UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS
Relatório interno
Estudo de caso para implantação de usina hidrelétrica reversível
para operação conjunta com aproveitamentos eólicos
no Litoral Norte do Estado do Rio Grande do Sul
José D’Agostini Neto, Lucas Montado Pasquali
Rogério Dornelles Maestri, Alexandre Beluco
Porto Alegre, 08 de novembro de 2005.
1
SUMÁRIO
1.
2.
3.
4.
5.
Introduçlão.
Sistemas híbridos eólicos hidrelétricos.
O sistema híbrido eólico hidrelétrico em estudo.
Simulações numéricas.
Conclusões.
1
1. Introdução
A energia eólica é a energia cinética do
ventos(massas de ar em movimento), que pode
ser aproveitada pelo homem para realizar
trabalho útil. O uso da energia cinética dos
ventos para a realização de trabalhos e a
produção de energia elétrica é uma alternativa
das mais importantes dado ao seu relativo baixo
impacto sócio-ambiental e sua principal
característica que é muito valorizada, a energia
limpa e renovável.
Os ventos são causados pelo aquecimento
diferenciado da superfície da Terra. Essa não
uniformidade na temperatura da superfície da
Terra, e conseqüentemente, na atmosfera, é
devida principalmente à orientação da Terra no
espaço e a seus movimentos de rotação e
translação. Em resumo, os regimes de ventos são
causados pela desigual distribuição de incidência
de energia solar na superfície da Terra.
A atividade de exploração dos ventos para a
geração de energia é perfeitamente compatível
com os principais usos do solo, em especial a
agropecuária,
atividade
econômica
predominante em muitas das regiões que
apresentam os melhores potenciais.
A energia eólica é medida através de sensores
de velocidade e direção do vento, denominados
anemômetros, operados por instituições com
diferentes objetivos. Em geral, a velocidade do
vento é medida em m/s (metros por segundo),
podendo ainda ser medida em outras unidades,
tais como nós, km/h, etc. O parâmetro mais
importante é a velocidade média do vento, mas é
desejável conhecer também a sua distribuição
estatística de velocidades.
Baseado no Atlas eólico do rio Grande do Sul
é possível afirmar que, em geral, grande parte do
litoral brasileiro, em particular o da região
Nordeste, apresenta velocidades de vento
propícias ao aproveitamento da energia eólica
em larga escala. O litoral do Estado do Rio
Grande do Sul é também considerado bastante
favorável. No interior do país, em áreas
montanhosas também se encontram diversos
sítios propícios. A região Norte é a menos
favorecida em relação à energia eólica. O
potencial eólico brasileiro pode ser conhecido em
caráter geral através de consultas aos átlas
eólicos regionais.
A tecnologia para aproveitamento da energia
eólica não é nova. As máquinas movidas pelo
vento são utilizadas desde a Idade Antiga e
podem ser consideradas como um dos primeiros
avanços tecnológicos da humanidade. O
primeiro registro histórico de utilização da força
motriz do vento para bombeamento de água e
moagem de grãos através de cata ventos remonta
à Pérsia (atual Iraque), por volta do ano 200 AC,
sendo que máquinas semelhantes têm sido
utilizadas continuamente na Europa há muitos
séculos. Os cata ventos multipás, para
bombeamento d’água, são bastante conhecidos e
utilizados há muitas décadas, inclusive no
interior do Brasil. As máquinas eólicas de
pequeno porte para geração de energia elétrica
(sistemas isolados) também têm sido bastante
utilizadas, há cerca de 20 anos. A primeira
máquina eólica de grande porte para geração de
energia elétrica remonta à década de 1950 e esta
tecnologia tem tido grande impulso na Europa
desde a década de 1980.
A utilização do vento para a geração de
eletricidade, em escala comercial, teve início há
pouco mais de 30 anos. Através de
conhecimentos da indústria aeronáutica, os
equipamentos para geração eólica evoluíram
rapidamente em termos de idéias e conceitos
para produtos de alta tecnologia. No início da
década de 70, com a crise mundial do petróleo,
houve um grande interesse de países europeus e
dos
Estados
Unidos
em
desenvolver
equipamentos para produção de eletricidade que
ajudassem a diminuir a dependência do petróleo
e carvão.
Conforme
Galdino
et
alli
(www.cresesb.cepel.br), a energia eólica tem
apresentado crescimento acelerado em todo o
mundo, atingindo cerca de 32% ao ano no
período de 1998-2002. Normalmente os
investimentos são feitos pela iniciativa privada,
mas
contam
com
muitos
incentivos
governamentais. Os locais do mundo com maior
utilização de energia eólica é: Europa - na costa
do Mar do Norte, incluindo Dinamarca,
Alemanha, Holanda e Inglaterra; na Dinamarca
já existe inclusive uma fazenda eólica "off-shore",
ou seja, instalada no mar, e os Estados Unidos
nas montanhas do Estado da Califórnia e no
Estado do Texas. A tabela a seguir mostra, além
do Brasil, os 12 países de maior utilização de
energia eólica no mundo, juntamente com a
potência eólica instalada (MW) nestes países. O
Brasil, com cerca de 22MW instalados, ocupa a
25a. posição.
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
2
de vento, realizadas recentemente em diversos
pontos do território nacional, indicam a
existência de um imenso potencial eólico ainda
não explorado.
