Fundamentos das Energias Renováveis
Torsten Schwab
GIZ – Energias Renováveis e Eficiência Energética
Brasília
Brasília, 11 de Junho de 2013
Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável
Coordenação Política
Cooperação Financeira
14.03.2012
Cooperação Técnica
Cooperação Alemã para o
Desenvolvimento Sustentável
A GIZ no mundo
BMU and
others
10%
Presente em mais de 130 países
Volume de negócios: €1,85 bi.
17.000 colaboradores no mundo inteiro
Empresa Federal de Direito Privado
BMZ
68%
IS
14%
CoFinance
8%
Cooperação Alemã para o
Desenvolvimento Sustentável
Métodos operacionais
pragmáticos
Knowhow técnologico &
ciência de ponta
Capacitação individual e institucional
Gestão e
comunicação
Conteúdo
1. Fontes e Formas de Energia
2. Fundamentos da Energia Solar
3. Aproveitamento Heliotérmico
4. Aproveitamento Fotovoltaico
Conteúdo
1. Fontes e Formas de Energia
2. Fundamentos da Energia Solar
3. Aproveitamento Heliotérmico
4. Aproveitamento Fotovoltaico
Fontes e Formas de Energia
Balanço energético do planeta Terra
Entrada
Radiação Solar
5.6 * 1024 J/a
≈
Saída
Reflexão direta
1.7 * 1024 J/a
Gravitação e
cinética planetário
0.0001 * 1024 J/a
Fissão nuclear
0.001 * 1024 J/a
Radiação térmica
3.9 * 1024 J/a
Fonte: Fend, Riffelmann
Fontes e Formas de Energia
Fontes
Fissão nuclear
no núcleo da
terra
0,02%
Efeitos Naturais
Fusão nuclear
no sol
Geotermia
Usina geotermelétrica
Solo aquecido
Bombas de calor
Coletor solar
Carvão
Petróleo
Gás natural
Chuva
Gravitação e
cinética
planetária
0,002%
Uso
Usina geotérmica
Biomassa
100% =
5,6 · 1024 J/a
Conversão
Energia térmica
Calefação
Conversão química
Usinas termelétricas
Energia química
Usina fotovoltaica
Usina heliotérmica
Derretimento
Usina hidrelétrica
Vento
Usina eólica
Ondas
Usina de onda
Correntes/Marés
Usina de maré
Urânio
Usina nuclear
Energia elétrica
Segundo Kleemann, Meliss
Fontes e Formas de Energia
Recursos não-renováveis em comparação com irradiação solar
Fonte: Fend, Riffelmann
Fontes e Formas de Energia
Comparação dos recursos renováveis
Fonte: Fend, Riffelmann
Fontes e Formas de Energia
Critérios de Sustentabilidade
Custo
• Baixo custo de energia
• Sem subsídios permanentes
Segurança
• Fornecimento diversificado e redundante
• Geração despachável
• Baseado em recursos não esgotáveis
• Tecnologia disponível ou alcançável
Compatibilidade
• Poluição baixa ou nula
• Proteção climática
• Baixo risco de saúde ou ambiental
• Acesso independente aos recursos
Portfólio atual
Carvão, Linhito
Petróleo, Gás
Combustível Nuclear
recursos
energéticos
estocados
Helio- & Solartermia
Geotermia
Biomassa
Hidrelétrica
energias
armazenáveis
Energia Eólica
Fotovoltaica
Correntes Marinhas / Marés
energias
intermitentes
Fontes e Formas de Energia
Custo
Custo (c/ externalidades)
Subsídios permanentes
Segurança
Agilidade da expansão
Geração despachável
Recurso não-esgotável
...
Compatibilidade
Tecnologia disponível
Poluição baixa / nula
Proteção climática
Baixo risco à saúde
Acesso independente
pay back energético
...
