Potencial eólico brasileiro e sua viabilidade econômica

Centrais eólicas Silvana J S Diniz 231 Baseado no curso Fundamentos do setor elétrico da UFG 1 Geração eólica A energia eólica ao longo dos anos antes mesmo se ser usada para geração de energia elétrica vem sendo u9lizada em diversas aplicações Impulsionar barcos à vela Bombear água Moer de grãos cataventos ou moinho de vento 2 Geração de energia elétrica a partir da energia eólica no Mundo O Brasil está atualmente na 6ª posição no ranking de capacidade total instalada de energia eólica onshore Para fins de comparação em 2012 ocupávamos o 15º lugar E em termos de capacidade gerado já ocupamos o 3º lugar 3 Geração de energia elétrica a par2r da energia eólica no Brasil 4 Fonte ABEEÓLICA 2022 Potencial eólico brasileiro A energia eólica é uma alterna4va atraente para a composição do parque gerador brasileiro e sua diversificação Este recurso pode ser explorado em várias regiões do Brasil Uma vantagem da energia eólica é a diversificação da matriz sem risco hidrológico 5 6 Potencial eólico brasileiro O atlas do Potencial Eólico de uma região obje8va fornecer informações que capacitam os empreendedores na iden8ficação de áreas adequadas para aproveitamentos do recurso eólico O atlas apresenta as caracterís8cas das região como Relevo Sazonalidade E caracterís8cas de vento da região tendo como base medições anemométricas de qualidade para projetos eólicos Viabilidade do projeto Após a iden2ficação do local são instaladas as torres anemométricas a fim de determinar as caracterís2cas do recurso eólico local Em seguida é determinada a viabilidade técnicoeconômica para implantação de um parque eólico Para determinar a sazonalidade da região pelo menos um ano completo de medição é necessário 7 Comportamento eólico A variação do recurso eólico é de natureza estocástica estatística e nãocontrolável da variação de velocidade do vento ao longo do tempo O comportamento do vento velocidade é influenciado pelas características topográficas da região Os procedimentos para avaliar o local no qual se deseja instalar turbinas eólicas devem considerar todos os parâmetros regionais que influenciam nas condições do vento 8 Fatores de influência no regime dos ventos Variação da velocidade com a altura ou o perfil ver9cal de velocidade do vento Rugosidade do terreno z0 que é caracterizada pela vegetação u9lização da terra e construções Presença de obstáculos nas redondezas E o relevo da região o qual pode causar efeito de aceleração ou desaceleração do vento A velocidade do vento pode variar significa9vamente em curtas distâncias em uma região 9 Influência do terreno no comportamento eólico 10 Apenas a par7r de mil metros de altura a super8cie terrestre perde a influência significa7va sobre a velocidade do vento Bosques e cidades influenciam muito planícies pouco e lagos e o mar não influenciam Perfil vertical da velocidade do vento É importante na determinação do projeto de uma turbina eólica Se for considerada uma turbina eólica por exemplo de 80 metros de altura de eixo e um diâmetro de rotor de 80 metros notase que a velocidade de vento que aBnge a extremidade superior da ponta da pá à 120 metros de altura é diferente da velocidade que aBnge a extremidade inferior da ponta da pá à 40 metros de altura Isto significa que as forças que atuam no rotor da turbina eólica são influenciadas pelo perfil verBcal de velocidade de vento 11 A velocidade do vento em função da altura É dada pela seguinte expressão 12 O fator de capacidade FC É um indicador da produção energé9ca e consequentemente do potencial de instalação de turbinas eólicas em um local É importante critério de decisão de escolha da viabilidade técnica e econômica da usina Diferentes locais estações usando o mesmo modelo de turbina apresenta diferentes fatores de capacidade função da velocidade média dos ventos Valores Gpicos para locais que possuem um bom regime de vento 35 FC 45 13 Energia gerada Potência nominal Horas de um ano Distribuição de Weibull É a distribuição esta2s3ca u3lizada para o estudo das caracterís3cas do vento Esta distribuição se caracteriza por dois fatores O fator k conhecido como fator de forma E o fator c conhecido como fator de escala A função densidade de probabilidade de Weibull das velocidades do vento V é apresentada ao lado 14 Distribuição da Direção do Vento Estudos da distribuição e da direção do vento auxiliam na determinação da energia disponível no vento da disposição das turbinas no parque eólico e da máquina a ser utilizada 15 Aspectos básicos das tecnologias de turbinas eólicas Uma turbina eólica é uma máquina capaz de converter a velocidade do vento em energia elétrica O processo de conversão de energia em uma turbina eólica é 16 Conversão de Energia A conversão de energia consiste no processo de transformar a energia de uma forma para outra Este é um fenómeno que ocorre em diversos contextos como na produção de energia elétrica Na geração de energia elétrica que utiliza a