Fundamentos das Energias Renováveis Torsten Schwab GIZ Energias Renováveis e Eficiência Energética Brasília Brasília, 11 de Junho de 2013
Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável Coordenação Política Cooperação Financeira Cooperação Técnica 14.03.2012
Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável A GIZ no mundo BMU and others 10% Presente em mais de 130 países Volume de negócios: 1,85 bi. 17.000 colaboradores no mundo inteiro Empresa Federal de Direito Privado BMZ 68% IS 14% Co- Finance 8%
Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável Métodos operacionais pragmáticos Knowhow técnologico & ciência de ponta Gestão e comunicação Capacitação individual e institucional
Conteúdo 1. Fontes e Formas de Energia 2. Fundamentos da Energia Solar 3. Aproveitamento Heliotérmico 4. Aproveitamento Fotovoltaico
Conteúdo 1. Fontes e Formas de Energia 2. Fundamentos da Energia Solar 3. Aproveitamento Heliotérmico 4. Aproveitamento Fotovoltaico
Fontes e Formas de Energia Balanço energético do planeta Terra Entrada Saída Radiação Solar 5.6 * 10 24 J/a Reflexão direta 1.7 * 10 24 J/a Gravitação e cinética planetário 0.0001 * 10 24 J/a Fissão nuclear 0.001 * 10 24 J/a Radiação térmica 3.9 * 10 24 J/a Fonte: Fend, Riffelmann
Fontes e Formas de Energia Fontes Efeitos Naturais Conversão Uso Fissão nuclear no núcleo da terra 0,02% Geotermia Solo aquecido Usina geotérmica Usina geotermelétrica Bombas de calor Coletor solar Energia térmica Biomassa Calefação Conversão química 100% = 5,6 10 24 J/a Fusão nuclear no sol Carvão Petróleo Gás natural Chuva Usinas termelétricas Usina fotovoltaica Usina heliotérmica Energia química Gravitação e cinética planetária 0,002% Derretimento Vento Ondas Correntes/Marés Urânio Usina hidrelétrica Usina eólica Usina de onda Usina de maré Usina nuclear Energia elétrica Segundo Kleemann, Meliss
Fontes e Formas de Energia Recursos não-renováveis em comparação com irradiação solar Fonte: Fend, Riffelmann
Fontes e Formas de Energia Comparação dos recursos renováveis Fonte: Fend, Riffelmann
Fontes e Formas de Energia Critérios de Sustentabilidade Custo Baixo custo de energia Sem subsídios permanentes Segurança Fornecimento diversificado e redundante Geração despachável Baseado em recursos não esgotáveis Tecnologia disponível ou alcançável Compatibilidade Poluição baixa ou nula Proteção climática Baixo risco de saúde ou ambiental Acesso independente aos recursos Portfólio atual Carvão, Linhito Petróleo, Gás Combustível Nuclear Helio- & Solartermia Geotermia Biomassa Hidrelétrica Energia Eólica Fotovoltaica Correntes Marinhas / Marés recursos energéticos estocados energias armazenáveis energias intermitentes
Fontes e Formas de Energia Recursos Fontes armazenáveis... intermitentes Critérios de avaliação Carvão Linhito Petróleo Gás Natural Combustível Nuclear Heliotermia Solartermia Geotermia Biomassa Hidrelétrica Eólica Solar FV Marés Custo Custo (c/ externalidades) Subsídios permanentes Agilidade da expansão Segurança Compatibilidade... Geração despachável Recurso não-esgotável Tecnologia disponível Poluição baixa / nula Proteção climática Baixo risco à saúde Acesso independente pay back energético...