No Brasil, existem inúmeras instituições que
coletam dados de vento. Entre elas, o Instituto
Nacional de Meteorologia (INMET) do
Ministério da Agricultura, o Ministério da
Marinha (BNDO/CHM), o Ministério da
Aeronáutica (DEPV e INFRAERO), o Centro de
Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL), diversas
TABELA 1. Potência
(www.cresesb.cepel.br).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
25
eólica
instalada
(MW)
País
Alemanha
Espanha
Estados Unidos
Dinamarca
Índia
Itália
Holanda
Inglaterra
China
Japão
Suécia
Grécia
Brasil
Conforme site www.eolica.com.br, apesar de
vários trabalhos e pesquisas realizadas nas
décadas de 70 e 80, a geração de energia a partir
de turbinas eólicas no Brasil teve início apenas
em julho de 1992, com a instalação de uma
turbina de 75kW na ilha de Fernando de
Noronha, através de iniciativa pioneira do
Centro Brasileiro de Energia Eólica (CBEE), na
época conhecido como Grupo de Energia Eólica
da Universidade Federal de Pernambuco. Na
mesma época existia na Universidade Federal do
Rio Grande do Sul um grupo de pesquisa
associado ao núcleo de energia da escola de
engenharia e da pró-reitoria de extensão, sob a
coordenação do Professor Doutor Debi Padha
Sadhu.
No Brasil existem em operação várias
fazendas eólicas. O centro brasileiro de energia
eólica (www.eolica.com.br) apresenta a seguir,
alguns casos geração eólica no Brasil. No estado
de Pernambuco, na Ilha de Fernando de existe
dois aerogeradores eólicos com capacidade de
275 kW e 75kW instalados pela CELPE
(Companhia Energética de Pernambuco) e pelo
concessionárias de energia elétrica (CEMIG,
COELCE, COELBA, COPEL, entre outras),
Secretarias de Energia de vários Estados, etc.
A capacidade instalada no Brasil é de
aproximadamente 22 MW, com turbinas eólicas
de médio e grande porte conectadas à rede
elétrica. Além disso, existem turbinas eólicas de
pequeno porte funcionando em locais isolados
da rede convencional para aplicações diversas bombeamento, carregamento de baterias,
telecomunicações e eletrificação rural.
em
diversos
países.
Fonte:
Galdino
et
alli
Potência (MW)
12.001
4.830
4.685
2.880
1.702
785
688
552
468
415
328
276
22
Centro Brasileiro de Energia Eólica (empresa
privada) respectivamente. Ainda no Estado de
Pernambuco, na cidade de Olinda foi instalada
pelo Centro Brasileiro de Energia Eólica
(empresa privada) uma usina eólica com
capacidade de 225 kW. Em Minas Gerais no
Morro do Camelinho está em funcionamento
uma usina eólica com capacidade de 1 MW,
instalada pela CEMIG (Companhia Energética de
Minas Gerais). No Estado do Ceará, em
Mucuripe a COELCE (Companhia Energética do
Ceará) instalou uma usina com capacidade de 2,4
MW e a Wobben Windpower (empresa privada
alemã) instalou em Taíba, 5 MW e na Prainha, 10
MW ambas no Estado do Ceará, sendo esta
última a primeira do mundo construída sobre
dunas. Em Palmas no Estado do Paraná foi
instalado pela COPEL (Companhia Paranaense
de Energia Elétrica) um conjunto de
aerogeradores com capacidade de 2,5 MW. Em
Bom Jardim da Serra no Estado de Santa
Catarina possui um aerogerador com capacidade
de
600
kW,
instalado
pela
Wobben
Windpower.Para desenvolvimento de projetos
3
no estado de Santa Catarina, foi criada a empresa
Parque Eólico de Santa Catarina Ltda.
Conforme atlas eólico do estado do rio
Grande do Sul (2002), a energia eólica é
considerada a fonte alternativa que apresenta
maior potencial de crescimento no Brasil a curto
e médio prazo e existem inúmeras outras
fazendas eólicas em planejamento ou em projeto,
a maioria com investimentos feitos pela iniciativa
privada (empresas estrangeiras).
O Programa de Incentivo às Fontes
Alternativas de Energia Elétrica - PROINFA foi
criado no âmbito do Ministério de Minas e
Energia - MME pela Lei no 10.438 de 26 de abril
de 2002 e tem como objetivo a diversificação da
matriz energética brasileira e a busca por
soluções de cunho regional com a utilização de
fontes renováveis de energia, mediante o
aproveitamento
econômico
dos
insumos
disponíveis e das tecnologias aplicáveis, a partir
do aumento da participação da energia elétrica
produzida com base nas fontes eólica, pequenas
centrais hidrelétricas - PCH e biomassa no
Sistema Elétrico Interligado Nacional - SIN.
O PROINFA, na sua primeira etapa,
promoverá a implantação de 3.300 MW de
capacidade em instalações de produção com
início de funcionamento previsto para até 30 de
dezembro de 2006, sendo assegurada a compra
da energia a ser produzida durante 15 anos, a
partir da data de entrada em operação definida
em contrato.
No estado do Rio Grande do Sul ao longo de
seus 630 km de litoral, existem 986 km² de areia e
dunas sopradas por ventos intensos e constantes.
A este cenário, soma-se um sistema elétrico que
nos últimos anos tem recebido investimentos e
reforços importantes na geração e transmissão,
exigidos pelas altas taxas de crescimento da
demanda
energética
resultante
da
industrialização
e
do
desenvolvimento
econômico estadual.
A energia eólica representa uma alternativa
capaz de contribuir no fortalecimento do sistema
elétrico estadual e até mesmo do sistema
interligado
brasileiro,
dada
a
grande
complementaridade sazonal entre os regimes
naturais eólicos e hidráulicos no país.
No âmbito sócio-econômico, destacam-se as
características
positivas
reconhecidamente
associados à geração eólica-elétrica em escala: a
sustentabilidade, pelo uso de recursos naturais, a
atração de investimentos produtivos, tais como
usinas de geração elétrica e fábricas de
componentes de aerogeradores, geração de
empregos,
fixação
de
tecnologias,
desenvolvimento econômico descentralizado,
além da importante preservação do patrimônio
ambiental.
