Paulo Roberto Rodrigues
Energias Renováveis
Energia Eólica
Organizadores
José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra Youssef Ahmad Youssef Consórcio de Universidades Européias e Latino-Americanas em Energias Renováveis – JELARE
Copyright © JELARE – 2011
Edição – Livro Digital Organizadores (Brasil) José Baltazar Salgueirinho Osório de Andrade Guerra Youssef Ahmad Youssef
Professor Conteudista Paulo Roberto Rodrigues
Design Instrucional Aline Cassol Daga Sabrina Bleicher
Projeto Gráfico e Capa Jordana Paula Schulka
Diagramação Jordana Paula Schulka
Revisão Aline Cassol Daga
Assessoria de Comunicação e Marketing - C&M Assessor Laudelino José Sardá
Diretora Maria do Rosário Stotz
Gestora Editorial Alessandra Turnes
Paulo Roberto Rodrigues
Energias Renováveis
Energia Eólica Livro Digital
Designer Instrucional Aline Cassol Daga Sabrina Bleicher
Parcerias
Principal Parceiro – Germany Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg www.haw-hamburg.de/ftz-als.html
Latvia Rēzeknes Augstskola www.ru.lv
Bolívia Universidad Católica Boliviana www.ucb.edu.bo
Brasil Universidade do Sul de Santa Catarina www.unisul.br
Chile Universidad de Chile www.uchile.cl
Guatemala Universidad Galileo www.galileo.edu
Projeto financiado pela União Européia
Sumário 1. Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. Energia Eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Origem do vento e sua classificação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Velocidades médias e fluxos de potência eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Como avaliar a velocidade do vento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Potência gerada por uma turbina eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3. Sistemas Eólicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Tipos de Rotores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Transmissão e Caixa Multiplicadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Mecanismo de Controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Tipos de geradores empregados na geração eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Medições da velocidade do vento e perfis do vento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Estimativa de produção de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Princípio e tecnologia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4. Aplicações dos Sistemas Eólicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Sistemas Isolados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Sistemas Híbridos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Sistemas interligados à rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Sistemas Off-Shore - Energia eólica no mar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5. Qualidade da Energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6. A Energia Eólica no Mundo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 7. O Brasil e a Energia Eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 8. Investimentos para aplicações da Energia Eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 9. Vantagens e desvantagens da Energia Eólica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 10. Considerações finais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Referências bibliográficas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Referências de ilustrações e tabelas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
ENERGIA EÓLICA l 7
1. Introdução
E
m um significado amplo, a Física é o estudo da natureza, entendendo como tal tudo aquilo que existe no universo, independentemente da própria existência do ser humano. Dentro desse conceito, existem acontecimentos que são suscetíveis de serem vistos ou sentidos, e que podem ser comparados com outros de uma forma em que se possa expressar numericamente essa relação, ou seja, os fenômenos medíveis. Agrupando-se esses fenômenos segundo sua espécie ou classe, chegamos ao conceito de grandeza. Como exemplos de grandezas fundamentais têm-se o tempo, o espaço, a massa, a intensidade de corrente elétrica, a temperatura absoluta e a intensidade luminosa. Ao fazermos a comparação ou a relação entre elas, surge a necessidade de definir um conceito geral que possa expressar essas relações de uma forma sistemática, para que seja possível estudá-las e explorá-las de acordo com nossas necessidades. A esse conceito dá-se o nome de energia. A energia pode ser definida como a capacidade de produzir ou a capacidade de se realizar um trabalho. A energia não se cria do nada; ela já existe em nosso universo e o que ocorre é a sua transformação de uma forma para outra ou outras. Tipos de energia atualmente conhecidos:
Atômica ou nuclear, cinética, potencial, calorífica ou calorífera, elétrica, radiante, química, mecânica, luminosa, geotérmica, eólica e solar.
Todas as questões envolvendo energia compõem um dos grandes tormentos do mundo de hoje: o aproveitamento desta ainda não atingiu um nível satisfatório, visto que a imensa maioria da energia utilizada no planeta é de origem não renovável, seja de fonte mineral, atômica ou térmica. A energia pode ser utilizada de forma mais civilizada e menos dispendiosa, por meio de fontes renováveis como a energia hidroelétrica, eólica, solar, das marés, geotérmica e outras mais. Dentre os tipos de energia renovável, este estudo centrará seu foco na energia eólica.
8 l ENERGIA EÓLICA
2. Energia Eólica
O
termo eólico vem do latim aeolicus, pertencente ou relativo à Eólo, Deus dos ventos na mitologia grega.
A força dos ventos é uma fonte de energia já conhecida e utilizada há milhares de anos para girar as pás de moinhos e, assim, obter energia eólica. Agora, esse tipo de energia é pesquisado para gerar eletricidade. Atualmente, já existem no mundo cerca de 20 mil geradores que produzem eletricidade a partir da força do vento.
Figura 1 – Moinho 1
Para que possamos estudar a energia eólica é importante antes conhecermos a origem, a velocidade e a potência proporcionada pelo elemento gerador desse tipo de energia: o vento.
Origem do vento e sua classificação A energia eólica provém da radiação solar uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento não uniforme da superfície terrestre. Uma estimativa da energia total dos ventos disponível ao redor do planeta pode ser feita a partir da hipótese de que aproximadamente 2% da energia solar absorvida pela Terra são convertidas em energia cinética dos ventos. Esse percentual, embora pareça pequeno, representa centena de vezes a potência anual instalada nas centrais elétricas do mundo. O vento e as influências
Os ventos que sopram em escala global e aqueles que se manifestam em pequena escala são influenciados por diferentes aspectos entre os quais se destacam a altura, a rugosidade, os obstáculos e o relevo.
A energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol. As mais diversas formas de energia são, de alguma maneira, originadas pela influência da luz solar em processos físicos, químicos ou biológicos, com as poucas exceções de alguns seres microscópicos que vivem próximos às zonas vulcânicas submersas, delas tirando seu sustento vital.
ENERGIA EÓLICA l 9
A origem da energia que o Sol produz e irradia está nas reações nucleares que se realizam ininterruptamente em seu interior, a partir da monstruosa pressão existente em seu núcleo. Nessas reações, os átomos de hidrogênio, que é o elemento mais abundante do Sol, se combinam para formarem átomos de hélio. Ao mesmo tempo, uma pequena parte da massa desses átomos se converte em energia, sendo daí irradiada em todas as direções do espaço. Apesar de o Sol também emitir partículas materiais, a maior parte da energia irradiada é transportada na forma de ondas eletromagnéticas (os fótons). Como o Sol é 334.000 vezes maior do que a Terra e pelo fato de a energia radiante se dispersar à medida que se afasta de sua fonte de emissão, a Terra acaba por receber somente dois milionésimos de toda a energia emitida por essa estrela. Mesmo assim, apenas quatro dias dessa pequena fração podem ser comparados a toda a energia possível de ser produzida em nosso planeta por todas as fontes de combustíveis fósseis existentes. E se considerarmos a energia total emitida pelo Sol, no breve intervalo de um segundo ele irradia muito mais energia do que a que foi consumida por toda a raça humana, desde o princípio de sua evolução até os nossos dias.
