Desafios e oportunidades na utilização da energia eólica e a experiência da CEMIG Considerações gerais sobre a energia eólica
Aspectos técnicos e econômicos de um projeto eólico dimensionamento
A energia eólica no Brasil A energia eólica em Minas Gerais
SME-- Set 2010 SME
Alexandre Heringer Lisboa
TURBINAS EÓLICAS FORÇAS AERODINÂMICAS:
• Arrasto : força na direção do vento • Sustentação : força na direção ortogonal ao vento
vento vento
ARRASTO
SUSTENTAÇÃO
2
Fonte: Selenio, 2000
• O vento, ao incidir sobre as pás do rotor, faz o mesmo girar provocando um torque no eixo no qual está acoplado uma caixa de engrenagens. • Nesta caixa a rotação do eixo, da ordem de 25 a 45 rpm é aumentada para cerca de 1000 a 1500 rpm, dependendo da máquina. • Esta rotação aumentada é transmitida até um gerador elétrico onde é produzida a eletricidade. • Em algumas máquinas eólicas não existe essa caixa de engrenagens, que é compensada por um aumento de pólos do gerador.
4
Pesos aproximados dos principais componentes de um aerogerador Potencia nominal:
1.5 MW
modelo:
Südwind S77/1500
Pás/rotor:
6.5 t (length: 37.3 m)
Hub (incl. pitch-system):
2.5 MW Nordex N90/2500 10.2 t (length: 43.8 m)
15.5 t
25 t
Rotor (complete):
35 t
55 t
Nacelle (s rotor/hub):
56 t
91 t
Eixo principal:
n.s.
11.6 t
Cx engrenagem:
14 t
18.5-20 t
Gerador:
7t
10 t
Rolamento da nacelle:
n.s.
2.3 t
247.7 t
306.3 t
Torre tubular de aço:
(100 m, DIBt 2) Source: http://sales.nordex-online.com; 06/2009
Classificação das Turbinas Eólicas
Quanto ao gerador elétrico: ☯Assíncronos ou de indução ☯Síncronos Quanto à orientação do eixo: ☯ Eixo vertical: plano de rotação das pás paralelo à direção do vento. Ex:Darrieu(foto), Savonius ☯ Eixo horizontal: As pás giram numa direção perpendicular ao vento, utilizando a força de sustentação. Ex. multipás e a grande maioria dos geradores eólicos. Quanto à posição das pás em relação ao vento e à torre: Downwind : vento à jusante Upwind: vento à montante Dados de um gerador eólico: ☯Velocidades de partida, nominal e de corte, tensão, corrente, relação de multiplicação, curva de potência,curva de energia. ☯O desempenho do gerador eólico está relacionado com o fator de capacidade (FC) 7 = Eproduzida/Enominal, embora não seja fator determinante.
Classificação das Turbinas Eólicas
Quanto ao controle de potência das turbinas eólicas: ☯ Controle por pitch: Um sistema eletrônico monitora continuamente a produção de energia do aerogerador e quando essa se torna acima de um valor prédeterminado é enviado uma ordem ao mecanismo de controle das pás (geralmente hidráulico) para que essas girem levemente para fora da direção do vento. ☯ Controle por stall: É um sistema passivo, no qual as pás são aerodinamicamente construídas para causar uma turbulência na parte posterior, assim que o vento atingir determinada velocidade e assim atenuar o efeito da sustentação. Cerca de 2/3 dos aerogeradores no mundo utilizam esse tipo de controle. ☯ Stall ativo: É um sistema híbrido, que se assemelha ao pitch, porém tem o efeito de fazer com que as pás se virem, no caso de sobrevelocidade, na direção do vento aumentando seu ângulo de ataque e assim provocar um efeito de stall nas pás.
Quanto maior for o número de pás maior será a velocidade (rotação) das mesmas e menor será o torque. Assim, os geradores eólicos tem geralmente poucas pás, enquanto que 8 os cataventos multipás possuem muitas.