Marés
Solar FV
Eólica
Hidrelétrica
... intermitentes
Biomassa
Geotermia
Solartermia
Heliotermia
Petróleo
Linhito
Carvão
Critérios de avaliação
Combustível
Nuclear
Fontes armazenáveis
Gás Natural
Recursos
Fontes e Formas de Energia
Preço da
Energia
Conflitos
energéticos
Segurança de
abastecimento
Danos
ambientais
Contaminação/
Gestão de Resíduos
Ameaças à
saúde
“A mudança climática
não vai esperar até
que os mercados
livres internalizam
custos externos”
Fonte: AGEE
Fontes e Formas de Energia
Potencial de Geração de Energia Elétrica
Biomassa (0-1)
Geotermia (0-1)
Solar (10-250)
[GWh/(a·km²)]
Eólica (5-50)
Hidráulica (0-50)
Fonte: DLR
Conteúdo
1. Fontes e Formas de Energia
2. Fundamentos da Energia Solar
3. Aproveitamento Heliotérmico
4. Aproveitamento Fotovoltaico
Fundamentos da Energia Solar
Fusão Nuclear Solar
H (650·106 t/s) → He (646·106 t/s)
∆m = 4·106 t/s
O Sol perde 0,03% da sua massa em
5·109 anos
E=mc² → 3,7·1026 J/s = 3,7·1020 MW
T_superficie = 5.785 K
Fundamentos da Energia Solar
A Energia Solar que chega à Terra é variável:
Ciclos Solares
Distância entre Terra e Sol e Ângulo de Incidência
Absorpção de Energia pela Atmosfera
Na média: Constante Solar ≈ 1.367 W/m²
Fundamentos da Energia Solar
Ciclos Solares
Fusão Nuclear Solar
Variações na
Geração de Energia
Fundamentos da Energia Solar
Distância entre Terra e Sol e Ângulo de Incidência
Rotação terrestre ao redor do Sol
Mudanças da irradiação solar na
superfície da Terra
A energia depende do ângulo de incidência solar
ER = E * A0* seno(γ)
ER = Energia recebida [W];
E = Energia solar chegando no lugar [W/m2];
A0 = Área de incidência deitada na superficie da terra [m2];
seno(γ) = Função seno para o ângulo de incidência considerado.
Fundamentos da Energia Solar
Radiação
Direta Normal
Radiação Global difusa vs direta
Fundamentos da Energia Solar
Absorpção de Energia pela Atmosfera
Efeitos na Atmosfera
Fundamentos da Energia Solar
Massa de Ar
Air Mass
AM = 1 / seno(γ)
γ = ângulo de incidência solar
Fundamentos da Energia Solar
Espectro Solar
Irradiação solar espectral ao longo do dia
Fundamentos da Energia Solar
Medições Solarimétricas
Equipamentos
(seleção)
Radiação medida
[W/m²]
Rastreamento
obrigatório
Custo de
Aquisição
Custo de
Manutenção
Piranômetro
Global
Não
$$
$$
Rotating shadowband
Global, difusa e direta*
Não
$$
$
Piranômetro adaptado
Global, difusa e direta*
Sim
$$$
$$$
Pireliômetro
Direta
Sim
$$$
$$$
Células de referência
Global
Não
$
$
* Calculada
$ Baixo Custo, $$ Médio Custo, $$$ Alto Custo
Fundamentos da Energia Solar
Irradiação
Solar
Direta
Difusa
+
Direta
CPV
FV
CSP
Cilindro
Parabólico
Torre
Fresnel
Dish
Lente
Espelho
Silício
Cristalino
Filme
Fino
Fundamentos da Energia Solar
Radiação Solar no Brasil
Localidade
Dongola - Sudão
Dagget - USA
Belém - PA
Floriano - PI
Petrolina - PE
B.J. da Lapa - BA
Cuiabá - MT
B.H - MG
Curitiba - PR
P. Alegre - RS
Latitude
19o 10’
34o 52’
01o 27’
06o 46’
09o 23’
13o 15’
15o 33’
19o 56’
26o 25’
30o 01’
Radiação
mínima
(MJ/m2)
19,1
7,8
14,2
17
16,2
15,9
14,7
13,8
9,7
8,3
Radiação
máxima
(MJ/m2)
27,7
31,3
19,9
22,5
22,7
21,1
20,2
18,6
19,4
22,1
Radiação
anual
(MJ/m2)
23,8
20,9
17,5
19,7
19,7
19,7
18,0
16,4
14,2
15,0
Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil 2000
Fundamentos da Energia Solar
Sul da Espanha 2.100 -2.200 kWh/m2
Saara/ Norte da África 2.600-2.700 kWh/m2
Deserto de Mojave / Calif. 2.600-2.700 kWh/m2
Deserto do Atacama / Chile até 3.000 kWh/m2
Classificação para instalação de
Usinas Heliotérmicas:
excelente
bom
adequado
inadequado
Fonte:
DLR
Fundamentos da Energia Solar
Energia ...