O Sol é uma estrela relativamente jovem, com cerca de cinco bilhões de anos. Presume-se que deva durar ainda outros cinco bilhões de anos, ou um pouco mais.
Figura 2 – Sol 2
Além da manutenção das formas de vida, é a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas (observe como se dá este ciclo na Figura 3), o que possibilita a alimentação dos rios e o seu represamento para a produção de eletricidade ou para o consumo.
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Figura 3 – Ciclo da águas 3
A radiação solar também induz a formação dos ventos, o que permite a circulação atmosférica em larga escala por todo o planeta. Os ventos acontecem devido ao aquecimento diferenciado da atmosfera. A não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra. As regiões tropicais, que recebem os raios solares quase que perpendicularmente, são mais aquecidas do que as regiões polares. Consequentemente, o ar quente que se encontra nas baixas altitudes das regiões tropicais tende a subir, sendo substituído por uma massa de ar mais frio que se desloca das regiões polares. O deslocamento de massas de ar determina a formação dos ventos. A Figura 4 a seguir apresenta esse mecanismo. Origem do vento
O vento – atmosfera em movimento – tem sua origem na associação entre a energia solar e a rotação planetária. Todos os planetas envoltos por gases em nosso sistema solar demonstram a existência de distintas formas de circulação atmosférica e apresentam ventos em suas superfícies. Trata-se de um mecanismo solar-planetário permantente; sua duração é mensurável na escala de bilhões de anos, por esta razão, o vento é considerado fonte renovável de energia.
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Altas pressões polares Baixas pressões subpolares Altas pressões subtropicais Baixas pressões equatoriais
Altas pressões subtropicais Baixas pressões subpolares Altas pressões polares
Figura 4 – Distribuição geral dos ventos 4
A diferença de temperatura entre a camada próxima da superfície da terra aquecida pelos raios solares e as camadas superiores da nossa atmosfera gera correntes convectivas. A energia da radiação solar, sendo responsável pelo movimento convectivo do ar, direciona as correntes da nossa atmosfera, que sobem no equador e descem nos polos, condensando vapores, precipitando energia sob a forma de chuva. As correntes ascendentes do equador são mais intensas do que as das outras zonas da terra, por isso produzem ventos de 30 a 50 km horários, e a rotação da terra interfere na direção dos ventos, entre os polos e o equador, provocando uma resultante inclinada em relação à perpendicular pelo equador. Perturbações magnéticas solares produzem os ventos de grandes altitudes, conhecidos pelos aeronautas como tempestades de céu claro. Estudos mais acurados comprovaram existirem as correntes de grandes altitudes, utilizadas para economizar combustível nos voos intercontinentais. Os centros de baixa pressão que ocorrem na superfície da terra produzem correntes ascendentes de 100 milhas por hora e ventos de superfície de igual intensidade, convergentes para o centro de baixa pressão, que, influenciados pelos desvios da rotação da terra, geram movimentos rotacionais, conhecidos como furacões, tão comuns na região do equador.
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Na região sul do Brasil, por exemplo, estão os planaltos do sul, que se estendem aproximadamente de 24o S (São Paulo) até os limites ao sul do Rio Grande do Sul. O escoamento geral atmosférico nessa área é controlado pela depressão do nordeste da Argentina, uma área quase permanente de baixas pressões, geralmente estacionárias ao leste dos Andes sobre planícies secas e o anticiclone subtropical Atlântico. A posição média da depressão do nordeste da Argentina é de aproximadamente 29o S e 66o W, sendo criada pelo bloqueio da circulação atmosférica geral pelos Andes e por intenso aquecimento da superfície na região. O gradiente de pressão entre a depressão do nordeste da Argentina e o anticiclone subtropical atlântico induz a um escoamento persistente de nordeste ao longo dessa área. Desse escoamento resultam velocidades médias anuais de 5.5 m/s a 6.5 m/s sobre as grandes áreas da região. Entretanto, esse escoamento é significativamente influenciado pelo relevo e pela rugosidade do terreno. Os ventos mais intensos estão entre 7m/s e 8m/s e ocorrem nas elevações montanhosas do continente, bem como em planaltos de baixa rugosidade, como os campos de Palmas (PR-SC). Outra área com velocidades superiores a 7m/s encontra-se ao longo do litoral Sul, (Laguna, Imbituba – SC), onde os ventos predominantes leste-nordeste são acentuados pela persistente ação diurna das brisas marinhas.
Velocidades médias e fluxos de potência eólica Apresentamos no Gráfico 1 a seguir a relação entre as alturas e velocidades de ventos nas diferentes áreas (urbana, subúrbio ou nível do mar). 600
velocidade do vento 100%
altura (m)
450
velocidade do vento velocidade do vento 100%
300
100% 90%
85% 50%
150
50%
30%
Área urbana
65%
Subúrbios
Litoral
Gráfico 1 – Relação de velocidade do vento X altura 5
Com esse esquema, podemos perceber que regiões que possuem construções elevadas como prédios só atingem velocidades razoáveis de vento após uma elevada altura. Já nas áreas em que só existem casas e pequenas construções, essa taxa
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diminui e, assim, em alturas um pouco menores já temos ventos satisfatórios. No último caso mostrado, ao nível do mar, se vê que os ventos já são muito mais rápidos em altitudes menos elevadas que nos exemplos anteriores.
Como avaliar a velocidade do vento Por ser um fenômeno natural, o vento pode variar dependendo do dia e da estação do ano. Para um bom aproveitamento do vento não se deve ter nenhum obstáculo como morros, mata fechada, prédios etc. Observando a Tabela 1, você poderá ter uma ideia de como é o vento na sua região. Tabela 1 – Classificação dos ventos 6
Escala
Denominação
Velocidade em m/s
0
Calmo
1
Quase calmo
2
Brisa leve
1,6 a 3,4 6-12 Km/h
As folhas são levemente agitadas.
3
Vento fresco
3,5 a 5,5 13-20 Km/h
As folhas ficam em agitação contínua.
4
Vento moderado
5,6 a 8 20.6-29 Km/h
Poeira e pedaços de madeira são levantados.
5
Vento regular
8,1 a 10,9 29-39 Km/h
As árvores pequenas começam oscilar.
6
Vento meio forte
11,4 a 13,9 41-50 Km/h
Galhos maiores ficam agitados.
7
Vento forte
14,1 a 16,9 50-60 Km/h
Torna-se difícil andar contra o vento.