DADOS PRINCIPAIS DE UMA TURBINA EÓLICA (FABRICANTES)
Os principais dados das turbinas, que os fabricantes devem disponibilizar aos clientes, para uma primeira avaliação, são a curva de carga e curva de potência, além de parâmetros como: •Velocidade de parada do vento (cut-out) •Velocidade de partida (cut-in) •Velocidade nominal •Potência nominal •Velocidade de corte •Velocidade máxima (sobrevivência) •Potência máxima E características físicas como: Tipo da turbina eólica (eixo horizontal/vertical) •Numero de pás de hélice •Diâmetro do rotor (m) •Altura do cubo (m) • Mecanismo de controle da pá (estol/passo) •Controle de velocidade (fixo/duas velocidades/variável) •Tipo e classificação(ões) (kW) do gerador •Tipo e classificação(ões) (kW) conversor de freqüência
9
Algumas turbinas comerciais gigantes (maio/04) REpower
Enercon
Vestas
(EUA)
(Alemanha)
(Alemanha)
(Dinamarca)
NM-110
GE-3,6 MW
5M
E-112
V90
Potência, kW
4.300
3.600
5.000
4.500
3.000
Diâm rotor, m
110
104
126,5
114
90
9.625
8.495
12.568
10.207
6.362
13 (max)
8,5 - 15,5
6,9 – 12,1
8 -13
9 - 19
14
14
13
14
15
Cut-in/out, m/s
4 / 25
3,5 / 14
Tipo geradores
Assíncrono
Assíncrono
Assincrono
Síncrono
Assincrono
Controle
Pitch
Pitch ativo
Pitch ativo
Pitch ativo
Pitch
Peso nacele, ton
145
-
240
-
-
Peso rotor, ton
69
-
110
-
Altura torre, m
Dependent
dependente
dependent
124 –
Fabricante Tipo
Área do rotor, m² Rot rotor, rpm Veloc. nom., m/s
Rel. multiplicação Notas
NEG-Micon (Dinamarca)
~ 1/85 off-shore
GE-Wind
3,5/30 e 25 2,5 / 28-34
~ 1/97
concreto
4 / 25
dependent
S/cx mult. 10
Estado da arte dos geradores eólicos modernos
• Dimensão comercial: acima de 3 MW e rotor >= 90 m
• Maior rotor: 127 m com um rotor de 150 m em desenvolvimento • Design: 3 pás, controle por pitch e velocidade variável • Com ou sem caixa de engrenagens. • Geradores assíncronos com dupla alimentação ou geradores síncronos com inversores. • Material das pás: fibra de carbono, fibra de vidro ou mistura dos dois. • Torres com alturas de até 160 m, principalmente tubular, mas também existem as vazadas.
Pequenas turbinas eólicas •
• • • •
Alta confiabilidade e baixa manutenção; – projetos simples: poucas partes móveis; – nenhuma manutenção prevista; – custos de O&M: <1¢/kWh; – operação automática Baixo custo ($2 a 2,5/W) (só turbina) Custo da energia no eixo da turbina: 7 - 20¢/kWh; Armazenamento, conversores e gerador de back-up: custo dobra; Sistemas híbridos com PV reduzem variações sazonais; Pequenas turbinas são competitivas quando, p ex:
- rede necessária > 1 km; - custos da energia convencional > 12¢/kWh; - consumo anual > 300 kWh; - ventos médios > 4.4 m/s; Pequenos Geradores Eólicos(EUA): Uma lei federal chamada ITC (Investment Tax Credit), aprovado junto com o pacote de Estabilização Econômica em 2008 disponibiliza um crédito para quem comprar pequenos geradores eólicos (< 100 kW). Os proprietários desses equipamentos podem receber um crédito de 30% sobre o custo dos mesmos, limitado a US$4.000,00. Para aerogeradores usados em residências, o limite de crédito fica entre o menor valor entre US$4.000,00 e US$1.000/kW. Vale somente para os equipamentos instalados a partir de outubro de 2008.
Cataventos multipás Baixas velocidades e grande torque.