Fontes e Formas de Energia Preço da Energia Conflitos energéticos Segurança de abastecimento Danos ambientais Contaminação/ Gestão de Resíduos Ameaças à saúde A mudança climática não vai esperar até que os mercados livres internalizam custos externos Fonte: AGEE
Fontes e Formas de Energia Potencial de Geração de Energia Elétrica Biomassa (0-1) Geotermia (0-1) Solar (10-250) [GWh/(a km²)] Eólica (5-50) Hidráulica (0-50) Fonte: DLR
Conteúdo 1. Fontes e Formas de Energia 2. Fundamentos da Energia Solar 3. Aproveitamento Heliotérmico 4. Aproveitamento Fotovoltaico
Fundamentos da Energia Solar Fusão Nuclear Solar H (650 10 6 t/s) He (646 10 6 t/s) m = 4 10 6 t/s O Sol perde 0,03% da sua massa em 5 10 9 anos E=mc² 3,7 10 26 J/s = 3,7 10 20 MW T_superficie = 5.785 K
Fundamentos da Energia Solar A Energia Solar que chega à Terra é variável: Ciclos Solares Distância entre Terra e Sol e Ângulo de Incidência Absorpção de Energia pela Atmosfera Na média: Constante Solar 1.367 W/m²
Fundamentos da Energia Solar Ciclos Solares Fusão Nuclear Solar Variações na Geração de Energia
Fundamentos da Energia Solar Distância entre Terra e Sol e Ângulo de Incidência Rotação terrestre ao redor do Sol Mudanças da irradiação solar na superfície da Terra A energia depende do ângulo de incidência solar E R = E * A 0 * seno(γ) E R = Energia recebida [W]; E = Energia solar chegando no lugar [W/m 2 ]; A 0 = Área de incidência deitada na superficie da terra [m 2 ]; seno(γ) = Função seno para o ângulo de incidência considerado.
Fundamentos da Energia Solar Radiação Direta Normal Radiação Global difusa vs direta
Fundamentos da Energia Solar Absorpção de Energia pela Atmosfera Efeitos na Atmosfera
Fundamentos da Energia Solar Massa de Ar Air Mass AM = 1 / seno(γ) γ = ângulo de incidência solar
Fundamentos da Energia Solar Espectro Solar Irradiação solar espectral ao longo do dia
Fundamentos da Energia Solar Medições Solarimétricas Equipamentos (seleção) Radiação medida [W/m²] Rastreamento obrigatório Custo de Aquisição Custo de Manutenção Piranômetro Global Não $$ $$ Rotating shadowband Global, difusa e direta* Não $$ $ Piranômetro adaptado Global, difusa e direta* Sim $$$ $$$ Pireliômetro Direta Sim $$$ $$$ Células de referência Global Não $ $ * Calculada $ Baixo Custo, $$ Médio Custo, $$$ Alto Custo
Fundamentos da Energia Solar Irradiação Solar Direta Difusa + Direta CSP CPV FV Cilindro Parabólico Torre Fresnel Dish Lente Espelho Silício Cristalino Filme Fino
Fundamentos da Energia Solar Radiação Solar no Brasil Localidade Latitude Radiação mínima (MJ/m 2 ) Radiação máxima (MJ/m 2 ) Radiação anual (MJ/m 2 ) Dongola - Sudão 19 o 10 19,1 27,7 23,8 Dagget - USA 34 o 52 7,8 31,3 20,9 Belém - PA 01 o 27 14,2 19,9 17,5 Floriano - PI 06 o 46 17 22,5 19,7 Petrolina - PE 09 o 23 16,2 22,7 19,7 B.J. da Lapa - BA 13 o 15 15,9 21,1 19,7 Cuiabá - MT 15 o 33 14,7 20,2 18,0 B.H - MG 19 o 56 13,8 18,6 16,4 Curitiba - PR 26 o 25 9,7 19,4 14,2 P. Alegre - RS 30 o 01 8,3 22,1 15,0 Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil 2000