8
Vento muito forte
17,4 a 20,4 61-73 Km/h
Fica impossível andar contra o vento.
9
Ventania
20,5 a 23,9 74-86 Km/h
Telhas podem ser arrancadas.
10
Vendaval
24,4 a 28 88-100 Km/h
Árvores são derrubadas.
12
Furacão
83,0 a 125 298-450 Km/h
Produzem efeitos devastadores.
0 a 0,4 1,44 Km/h 0,5 a 1,5 1.8-5.4 Km/h
Avaliação do vento em terra Não se nota nenhum movimento nos galhos das árvores. A direção da fumaça sofre um pequeno desvio.
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Potência gerada por uma turbina eólica Existe uma regra que dá a potência gerada pelos cata-ventos e turbinas de vento. É importante ressaltar que esta regra é teórica e, na prática, não conseguimos converter toda essa potência (teórica) em potência útil. Em condições ideais o valor máximo teórico da energia contida no fluxo de ar que pode ser extraída por uma turbina eólica é de aproximadamente 59,3%; a esse percentual dá-se o nome de coeficiente de potência (Cp). Sob condições reais, o coeficiente de potência alcança não mais do que 50%, porque inclui todas as perdas aerodinâmicas do aerogerador. Tentaremos apresentar de forma sucinta esta fórmula: Potência é igual ao trabalho (Energia) dividido pelo tempo:
P= W ∆t mas o trabalho realizado pelo vento, que neste caso é igual a sua energia cinética, é:
W = Ec = mV 2 Substituindo na primeira equação temos: mV
P=
= mV ∆t 2∆t 2
mas como, temos:
m = p ·V ·A ∆t
P = pV A 2
Onde ρ é a densidade do ar em Kg/m3, V é a velocidade do vento e A é a área varrida pelas hélices do rotor. Talvez seja essa a fórmula mais importante para se conhecer o aproveitamento da energia eólica. Como não conseguimos extrair toda a potência contida no vento e por existirem perdas mecânicas e aerodinâmicas, a fórmula se transforma em:
Onde: η - eficiência do conjunto gerador/transmissão Cp - coeficiente aerodinâmico de potência do rotor
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Analisando a fórmula anterior e supondo um aerogerador onde a velocidade do vento passa de 10 km/h para 11 km/h (aumento de 10%), a potência se eleva em 33%, o que mostra como é importante a escolha de um lugar com ventos mais velozes para o melhor aproveitamento da energia eólica.
3. Sistemas Eólicos
U
m sistema eólico é constituído por vários componentes que devem trabalhar em harmonia, de forma a propiciar um maior rendimento final. Para efeito de estudo global da conversão eólica devem ser considerados os seguintes componentes: » » Vento: disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico. » » Rotor: responsável por transformar a energia cinética do vento em energia mecânica de rotação. » » Transmissão e Caixa Multiplicadora: responsável por transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até a carga. Alguns geradores não utilizam este componente; nesse caso, o eixo do rotor é acoplado diretamente à carga. » » Gerador Elétrico: responsável pela conversão da energia mecânica em energia elétrica. » » Mecanismo de Controle: responsável pela orientação do rotor, controle de velocidade, controle da carga etc. » » Torre: responsável por sustentar e posicionar o rotor na altura conveniente. » » Transformador: responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica. » » Acessórios: são os componentes periféricos.
16 l ENERGIA EÓLICA
Figura 5 – Sistema eólico 7
Tipos de Rotores Os aerogeradores costumam ser classificados pela posição do eixo do seu rotor, que pode ser vertical ou horizontal. A seguir, mencionaremos os principais modelos relativos aos tipos de classificação mencionados.
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Eixo Horizontal Esta disposição necessita de um mecanismo que permita o posicionamento do eixo do rotor em relação à direção do vento, para um melhor aproveitamento global, principalmente onde tem muita mudança na direção dos ventos. Os principais modelos diferem quanto às características que definem o uso mais indicado, sendo eles:
Figura 7 – Moinho com rotor multipás 9
Figura 6 – Gerador eólico 2Mva 8
» » Rotor multipás - atualmente representa a maioria das instalações eólicas, tendo sua maior aplicação no bombeamento d´água. Suas características tornam seu uso mais próprio para aeromotores, pois dispõe de uma boa relação torque de partida/área de varredura do rotor, mesmo para ventos fracos. Em contrapartida, seu melhor rendimento encontra-se nas baixas velocidades, limitando a potência máxima extraída por área do rotor, que não é das melhores, tornando esse tipo pouco indicado para geração de energia elétrica. Com o desenvolvimento da eletrônica, os sistemas atuais podem ser facilmente projetados para uma faixa de velocidade bastante ampla e com um rendimento bastante satisfatório, passando o fator determinante a ser a potência obtida pelo rotor em relação à área de varredura, em que os modelos de duas e três pás se destacam com um rendimento muito superior.
18 l ENERGIA EÓLICA
» » Rotor de três ou duas pás - é praticamente o padrão de rotores utilizados nos aerogeradores modernos, isso se deve a grande relação de potência extraída por área de varredura do rotor, muito superior ao rotor multipás (embora isso só ocorra em velocidades de vento superiores), pois além do seu rendimento máximo ser o melhor entre todos os tipos, situa-se em velocidades mais altas.
Figura 8 – Desenho de rotores de duas ou três pás 10
» » Rotor de uma pá – a razão para o desenvolvimento de aerogeradores com uma pá é diminuir com uma alta velocidade rotacional o número de pás do rotor e, com isso, diminuir o custo dos aerogeradores. Mas devido ao fato de esse tipo de rotor possuir um desbalanceamento aerodinâmico que introduz movimentos adicionais, ele provoca cargas extras e necessita de construções de eixos complicados (juntas, amortecedores etc) para manter os movimentos sob controle.
Figura 9 – Rotor de uma pá 11
A principal desvantagem para a sua aplicação comercial é o alto nível de ruído aerodinâmico do rotor, causado por uma velocidade de ponte de pá de cerca de 120m/s. Comparando com os rotores de três pás, essa velocidade de ponta é duas vezes mais elevada, o que significa que os aerogeradores de uma pá são muitas vezes mais barulhentos do que os de três pás. Ao menos na Alemanha, com sua
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alta densidade populacional, esses aerogeradores barulhentos não têm chance no mercado. Muitas pessoas também reclamam que uma só pá girando proporciona um distúrbio visual na paisagem. Algumas comunidades na Alemanha, portanto, não permitem a montagem de rotores de uma pá.
Eixo Vertical A principal vantagem das turbinas de eixo vertical é não necessitar de mecanismo de direcionamento, sendo evidenciada nos aerogeradores por simplificar bastante os meios de transmissão de potência. Como desvantagens, apresentam o fato de suas pás, devido ao movimento de rotação, terem constantemente alterados os ângulos de ataque e de deslocamento em relação à direção dos ventos, gerando forças resultantes alternadas, o que além de limitar o seu rendimento, causa vibrações acentuadas em toda a sua estrutura.