Com o predomínio da geração hidrelétrica no
Brasil, superior a 90% (sendo que a participação
expressiva das hidrelétricas é caracterizada por
grandes usinas, especialmente aquelas com
potência instalada superior a 250 MW), a
estabilização sazonal da oferta de energia tem
sido um desafio histórico ao planejamento da
operação dos sistemas interligados, pois os
regimes hidrológicos têm caráter estocástico com
flutuações sazonais de amplitude significativa. A
grande maioria das usinas hidrelétricas do Brasil
depende do regime hidrológico do Sudeste, o
qual é caracterizado por flutuações sazonais de
amplitude significativa. O risco de déficit da
capacidade de armazenamento nas estações
secas críticas vem crescendo nos últimos anos,
como conseqüência
da
postergação de
investimentos em novas usinas de geração
devido à reestruturação do setor elétrico e à
privatização das concessionárias de energia.
Nas últimas décadas, o aproveitamento
eólico-elétrico mundial demonstrou aptidão às
escalas de gigawatts, necessárias a uma
contribuição efetiva a sistemas elétricos. Este
trabalho demonstra seus possíveis efeitos na
estabilização sazonal da oferta de energia no
sistema elétrico interligado, aproveitando-se os
amplos recursos naturais disponíveis no País.
Devido à complementaridade sazonal
existente na região Sul do País e o alto potencial
para instalação de aerogeradores, este trabalho
propõe a instalação de um sistema híbrido eólico
hidrelétrico.
O sistema é baseado na
complementação da energia eólica através da
geração de energia hidrelétrica, tornando a
energia eólica mais confiável. O projeto em
estudo tem como área de abrangência o litoral
Norte do Estado do Rio Grande do Sul, onde
existe um grande potencial eólico e grandes
áreas para implantação do sistema.
Sistemas híbridos de energia são sistemas
autônomos de geração elétrica que combinam
fontes de energia renováveis e geradores
convencionais, podendo também conter apenas
geradores renováveis. O seu objetivo é produzir
o máximo de energia possível das fontes
renováveis (sol e vento), mantendo a qualidade
da energia e a confiabilidade especificada para
cada projeto.
Estes sistemas são adequados para atender as
necessidades energéticas de locais isolados
devido ao alto custo da eletrificação de lugares
com baixa demanda e de difícil acesso.
Geralmente, os sistemas isolados eletrificados
utilizam geração termelétrica com grupos
4
geradores diesel.
Entre os anos 1910 e 1927, as primeiras usinas
reversíveis foram construídas na Itália,
Alemanha e Suíça. Suas potências instaladas não
passavam de alguns MW. Usinas com
capacidades entre 20 e 40MW foram construídas
na Alemanha, entre 1928 e 1938. Após 1949,
vários projetos com turbinas reversíveis foram
executados na França, Itália, Alemanha, Grã
Bretanha e Suiça.
A usina reversível mais antiga de que se tem
conhecimento, entrou em operação em
Schaffhausen, na Suíça, em 1909, e ainda está em
operação. Existem em torno de 300 usinas
reversíveis no mundo, tanto em operação como
em funcionamento. O maior investimento em
usinas reversíveis está nos EUA, que usam mais
usinas reversíveis que qualquer outro país no
mundo.
O domínio técnico da usina reversível já é de
conhecimento mundial. Este trabalho será
desenvolvido para otimizar este sistema com a
participação da energia eólica, através de
simulações computacionais.
No Litoral Norte do Estado Do Rio Grande
Do Sul, devido ao relevo e ao grande potencial
eólico divulgado recentemente pelo Altas Eólico
do Estado, foi detectada algumas variáveis
imprescindíveis para o funcionamento de um
sistema híbrido como este proposto. Entre as
variáveis que influenciarão este estudo, estão a
serra geral que, devido ao relevo, existe um
grande potencial para possível implantação dos
reservatórios superiores e inferiores e valores de
queda bruta que podem chegar a até mil metros
de queda bruta; o grande potencial eólico na
região do Litoral Norte e a localização das linhas
de transmissão para encaminhamento da
energia, as quais encontram-se próxima a área
em estudo.
A partir destas variáveis surgiu a idéia do
estudo para um melhor aproveitamento da
energia eólica através de um sistema integrado
com os reservatórios de acumulação hidráulica.
Para implantação desta proposta é necessário
que exista um conjunto de variáveis como a serra
geral com disponibilidade para implantar
reservatórios, um grande potencial de energia
eólica, local para implantação do parque eólico, e
ainda uma rede de distribuição de energia
próximo ao sistema. O local escolhido para a
implantação desta proposta em estudo abrigada
todas estas particularidades.
No capítulo 03 será apresentado todos os
detalhes deste sistema, inclusive as áreas de
implantação com mapas ilustrativos.
Este texto consiste em uma dissertação e é
constituído por cinco capítulos. Este primeiro, a
introdução, descreve o panorama no qual se
insere este trabalho e caracteriza o sistema
híbrido eólico hidrelétrico que se pretende
propor juntamente com os principais objetivos,
enquanto o segundo capítulo apresenta uma
breve revisão bibliográfica centrada em sistemas
híbridos semelhantes ao que é motivo deste
trabalho. O terceiro capítulo descreve o sistema
proposto. No quarto capítulo é apresentado as
simulações numéricas e resultados obtidos com
este estudo, juntamente com a metodologia
utilizada. As conclusões e recomendações do
sistema serão analisadas no quinto e último
capítulo que antecede à bibliografia.
O objetivo deste estudo é avaliar a utilização
de um sistema híbrido eólico hidrelétrico no
Litoral Norte do Estado do Rio Grande do Sul,
visando um melhor aproveitamento da energia
eólica disponível. A configuração desse sistema
híbrido considera o emprego de reservatórios de
água para armazenamento de energia potencial
gravitacional no alto e no pé da Serra Geral,
associados a uma casa de máquinas com
capacidade para bombeamento e turbinamento,
e a implantação de um conjunto de geradores
eólicos, interligados ao sistema energético
nacional.
Os objetivos específicos deste estudo são:
[1] Estudar a configuração do aproveitamento
híbrido eólico hidrelétrico proposto, avaliando as
possíveis configurações da casa de máquinas e
identificando de modo expedito áreas no Litoral
Norte do RS apropriadas para implantação dos
reservatórios e para implantação dos geradores
eólicos;
[2]
Estudar,
através
de
simulações
computacionais,
o
incremento
no
aproveitamento da energia eólica disponível que
pode ser obtido com a acumulação de energia
nos reservatórios identificados no objetivo
anterior.
