Geração Elétrica Centrais Eólicas para Geração de Energia Elétrica Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1
GERAÇÃO EÓLICA Introdução A utilização da energia contida no vento, ou eólica, para o acionamento de dispositivos mecânicos, como bombas de irrigação, moendas de grãos, etc, remonta a Antiguidade. Existem registros de cata-ventos sendo usados 400 ac, na índia e na China. Durante muito tempo, entretanto, o interesse ficou restrito a este tipo de aplicação. Foi apenas em meados do século XX que se pensou em utilizar as turbinas eólicas (TE) para gerar energia elétrica. 2
GERAÇÃO EÓLICA Introdução Mesmo assim, o interesse permaneceu predominantemente acadêmico, devido à baixa competitividade do processo em relação à geração térmica e hidráulica. A geração eólica só passou a ser considerada seriamente depois da crise dos combustíveis fósseis da década de 70. Os países europeus, como Dinamarca e Alemanha, lideram a tecnologia de utilização da energia eólica no mundo. A Dinamarca possuía em 2007 algo em torno de 2000 MW de potência eólica instalada, fornecida por aproximadamente 6000 TE. Na Alemanha, em dezembro de 2002, havia perto de 13750 TE instaladas, com capacidade total de 12000 MW, o que corresponde aproximadamente cerca de 4,5% da demanda nacional. 3
GERAÇÃO EÓLICA Introdução No Brasil, embora a utilização tradicional de energia eólica seja o bombeamento d água por cata-ventos, recentes mapeamento do potencial eólico indica a existência de imensos recursos ainda não explorados. Grande atenção tem sido dirigida ao Ceará, por este ter sido um dos primeiros estados a realizar o levantamento do potencial através de medidas de vento. Os melhores potenciais eólicos no Brasil estão no litoral das regiões Norte e Nordeste, onde a velocidade média do vento, a 50 m do solo, é superior a 8 m/s. Embora, outras regiões também apresentam grande potencial eólico, destacando se o Vale São do Francisco, o Sudoeste do Paraná e o Litoral Sul do Rio Grande do Sul. 4
GERAÇÃO EÓLICA Introdução Segundo dados do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica (CRESESB/CEPEL), o potencial eólico brasileiro é da ordem de 140.000 MW. Serviço de manutenção em pá de 32 m de uma TE de 1,5 MW Corte de uma TE TE da Enercon, de 4,5 MW localizada próximo a Magdeburg, Alemanha 5
GERAÇÃO EÓLICA Introdução A figura a seguir mostra o potencial eólico brasileiro indicando a velocidade média do vento em cada região. Potencial eólico brasileiro (velocidade média do vento). 6
GERAÇÃO EÓLICA Introdução A figura a seguir mostra o potencial eólico brasileiro indicando a velocidade média do vento em cada região. Potencial eólico brasileiro (velocidade média do vento). 7
Potencial Eólico O vento é influenciado pela rotação da terra, que provoca variações sazonais na sua intensidade e direção, e pela topografia local. Para utilizá-lo na produção de energia, é necessário conhecer e coletar dados e informações sobre seu comportamento. Com medidas de direção e intensidade, normalmente realizadas com anemômetros, obtêm-se estimativas do comportamento dos ventos por tratamento estatístico. O resultado do processamento desses dados é representado por mapas cartográficos com isolinhas de velocidade média, calmaria, de velocidade máxima e de fluxo de potência média ou potência média bruta (W/m 2 ). 8
Potencial Eólico No tratamento dos dados, a curva mais importante, a partir da qual quase todas as outras podem ser obtidas, é a da frequência das velocidades, que fornece o período de tempo (em termos percentuais) em que uma velocidade foi observada. D curva de frequência de velocidades também se obtém a curva de energia disponível (Wh/m²), também conhecida como potência média bruta ou fluxo de potência eólica. Outras curvas importantes são as que fornecem o período de calmaria e a de ventos fortes ou velocidade máxima. O conhecimento da velocidade média do vento é fundamental para a estimativa da energia gerada. 9