Figura 10 – Rotores com eixo vertical 12
Transmissão e Caixa Multiplicadora A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos, mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A figura abaixo apresenta a localização da caixa multiplicadora dentro do sistema de geração eólica.
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Figura 11 – Corte de gerador eólico 13
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O projeto tradicional de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre o rotor e o gerador de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais. A velocidade angular dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150 RPM, devido às restrições de velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo geradores síncronos) trabalham a rotações muito mais elevadas (em geral, entre 1200 a 1800 RPM), tornando necessária a instalação de um sistema de multiplicação entre os eixos. Mais recentemente, alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construir turbinas eólicas. Assim, ao invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão, necessárias para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores múltiplos de baixa velocidade e grandes dimensões. Vantagens e desvantagens
Os dois tipos de projetos possuem vantagens e desvantagens e a decisão de utilizar o multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é antes de tudo uma questão de filosofia do fabricante.
Mecanismo de Controle Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga). Devido à atuação das forças aerodinâmicas nas pás do rotor, uma turbina eólica converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotacional. Essas forças aerodinâmicas são geradas ao longo das pás do rotor que necessitam de perfis especialmente projetados e que são muito similares àqueles usados para asas de aviões. Controle aerodinâmico
Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência nominal do aerogerador. São chamados de Controle Stall e Controle de Passo - Pitch.
No passado, a maioria dos aerogeradores usava o Controle Stall simples; atualmente, entretanto, com o aumento do tamanho das máquinas, os fabricantes estão optando pelo sistema de Controle de Passo - Pitch -, que oferece maior flexibilidade na operação das turbinas eólicas.
22 l ENERGIA EÓLICA
Controle de Passo - Pitch O Controle de Passo é um sistema ativo que normalmente necessita de uma informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal; em outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque. Essa redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e, consequentemente, a extração de potência. Para todas as velocidades do vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que a turbina produza apenas a potência nominal. Sob todas as condições de vento, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é bastante aderente à superfície produzindo sustentação aerodinâmica e pequenas forças de arrasto.
Figura 12 – Pá sobre ação do vento 14
Sob todas as condições de vento, o fluxo em torno dos perfis da pá do rotor é bem aderente à superfície, produzindo, portanto, sustentação aerodinâmica a pequenas forças de arrasto.
Controle Stall Controle Stall é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal. O ângulo de passo é escolhido de forma que, para velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da superfície da pá (Stall), reduzindo as forças de sustentação e aumentando as forças de arrasto. Sob todas as condições de ventos, superiores à velocidade nominal, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é, pelo menos parcialmente, descolado da superfície produzindo menores forças de sustentação e elevadas forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam contra um aumento da potência do rotor.
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Figura 13 – Pá sobre ação do vento 15
Turbinas com Controle Stall são mais simples do que as de Controle de Passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo.
Tipos de geradores empregados na geração eólica Os primeiros geradores instalados no final dos anos 1980 e início dos anos 1990 encontravam-se equipados com máquinas de indução de rotor em gaiola (MIRG). Esses geradores caracterizavam-se por possuírem uma velocidade de rotação praticamente constante e por possuírem caixas de velocidade para adaptação da velocidade de rotação nominal da turbina (cerca de 38 rpm) à velocidade de sincronismo da máquina de indução (tipicamente 1500 rpm). O controle da potência mecânica era conseguido por meio do desenho das pás, denominadas turbinas tipo “Stall”. A máquina de indução com o rotor em gaiola funciona como gerador nas situações em que a velocidade angular do rotor é superior à velocidade angular do campo girante, ou seja, para escorregamentos negativos. Diagrama Gerador Eólico máquina de indução Vento
Rotor Cx. Velocidade
Gerador MIRG
Anenômetro Sensor de direção
Stall
Controlador
Figura 14 – Diagrama Gerador Eólico máquina de indução 16
Transformador
24 l ENERGIA EÓLICA Diagrama Gerador Eólico Máquinas Síncronas Vento
Excitação
Rotor
Transformador MS
Gerador
Anenômetro
Pitch
Velocidade
Controlador
Sensor de direção
Figura 15 – Diagrama Gerador Eólico máquinas síncronas 17
No final da década de 1990 foram instalados geradores eólicos equipados com máquinas síncronas (MS), operadas à velocidade variável. Eles se caracterizavam pela ausência de caixa de velocidades, sendo a adaptação da frequência das grandezas elétricas do gerador a frequência da rede, realizada por meio de um sistema de conversão corrente alternada / corrente contínua / corrente alternada (ca/cc/ca). As turbinas que equipam esses geradores são do tipo “Pitch” (Controle de Passo). No final dessa mesma década (anos 1990) foram instalados geradores eólicos equipados com máquinas de indução com rotor bobinado (MIDA), em que existia a possibilidade de variar uma resistência colocada em série com o rotor da máquina e, consequentemente, a gama de variação de velocidade do rotor. As turbinas que equipam esses aerogeradores são do tipo “Pitch”, sendo a adaptação da velocidade do rotor da turbina ao rotor da máquina de indução realizada por meio de uma caixa de velocidades. Diagrama Gerador Eólico máquinas ind. rotor bobinado Vento
Rotor
Excitação Cx. Velocidade
Transformador MIDA
Gerador Pitch Anenômetro Sensor de direção
Controlador
Figura 16 – Diagrama Gerador Eólico maquinas ind. rotor bobinado 18
ENERGIA EÓLICA l 25
Medições da velocidade do vento e perfis do vento A medição da velocidade do vento é o ponto mais crítico para a avaliação do recurso de vento, determinação do desempenho e predição da energia anual gerada. Em termos econômicos, erros traduzem-se diretamente em risco financeiro. Não há outro setor em que a importância das incertezas nas medições da velocidade do vento seja tão grande como na energia eólica. Devido à falta de experiência, muitas medições de velocidade do vento possuem incertezas inaceitavelmente altas porque não são aplicadas boas práticas na seleção, calibração e montagem dos anemômetros e na seleção do local de medição.
Figura 17 – Anemômetro digital de bolso 19
Anemômetro O anemômetro é um instrumento utilizado para medir a velocidade do vento.
Figura 18 – Anemômetro analógico de torre 20
O anemômetro analógico de torre fica instalado no local, possui três ou quatro braços, cujas extremidades são formadas por duas metades ocas de esferas que o vento faz rodar. O movimento de rotação aciona uma vareta central, que está ligada a um registrador usado para marcar a velocidade do vento. Tão importante quanto a calibração, é a seleção dos anemômetros. Anemômetros de má qualidade causam altas incertezas nas medições da velocidade do vento, mesmo se eles forem individualmente calibrados num túnel de vento.