Fundamentos da Energia Solar Sul da Espanha 2.100-2.200 kwh/m 2 Saara/ Norte da África 2.600-2.700 kwh/m 2 Deserto de Mojave / Calif. 2.600-2.700 kwh/m 2 Deserto do Atacama / Chile até 3.000 kwh/m 2 Classificação para instalação de Usinas Heliotérmicas: excelente bom adequado inadequado Fonte: DLR
Fundamentos da Energia Solar Energia...... Solar térmica... Fotovoltaica... Heliotérmica
Conteúdo 1. Fontes e Formas de Energia 2. Fundamentos da Energia Solar 3. Aproveitamento Heliotérmico 4. Aproveitamento Fotovoltaico
Calhas Cilindro- Parabólicas Torre Central Até 550ºC; Turbinas a Vapor 500ºC a 1000ºC; Turbinas a Vapor, Turbinas a Gás, Motores Stirling Aproveitamento Heliotérmico Tecnologias de Concentração Linear Fresnel Disco Parabólico Fonte: DLR
Aproveitamento Heliotérmico Radiação Solar DIRETA no mundo
Aproveitamento Heliotérmico Gerador Turbina a Vapor Calor Gerador de Vapor Condensador Bomba Fonte: DLR
Aproveitamento Heliotérmico Irradiação Solar Calor Energia Elétrica Irradiação Solar Calor Energia Elétrica Combustível Irradiação Solar Calor Armazém Térmico En.El. Combustível Fonte: DLR
Aproveitamento Heliotérmico Esquemática da Usina Heliotérmica Por exemplo: usina Andasol c/ 50MW el + 7,5hs armazém térmico Fonte: Fend, Riffelmann
Aproveitamento Heliotérmico Calhas cilindro-parabólicas Kramer Junction, EUA (5x 30MW el, 2x 80MW el ) Nevada Solar One, USA (64 MW el ) Fonte: Kramer Junction Company Fonte: Fend, Riffelmann
Aproveitamento Heliotérmico Linear Fresnel Puerto Errado, Espanha (31,4MW el ) Fonte: SIJ
Aproveitamento Heliotérmico Disco Solar Dish Stirling System Test Site, EUA (20kW el ) Maricopa Solar Plant, USA (1,5 MW el ) Fonte: SIJ
Aproveitamento Heliotérmico Torre Central Solar Two, Barstow, EUA (10 MW el ) CESA1, Espanha (7 MW th ) Fonte: Fend, Riffelmann
Aproveitamento Heliotérmico Torre Central PS10, Espanha (11 MW el ) Fonte: Fend, Riffelmann, Ulmer
Aproveitamento Heliotérmico Torres Centrais GEMA Solar (20 MW el, 15hs de armazém térmico) Fonte: Schwab, GEMA Solar
Aproveitamento Heliotérmico Usinas em Operação (2010: 1 GW) 90% Hoje em construção ou estado avançado de planejamento: 15GW
Conteúdo 1. Fontes e Formas de Energia 2. Fundamentos da Energia Solar 3. Aproveitamento Heliotérmico 4. Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Fotovoltaico O efeito fotovoltaico Estrutura atômica da célula de Silício (esq.) e dopagem com Fósforo (dir.) Junção PN e movimento em nível eletrônico Processo eletrônico no sistema FV Fonte: Krauter
Aproveitamento Fotovoltaico da Célula à Usina FV Fonte: Krauter
Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Fotovoltaico Fonte: SMA
Aproveitamento Fotovoltaico Internet: http://www.sma.de/en/company/pv-electricity-produced-in-germany.html Fonte: SMA
Aproveitamento Fotovoltaico As tarifas Feed-In na Alemanha (2012) Fonte / Tecnologia Tarifa Mínima Tarifa Máxima Tarifa Mínima Tarifa depende do local de Tarifa instalação, da potência instalada Máxima ou do período de operação Decréscimo Anual ct/kwh R$/MWh ( = R$ 2,30) Tarifamínima Tarifamáxima % Fotovoltaica 21,11 28,74 486 661 terrenos edificações meta de 9% (a ( 30 kw) partir de 2012) tarifa máxima pago pelo menos Eólica 4,87 8,93 112 205 nos primeiros 5 anos de on-shore operação 1,5% (2013) Eólica offshore primeiros 12 anos tarifa máxima pago nos 3,50 15,00 81 345 5% (2018) Biomassa ( 20 MW) 6,00 25,00 138 575 5 MW 75 kw (dejetos animais) 2% (2013) Hídrica 3,40 12,70 78 292 > 50 MW 0,5 MW 1% (2013) Gás de esgoto 5,89 6,79 135 156 > 0,5-5 MW 0,5 MW 1,5% (2013) Geotérmica 25,00 30,00 575 690 tarifa máxima para fontes petrotermais 5% (2018) Fonte: BMU