Potencial Eólico Com o conhecimento da velocidade média do vento é possível estimar a energia a ser gerada. Esta informação é de extrema importância, porque os aerogeradores (Turbinas eólicas) começam a gerar numa determinada velocidade de vento de partida e param de gerar quando a velocidade ultrapassa determinado valor, estabelecido por questões de segurança, sendo, importante registrar a frequência das calmarias e dos ventos fortes. Isso também se faz necessário para o correto dimensionamento do sistema de armazenamento. 10
O Sistema Eólico Os principais componentes de um sistema eólico são: Rotor, Transmissão, Controle, Gerador, Retificador e Iinversor. 11
O Sistema Eólico A configuração básica dos sistemas eólicos para a produção de energia elétrica é apresentada na figura a seguir: Figura Diagrama de blocos de um sistema eólico No diagrama destaca-se o conjunto denominado aerogerador (TE), que consta do rotor e hélices, da transmissão, do gerador elétrico, do sistema de controle, do retificador e do inversor. 12
O Sistema Eólico O rotor é o componente destinado a captar a energia cinética dos ventos e convertê-la em energia mecânica no eixo. Pode-se ter um rotor de eixo horizontal (rotor hélice, rotor multipás, etc.) ou rotor de eixo vertical. A transmissão é o mecanismo que transmite a energia mecânica do eixo do rotor ao eixo do gerador. O gerador é o componente que tem a finalidade de converter a energia mecânica gerada no rotor em energia elétrica. Diversos tipos de geradores podem ser utilizados, dependendo da aplicação: gerador de corrente contínua, síncrono e de indução. Para aplicações isoladas, costumase usar um gerador síncrono associado a um retificador, obtendo-se tensão em corrente contínua. Neste caso, pode-se usar um sistema de armazenamento em baterias. Quando o sistema de geração eólico opera conectado à rede elétrica, os geradores podem ser síncronos ou assíncronos (de indução). 13
O Sistema Eólico O sistema de controle é constituído por uma série de sensores (sensor de vento, rotação do rotor, etc.) que irão fornecer os dados que permitirá o funcionamento harmônico e seguro de todo o sistema, com o melhor aproveitamento possível do vento. O suporte estrutural é constituído, principalmente, pela torre e pela gávea giratória. Para sistemas isolados o sistema de armazenamento de energia é formado pelas baterias, cuja finalidade é armazenar energia nas horas em que a potência disponível for maior que a necessária, para ser utilizada quando a situação for inversa. 14
O Sistema Eólico Exemplos de turbinas eólicas Pequena Média Grande) 15
O Sistema Eólico Desenho esquemático de uma turbina eólica 16
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) As TE podem ser classificadas segundo diversos critérios. Os mais comuns são: Quanto à orientação do eixo Quanto à posição do rotor Quanto ao número de pás 17
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na horizontal; Eixo na vertical. 18
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na Horizontal As turbinas de eixo horizontal é o tipo mais comum, figuras anteriores. Elas são sempre orientadas na direção do vento médio por algum mecanismo automático. O mais simples é o aerofólio de cauda, montando a jusante do rotor. A TE de grande porte não possuem o aerofólio e seu direcionamento é feito por servo-motores acionados por anemômetros direcionais. 19
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na Vertical As turbinas eólicas de eixo vertical podem ser de três tipos: Darrieus Savonius Panémones. Os três tipos funcionam devido a um mesmo princípio aerodinâmico, que é a criação de forças tangenciais desbalanceadas em torno do eixo. 20
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na Vertical do tipo Darrieus Os rotores Darrieus são constituídos por dois ou três aerofólios, formando arcos, ou retos. Os aerofólios são montados com os bordos de ataque sempre no mesmo sentido ao redor do eixo, de modo que, independente da direção do vento, existe sempre uma resultante da força de arrasto que faz o rotor girar. 21
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na Vertical do tipo Darrieus TE do tipo Darrieus. Pás curvas (esquerda) e retas (direita). 22