Figura 19 – Anemômetro utilizado em aeroportos 21
26 l ENERGIA EÓLICA
Convém destacar algumas observações importantes:
▪▪ O período mínimo de medições da velocidade de vento é de um ano, o que diminui significativamente o risco financeiro de um parque eólico. ▪▪ As medições de velocidade de vento são de suma importância ao se considerarem os aspectos econômicos de projetos de turbinas eólicas. Um erro de 3% nas medições leva a erros de 10% na produção de energia e, por essa razão, não é aceitável. ▪▪ A rugosidade da superfície do terreno diminui a velocidade do vento. Em alturas superiores ao nível do solo, a rugosidade influencia menos e a velocidade do vento aumenta. O gráfico abaixo dá uma ideia de uma possível forma de camada limite da velocidade do vento.
140 120
altura / m
100 80 60 40 20 0 0
2
4
6
8
10
velocidade vento / m/s
Gráfico 2 – Velocidade/Altura
22
Sensor de direção O sensor de direção é um instrumento utilizado para medir a direção do vento. A direção dos ventos é importante para o cálculo da energia gerada por determinada usina eólica, e também para a otimização da escolha dos locais e da direção que ficarão alinhados os aerogeradores.
Figura 20 – Sensor de direção 23
ENERGIA EÓLICA l 27
Estimativa de produção de energia A produção anual de energia de um aerogerador é o fator econômico mais importante. Incertezas na determinação da velocidade de vento anual e da curva de potência contribuem para a incerteza total na predição da energia anual gerada e leva a um risco financeiro mais elevado. Enquanto a estimativa da produção de energia ainda é dificil de ser calculada devido à ausência de controle das variantes envolvidas, é possível mensurar outras propriedades da energia eólica. A seguir, é mostrado como calcular a produção anual de energia (PAE). A produção anual de energia pode ser estimada pelo método do histograma de velocidade do vento e curva de potência. Se o histograma da velocidade do vento é conhecido a partir de medições, uma boa estimativa de PAE pode ser calculada utilizando-se o histograma de velocidades medidas e a curva de potência. Para cada intervalo de velocidade de vento, o número de horas no intervalo é multiplicado pela potência correspondente gerada pela turbina para se obter a produção anual de energia (observe nos gráficos). Assim sendo, a produção anual total de energia (PAE) pode ser calculada por meio da fórmula: E = ∑ P[i] * h[i]. 500
tempo [h]
400 300
t (i) = 275 h
Vm: 7.0 m/s R distribuição de Rayleigh
200 total: 8760 horas
100 0 0.0
5.0
10.0
15.0
velocidade do vento na altura do eixo (m/s) Gráfico 3 – Exemplo de histograma de velocidade de vento medida 24
20.0
25.0
28 l ENERGIA EÓLICA
600 potência/ [kW]
500 400
P (i)
300
v (i)
220 100 0 0
5
10
15
20
25
20
25
velocidade do vento na altura do eixo (m/s) Gráfico 4 – Curva de potência medida com massa específica do ar padrão 25
100 E (i) = 95 MW h
AEP [MWh]
80 60 40 20
total: 1440 MW h
0 0
5
10
15
velocidade do vento na altura do eixo (m/s) Gráfico 5 – Exemplo de energia estimada no intervalo 26
A quantidade de energia que pode ser gerada depende dos seguintes fatores: » » quantidade de vento que passa pela hélice; » » diâmetro da hélice; » » dimensão do gerador; » » rendimento de todo o sistema; » » altura da máquina; » » espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados.
ENERGIA EÓLICA l 29
Princípio e tecnologia A absorção de energia cinética reduz a velocidade do vento a jusante do disco rotor, gradualmente essa velocidade recupera-se ao misturar-se com as massas de ar predominantes do escoamento livre. Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás do rotor resulta uma esteira helicoidal de vértices a qual também gradualmente dissipa-se. Após alguma distância a jusante da turbina, o escoamento recupera as condições de velocidade originais e turbinas adicionais podem ser instaladas, minimizando as perdas de desempenho causadas pela interferência das turbinas anteriores. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições da turbina, a rugosidade do terreno e a estabilidade térmica vertical da atmosfera. De modo geral, uma distância considerada segura para a instalação de novas turbinas é da ordem de 10 vezes o diâmetro D, se instalada ao lado em relação ao vento predominante.
Velocidade média anual 10 m acima do nível do solo
Possibilidades de uso para a energia eólica
Abaixo de 3 m/s
Usualmente não viável, a menos em ocasiões especiais.
3-4 m/s
Pode ser uma opção para bombas eólicas, improvável para geradores eólicos.
4-5 m/s
Bombas eólicas podem ser competitivas com bombas à Diesel. Pode ser viável para geradores eólicos isolados.
Mais que 5 m/s
Viável tanto para bombas eólicas quanto para geradores eólicos isolados.
Mais que 7 m/s
Vivável para bombas eólicas, geradores eólicos isolados e conectados à rede.
Quadro 1 – Possibilidade do uso de Energia Eólica 27
30 l ENERGIA EÓLICA
Figura 21 – Esteira aerodinâmica e afastamento entre turbinas eólicas 28
A velocidade angular do rotor é inversamente proporcional ao diâmetro D. Usualmente, a rotação é otimizada no projeto, para minimizar a emissão de ruído aerodinâmico pelas pás. Uma fórmula prática para a avaliação da rotação nominal de operação de uma turbina eólica é: RPM = 1150 / D À medida que a tecnologia propicia dimensões maiores para as turbinas, a rotação reduz-se: os diâmetros de rotores no mercado atual variam de 40 e 80m, o que resulta em rotações da ordem entre 15 rpm e 30 rpm, respectivamente. As baixas rotações atuais tornam as pás visíveis e evitáveis por pássaros em voo. Quanto aos níveis de ruído, turbinas eólicas satisfazem os requisitos ambientais mesmo quando instaladas na ordem de 300 m de áreas residenciais. Esses aspectos contribuem para que a eolioelétrica apresente o mínimo de impacto ambiental, entre as fontes de geração na ordem de gigawatts.