... Solar térmica
... Fotovoltaica
... Heliotérmica
Conteúdo
1. Fontes e Formas de Energia
2. Fundamentos da Energia Solar
3. Aproveitamento Heliotérmico
4. Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Heliotérmico
Tecnologias de Concentração
Torre Central
Até 550ºC; Turbinas a Vapor
500ºC a 1000ºC;
Turbinas a Vapor, Turbinas a Gás,
Motores Stirling
Calhas CilindroParabólicas
Linear Fresnel
Disco Parabólico
Fonte: DLR
Aproveitamento Heliotérmico
Radiação Solar DIRETA no mundo
Aproveitamento Heliotérmico
Gerador
Turbina a Vapor
Calor
Gerador
de Vapor
Condensador
Bomba
Fonte: DLR
Aproveitamento Heliotérmico
Irradiação
Solar
Calor
Irradiação
Solar
Calor
Energia
Elétrica
Energia
Elétrica
Combustível
Irradiação
Solar
Calor
Armazém Térmico
En.El.
Combustível
Fonte: DLR
Aproveitamento Heliotérmico
Esquemática da Usina Heliotérmica
Por exemplo: usina „Andasol“ c/ 50MWel + 7,5hs armazém térmico
Fonte: Fend, Riffelmann
Aproveitamento Heliotérmico
Calhas cilindro-parabólicas
Kramer Junction, EUA
(5x 30MWel, 2x 80MWel)
Fonte: Kramer Junction Company
Nevada Solar One, USA
(64 MWel)
Fonte: Fend, Riffelmann
Aproveitamento Heliotérmico
Linear Fresnel
Puerto Errado, Espanha
(31,4MWel)
Fonte: SIJ
Aproveitamento Heliotérmico
Disco Solar
Dish Stirling System Test Site, EUA
(20kWel)
Maricopa Solar Plant, USA
(1,5 MWel)
Fonte: SIJ
Aproveitamento Heliotérmico
Torre Central
Solar Two, Barstow, EUA
(10 MWel)
CESA1, Espanha
(7 MWth)
Fonte: Fend, Riffelmann
Aproveitamento Heliotérmico
Torre Central
PS10, Espanha
(11 MWel)
Fonte: Fend, Riffelmann, Ulmer
Aproveitamento Heliotérmico
Torres Centrais
GEMA Solar
(20 MWel, 15hs de armazém térmico)
Fonte: Schwab, GEMA Solar
Aproveitamento Heliotérmico
Usinas em Operação (2010: 1 GW)
90%
Hoje em construção ou estado avançado de planejamento: 15GW
Conteúdo
1. Fontes e Formas de Energia
2. Fundamentos da Energia Solar
3. Aproveitamento Heliotérmico
4. Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Fotovoltaico
O efeito fotovoltaico
Estrutura atômica da célula de Silício
(esq.) e dopagem com Fósforo (dir.)