2. Sistemas híbridos eólicos hidrelétricos
Este capítulo relata um breve resumo sobre a
energia eólica e em seguida descreve projetos de
pesquisa e implementações de sistemas híbridos
encontrados na literatura. A maior dificuldade
foi sobre o tema em geral, onde não foram
encontradas
referências
específicas
sobre
5
Sistemas Híbridos Eólicos Hidrelétricos. Alguns
casos de sistemas estudados e em funcionamento
no Brasil correspondem a sistemas híbridos
combinando na maioria das vezes a energia solar
e diesel com outras formas de energias
alternativas. Em seguida, serão apresentados
alguns dados encontrados na literatura sobre o
assunto, julgados importantes para o trabalho,
além de uma descrição resumida dos sistemas
híbridos encontrados em funcionamento no
Brasil e estudos relacionados a sistemas híbridos
eólicos hidrelétricos em funcionamento no
mundo.
A principal contribuição foi encontrada entre
artigos de pesquisadores alemães e gregos, que
relatam
experiências
sobre
projeto
e
funcionamento de Sistemas Híbridos Eólicos
Hidrelétricos.
A grande maioria dos trabalhos sobre
sistemas híbridos trata de sistemas baseados nas
combinações de energias eólica e solar e de eólica
e diesel, e em menor número de solar e diesel.
Um grande número de sistemas em estudo, e a
maioria em funcionamento consideram a
utilização de uma fonte renovável apoiada por
uma fonte convencional, com o gerador a base de
combustível fóssil sendo acionado quando a
fonte renovável encontra-se indisponível.
A dinâmica de sistemas híbridos baseados em
geradores eólicos e diesel é abordada pelos
trabalhos de Tripathy et alii, 1996 e 1992,
Tripathy, 1997, e de Bhatti et alii, 1997. Esses
trabalhos discutem também a influência de
acumuladores de energia de vários tipos (bancos
de baterias, dispositivos capacitivos, dispositivos
magnéticos supercondutores e volantes) ou do
controle de carga sobre o desempenho do
sistema.
A disponibilidade de energia eólica não é
constante ao longo o ano. Na prática, verifica-se
que o recurso eólico apresenta variações
temporais em várias ordens de grandeza:
variações anuais (em função de alterações
climáticas), variações sazonais (em função das
diferentes estações do ano), variações diárias
(causadas pelo microclima local), variações
horárias (brisa terrestre e marítima, por exemplo)
e variações de curta duração (rajadas). A
variação espacial da energia eólica também é
muito grande.
A variação da disponibilidade de energia
eólica varia para diferentes alturas. Para
qualquer fluido em movimento, a velocidade do
fluxo aumenta na medida em que este se afasta
das superfícies que o delimitam. Portanto, a
velocidade do vento aumenta com a altura em
relação à superfície da terra de forma
dependente da rugosidade do terreno. Em
terrenos planos (baixa rugosidade) esta variação
é muito menos significativa do que em terrenos
irregulares (alta rugosidade), sendo as áreas
urbanas classificadas nesta segunda categoria.
Por isso, as máquinas eólicas são geralmente
instaladas em torres elevadas, onde as
velocidades são significativamente maiores do
que na superfície.
Aerogeradores, turbinas eólicas, geradores
eólicos, máquinas eólicas e cata-ventos são os
diversos nomes utilizados para as máquinas
capazes de transformar a energia cinética dos
ventos em energia mecânica ou em energia
elétrica, para uso em diversas aplicações. O uso
da energia mecânica é utilizado para
acionamento direto de bombas d’água, moinhos,
etc. Já a energia elétrica, a mesma gerada pode
ser injetada diretamente na rede elétrica
convencional (normalmente máquinas de grande
porte) ou utilizada em sistemas isolados –
eletrificação rural (geralmente máquinas de
pequeno porte).
O princípio de funcionamento da energia
eólica baseia-se na conversão da energia cinética,
que é resultante do movimento de rotação
causado pela incidência do vento nas pás da
máquina eólica. As pás das máquinas modernas
são dispositivos aerodinâmicos com perfis
especialmente desenvolvidos, equivalentes às
asas dos aviões, e que funcionam pelo princípio
físico da sustentação.
O comportamento da maquina eólica varia de
acordo com a velocidade do vento. Ventos com
baixa velocidade não têm energia suficiente para
acionar as máquinas eólicas, que só funcionam a
partir de uma determinada velocidade mínima,
que normalmente varia entre 2,5m/s e 4,0m/s.
Com o aumento da velocidade do vento, a
potência no eixo da máquina aumenta
gradativamente até atingir a potência nominal da
máquina, que ocorre a uma determinada
velocidade nominal do vento, a qual varia
geralmente entre 9,5m/s e 15,0m/s. Para
velocidades do vento superiores à nominal, em
muitas máquinas, a potência permanece
constante até uma velocidade de corte superior,
na qual a máquina deve sair automaticamente de
operação para evitar que sofra danos estruturais.
É importante saber que a energia disponível
varia com o cubo da velocidade do vento, de
forma que o dobro de velocidade representa um
aumento de oito vezes em energia, segundo a
fórmula universal que é encontrada no do atlas
eólico do Estado do Rio Grande do Sul de 2002 e
é apresentada a seguir:
P = ½ ρ Ar ν3 Cpη
6
P = Potência em Watts
ρ = densidade do ar; varia de 1 a 1,2 kg/m3 ;
Ar = área varrida pelo rotor;
ν = Velocidade do vento
Cp= coeficiente aerodinâmico de potência do
rotor 9valor máximo teórico = 0,593, na prática
atinge 0,45 e é variável com o vento, rotação e
parâmetros de controle da turbina;
η = eficiência do conjunto gerador transmissões mecânicas e elétricas (0,93 a 0,98)
Atualmente existem vários tipos de máquinas
eólicas. As máquinas de grande porte
disponíveis são em grande maioria máquinas
tripás de eixo horizontal. Contudo, existem
inúmeros outros tipos de máquinas eólicas, tais
como as máquinas bipás, monopás, quadripás e
multipás de eixo horizontal, além das máquinas
Darrieus e Savonius de eixo vertical, bem como
diversos outros dispositivos. Estas inúmeras
variantes são normalmente utilizadas apenas
para máquinas de pequeno porte.