Figura 22 – Usina Eólica Osório 29
ENERGIA EÓLICA l 31
Uma usina eólica é um conjunto de turbinas dispostas adequadamente em uma mesma área. Essa proximidade geográfica tem a vantagem econômica da diluição de custos: arredondamento de área, fundações, aluguel de guindastes e montagem, equipes de operação, manutenção e estoques de reposição. O Gráfico 6 mostra a forma típica de curva de potência de turbinas eólicas. Usualmente, a geração elétrica inicia-se com velocidades de vento da ordem de 2,5 – 3,0 m/s; abaixo desses valores, o conteúdo energético não justifica aproveitamento. Velocidades superiores à faixa de 12,0 m/s a 15,0 m/s (43 a 54 Km/h) ativam o sistema automático, que pode ser por controle de ângulo das pás ou por estol aerodinâmico, dependendo do modelo de turbina. Em ventos muito fortes (> 25 m/s 90 km/h), atua o sistema automático de proteção. Ventos muito fortes têm ocorrência rara e negligenciável em termos de aproveitamento e a turbulência associada é indesejável para a estrutura da máquina; nesse caso, a rotação das pás é reduzida (passo ou estol) e o sistema elétrico do gerador é desconectado da rede elétrica. Turbinas elétricas de grande porte têm controle inteiramente automático, através de atuadores rápidos, software e microprocessadores alimentados por sensores duplos em todos os parâmetros relevantes. Usualmente, utiliza-se telemetria de dados para monitoramento de operação e auxílio a diagnósticos/operação.
Potência elétrica gerada [ kW ]
O cálculo da energia gerada – anual ou mensal – é realizado pela multiplicação dos valores de potência gerada pelo tempo de duração associados a intervalos de velocidade do vento.
p = 1,225 kg/m²
5
10
15
20
Velocidade do vento na altura do rotor m/s Gráfico 6 – Curva típica de potência de turbinas eólicas 30
25
30
32 l ENERGIA EÓLICA
4. Aplicações dos Sistemas Eólicos
U
m sistema eólico pode ser utilizado em quatro aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos, sistemas interligados à rede e sistemas Off-Shore. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, de uma unidade de armazenamento.
Sistemas Isolados Gerador Eólico Controlador de Carga das Baterias Baterias Inversor Eletrodomésticos
Figura 23 – Configuração de um sistema eólico isolado 31
Os sistemas isolados, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia, que pode ser feito por meio de baterias, com o objetivo de utilizar aparelhos elétricos, ou na forma de energia gravitacional, com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios para posterior utilização. Alguns sistemas isolados não necessitam de armazenamento, como no caso dos sistemas para irrigação em que toda a água bombeada é diretamente consumida.
ENERGIA EÓLICA l 33
Os sistemas que armazenam energia em baterias necessitam de um dispositivo para controlar a carga e a descarga da bateria. O controlador de carga tem como principal objetivo evitar danos à bateria por sobrecarga ou descarga profunda. Para alimentação de equipamentos que operam com corrente alternada (CA) é necessária a utilização de um inversor. Esse dispositivo geralmente incorpora um seguidor do ponto de máxima potência, necessário para otimização da potência produzida. Esse sistema é usado quando se deseja utilizar eletrodomésticos convencionais.
Sistemas Híbridos Os sistemas híbridos são aqueles que, desconectados da rede convencional, apresentam várias fontes de geração de energia como, por exemplo, turbinas eólicas, geração diesel, módulos fotovoltaicos, entre outras. A utilização de várias formas de geração de energia elétrica aumenta a complexidade do sistema e exige a otimização do uso de cada uma das fontes. Nesses casos, é necessário realizar um controle de todas as fontes para que haja máxima eficiência na entrega da energia para o usuário. Em geral, os sistemas híbridos são empregados em sistemas de médio a grande porte, destinados a atender um número maior de usuários. Por trabalhar com cargas em corrente alternada, o sistema híbrido também necessita de um inversor. Devido à grande complexidade de arranjos e multiplicidade de opções, a forma de otimização do sistema torna-se um estudo particular a cada caso.
Unidade de Controle e Condicionamento de Potência Armazenamento
Carga
Figura 24 – Configuração de um sistema híbrido solar-eólico-diesel 32
34 l ENERGIA EÓLICA
Sistemas interligados à rede Os sistemas interligados à rede utilizam um grande número de aerogeradores e não necessitam de sistemas de armazenamento de energia, pois toda a geração é entregue diretamente à rede elétrica. O total de potência instalada no mundo de sistemas eólicos interligados à rede somam aproximadamente 120 GW (WWEA, 2009).
Figura 25 – Parque eólico conectado à rede - Parque Eólico da Prainha (CE) 33
Sistemas Off-Shore - Energia eólica no mar As instalações off-shore representam as novas fronteiras da utilização da energia eólica. Embora representem instalações de maior custo de transporte, instalação e manutenção, as instalações off-shore têm crescido a cada ano, principalmente com o esgotamento de áreas de grande potencial eólico em terra. A indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico da adaptação das turbinas eólicas convencionais para uso no mar. Além do desenvolvimento tecnológico, os projetos off-shore necessitam de estratégias especiais quanto ao tipo de transporte das máquinas, sua instalação e operação. Todo o projeto deve ser coordenado de forma a utilizar os períodos em que as condições marítimas propiciem um deslocamento e uma instalação com segurança.
Figura 26 – Parque eólico instalado no mar 34
ENERGIA EÓLICA l 35
5. Qualidade da Energia
A
qualidade da energia no contexto da geração eólica descreve o desempenho elétrico do sistema de geração de eletricidade do aerogerador, em que quaisquer perturbações sobre a rede elétrica devem ser mantidas dentro de limites técnicos estabelecidos conforme o nível de exigência imposto pelo gerente de operações da rede. Para a maior parte das aplicações de unidades eólicas, a rede pode ser considerada como um componente capaz de absorver toda a potência gerada por essas unidades, com tensão e frequência constantes. No caso, por exemplo, de sistemas isolados de pequeno porte, podem ser encontradas situações em que a potência elétrica fornecida pelo aerogerador alcance valores compatíveis com a capacidade da rede. Onde a rede é fraca, a qualidade da energia deve ser uma das principais questões a serem observadas sobre a utilização de aerogeradores (tamanho, tipo de controle etc.) O Quadro 2 a seguir descreve os principais distúrbios causados por aerogeradores na rede elétrica e as respectivas causas, que podem ser resumidas em condições meteorológicas, do terreno, e especificamente sobre as características elétricas, aerodinâmicas, mecânicas e de controle presente no aerogerador. Distúrbios
Causa
Elevação / queda de tensão
Valor médio da potência entregue
Flutuações de tensão e cintilação
▪▪ Operações de chaveamento ▪▪ Efeito de sombreamento da torre ▪▪ Erro de passo da pá ▪▪ Erro de mudança de direção ▪▪ Distribuição vertical do vento ▪▪ Flutuações da velocidade do vento ▪▪ Intensidade de turbulências
Harmônicos
▪▪ Conversores de freqüência ▪▪ Controladores tiristorizados ▪▪ Capacitores
Consumo de potência reativa
Componentes indutivos ou sistemas de geração
Quadro 2 – Distúrbios causados por aerogeradores à rede elétrica 35
36 l ENERGIA EÓLICA
É importante observar que os cuidados na conexão à rede elétrica devem ser observados e avaliados ainda na fase de planejamento. Quando várias máquinas eólicas são conectadas em um parque, o nível de potência entregue por unidade pode variar devido à localização das máquinas no parque e o efeito de “sombra” causado pelos aerogeradores a montante àqueles que se encontram em fileiras mais afastadas em relação à direção do vento predominante. O tipo de gerador utilizado (síncrono ou assíncrono) produz diferentes níveis de flutuação nas variáveis elétricas de saída. Isso pode ser verificado particularmente para as unidades de grande porte, com potência superiores a 1 MW, visto que as de pequeno e médio porte podem influenciar a rede apenas quando estão conectadas em grande número. Devido aos baixos valores de escorregamento, geradores assíncronos conectados diretamente à rede elétrica, operando com velocidade quase constante, geram flutuações mais significativas do que geradores síncronos em velocidade variável, conectados à rede via unidade retificadora/inversora. (CARVALHO, 2003) No caso específico de distribuições de harmônicos, considerado como um grave problema para a manutenção da qualidade de energia, a principal fonte de harmônicos são os conversores de frequência empregados para conectar os geradores eólicos à rede elétrica. Assim, os geradores eólicos assíncronos ou síncronos ligados diretamente à rede elétrica não necessitam de maiores atenções nesse aspecto.