energia do movimento dos ventos energia eólica a conversão de energia se dá seguinte forma A máquina envolvida no processo de captar a energia cinética é chamada de máquina de fluxo 17 Máquinas de fluxo turbo machine Nas máquinas de fluxo o meio operante é um fluido que em sua passagem pela máquina interage com um elemento rotavo não se encontrando confinado Veja na tabela abaixo que são portanto a base da produção de energia elétrica mundial Para que essas máquinas possam ser usadas na geração de energia eólica alguns po de captores eólicos são ulizados 18 FLUIDO DE TRABALHO DESIGNAÇÃO líquido turbina hidráulica e bomba centrífuga gás neutro turbina eólica ventilador turbocompressor vapor água freon etc turbina a vapor turbocompressor frigorífico gás de combustão Turbina a gás motor de reação CAPTADOR EÓLICO EIXO VERTICAL Esse tipo de equipamento não precisa de mecanismos de controle para alterações de direção dos ventos diminuindo assim a complexidade do projeto da turbina Contudo ele apresenta alguns pontos que desfavorecem a aplicação para projetos que necessitam de uma geração mais acentuada Entre eles está o fato de que caso seja necessário a substituição do rolamento principal do rotor por desgaste por exemplo todo o equipamento precisa ser desmontado Além disso o arranque inicial é forçado ou seja precisa ser empurrado para que inicie o funcionamento Mas apesar disso tudo ele ainda é uma alternativa a turbinas com rotores horizontais de pequeno porte 19 EIXO VERTICAL CAPTADOR EÓLICOS EIXO HORIZONTAL Já esse é tipo mais difundido e utilizado dos aerogeradores principalmente para implantação de parques eólicos Ele opera movimentandose através das forças de sustentação que atuam de forma perpendicular ao escoamento e das forças de arrasto que atuam na direção do escoamento Para esse tipo é necessário a utilização de acionamentos que alterem a direção do rotor de acordo com a direção dos ventos para que não haja vibrações na estrutura Os mais comuns possuem três pás mas também existem outros com duas ou até uma pá diminuindo assim o custo com o material empregado E para que eles funcionem corretamente possuem vários componentes que forma o seu conjunto e possibilitam a geração de energia 20 EIXO HORIZONTAL PRINCIPAIS COMPONENTES DOS AEROGERADORES HORIZONTAIS 21 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS AEROGERADORES TORRE Serve para dar sustentação ao restante dos equipamentos e de posicionamento para a nacele que fica sobreposta à estrutura e são geralmente feitas em formato cônico de aço ou concreto ou na forma de treliças aço galvanizado ROTOR O rotor é a parte composta pelas pás geralmente três do equipamento e o cubo para que seja possível obter a energia mecânica dos ventos e transmitir através do eixo central que por sua vez mantém contato com a caixa de transmissão O rotor tem de 60m a 150m de diâmetro e conta com um sistema hidráulico para captar os ventos em várias direções PÁS As pás são perfis aerodinâmicos projetados para garantir a melhor obtenção da energia do vento São produzidas com materiais leves e resistentes como a fibra de vidro ou de carbono NACELE Essa é a parte mais pesada da estrutura cerca 100 ton Nessa cabine estão compostas várias partes do aerogerador como caixa de transmissão transformador etc Ela funciona como uma estação de operação e manutenção onde os funcionários entram e realizam algumas correções no funcionamento 22 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS AEROGERADORES CAIXAS DE TRANSMISSÃO Conhecida por gear box é onde acontece o aumento da velocidade que vem do rotor para uma velocidade na qual o gerador possa operar É consEtuído por um conjunto de engrenagens que juntas conseguem um fator mulEplicador da ordem de 120 vezes elevando rotações e fornecendo ao eixo um aumento que permite o funcionamento do gerador GERADOR Esse é o disposiEvo responsável pela conversão da energia mecânica de rotação do eixo em energia elétrica Fica instalado no interior da nacele e pode ser síncrono ou assíncrono ANEMÔMETRO Esse equipamento é uElizado para fazer medições da velocidade média do vento no local Fica posicionado na Nacele para captar com maior fidelidade os ventos que chegam até o rotor do aerogerador Com seus dados é possível gerar os gráficos da curva de potência das turbinas e realizar estudos de produção dos parques BIRUTA SENSOR DE DIREÇÃO Esse sensor fica junto do anemômetro e seu papel é mensurar qual a direção do vento Ao enviar essas informações pro sistema de controle as ações podem ser tomadas 23 Aspectos básicos das tecnologias de turbinas eólicas Essas etapas do processo de conversão são realizadas pelo Rotor aerodinâmico Sistema de transmissão mecânica Gerador elétrico E subestação de transformação A turbina eólica possui um sistema de controle interno responsável pela segurança e otimização da sua operação 24 Cálculo da potência disponível de vento A interação entre o vento e o rotor de uma turbina de eixo horizontal conduz a um