Utilizadas principalmente para bombeamento d’água. Recalque: 1000 a 5000 l/h - Custo: R$6.000 a R$16.000
dependendo da altura da torre e tamanho.
( set/2007),
Fonte: World Wind Energy Report 2009
Participação da capacidade eólica mundial (%) dez/2009 2%
2%
14% 22%
3% 3% 3% 7%
16% 12%
16%
Total (2009) = 159.213 MW Fonte: WWEA Report 2009
Estados Unidos
China
Alemanha
Espanha
India
França
Reino Unido
Portugal
Dinamarca
Resto do mundo
Itália
Relação entre Energia e Meio Ambiente
20
EMISSÃO TOTAL DE CO2 NO CICLO DE VIDA
0
200
400
800
1000
1200
(Geração de Energia Elétrica: Renováveis x Combustíveis Fósseis)
22 Segundo o IEA-1998 in Renewable Energy World Nov. 99
Aspectos ambientais A energia eólica, embora considerada por muitos como ambientalmente correta, tem também argumentos contrários. Os impactos mais explicitados são: •
Impacto visual: A presença de inúmeros aerogeradores interfere na paisagem e reflete a luz do sol trazendo desconforto visual. Mitigação: Os fabricantes usam hoje em dia uma pintura mais amigável com a paisagem, além de serem mais foscos, para não refletir tanto a luz do sol. O tamanho maior das turbinas reduz o número de turbinas maiores, atenuando esse impacto visual. Pesquisas feitas na Dinamarca atestaram a boa aceitação da população quanto aos aerogeradores.
•
Geração de ruídos: As maiores fontes de ruídos se localizam na caixa de engrenagens e no ataque do vento nas pás. Mitigação: As modernas máquinas tem menor rotação e caixas de engrenagens mais eficientes. Algumas empresas inclusive já aboliram a caixa. O nível de ruído tem obrigatoriamente limites aceitáveis impostos ao fabricantes (cerca de 45 db). Na Alemanha, os subsídios aos fabricantes davam incentivos financeiros extras, referentes à menor emissão de ruídos e aumento de eficiência.
•
Acidente com animais alados: O caso do falcão real na Califórnia. Respostas: Realmente em Altmont Pass, o fato de que um falcão protegido por lei morreu ao se chocar com um aerogerador provocou polêmicas, mas são muito raros os casos. Na Dinamarca e na Alemanha, algumas aves usam as próprias torres para fazerem o ninho. A pouca rotação das máquinas reduzem esse risco. Pesquisas indicam que os pássaros migradores evitam passar perto de aerogeradores, talvez pela turbulência que os afugentam. Morrem muitas vezes mais pássaros em choque com antenas e LTs que em turbinas eólicas.
Evolução dos custos de fontes convencionais e renováveis Energia Renovável: 1.
Grande potencial para aumento de tecnologia e redução de custos, já que é tecnologia nova.
2.
Disseminada ao redor do globo
3.
Reduzido custo externo e oferta quase ilimitada.
Fóssil e Nuclear:
Energia renovável Energia fóssil e nuclear Custos externos não contabilizados
1.
Recursos abundantes, mas limitados.
2.
Não uniformemente distribuídos geograficamente.
3.
Preços com tendência de alta
4.
Alto poder de poluição e riscos de contaminação (nuclear)
5.