6. A Energia Eólica no Mundo
A
energia eólica foi a responsável pela instalação de 16GW em novas usinas em todo o mundo no primeiro semestre de 2010. O desempenho foi considerado pela Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA) como “um crescimento robusto” e teve como principal destaque, novamente, a China. O pais adicionou 7.800MW em potência instalada durante esses seis meses, fazendo com que a fonte passasse a responder por quase 34GW em seu sistema elétrico.
ENERGIA EÓLICA l 37
A capacidade eólica total do globo alcançou 175GW até o final de julho, contra 159GW totalizados em dezembro de 2009. A WWEA afirma que espera que o mercado para novas turbinas cresça entre 35 e 40GW neste ano. Nos cálculos da associação, a potência eólica no mundo deve chegar a 200GW ao final de 2010. Com isso a China deve ultrapassar os Estados Unidos e se tornar a líder mundial em potência eólica. Mercado eólico global
“O mercado mundial para turbinas eólicas teve uma ligeira baixa na primeira metade de 2010. No entanto, ainda há um robusto desenvolvimento em muitos países. A Ásia e especialmente a China, com seu crescimento impressionante, continuam a ser os principais condutores do mercado eólico global”, analisa o presidente da WWEA, Anil Kane.
O secretário-global da associação, Stefan Gsänger, porém, faz um alerta. Para ele, o desenvolvimento dos financiamentos nos países em desenvolvimento e o enfraquecimento da fonte em alguns países mostram que “a energia eólica ainda não é um sucesso garantido automaticamente”. O executivo pede por aprimoramentos legislativos e mais facilidades na obtenção de licença para as construções. Tarifas “mais compreensivas” de incentivo e soluções para conexão das usinas à rede também estão entre os pontos para os quais Gsänger pede atenção. Energias renováveis
Diversos governos têm feito investimentos em fontes de energia renováveis. A redução na emissão de gases nocivos na atmosfera é a principal responsável pela procura de fontes de energia renováveis como a energia eólica. Não há dúvida de que o custo da energia hoje é maior que o de outras fontes, como a hidráulica e a térmica. Mas apesar disso a energia eólica possui aspectos muito importantes, como a segurança e a limpeza, além de ser uma energia renovável “verde”.
A Associação Mundial de Energia Eólica (WWEA), que representa todas as organizações de energia eólica ao redor do mundo, prevê uma taxa de crescimento anual para o segmento de 21%, o que permitirá, em 2010, uma capacidade instalada de geração mundial de 200GW de energia eólica.
38 l ENERGIA EÓLICA
Rankin Eólico Capacidade Instalada (MW) 25.000 22.247
22.500 20.000
16.819
17.500
15.145
15.000 12.500 10.000
7.850 7.500
5.939
5.000 3.125 2.500
2.726
2.455
2.389
2.130
1.846
1.747
1.538 247
0 a anh Alem
EUA
nha Espa
Índia
a Chin
rca ama Din
Itália
o ça Fran ino Unid Re
l uga Port
adá olanda Can H
o Japã
il Bras
Gráfico 7 – Crescimento eólico a nível mundial 36
Alemanha (20.622 MW), Estados Unidos da América (11.603 MW), Índia (6.270 MW) e Dinamarca (3.136 MW) são os maiores produtores e os responsáveis por mais de 70% da geração de energia eólica do mundo. Crescimento da Capacidade Eólica Instalada no Mundo (MW) 260.000 240.000 240.000 220.000 200.000 170.000
180.000 160.000 140.000
140.000 115.000
120.000 93.849
100.000 74.153
80.000 59.033
60.000 40.000 20.000
7.475
9.663
1997
1998
13.696
10.039
1999
2000
31.164
39.290
2001
2003
47.693
24.320
0
2001
4
200
2005
Gráfico 8 – Ranking eólico de capacidade mundial instalada 37
2006
2007 ão 2008 ão 2009 ão 2010 ão 2012 is is is is prev prev prev prev
ENERGIA EÓLICA l 39
7. O Brasil e a Energia Eólica
O
potencial eólico brasileiro para aproveitamento tem sido objeto de estudos e inventários desde os anos de 1970 e seu histórico revela o lento, mas progressivo descortinamento de um potencial energético natural de relevante magnitude existente no país. O Ministério de Minas e Energia (MME), por exemplo, coordena atualmente o Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia (Proinfa), que é um importante instrumento para diversificação da matriz energética brasileira.
Figura 27 – Direções predominantes dos ventos do Brasil 38
O Brasil se tornou a bola da vez em energia eólica na visão das empresas que atuam no setor, posição detida pela Argentina no final dos anos 1990. Essa é a razão do desembarque das grandes empresas do segmento para disputar os leilões que vêm sendo promovidos pelo governo federal desde o final de 2009 (ROCCO, 2011). “Todos querem encontrar a nova China e o Brasil está no topo da lista”, diz Steve Sawyer, secretário-geral da Global Wind Energy Council (GWEC).
40 l ENERGIA EÓLICA
No Brasil, embora o aproveitamento dos recursos eólicos tenha sido feito tradicionalmente com a utilização de cata-ventos multipás para bombeamento d’água, algumas medidas precisas de vento, realizadas recentemente em diversos pontos do território nacional, indicam a existência de um imenso potencial eólico ainda não explorado. A taxa de geração de energia de uma turbina de um megawatt é aproximadamente 27% da capacidade plena, na média de diversas usinas no mundo, por ano. No Brasil, há locais em que essa taxa chega a 45% ou 50%. Pode-se dizer que os melhores locais estão no Ceará e no Rio Grande do Norte, com duas vezes mais capacidade de geração que a Alemanha.