torque aerodinâmico que é aplicado ao eixo de rotação dessa turbina e transferido para o gerador elétrico A energia cinéBca de uma massa de ar depende da sua velocidade V podendo ser escrita em termos de potência Pvento considerando uma área A e uma massa específica do ar ρ conforme a equação a seguir A potência disponível no vento é proporcional ao cubo da sua velocidade 25 Coeficiente de potência Esse fator Cp relaciona a potência extraída do vento pelo rotor com a potência disponível no vento que atravessa uma área igual à área do rotor da turbina O Cp determina a potência que uma determinada turbina pode extrair do vento para velocidades de vento e velocidades de rotação específicas 26 Zonas da curva de potência das turbinas Observase três zonas dis5ntas Na primeira zona a turbina não é capaz de extrair potência do vento durante as velocidades de vento mais baixas Na segunda para um aumento da velocidade de vento a turbina é capaz de obter uma maior extração de potência do vento e a potência gerada é crescente Na terceira para velocidades de vento mais altas a turbina não aumenta a extração de potência e a potência gerada permanece em torno da sua potência nominal devido à regulação da potência 27 Regulação de potência É necessária para que a extração seja concordante com as características do gerador elétrico e da estrutura das turbinas eólicas 28 Curvas de potência de turbinas eólicas 29 Potência x Velocidade do vento Nestas turbinas o ângulo de passo da pá é controlável isso significa dizer que o perfil aerodinâmico da pá pode ser alterado mantendose um controle sobre o coeficiente de potência Cp da turbina a fim de manter constante a potência gerada para um incremento na velocidade de vento em faixas mais elevadas Controle de pitch é normalmente uClizado em turbinas de grande porte Durante as condições normais de operação com a faixa de vento entre 3 até 15 o ângulo de pitch é ajustado no seu valor óCmo para captar a máxima energia dos ventos 30 Regulação por pitch Regulação por stall passivo Nestas turbinas o ângulo de passo é constante e o perfil aerodinâmico das pás é projetado para que as perdas na extração de energia do vento sejam maiores em faixas de velocidade mais altas que em sua curva de potência correspondem às potências mais próximas da potência nominal As pás da turbina são projetadas de maneira que quando a velocidade do vento supera o limite máximo esEpulado turbulência é gerada na superFcie da pa que não está virada para o vento Esse Epo de controle é bastante robusto e economicamente interessante ja que não se possui atuadores mecânicos sensores ou controladores Stall passivo geralmente é uElizado em turbinas pequenas e médias 31 Tecnologias de geradores elétricos em turbinas eólicas O gerador é o elemento final responsável pela conversão da energia eólica em energia elétrica Os geradores usados são geradores de corrente alternada que podem ser Síncronos Assíncronos de indução 32 Geradores Síncronos Operaram com velocidade de rotação variável Necessitam de inversor de frequência para realizar a integração com o sistema elétrico manter frequência constante Além disso o inversor realiza a compensação estáDca de energia reaDva Necessitam de sistemas de controle mais precisos para sincronização com a rede Necessitam de suavização de impactos na rede elétrica com relação às rajadas de vento A necessidade de controle tornavam os custos de fabricação mais altos e muitas vezes eram impediDvos para o uso dessa tecnologia 33 Nesse po de turbina o eixo do rotor é conectado diretamente ao eixo do gerador síncrono Como exemplo temse uma turbina eólica de velocidade variável desenvolvida pela Enercon GmbH uma empresa mulnacional alemã e também fabricada no Brasil pela subsidiária Wobben Wind Power Esse po de máquina é comumente denominado por turbina de velocidade variável 34 Geradores Síncronos Foi um dos responsáveis pelo desenvolvimento acelerado da indústria eólica A robustez do gerador assíncrono e os custos mais baixos proporcionaram turbinas eólicas que pudessem ter uma tecnologia competitiva para a geração de energia Sua flexibilidade com relação à integração elétrica permitiu uma operação segura e o desenvolvimento da tecnologia possibilitou a minimização dos impactos na rede elétrica 35 Geradores Assíncronos Geradores Assíncronos Possuem velocidades de rotação consideradas constantes e podem ser conectados diretamente à rede elétrica Não é necessário o uso de inversores de frequência na conexão com a rede Necessitam de um multiplicador de velocidades para realizar a ligação entre o eixo do rotor da turbina e o eixo do gerador já que este opera em velocidades muito mais altas do que o rotor da turbina 36 Uso da eletrônica de potência através dos inversores eletrônicos Permitiu o desenvolvimento de um sistema que flexibilizou o uso das máquinas síncronas com inversores completos para conexão com a rede elétrica Os inversores também passaram a ser integrantes em máquinas de indução