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na Vertical do tipo Savonius Nos rotores Savonius o rotor consiste numa chapa dobrada em forma de S ou em dois semi-cilindros, presos ao eixo. Eixo na Vertical do tipo Panémones Os rotores Panémones são semelhantes a anemômetros de concha, com calotas semisféricas pressas ao eixo. 23
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Eixo na Vertical do tipo Savonius e Panémones TE do tipo Savonius (esquerda). Utilizada para bombeamento de água. TE tipo Panémones (direita). Modelo experimental. 24
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto à orientação do eixo Dentre os três tipos, o mais utilizado atualmente é o tipo Darrieus, devido à sua construção mais simples. Tanto os rotores Savonius quanto os Panémones apresentam construção mais complexa à medida que seu tamanho aumenta. 25
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto às pás do rotor Rotor a montante Rotor a jusante 26
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto às pás do rotor Rotor a montante Nas TE com rotores a montante, o vento passa pelo rotor antes de passar pelo corpo da máquina. A maior vantagem deste tipo é evitar a sombra causada pelo corpo sobre o rotor. É o tipo mais comum. As desvantagens são que as pás do rotor precisam ser bastante rígidas e colocadas a alguma distância da torre e a TE precisa de um sistema de orientação, pois seu equilíbrio direcional é instável. 27
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto às pás do rotor Rotor a montante 28
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto às pás do rotor Rotor a jusante As TE de rotor a jusante, têm o vento passando pelo rotor depois de passar pelo corpo da máquina. Elas têm a vantagem de não precisar de sistema de orientação, pois seguem o vento passivamente. Em TE de grande porte isso pode ser uma vantagem duvidosa, devido a problemas construtivos. A desvantagem é o fato do rotor estar situado na sombra do corpo e da torre. 29
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto às pás do rotor Rotor a jusante 30
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto ao número de pás Rotores de uma pá; Rotores de duas pás; Rotores de três pás; Rotores de Muitas pás. 31
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto ao número de pás O número de pás nas TE é geralmente pequeno, quando a finalidade é a geração de energia elétrica, variando entre uma a três. Os modelos de três pás são os mais comuns. O número de pás de uma TE varia em função de sua rotação, da velocidade do vento e de considerações estruturais. As TE de muitas pás (12, 18 ou 24, em geral) são conhecidas cata-ventos, e geralmente são utilizados para realização de trabalho mecânico, como moagem e bombeamento de água em fazendas. 32
Classificação das Turbinas Eólicas (aerogeradores) Quanto ao número de pás A figura (esq. e centro) mostra exemplos de TE com uma, duas e três pás. A figura (dir.) mostra um cata-vento, TE com muitas pás (12, 18 ou 24, em geral). Rotores de uma pá (centro) Rotores de duas e três pás Rotor de muitas pás (dir.) utilizando em bombeamento de água 33
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) A potência total de uma massa de ar com velocidade V, atravessando uma área A, pode ser calculada por: Onde: P d 0,5 d A V d = Densidade do ar no local (~1,29 kg/m³); A = Superfície atravessada pela massa de ar; (m²); V = Velocidade do vento na altura desejada, em (m/s) No caso dos aerogeradores, a potência pode também ser calculada por meio dessa fórmula, considerando-se a área 3 (A) como a superfície traçada pelas pás do rotor. 34
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Para fins de comparação da potência eólica a diferentes velocidades e em diversos locais, é mais prático considerar a potência por unidade de área (Pd/A). Define-se Pd/A como fluxo de potência eólica ou potência média bruta (W/m²). Esse fluxo é perpendicular e proporcional à área dos coletores (rotor) dos aerogeradores (TE). O aspecto mais relevante é que a potência do vento é proporcional ao cubo de sua velocidade. Isso significa que pequenas variações de velocidades de vento podem ocasionar grandes variações de potência. 35