Figura 28 – Levantamento eólico do Brasil 39
Pelas razões expostas, grande atenção tem sido dirigida para o Estado do Ceará, pelo fato de ter sido um dos primeiros locais a realizar um programa de levantamento do potencial eólico por meio de medidas de vento com modernos anemógrafos computadorizados. Entretanto, não foi apenas na costa do Nordeste que áreas de grande potencial eólico foram identificadas. Em Minas Gerais, por exemplo, uma central eólica está em funcionamento, desde 1994, em um local (afastado mais de 1000 km da costa) com excelentes condições de vento, como pode ser observado nas manchas coloridas da Figura 28, onde a cor mais avermelhada indica maior potencial eólico. Baseado no Atlas Eólico do Nordeste, o Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE) estima que o potencial eólico existente no Nordeste é de 6.000MW.
ENERGIA EÓLICA l 41
247 MW 237 MW 29 MW
29 MW
29 MW
22 MW
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Crescimento da capacidade eólica instalada no Brasil (MW) Figura 29 – Capacidade instalada no Brasil 40
O Brasil tem um potencial real de geração, desconsiderando as áreas urbanas e de proteção ambiental, de 30 GW em terra. Em 2009, a capacidade instalada de energia eólica no País era de 606 megawatts em 2009, segundo dados da GWEC – organização não governamental com sede em Bruxelas, na Bélgica, que trabalha pelo desenvolvimento do setor em todo o mundo. Em 2010, diz a entidade, foram acrescentados mais 326 megawatts à capacidade brasileira, elevando o total para cerca de 930 megawatts, quase metade do que está disponível em toda a América Latina.
Figura 30 – Velocidade média anual de vento 41
42 l ENERGIA EÓLICA
8. Investimentos para aplicações da Energia Eólica
A
energia eólica pode ser considerada como uma das formas em que se manifesta a energia proveniente do Sol, isso porque os ventos são causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera. Essa não uniformidade no aquecimento da atmosfera deve ser creditada, entre outros fatores, à orientação dos raios solares e aos movimentos da Terra. Embora o emprego da energia eólica apresente alguns fatores inconvenientes como a questão da disponibilidade, pois o vento não sopra todo o tempo, e as plantas eólicas exigem elevado investimento inicial, há uma série de fatores favoráveis a sua utilização, tais como:
Figura 31 – Aerogerador instalado no interior de uma pequena cidade na Inglaterra 42
» » combustível: não há necessidade, portanto, não há emissões de CO2; » » variação de preços: imune a choques, indisponibilidade ou importação de combustíveis; » » instalações: modulares e rápidas; » » capacidade: interligada à rede pode suprir grandes demandas; » » economia no entorno: as atividades agrícolas ou industriais não são afetadas; » » meio rural: permite o aproveitamento energético em pequenas instalações isoladas.
ENERGIA EÓLICA l 43
Pode-se acrescentar como ponto positivo a facilidade e capacidade de implantar e/ou expandir as fazendas eólicas de acordo com a demanda real e sua respectiva evolução, o que não ocorre com as hidrelétricas, por exemplo. Por outro lado, como em qualquer outra forma de geração de energia elétrica, não há um aproveitamento total do recurso utilizado, ou seja, não se pode converter toda a energia dos ventos em energia elétrica. Isso ocorre devido às perdas mecânicas e elétricas. Outro fator negativo para a implantação de um parque eólico é a grande área requerida para instalação das turbinas geradoras de energia elétrica, além de restrições ambientais sobre a utilização do solo. Em contrapartida, a indústria eólica tem investido no desenvolvimento tecnológico da adaptação das turbinas eólicas convencionais para uso no mar, como já existe em outros países, conforme demonstra a Figura 32.
Figura 32 – Parque eólico instalado no mar do norte 43
44 l ENERGIA EÓLICA
9. Vantagens e desvantagens da Energia Eólica
A
partir de todo o exposto até aqui, destaca-se no quadro a seguir as principais vantagens e desvantagens apontadas na utilização da energia eólica.
Vantagens • É uma fonte de energia segura e renovável. • Não causa danos ao meio ambiente, quando comparado com as outras fontes de geração de energia. • Ocupa pequenas áreas. • Gera grande quantidade de energia elétrica. • A área pode ser utilizada para agricultura e pecuária. • Tempo rápido de construção.
Desvantagens • Poluição sonora. • Interferência em sistemas de telecomunicações (interferências eletromagnéticas). • Considerável efeito visual e paisagístico. • Efeito de sombras em movimento e mortalidade de aves em zonas de imigração causada pelas pás em movimento.
ENERGIA EÓLICA l 45
Considerações com relação às desvantagens da energia eólica. » » Poluição sonora – perfeitamente dentro dos limites do suportável com a nova geração de aerogeradores, em que é enorme o esforço de minimização do ruído. » » Interferências eletromagnéticas – podem ser muito atenuadas ou inexistentes se for correta a planificação da sua localização. » » Mortalidade de aves em zonas de migração – pode ser muito atenuada ou inexistente se for correta a planificação da sua localização. » » Considerável efeito visual e paisagístico – pode ser diminuído tendo o cuidado de fazer a sua integração com a paisagem envolvente na fase de planejamento e escolha do local mais propício para a instalação do projeto.
ENERGIA EÓLICA l 47
10. Considerações finais
R
ecentemente, a preocupação com as emissões de gases de efeito estufa provenientes da queima de combustíveis fósseis vem mobilizando a comunidade e os governos mundiais no sentido de mudar o perfil de suas matrizes energéticas, com maior participação das energias renováveis. As tecnologias renováveis são ideais para o aproveitamento de recursos locais de matéria-prima e mão de obra, evitam perda de transmissão e aliviam as responsabilidades das autoridades e das concessionárias pelo bom funcionamento das malhas da rede elétrica. Energia Eólica
O uso de sistemas eólicos é uma opção energética que se torna cada vez mais competitiva à medida que seus custos de investimento diminuem, os custos dos combustíveis fósseis aumentam e o impacto ambiental é cada vez mais relevante para a sociedade.
A energia eólica se apresenta como uma solução adequada para a energização rural por meio da instalação de pequenas unidades, naturalmente em locais com ventos consistentes, combinado, ou não, com outras fontes locais de energia. Ela pode ser usufruída, também, em pequenas concentrações urbanas, como apresentado na Figura 31, onde um aerogerador atende à demanda de aproximadamente 1500 estabelecimentos, entre residências e comércios. Isso contribuiria para a conservação dos recursos naturais, reduziria custos com a geração e transmissão de energia e aumentaria a eficiência da relação entre geração e consumo, levando em consideração que o gerador elétrico seria instalado junto ao ponto de consumo evitando perdas com a transmissão.
ENERGIA EÓLICA l 49
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