Custos altamente elevados de descomissionamento (nuclear)
Custo da energia x vel. med. vento 1800 1600
4500 4000 3500
1400 1200
3000 2500
1000
2000 1500 1000
600
500 0
200
800 400 0 4
5
6
Condições do Cálculo Potencia: 30 MW - F.D: 97% Custo kW inst: R$4400/kW - inclui Conexão Taxa Retorno: 12,00% (20 anos) O&M: R$86/kW - Pot. Unit. 600 kW (50 maq)
7
8
9
10
Veloc.vento (m/s)
11
12
13
14
Cu sto (R$/M W h)
E n ergia (M W h /ano )
5500 5000
Custos de geração eólica em função do regime de ventos (horas de vento - anual)
Viabilidade econômica do empreendimento eólico •
•
•
A avaliação econômico-financeira de cada empreendimento depende da percepção e disposição de cada investidor, não sendo possível uma receita única. Isso porque os custos de capitais, riscos aceitáveis e a condição econômico-financeira de cada investidor é diferente. A conjuntura econômica, o quadro político, o risco do país ou do negócio, a quantidade e qualidade do crédito, a estabilidade da legislação e regulação específica, a presença de subsídios e incentivos fiscais e a existência de política de longo prazo, são pré-condições fundamentais para o investidor. Uma vez decidido a investir e tendo um sítio eólico já previamente selecionado, o investidor então deve permanecer atento aos seguintes itens:
Conceitos de análise econômica para energia eólica Alguns conceitos utilizados por analistas financeiros em energia eólica devem ser utilizados com atenção: O custo do m² de área do rotor é mais determinante que o custo unitário do kW instalado (R$/kW). Ex.: O caso Vestas V39(600 kW) e V47(660 kW). Isso porque: . Otimização das máquinas é feita para vento e preço da energia locais. . Preço do equipamento sobe, mas a produção de energia aumenta mais. Nem sempre é desejável aumentar o fator de capacidade (FC= Ep/Pnx8760), se isso implicar em maiores custos. O aumento do diâmetro implica em menor FC, mas em maior produção. Importa é o custo da energia gerada (R$/MWh). Nem sempre o local cujo custo de instalação seja maior é o menos indicado. Da mesma forma, importa é o custo da energia. Se nesse local a velocidade do vento (que varia quase com o cubo) é tal que compensa o custo maior de instalação, deve-se fazer as contas.
1. Receitas: 1.1. É preciso ter certeza da energia assegurada do sítio (EAP), com as devidas certificações, em MWh/ano. Multiplicar pela tarifa contratada nos leilões ou venda assegurada. Verificar também a possibilidade de comercializar créditos de carbono.
2. Despesas: 2.1. Custo do equipamento anualizado, considerando aí as taxas de juros, alavancagem, custo de capital, prazo e condições, depreciação etc. 2.2. Custo da montagem dos aerogeradores e conexões à rede.(No caso de turn-key o custo da montagem pode se somar a dos geradores dentro de um mesmo financiamento)
2.3. O&M (garantir um FC mínimo). Dado geralmente em R$/turbina/ano e R$/ano para o sistema de conexão (SE e LTs) 2.4. Despesas ambientais, em R$/ano ou R$/MW/ano 2.5. TUSD/TUST 2.6. Seguro Operacional: contra paralisações devidos a defeitos, reposição de equipamentos etc. Geralmente dado em função do ativo fixo. 2.7. Custo de oportunidade: prêmio ao proprietário do sítio e/ou estudo básico, em valores anualizados. 2.8. Arrendamento/aquisição do terreno: Arrendamento, preço fixo anual ou em percentual do faturamento. Para aquisição, ver forma de pagamento e preço.
GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
18%
Oferta Global 2007 - Mundo
Oferta Brasil 2009 106,2 GW Renovável BR : 82,5%
Fontes: IEA 2007, MME 2010
Exemplo: A disponibilidade média do leilão A-3 ficou em R$ 63,06 por MWh, enquanto a do A-5 ficou em R$ 84,72 por MWh. Mas o PLD médio estaria em torno de R$ 155 por MWh, o que na aplicação da metodologia, resultaria num preço médio da energia na casa dos R$ 200 por MWh. (fonte:Pedrosa P.,Abraceel, in Canal Energia, 1/10/08)
Circulação global dos ventos
Ref.: Prof. Selênio, UFMG
Os
ventos em Minas Gerais :
☯ Originários do anticiclone formado no centro de alta pressão do Atlântico Sul , fazendo um movimento anti-horário. ☯ Pelo fato do território mineiro estar coberto de montanhas, esse anticiclone é atenuado em grande parte. ☯ No norte e nordeste do Estado, nas regiões sobre a Serra do Espinhaço, esses ventos encontram poucos obstáculos e chegam em um regime quase laminar e majoritariamente provenientes do leste. ☯ Nessas regiões altas a massa específica do ar é menor que ao nível do mar, ocasionando uma perda na geração de energia.