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) De modo geral, a potência eólica aumenta com a altura acima do nível do terreno, pelo menos até níveis de interesse prático (cerca de 150 m). A mudança da velocidade do vento com a altura pode ser estimada através da fórmula: V V H / H ) 0 ( 0 Onde: V = velocidade do vento na altura desejada; V0 = velocidade do vento disponível na altura conhecida; H = altura desejada; H0 = altura conhecida; n = fator de rugosidade do terreno (tabela a seguir). n 36
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Tabela Fator de rugosidade dos terrenos. (mostra os valores dos fatores de rugosidade dos diversos tipos de terrenos planos) 37
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) A potência eólica convertida em eletricidade depende da área do rotor e do rendimento do aerogerador, formado pela multiplicação dos seguintes rendimentos: t B A G Onde: B = eficiência teórica (Betz); A = rendimento aerodinâmico (pás e rotor); G = rendimento do gerador. 38
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) A configuração geral do sistema eólico, determinada pelo tipo de aplicação e potência, vai indicar o rotor e o gerador ideais cujo rendimento é fornecido pelo fabricante. Assim: P P el d Deste modo podemos adotar que a eficiência da conversão da energia cinética eólica em energia elétrica é de aproximadamente 30% ( B = 0,4; A = 0,95; G = 0,80). P 0, 3 P el d t 39
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Nota-se que, assim como para geração hidrelétrica e solar, se não houver armazenamento, o fator de capacidade é uma variável intrinsecamente ligada às condições climáticas (no caso, velocidade do vento). Trata-se, no fundo, da relação entre o vento médio e o vento máximo (ou outro menor, que define potência instalada). O armazenamento (bateria, para geração eólica e solar; e barragem, para hidrelétrica) permite maior regularização e aumento do fator de capacidade. 40
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Figura Gráfico de potência da operação normal. (O Gráfico descreve o gráfico de potência da operação normal de um tipo de turbina eólica) 41
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Com ventos na velocidade de partida V0 (cut-in), a turbina começa a produzir eletricidade, chegando à potência nominal quando o vento alcança a velocidade especificada nominal de projeto VN. Para ventos de velocidade excessiva Vc (cut-out) a turbina é desligada. O fator de capacidade total para os aerogeradores gira em torno de 0,25 a 0,60. 42
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Para o Brasil, mais especificamente para a região nordeste, dada a homogeneidade de ventos de algumas regiões, como Fernando de Noronha e Rio Grande do Norte, acredita-se que o fator de capacidade total possa atingir 0,5, e, consequentemente, uma geração eólica mais competitiva (sistema eólico sem armazenamento). Na tabela a seguir são mostrados os diversos acontecimentos na superfície da terra devido às variações da velocidade do vento. 43
Potência e Energia Geradas pelos Sistemas Eólicos (aerogeradores) Tabela Como avaliar a velocidade do vento 44
Impactos Ambientais dos Sistemas Eólicos O impacto ambiental causado pelas turbinas eólicas existe, porém, além de ser de outro tipo, é muito pequeno quando comparado com o de hidrelétricas e termelétricas. Atualmente esses impactos, além daquele causado pelo uso de baterias, só são considerados mais seriamente em alguns poucos países onde a questão ambiental se encontra mais avançada. Destacam-se dentre eles: Ruídos Colisão de Pássaros Impacto Visual e Aceitação Pública 45
Impactos Ambientais dos Sistemas Eólicos Ruídos Os geradores eólicos produzem ruído (especialmente nas pás), que aumenta de acordo com a velocidade do vento. Embora seja impossível eliminá-los por completo, turbinas modernas produzem ruído em nível bem abaixo das convencionais. Embora poucos países possuam normas quanto ao nível de ruído, elas são necessárias para garantir a aceitação pública de turbinas de grande porte e assegurar que os fabricantes desenvolvam projetos com baixo nível de ruído. 46