Junção PN e movimento em nível eletrônico
Processo eletrônico no sistema FV
Fonte: Krauter
Aproveitamento Fotovoltaico
da Célula à Usina FV
Fonte: Krauter
Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Fotovoltaico
Aproveitamento Fotovoltaico
Fonte: SMA
Aproveitamento Fotovoltaico
Internet:
http://www.sma.de/en/company/pv-electricity-produced-in-germany.html
Fonte: SMA
Aproveitamento Fotovoltaico
As tarifas Feed-In na Alemanha (2012)
Fonte /
Tecnologia
Tarifa
Mínima
Tarifa
Máxima
Tarifa depende do local de
Tarifa
Tarifa
instalação, da potência instalada
Mínima Máxima
ou do período de operação
R$/MWh
(€ = R$ 2,30)
ct/kWh
Fotovoltaica
21,11
28,74
486
661
Eólica
on-shore
4,87
8,93
112
205
Eólica offshore
3,50
15,00
81
345
Biomassa
(≤ 20 MW)
6,00
25,00
138
575
Hídrica
3,40
12,70
78
292
Gás de esgoto
5,89
6,79
135
156
Geotérmica
25,00
30,00
575
690
Tarifa mínima
Tarifa máxima
edificações
(≤ 30 kW)
tarifa máxima pago pelo menos
nos primeiros 5 anos de
operação
tarifa máxima pago nos
primeiros 12 anos
≤ 75 kW
≥ 5 MW
(dejetos
animais)
terrenos
> 50 MW
≤ 0,5 MW
> 0,5 - 5 MW
≤ 0,5 MW
tarifa máxima para fontes
petrotermais
Decréscimo
Anual
%
meta de 9% (a
partir de 2012)
1,5% (2013)
5% (2018)
2% (2013)
1% (2013)
1,5% (2013)
5% (2018)
Fonte: BMU
Aproveitamento Fotovoltaico
Comparação entre Brasil e Alemanha
Brasil
Alemanha
1. Situação atual – matriz de
> 80% renovável
energia elétrica
20% renovável
2. Desenvolvimento do
crescente
consumo de energia elétrica
estável
3. Objetivos da política
energética
4. Desenvolvimento da
matriz de energia elétrica
Segurança de
fornecimento e
modicidade tarifária
Segurança de
fornecimento e matriz
mais limpa
Diversificação
moderada
Mudança radical
Aproveitamento Fotovoltaico
Gerador FV
Carga
Medidor
Consumo
Rede
Configuração
Feed-In
Inversor
Gerador FV
Configuração
Net-Metering
Fonte: SMA
Medidor Geração/Injeção
Carga
Medidor
Bidirecional
Inversor
Rede
Aproveitamento Fotovoltaico
Residential Tariffs
[2,20 R$/€]
18,8 – 19,8 €ct/kWh
14,4 – 15,5 €ct/kWh
18,1 – 18,8 €ct/kWh
13,4 – 14,4 €ct/kWh
16,6 – 18,1 €ct/kWh
12,3 – 13,4 €ct/kWh
15,5 – 16,6 €ct/kWh
9,0 – 12,3 €ct/kWh
Fonte: Rüther, ANEEL
Oportunidades no Brasil
Aproveitamento Fotovoltaico
Pituaçu: Primeiro Estádio Solar da América Latina
Fundamentos da Energia Solar
Energia ...
... Solar térmica
... Fotovoltaica
... Heliotérmica
Fundamentos das Energias Renováveis
Torsten Schwab
GIZ – Energias Renováveis e Eficiência Energética
Brasília
E-mail: [email protected]
Fontes e Referências
AGEE
Agentur für Erneuerbare Energien
http://www.unendlich-viel-energie.de
ANEEL
Agência Nacional de Energia Elétrica
http://www.aneel.gov.br
BMU
Bundesminsterium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
Ministério de Meio Ambiente e Segurança Nuclear
http://www.bmu.de
BMWI / E-Energy
Bundesminsterium für Wirtschaft und Technologia
Ministério de Economia e Tecnologia
http://www.bmwi.de
http://www.e-energy.de
BSW
Bundesverband Solarwirtschaft
http://www.solarwirtschaft.de
DESERTEC
Iniciativa DESERTEC
http://www.desertec.org
DLR
Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt
Agência Alemã de Aviação e Astronáutica
http://www.dlr.de
Fend, Riffelmann
Dietmar Brakemeier, capacitação Energia Solar, EPE/GTZ 2009
fonte original: Seminário “Solar Technology”
Dr. Thomas Fend, Dr. Hans-Jürgen Riffelmann; FH Aachen, Abt. Jülich
Fontes e Referências
IEA
Key World Energy Statistics 2011
International Energy Agency
ISET
Institut für Solare Energieversorgungstechnik
hoje: Fraunhofer IWES
Fraunhofer IWES
Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik
http://www.iwes.fraunhofer.de
Kleemann, Meliss
Regenerative Energiequellen
Kleemann und Meliss
Springer 1993
ISBN 0387550852
REN21
Global Status Report
Renewable Energy Policy Network for the 21st Century
http://www.ren21.org
SIJ
Solar Institute Jülich, FH Aachen
http://www.sij.fh-aachen.de
SMA
Solar Technology AG, Sonnenallee 1, 34266 Niestetal, Alemanha
http://www.sma.de
Stadler
Prof. Ingo Stadler
Palestra EPE/GTZ sobre Demand Side Management e DESERTEC
FH Köln
http://www.f07.fh-koeln.de