A turbina eólica para geração de energia
elétrica é composta pelos seguintes subconjuntos,
o rotor, nacele, e torre. O rotor é o componente
que efetua a transformação da energia cinética
dos ventos em energia mecânica de rotação. No
rotor são fixadas as pás da turbina. Todo o
conjunto é conectado a um eixo que transmite a
rotação das pás para o gerador, muitas vezes
através de uma caixa multiplicadora. A nacele é
o compartimento instalado no alto da torre e que
abriga todo o mecanismo do gerador, o qual
pode incluir: caixa multiplicadora, freios,
embreagem, mancais, controle eletrônico,
sistema hidráulico, etc. A torre é o elemento que
sustenta o rotor e a nacele na altura adequada ao
funcionamento da turbina eólica. É um item
estrutural de grande porte e de elevada
contribuição no custo inicial do sistema. Em
geral, as torres são fabricadas de metal (treliçada
ou tubular) ou de concreto. As torres das
turbinas eólicas de pequeno porte são estaiadas
(sustentadas por cabos tensores) enquanto as das
turbinas de médio e grande porte são autoportantes.
As potências disponíveis comercialmente
para geração de energia elétrica são classificada
de acordo com a potência gerada, ou seja,
pequeno, médio e grande porte. A potência de
pequeno porte possuem potências nominais na
faixa de centenas de W a unidades de kW e
diâmetros de rotor de 2m a 8m, sendo destinadas
tipicamente à utilização em sistemas isolados, as
de médio porte são potências nominais na faixa
de unidades a dezenas de kW e diâmetros de
rotor de 10m a 15m. O sistema de grande porte é
caracterizado por potências nominais variando
de centenas de kW a unidades de MW e
diâmetros de rotor de 30m a 100m, sendo
destinadas à utilização em fazendas eólicas. As
maiores máquinas disponíveis comercialmente
têm potência nominal de 4,5MW e diâmetro do
rotor de 112m.
As máquinas que aproveitam diretamente a
energia eólica para bombeamento d’agua, são
dispositivos puramente mecânicos, nos quais o
rotor, geralmente do tipo multipás, é acoplado a
um eixo de manivelas (girabrequim) horizontal
que transforma o movimento rotativo em um
movimento linear, o qual por meio de uma longa
haste metálica vertical aciona uma bomba d’água
submersa do tipo piston. No caso de
bombeamento de água de poços, o equipamento
é montado diretamente acima do poço. Este tipo
de dispositivo é muito comum no interior do
Brasil, sendo também bastante utilizado nas
salinas localizadas em alguns pontos do litoral
(RJ e RN). Estas máquinas são denominadas
popularmente, no Brasil, de cata-ventos.
Para estimar com confiabilidade a energia
produzida por uma máquina eólica é necessário
conhecer, além das características da máquina
que será utilizada (curva potência x velocidade
do vento), a distribuição estatística da velocidade
do vento no local onde ela será instalada. Tais
dados de vento normalmente só são obtidos por
meio de levantamentos específicos do potencial
eólico efetuados no próprio local de interesse.
A velocidade média mínima do vento que
permite a utilização de maquinas eólicas
depende da sua aplicação. Geralmente, para
aplicações em larga escala, com máquinas de
grande porte, se requer uma velocidade média
de, no mínimo, 6,5m/s a 7,5m/s, para que os
sistemas sejam economicamente viáveis. Já para
a utilização em sistemas isolados pequenos,
incluindo
os
sistemas
mecânicos
para
bombeamento d’água, assume-se que uma média
de 3,5m/s a 4,5m/s é o mínimo admissível. Estes
valores consideram tanto a viabilidade técnica
quanto econômica.
Mundialmente
existem
dezenas
de
fabricantes de turbinas eólicas. A título de
informação podemos citar: Enercon (Alemanha),
Neg Micon (Alemanha), Vestas (Dinamarca),
Nordex (Alemanha), Jacobs (Alemanha), Bergey
Windpower (Estados Unidos), Zond (Estados
Unidos), Wobben Windpower (Brasil), etc.
As principais aplicações dos sistemas eólicos
para geração de energia elétrica são divididos em
duas vertentes: os sistemas de grande porte
interligados à rede elétrica, normalmente
denominados "fazendas eólicas" e os sistemas
isolados. As fazendas eólicas constituem
7
sistemas de grande porte, com potência instalada
na faixa de unidades a dezenas de MW. As
fazendas eólicas podem ser dotadas de várias
dezenas de máquinas eólicas e injetam toda a
energia gerada na rede elétrica convencional,
funcionando como uma usina geradora; são
também denominadas usinas eólicas. Os
sistemas isolados são sistemas autônomos de
pequeno porte, com potência instalada na faixa
de centenas de W a unidades de kW,
normalmente destinados à eletrificação rural.
Tais sistemas podem destinar-se a alimentar uma
residência rural, uma fazenda, uma aldeia ou
outro tipo de instalação.
O investimento em turbinas eólicas é viável
nos locais onde os ventos são favoráveis uma vez
que a viabilidade de tais empreendimentos está
condicionada à velocidade dos ventos no local.
No caso dos sistemas isolados de pequeno
porte a viabilidade é obtida naturalmente para
velocidades de vento baixas, pois deve-se
comparar os custos dos sistemas eólicos com os
elevados custos de extensão da rede elétrica
convencional.