Impactos Ambientais dos Sistemas Eólicos Colisão de Pássaros O impacto das fazendas eólicas sobre a população local de pássaros tem causado preocupações aos ecologistas. No entanto, segundo análises feitas nas fazendas eólicas, o número de mortes de pássaros por colisão com as turbinas é bem menor que aquele causado pelas linhas de alta tensão. Na Califórnia, por exemplo, a cada mês morre um pássaro devido a colisão com turbinas eólicas. Neste contexto, deve citar-se também a interferência dessas fazendas nas rotas migratórias das aves. 47
Impactos Ambientais dos Sistemas Eólicos Impacto Visual e Aceitação Pública Em algumas áreas pode haver conflitos entre preservar a paisagem natura1 e a necessidade de substituir uma fonte de origem fóssil, que é bem mais danosa ao meio ambiente. Embora a solução para essa questão não seja fácil, a exclusão de algumas áreas no desenvolvimento de projetos eólicos pode minimizar esse impacto. A aceitação pública, mais crítica em projetos de grande porte, depende da educação e da participação nas decisões locais. É importante que o público receba toda informação necessária quanto às diversas fontes alternativas de energia, para que possa influir no processo decisório. 48
Expansão da Geração Eólica no Brasil Possíveis Barreiras à Expansão da Geração Eólica no Brasil A dificuldade do setor elétrico brasileiro a tratar fontes de comportamento intermitente e de natureza aleatória; Falta de informações consistentes sobre a base de recursos energéticos em âmbito local, regional e nacional; Ausência de dados relativos a impactos sócio-econômicos e sobre a interferência nas atividades humanas; Falta de metodologias padronizadas apropriadas para coleta, organização e armazenamento de dados de projeto, implantação e desempenho dos sistemas eólicos; 49
Expansão da Geração Eólica no Brasil Possíveis Barreiras à Expansão da Geração Eólica no Brasil (Continuação) Políticas energéticas mais efetivas de incentivo a fontes alternativas; Dificuldade de obtenção de informações sistematizadas sobre as tecnologias já amadurecidas disponíveis, sobretudo em âmbito mundial; Dificuldade para estabelecimento de metodologias e guias técnico-econômicos para a avaliação de projetos relativos a novos sistemas. 50
Expansão da Geração Eólica no Brasil Possíveis Ações de Incentivo à Expansão da Geração Eólica no Brasil Intensificação dos esforços de levantamento de dados confiáveis sobre potencial eólico em locais promissores com ênfase nos litorais Norte e Nordeste; Desenvolvimento de parques eólicos offshore com linhas de financiamentos especiais; Incentivos à pesquisa e desenvolvimento de métodos e tecnologias em busca de soluções para integração desses sistemas à rede de energia elétrica considerando estudos de complementariedade, geração de ponta e custos evitados da transmissão da energia elétrica. 51
Custos da Energia Eólica Considerando o grande potencial eólico existente no Brasil, espera-se que venha ser possível produzir eletricidade a custos competitivos com centrais termoelétricas e nucleares, e até com hidroelétricas, devido aos impactos ambientais destas usinas; Análises dos recursos eólicos medidos em vários locais do Brasil mostram a possibilidade de geração elétrica com custos da ordem de US$ 70 - US$ 80 por MWh; Quase toda a área ocupada pela central eólica pode ser utilizada (para agricultura, pecuária, etc.) ou preservada como habitat natural. 52
Exercício Proposto 1) Em um terreno plano com poucas árvores deseja-se instalar um gerador eólico. Sabendo-se que a velocidade média do vento a uma altura de 2 metros é de 3 m/s e que a torre do gerador terá 100 metros de altura, determine: a) A velocidade do vento para a altura da torre; b) A potência da massa de ar quando esta passa pela área traçada pelas pás do rotor; c) A potência elétrica produzida pelo gerador; d) A potência elétrica entregue para a carga em corrente alternada; e) A energia gerada por este gerador eólico, em corrente alternada durante um ano. Dados: Densidade do ar: d = 1,29 (kg/m³); Eficiência teórica do vento (Betz): B= 0,4; Rendimento aerodinâmico (pás e rotor); A = 0,94; Rendimento do gerador: G = 0,85; Rendimento do conjunto inversor: I = 0,95; Comprimento das pás: l = 30 (m); Fator de capacidade: FC = 0,6. 53