principalmente com o uso dos geradores assíncronos com rotor bobinado Com o uso dos inversores eletrônicos de frequência e geradores de velocidade variável é possível o controle da velocidade de rotação das turbinas Isso permite maiores opções de controle possibilitando um controle dinâmico tanto na potência ativa como na potência reativa do gerador Uma das diferenças entre as tecnologias velocidade fixa e velocidade variável reside no comportamento dinâmico da potência elétrica gerada 37 Tecnologias encontradas atualmente Os geradores assíncronos com rotor curtocircuitado rotor de gaiola são os mais utilizados para geração eólica em todo o mundo Existem tecnologias que utilizam geradores assíncronos com rotor bobinado e duplamente alimentado Além dos geradores síncronos normalmente usados em turbinas eólicas de velocidade variável existem as tecnologias que utilizam geradores síncronos com excitação por ímã permanente 38 Controle de potência reativa Diferencia as duas tecnologias de turbinas eólicas Síncronas e assíncronas Em turbinas de velocidade variável Síncronas é realizado através do próprio inversor pois este pode governar o ângulo de fase da corrente em relação ao da tensão do gerador Em turbinas assíncronos o controle é realizado através de bancos de capacitores Os geradores assíncronos apenas demandam da rede elétrica a energia reaFva necessária para a sua excitação 39 Conexão de turbinas eólicas à rede elétrica A geração eólica apresenta variabilidades velocidades regime dos ventos A tecnologia na conexão das turbinas eólicas com a rede elétrica objetiva manter o sincronismo da operação da turbina em relação à frequência da rede elétrica 41 Centrais eólicas É o conjunto de turbinas eólicas dispostas em um determinado local e conectadas a um mesmo ponto da rede elétrica Outras designações também são usadas tal como parque eólico e fazenda eólica 44 Em um parque eólico é importante que as turbinas eólicas estejam dispostas de maneira que uma não cause distúrbios na operação de outra 45 Centrais eólicas Centrais eólicas Quando compostas por uma quan4dade grande de turbinas ocupam um terreno de tamanho considerável O comportamento dinâmico do parque eólico é afetado pelo seu tamanho diferentes velocidades de vento As velocidades de vento rela4vas às turbinas individuais podem apresentar diferenças significa4vas dificultando que todas as turbinas alcançem a geração máxima simultaneamente A variação dinâmica da potência produzida nas centrais é mais uniforme quando se compara com a geração em uma turbina individual alisamento de potência elétrica 46 SISTEMAS EÓLICOS ONSHORE Os parques eólicos onshore são as infraestruturas encarregadas de gerar energia elétrica a partir do vento que sopra em localizações em terra Os parques eólicos onshore normalmente são instalados em áreas rurais despovoadas isoladas dos núcleos populacionais para evitar que o ruído incomode os habitantes 47 SISTEMAS EÓLICOS OFFSHORE A energia eólica offshore é a fonte de energia limpa e renovável que se obtém aproveitando a força do vento que sopra em altomar onde este alcança uma velocidade maior e mais constante devido à inexistência de barreiras Atualmente os parques eólicos offshore estão localizados em águas não muito profundas até 60 metros de calado e afastados da costa das rotas de tráfego marinho das instalações estratégicas navais e dos espaços de interesse ecológico 48 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 49 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 50 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 51 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 52 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 53 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 54 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 55 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 56 PRINCIPAIS PARQUES EÓLICOS NO BRASIL 57 PARA REFLETIR Você sabe por exemplo quais elementos são considerados para se definir um projeto eólico Sabe se é realizado algum experimento antes da implantação para garantir maior êxito com esse tipo de projeto O que seria um parque eólico E sobre Atlas do Potencial Eólico o que você conhece Na sua opinião que região é mais apropriada para implantação de projetos eólicos Quais vantagens e desvantagens apresentam as geradoras de energia elétrica eólicas 58 Bibliografia Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL Atlas de Energia Elétrica do Brasil MME Ministério de Minas e Energia Atlas 2002 Empresa de Pesquisa EnergéCca EPE disponível em hIpwwwepegovbracessoainformacaoPaginasinsCtucionalaspx Acesso em 14 jul 2015 Atlas de Energia Elétrica do Brasil 3ª edição ANEEL Fundamentos do setor elétrico curso EAD disponível em hIpwwwlabCmeufgbrmodulosaneel Acesso em 30 mar 2022 MarCns B G SISTEMAS DE ENERGIA SIE IFSC 2009 IBERDROLA disponível em hIpswwwiberdrolacom Os 10 maiores parques eólicos do Brasil disponível em hIpsepbrcombros10maiores parqueseolicosdobrasil 59