No caso das fazendas eólicas, a viabilidade
ainda só é alcançada para velocidades de vento
elevadas, pois têm que competir com os custos
de energia obtidos com as formas de geração
convencional (hidroelétrica, térmica, etc). Nos
locais favoráveis, os investimentos em energia
eólica são bastante rentáveis e têm sido
explorados em todo o mundo pela iniciativa
privada. Em alguns países (Dinamarca e
Alemanha) a energia eólica já é complementar à
geração convencional e tem participação
expressiva na matriz energética nacional.
Os equipamentos que compõem um sistema
eólico autônomo para geração de energia elétrica
é a turbina eólica, banco de baterias, controlador
de carga e inversor. A turbina eólica, já descrita,
que a partir da energia cinética dos ventos,
funciona como gerador de energia elétrica; um
banco de baterias que é composto por uma ou
mais baterias, normalmente baterias Chumboácido 12V seladas, funciona como elemento
armazenador de energia elétrica para uso
durante os períodos de calmaria, quando não há
disponibilidade de vento; pelo controlador de
carga que é um dispositivo eletrônico que
protege as baterias conta sobrecarga ou descarga
excessiva; e um inversor que é um dispositivo
eletrônico que converte a energia elétrica em
corrente contínua (CC) para corrente alternada
(CA), de forma a permitir a utilização de
eletrodomésticos convencionais. Alguns sistemas
pequenos não empregam inversor e utilizam
cargas (luminárias, TV, etc.) alimentadas
diretamente por corrente contínua (CC).
Aqui foi considerado que a turbina eólica já
produz energia em um nível de tensão CC
compatível com o do banco de baterias; caso
contrário, são ainda necessários outros
dispositivos para efetuar a conversão.
As turbinas eólicas de grande porte são
conectadas à rede elétrica convencional por meio
de conversores e transformador. O conversor é
um equipamento eletrônico (composto por
retificador, inversor, etc.) que converte a energia
gerada pela turbina, em geral AC de tensão e
freqüência variáveis, para níveis adequados à
injeção na rede. O transformador é um
equipamento elétrico que aumenta o nível de
tensão gerado pelo conversor para a tensão da
rede, da ordem de dezenas ou centenas de kV
(linha de transmissão).
Os sistemas conectados à rede geralmente
não são dotados de armazenamento de energia
(baterias), de forma que produzem energia
somente quando existe disponibilidade de vento.
Os sistemas eólicos para bombeamento de
água
são
compostos
pelos
seguintes
equipamentos: turbina eólica, já descrita
anteriormente, controlador de bomba, conjunto
motor/bomba e um sistema hidráulico. O
controlador de bomba é um dispositivo
eletrônico que condiciona a energia gerada pela
turbina de forma a ser utilizada de forma
eficiente pelo conjunto motor elétrico/bomba
d’água. O conjunto motor/bomba pode ser de
diversos tipos e utilizar motores elétricos CC ou
CA (depende do fabricante). O sistema
hidráulico é constituído de reservatório,
registros, etc.
A descrição acima se refere ao sistema de
bombeamento elétrico; os sistemas puramente
mecânicos já foram descritos anteriormente.
Quanto aos impactos ambientais, os
equipamentos de pequeno porte têm impacto
ambiental pequeno. Já os impactos ambientais
das fazendas eólicas podem ser classificados em
quatro tipos, os efeitos estéticos, os ruídos, as
sombras e reflexos e as aves. Os efeitos estéticos
são devido às turbinas de grande porte que são
objetos de muita visibilidade (um rotor girante
de dezenas de metros de diâmetro é visível a
muitos quilômetros de distância) e interferem
significativamente nas paisagens naturais; por
isso podem existir restrições à sua instalação em
algumas áreas (por exemplo, em áreas turísticas
ou áreas de grande beleza natural). O ruído que
a turbina de grande porte gera é um ruído
audível significativo, de forma que existe
regulamentação relativa à sua instalação na
vizinhança de áreas residenciais, muito embora
8
nas turbinas mais modernas o nível de ruído tem
sido reduzido; o ruído é proveniente de duas
fontes: o próprio fluxo de ar nas pás e os
mecanismos (gerador, caixa de redução, etc). As
pás das turbinas produzem sombras e/ou
reflexos móveis que também são indesejáveis nas
áreas residenciais; este problema é mais evidente
em pontos de latitudes elevadas, onde o sol tem
posição mais baixa no céu. Em fazendas eólicas
pode ocorrer mortalidade de aves por impacto
com as pás das turbinas (acredita-se que as aves
não conseguem enxergar as pás em movimento),
por isso não é recomendável a sua instalação em
áreas de migração de aves, áreas de reprodução,
áreas de proteção ambiental, etc.
Atualmente os sistemas mais comuns de
fornecimento de energia utilizando energia
eólica são:
[1] Sistemas eólicos de grande porte
interligados a rede pública de distribuição,
bastante viáveis por dispensarem sistemas de
armazenamento,
representando
a
maior
evolução em sistemas eólicos. Já apresenta custos
comparáveis aos das hidrelétricas.
[2] Sistemas híbridos diesel-eólico de médio
porte, onde os geradores eólicos podem
representar fator de economia de combustível
com custos atraentes para locais onde a rede de
distribuição interligada é indisponível e exista
dependência de geradores a diesel para
fornecimento de energia elétrica. Como o motor
diesel garante a regularidade e estabilidade no
fornecimento de energia, dispensando sistemas
de armazenamento e o transporte do diesel
representa um custo adicional, a implementação
de aerogeradores neste sistema e atrativo.
[3] Sistemas eólicos autônomos, conjugados
com sistemas de armazenamento, devido às
complicações dos sistemas de armazenamento,
que devem compensar não só as variações
instantâneas e diárias, mas também compensar a
variação da disponibilidade nos períodos do ano,
torna-se um sistema complexo de avaliação.