INFLUÊNCIA DOS OBSTÁCULOS
APROVEITAMENTO DA ENERGIA
42
Energia Eólica na Cemig Considerações (1) o Planos iniciais para a utilização das fontes solar e eólica pela
Cemig surgem na década de sessenta.
o A Comissão Estadual de Energia atribui à Cemig, em 1981,
tarefa de executar um programa de levantamento dos potenciais de energia solar e eólica em Minas Gerais e a instalação de sistemas pilotos de alimentação de estações remotas com essas fontes de energia.
o Com apoio da Finep e da Finame, esses trabalhos são iniciados
em 1983 e finalizados em 1986. São instaladas as estações remotas de radiocomunicação de Pompéu (solar e eólica), Morro do Camelinho (eólica) e Porto Indaiá (solar) e coletadas informações sobre o regime de ventos em 67 postos ( 58 da Cemig ).
o Em 1992 a Cemig inicia estudos visando a implantação de uma
usina eólio-elétrica experimental no Morro do Camelinho, município de Gouveia.
43
Energia Eólica na Cemig Considerações (2)
o Com subsídios do Programa Eldorado do governo alemão, é
implantado, em 1994, a Usina Eólio-elétrica Experimental do Morro do Camelinho, de 1 MW, tendo sido selecionado a empresa alemã Tacke Windtechnick como fornecedora das turbinas eólicas.
o Em maio de 1994 organiza e sedia o 1º Encontro Internacional
de Energia Eólica, em Belo Horizonte.
o Com as mudanças institucionais do setor elétrico, passa a
priorizar, no campo da energia eólica, a identificação de sítios eólicos promissores, para avaliar a viabilidade da exploração comercial de usinas eólio-elétricas de grande porte.
o Em fins de 1997 inicia o programa de Identificação de Sítios
Eólicos com a instalação de 2 estações anemométricas, no norte de Minas Gerais, onde foram identificados 2 sítios eólicos altamente promissores, que estão em fase de projeto básico. Outros sítios em locais topograficamente semelhantes (Serra do Espinhaço), foram sendo analisados.
o Em 2009, foi adquirida da Energimp (IMPSA), participação de 49% em 3 parques eólicos (Parajuru, Morgado e Volta do Rio no Ceará, com capacidade instalada de 99,6 MW). 44
Usina Eólica Praias do Parajuru – Beberibe, Ceará
• Capacidade Instalada: 28,8 MW, com 19 turbinas de 1.516 kW (Impsa)
• Torres : 80 metros • Energia de referência: 109,2 GWh (FC: 44,63%) – Cliente : Eletrobras • Início da operação: ago/2009 ( Prazo de concessão: 30 anos)
UEE Volta do Rio • Localização: Acaraú, Ceará • Equipamentos: 28 turbinas de 1.500KW • Capacidade instalada: 42,0 MW • Energia referência: 169,7 GWh (FC=47,6%) • Cliente (Proinfa): Eletrobrás • Início da operação: mar/2010 (previsto) • Prazo de concessão: 30 anos
UEE Praia do Morgado • Localização: Acaraú, Ceará • Equipamentos: 19 turbinas de 1.516KW • Capacidade instalada: 28,8 MW • Energia referência: 121,7 GWh (FC= 49,7%) • Cliente (Proinfa): Eletrobrás • Início da operação: mar/2010 (previsto) • Prazo de concessão: 30 anos
Estrutura de custos de um empreendimento eólico de médio porte
ITEM Turbina (ex-works) Conexão à rede Fundação Instalações elétricas
Participação no custo total (%)
Participação no custo total (%) (sem a turbina)
68-84 2-10 1-9 1-9 1-5 1-5
35-45 20-25 10-15 5-10 5-10 5-10
1-3
5-10
Terreno Custos de financiamento Infraestutura de transporte Consultoria
European Wind Energy Association (EWEA) – Março, 2009 - Baseados em dados da Alemanha, Espanha, Dinamarca e Reino Unido
Energia Eólica no Brasil (1): (1): •As aplicações iniciais da energia eólica no Brasil eram feitas principalmente em
propriedades rurais, para o bombeamento d'água ou em geração eólica de pequeno porte, na ordem de Watts.