Aproveitamento Fotovoltaico Comparação entre Brasil e Alemanha Brasil Alemanha 1. Situação atual matriz de energia elétrica > 80% renovável 20% renovável 2. Desenvolvimento do consumo de energia elétrica crescente 3. Objetivos da política energética 4. Desenvolvimento da matriz de energia elétrica Segurança de fornecimento e modicidade tarifária Diversificação moderada estável Segurança de fornecimento e matriz mais limpa Mudança radical
Aproveitamento Fotovoltaico Gerador FV Carga Configuração Feed-In Medidor Consumo Rede Inversor Gerador FV Medidor Geração/Injeção Carga Configuração Net-Metering Medidor Bidirecional Rede Fonte: SMA Inversor
Aproveitamento Fotovoltaico Residential Tariffs [2,20 R$/ ] 18,8 19,8 ct/kwh 18,1 18,8 ct/kwh 16,6 18,1 ct/kwh 15,5 16,6 ct/kwh 14,4 15,5 ct/kwh 13,4 14,4 ct/kwh 12,3 13,4 ct/kwh 9,0 12,3 ct/kwh Oportunidades no Brasil Fonte: Rüther, ANEEL
Aproveitamento Fotovoltaico Pituaçu: Primeiro Estádio Solar da América Latina
Fundamentos da Energia Solar Energia...... Solar térmica... Fotovoltaica... Heliotérmica
Fundamentos das Energias Renováveis Torsten Schwab GIZ Energias Renováveis e Eficiência Energética Brasília E-mail: torsten.schwab@giz.de
Fontes e Referências AGEE ANEEL BMU BMWI / E-Energy BSW DESERTEC Agentur für Erneuerbare Energien http://www.unendlich-viel-energie.de Agência Nacional de Energia Elétrica http://www.aneel.gov.br Bundesminsterium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Ministério de Meio Ambiente e Segurança Nuclear http://www.bmu.de Bundesminsterium für Wirtschaft und Technologia Ministério de Economia e Tecnologia http://www.bmwi.de http://www.e-energy.de Bundesverband Solarwirtschaft http://www.solarwirtschaft.de Iniciativa DESERTEC http://www.desertec.org DLR Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt Agência Alemã de Aviação e Astronáutica http://www.dlr.de Fend, Riffelmann Dietmar Brakemeier, capacitação Energia Solar, EPE/GTZ 2009 fonte original: Seminário Solar Technology Dr. Thomas Fend, Dr. Hans-Jürgen Riffelmann; FH Aachen, Abt. Jülich
Fontes e Referências IEA Key World Energy Statistics 2011 International Energy Agency ISET Fraunhofer IWES Kleemann, Meliss REN21 SIJ SMA Stadler Institut für Solare Energieversorgungstechnik hoje: Fraunhofer IWES Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik http://www.iwes.fraunhofer.de Regenerative Energiequellen Kleemann und Meliss Springer 1993 ISBN 0387550852 Global Status Report Renewable Energy Policy Network for the 21st Century http://www.ren21.org Solar Institute Jülich, FH Aachen http://www.sij.fh-aachen.de Solar Technology AG, Sonnenallee 1, 34266 Niestetal, Alemanha http://www.sma.de Prof. Ingo Stadler Palestra EPE/GTZ sobre Demand Side Management e DESERTEC FH Köln http://www.f07.fh-koeln.de