No Brasil existem mais de quatrocentos
sistemas isolados que utilizam óleo diesel como
fonte geradora de energia. Sistemas híbridos de
energia podem representar uma solução mais
econômica para muitas aplicações e também
proporcionar uma fonte mais segura de
eletricidade devido à combinação de diversas
fontes de energia. Além disso, o uso de energia
renovável reduz de poluição ambiental
associados ao uso do diesel.
O único sistema híbrido eólico-diesel de
grande porte instalado no Brasil é o sistema da
Ilha de Fernando de Noronha. A geração de
energia elétrica a partir de óleo diesel na Ilha tem
uma capacidade instalada de aproximadamente
2MW, com 02 grupos geradores de 350kVA e 3
de 450kVA. (Total de 2050 kVA, ou seja,
2,05MVA. A diferença entre kVA e kW, ou entre
MVA e MW, está no fator de potência, que tem a
ver com a defasagem entre tensão e corrente nos
cabos de transmissão e distribuição de energia
elétrica. Se o fator de potência for de 0,92, o valor
atual da CEEE aqui no RS, então a potência em
MW será de 0,92 vezes 2,05, ou seja, 1,886MW).
Existem ainda vários grupos geradores de
pequeno porte. Duas turbinas eólicas, 75kW e
225kW de potência nominal, estão conectadas
diretamente à rede elétrica formando um sistema
integrado.
Entre os anos 1910 e 1927, as primeiras usinas
reversíveis foram construídas na Itália,
Alemanha e Suíça. Suas potências instaladas não
passavam de alguns MW. Usinas com
capacidades entre 20 e 40MW foram construídas
na Alemanha, entre 1928 e 1938. Após 1949,
vários projetos com turbinas reversíveis foram
executados na França, Itália, Alemanha, Grã
Bretanha e Suíça.
O trabalho de Cheng Xuemin (1993),
apresenta a descrição de 05 usinas reversíveis, as
quais serão apresentadas a seguir. O autor relata
que após reforma econômica que a china sofreu
em 1978, o crescimento no consumo doméstico
de energia foi de 15% ao ano. Nos anos de 1986 a
1990, dobrou o consumo residencial e o aumento
da iluminação pública ficou na faixa de 25%.
Devido a este grande crescimento em pouco
tempo o fornecimento de energia em horários de
pico ficou comprometido A solução adotada,
devido as condicionantes locais, foi construção
de usinas reversíveis, onde em horários com
pouca demanda seria usado bombas para o
bombeamento de água para os reservatórios
superiores para posterior turbinamento em
horários de pico. O bombeamento começou na
década de 80 em regiões costeiras. Na época
estavam em construção 5 usinas reversíveis,
sendo 4 delas em regiões costeiras. A capacidade
total de instalação dos 5 projetos é de 4.332,5
MW, que representada no ano de 1991, 3% da
capacidade elétrica da china. As principais
características dos 5 projetos serão descritos a
seguir:
A Usina de Panjiakou foi construída entre os
anos de 1975 e 1981. possui uma média anual de
geração de 589 GWh, sendo 238 GWh do tipo
convencional e o restante proveniente do sistema
reversível. A capacidade do reservatório
superior é de 2.93 x 109 m3, a barragem é de
concreto gravitacional com altura de 107,5
metros. Em 1981 o sistema gerava 150MW com
9
turbinas convencionais e tinha 3 turbinas
reversíveis de 90MW cada. O reservatório
inferior é localizado em um riacho que possui
barragem do tipo concreto gravitacional com
altura de 28,5 metros. A água liberada do
reservatório superior deve respeitar os requisitos
a jusante, pois é operada como usina
convencional entre abril e junho e reversível
entre julho e março.
A usina de Guangzhou está localizada na
China e possui dois reservatórios. A topografia é
favorável, pois através de uma pequena
barragem consegue-se um grande volume
d’agua. A diferença de cota do reservatório
superior para o inferior é de 530 metros em
menos de 4 Km de extensão. O reservatório
superior é construído em um pequeno riacho,
onde a vazão ecológica controlada é de 0,209
m3/s. A altura da barragem superior é de 68
metros com volume total de 10x106 m3. o
reservatório inferior possui 13 km2 de área de
inundação, uma vazão ecológica de 0,544m3/s e
barragem com 43,3 metros de altura. A estrutura
contava com 2 chaminés de equilíbrio, condutos
forçados de 3500metros de extensão com
diâmetro médio de 8 metros. As turbinas usadas
são do tipo Francis com diâmetro de 3,895
metros. Em 1989 a capacidade instalada do
sistema era de 7000MW, sendo que neste mesmo
ano a energia vendida pelo sistema foi de 31,5
TWh. Grandes consumidores construíram seus
reservatórios por causa da deficiência do sistema
energético local. Esta usina foi construída para
operar juntamente com uma usina nuclear com
capacidade total de 1800 MW.
A usina de Yangzhuyong Lake encontra-se
em uma altitude de 4.440 metros em relação ao
nível do mar. O ser reservtório superior trata-se
de um lago com área de 620 km2 e um volume
de 15 x 109 m3. A diferença de nível para o
reservatório inferior é de 840 metros. O
reservatório inferior é um riacho que enconra-se
a 9,5 km de distância. A idéia pincipal do projeto
é utilizar a energia de base para bombear água
para o lago e bombear nos horários de pico. O
bombeamento é efetuado em estações chuvosas e
turbinada para o rio em estações de seca. A
estrutura conta com 04 turbinas reversíveis de
22,5 MW cada, mais três turbinas convencionais
do tipo Pelton de eixo vertical. A construção
desta usina começou em 1989 e sua conclusão em
1995 com um custo total de $ 111 milhões de
dólares.
A usina de Ming Tombs começou a ser
construída em março de 1989. Conta com uma
casa de força subterrânea com 04 turbinas
reversíves tipo Francis de 200 MW cada. O
reservatório superior é composta de uma
barragem de 70 metros de altura do tipo
enrocamento que na época (1993) estava em
reparos por apresentar alguns problemas de
vazamentos. O sistema dispões de 02 túneis para
04 turbinas. Cada túnel tem diâmetro de 5,2
metros e comprimento aproximado de 2.000
metros.
