convencional de de queima queima de de carvão carvão 1 1 1 1 962 962 964 964 Planta Planta de de queima queima de de gás gás 0 0 0 0 484 484 484 484 Pequenas Pequenas hidrelétricas hidrelétricas - - 10 10 - - 10 10 Energia Energia eólica eólica - - 7 7 - - 7 7 Solar Solar fotovoltaico fotovoltaico - - 5 5 - - 5 5 Grandes Grandes hidrelétricas hidrelétricas - - 4 4 - - 4 4 Solar Solar térmico térmico - - 3 3 - - 3 3 Lenha Lenha (Extração (Extração programável) programável) -1.509-1.509 3 3 1.346 1.346-160 -160 Fonte: "Renewable Energy Resources: Opportunities and Constraints 1990-2020" - World Energy Council - 1993
Uso da Energia: Custos de Externalidades* (centavos de dólar d por kwh) Carvão: 1,94 a 14,60 Turbina a gás: 0,97 a 3,89 Nuclear: 0,19 a 0,58 Fazenda Eólica: 0,05 a 0,24 *Estimativa de custos para a sociedade e para o ambiente decorrentes de uso de combustíveis fósseis f e nucleares, não incluindo lixo nuclear e custos de desativação. Estudo da UE, ExtermE - WSJ - 2002
O POTENCIAL EÓLICO BRASILEIRO
Velocidades Médias: Dependência dos Ventos > 6.0 m/s (bons sítios a 20m) Distribuição Estatística: Weibull (parâmetros c e k) Curva de Potência: P = η 1/2 ρ A V 3 η < 60% (eficiência máx.)
Influência da Altura z ln z0 V ( z) = V ( zr ) ln zr z0 onde: V(z r ) = Velocidade na altura de referência z r V(z) = Velocidade na altura z z r = Altura de referência z = Altura desejada z 0 = Altura da rugosidade do local
Influência da Altura Expressão simplificada Descrição do terreno Fator n V ( z) = V ( zr ) z z r n Superfície lisa, lago ou oceano 0.10 Grama baixa 0.14 Vegetação rasteira (até 0.3m), árvores ocasionais 0.16 Arbustos, árvores ocasionais 0.20 Árvores, construções ocasionais 0.22 0.24 Áreas residenciais 0.28 0.40 onde: V(z r ) = Velocidade na altura de referência z r V(z) = Velocidade na altura z z r = Altura de referência z = Altura desejada n = Parâmetro diretamente associado à rugosidade da superfície
Influência da Rugosidade
Influência da Rugosidade Z 0 [m] 1 Característica da superfície Cidades, Florestas Classe de Rugosidade 0.5 Periferia 3 0.3 0.2 Área abrigada Várias árvores/arbustos 0.1 Planície muito cultivada 2 0.05 0.03 Planície pouco cultivada Planície com algumas construções, árvores, etc 1 0.01 Áreas de pista de aeroporto com construções e árvores 0.005 Solo Exposto 0.001 Superfície de gelo 0.0003 Superfície de areia 0 0.0001 Superfície de água (lagos, mar etc.)
Comportamento do vento em um dia típico 12 12 10 10 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 0:00 0:00 1:50 1:50 3:40 3:40 5:30 5:30 7:20 7:20 9:10 9:10 11:00 11:00 12:50 12:50 14:40 14:40 16:30 16:30 18:20 18:20 20:10 20:10 22:00 22:00 23:50 23:50 Vel. Vel. (m/s) (m/s) Horário Horário
Histograma de dados de vento 30.0% 25.0% Freqüência 20.0% 15.0% 10.0% 5.0% 0.0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Velocidade Média [m/s]
= k k c V c V c k V g exp. ) ( 1 Distribuição de Weibull k = fator de forma da distribuição dos ventos; c = fator de escala ou a velocidade média dos ventos
3000.0 Energia Utilizável E [MWh] 2500.0 2000.0 1500.0 Energia Disponível Energia Gerada 1000.0 500.0 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Velocidade [m/s] 600 Curva de Potência da Máquina Potência [kw] 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Velocidade do Vento [m/s]
Complementaridade Sazonal Região Nordeste Exemplos de de possíveis parques parques eólicos eólicos no no litoral litoral do do Ceará Ceará (3000MW) GWh 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 P A R A C UR U M UC UR IP E C OF EC O B IT UP IT Á A C A R A U JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 4817 5252 5068 Vazão Vazão afluente afluente no no reservatório de de Sobradinho, 1931/92 1931/92 (média (média de de 2.7MW/m 3 3 /s) /s) Vazão (m3 /s) 3997 2489 1698 1401 1201 1062 1188 1946 3487 jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
Vantagens do Uso de Sistemas Eólicos de Pequeno Porte Baixo custo inicial Possibilidade de Pré-eletrificação Adiamento de investimentos Atendimento de consumidores satélite Complemento à extensão de rede Boa solução para pequenos e médios consumos em locais com bons ventos
Limitações Como possui peças móveis, necessita lubrificação regular e substituição periódica de componentes Se o vento não for regular não poderá sozinho atender às necessidades de eletricidade
Vantagens do Uso de Sistemas Fotovoltaicos Autônomos Tem característica modular, facilitando melhorias conforme as necessidades Segurança dos componentes Baixos custos de manutenção Possibilidade de Pré-eletrificação Adiamento de investimentos Atendimento de consumidores satélite Complemento à extensão de rede Melhor solução para pequenos consumos Recurso solar abundante no Brasil
Limitações Energia disponível é limitada, exigindo controle do consumo Investimento inicial alto Troca de bateria a cada 2 a 6 anos Necessidade de importação de equipamentos
A cadeia de produção eólica (situação do Brasil) Engenharia de Projetos Instalação ão, Exploração e Manutenção Concepção de sistemas e componentes Fabricação de aerogeradores
Tecnologia Fotovoltaica Sistemas HíbridosH
Sistema Híbrido de Joanes Ilha de Marajó (PA), Município de Salvaterra; ; Fotovoltaico/Eólico lico Convênio CEPEL/NREL/CELPA 10kWp FV; 40kW eólicoe Operando desde maio/98
Algumas lições aprendidas Envolvimento da comunidade Projetos integrados Gestão descentralizada A eletrificação não é uma panacéia universal Interesse e confiança na tecnologia por parte dos diferentes atores
Desafios Futuros Aperfeiçoar métodos de gestão de geração descentralizada Identificar nichos de aplicação de cada tecnologia Estimular a Pesquisa e Desenvolvimento Promover a capacitação técnica de novos atores Desenvolver uma política industrial Criar uma estratégia que permita o Desenvolvimento Sustentável
Hamilton Moss Jorge Lima moss@cepel.br jlima@cepel.br (21) 2598-6387 (21) 2598-6133 Antônio Leite alsa@cepel.br Centro de Referência para Energia Solar e Eólica S. S. Brito http://www.cresesb.cepel.br/ CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica http://www.cepel.br/