•O primeiro gerador eólico de maior porte (75 kW) foi instalado no Brasil em
1992, na ilha de Fernando de Noronha, para servir como economizador de óleo, em um sistema gerador elétrico à Diesel, da Celpe. Outra turbina eólica de 225 kW foi instalada na ilha, em maio de 2000.
•Em 1994, a Cemig instalou a Usina Eólio-Elétrica Experimental do Morro do
Camelinho, de 1000 kW, no município de Gouveia, MG. Foi a primeira usina eólica do Brasil conectada ao sistema elétrico interligado.
IMPACTOS SOCIAIS E AMBIENTAIS Segundo o último Relatório da “Global Wind Energy Outlook 2008 – GWEC e Greenpeace), a energia eólica pode reduzir a emissão de CO2 em 10 bilhões de ton até 2020 e ofertar até 30% da eletricidade mundial, em 2050. Um ano de operação de única turbina de 750 kW, em sítio de 7m/s evita a emissão de 1179 ton de CO2; 6,9 t de SO2 e de 4,3 t de Nox. Só os 1700 MW instalados em 2001 nos EUA, evitaram a emissão de 3 Mt de C02 e de 27 kt de NOx; Nos últimos 10 anos tem se reduzido ao mínimo os impactos ao meio ambiente, devidos à poluição sonora e a visual dos aerogeradores. Os acidente com pássaros nas torres e pás foram coletados e analisados, constatando-se pouco impactante; A indústria eólica e solar representam uma das grandes fontes de emprego industrial desse novo século. Hoje (2008) emprega cerca de 350 mil pessoas e em 2020 prevê-se cerca de 2 milhões.
Energia Eólica na Cemig Novos Projetos
1.
2. 3.
A Cemig está concluindo arrendamento de terreno e instalação de medidores a 80 metros, para consolidação de dados e visando empreendimentos de grande porte em sítios eólicos na Serra do Espinhaço, que estão sendo analisados desde 1997. Estão sendo negociadas parcerias para exploração de empreendimentos ou aquisição de ativos em outros estados. Está sendo desenvolvido com a UFMG, um projeto de P&D para a construção de um aerogerador de pequeno porte (10 kW) adaptado às condições de vento típicas de terrenos complexos e condições elétricas encontradas no meio rural, composto das fases: a) caracterização do regime de ventos nesses terrenos, através de modelagem da camada-limite atmosférica; b) desenvolvimento de uma turbina eólica de baixo custo e alto rendimento (10 kW) adaptada às condições de vento do meio rural; c) desenvolvimento de um gerador elétrico para conexão em redes rurais ou locais isolados.
Muito Obrigado!
Alexandre Heringer Lisboa CEMIG Distribuição SA
email: ahlisboa@cemig.com.br Link mapa eólico -http://www.cemig.com.br/atlas_eolico_2010/index.htm
Usina EólioEólio-elétrica Experimental do Morro do Camelinho Pás: 21 m de diâmetro e altura da torre: 30 m Custo de implantação : US$ 1,54 milhões (51% financiado a fundo perdido pelo BMFT Ministério de Pesquisa e Tecnologia Alemão)
1 MW
Produção média de energia : 800 MWh/ano, na fase experimental. Com isso o custo da energia ficou em US$116,38/MWh (vida útil de 20 anos, O&M de 3% aa e taxa de desconto de 14% aa).
4 turbinas Tacke de 250 kW
Conectada ao sistema de subtransmissão da Cemig (linha Paraúna-Gouveia de 34,5 kV) Montada sobre terreno complexo e de alta resistividade. • Integrada a usina hidráulica de Paraúna • Alto índice de descargas atmosféricas no local. • 1ª usina eólica do país integrada ao grid. 53