A usina reversível de Tianhuangping está
localizada no rio Yangtze, a 175 km de Changai,
onde existe a maior demanda a ser suprida de
energia e que registra um crescimento de 10% ao
ano da demanda energética (dados de 1993). A
população atendida nesta região é de
aproximadamente 170 milhões de pessoas. A
maioria dos potenciais hidrelétricos na região já
estava praticamente ocupado. A energia
hidrelétrica corresponda a 10% da energia total
produzida. A grande fonte de energia era gerada
por usinas termoelétricas. Por estes motivos foi
justificável a idéia da implantação de uma usina
reversível para o atendimento nos horários de
pico. Em seu reservatório superior possui uma
barragem de 72 metros de altura do tipo
enrocamento. O reservatório inferior possui a
barragem do mesmo tipo com 92 metros de
altura. Possui 03 condutos forçados com 3,2
metros de diâmetro e 1.400 metros de
comprimento, uma casa de força com 06
unidades reversíveis de 300MW cada.
Em 1993 quando Cheng Xuemin descreveu
estes sistemas estavam em andamento mais 06
projetos com capacidade total de 07 GW.
No trabalho de V. Spudulis e A.Vasilyev
(1993), é apresentada as principais características
da usina reversível de Kruonis na Lithuania. A
usina está localizada a 25 km da Lithuania e a
capacidade de geração de 1.600 MW. o
reservatório superior possui um volume de 40,9
x 106 m3, 08 condutos forçados de 7,5 metros de
diâmetro e 845 metros de comprimento cada. O
horário do bombeamento varia de 06 a 07 horas
diaias durante a madrugada com carga máxima
de 223 MW/unidade e mais dois ciclos de 3 a 4
horas diáias durante manhã e a tarde com
capacidade variando entre 180MW e 200 MW.
Durante o restante do tempo encontra-se em
stand-by. Esta usina é fundamental para o
noroeste da ex União Soviética e para a Lithuanis
(hoje estado independente). Em 1993 a Lithuania
possuía 2.500MW de geração de energia nuclear
e 1.800MW de energia gerada por termoelétrica.
Kruonis regula o sistema cobrindo o pico e
armazenando o excedente. O sistema não opera
isoladamente. A energia nuclear mais a energia
proveniente da usina reversível é muito
importante para cobrir a base e o pico dos países
10
bálticos. O restante da energia ainda é exportado
para países vizinhos.
Na edição de julho de 1997 a revista Water
Power & DAM construction publicou uma
relação de usinas reversíveis que estavam em
fase de projeto. Somente os USA tinha 07
projetos de usinas com uma capacidade total de
10.645 MW, seguido da china com 3.980 MW.
A variação da demanda durante as 24 horas
do dia pode ser atendida com um sistema que
possua um bom rendimento econômico, como
por exemplo, usinas com turbinas a gás ou
turbinas hidráulicas estas quando o reservatório
tem volume útil suficiente grande para acumular
água durante períodos de pequena carga e
posteriormente turbiná-la durante as cargas
altas. Essa compensação pode ser diária ou
semanal aproveitando-se da carga reduzida,
durante os fins de semana, para a acumulação da
água.
As usinas hidrelétricas a fio d’água, as usinas
térmicas a vapor seriam aproveitadas da melhor
maneira e com maior rendimento se pudessem
trabalhar, dia e noite, com potência constante,
em vez de reduzir a potência durante as horas de
pequena carga e deixar passar a água pelo
vertedouro das usinas hidrelétricas a fio d’água
ou apagar as caldeiras das usinas térmicas a
vapor, deixar esfriá-las e acendê-las outra vez de
manhã, o que significa um desperdício de
combustível e conseqüentemente de dinheiro.
Porém, para isso, deve existir a possibilidade de
acumular energia não absorvida pelo consumo
durante as horas de pequena carga.
Um método de acumulação de energia
consiste na acumulação hidráulica, onde a
energia elétrica que sobra durante períodos de
pequena carga na rede elétrica é aproveitada
para bombear água para um reservatório
superior, de onde volta, durante os períodos de
grande carga, para um reservatório inferior
acionando as turbinas.
Os reservatórios podem ser construídos
independentes de um rio, de modo que um certo
volume d’água oscila entre os dois reservatórios
e é necessário apenas uma pequeno afluxo para
restituir as perdas por evaporação e infiltração;
ou podem ser formados pelas barragens
construídas sobre um rio para uma usina
hidrelétrica de ponta. Neste caso, durante a noite
as turbinas param e a água é rebombeada para o
reservatório superior, aumentando-se, assim, a
descarga da turbina durante as horas de pico.
Na Suíça onde o consumo de energia elétrica
é fornecido quase exclusivamente por usinas
hidrelétricas, durante o inverno, as precipitações
caem em forma de neve que não derretem por
causa das baixas temperaturas e a vazão dos rios
cai ao mínimo, enquanto o consumo de energia
alcança o máximo. O contrário acontece no
verão. Nas usinas hidrelétricas com reservatórios
para regularização anual ou plurienal, com casas
de força situadas na margem de um rio cuja
vazão não ou só parcialmente é captada pelo
reservatório, são instaladas bombas que, durante
o período de cheia, bombeiam água do ro para o
reservatório, aumentando a acumulação natural.
A maior parte das usinas no Brasil têm
reservatórios de volume suficiente para a
compensação diária ou semanal. Os rios são
aproveitados por usinas em cascata, de modo
que o remanso de uma barragem alcança a saída
das turbinas da usina de montante. Um
rebombeamento
d’água
seria
possível
pressupondo-se que as oscilações do nível
d’água na barragem de jusante fosse pequenas
que garantissem sempre o afluxo d’água às
bombas da usina de montante. As usinas
hidrelétricas, desse modo podiam suprir os
horários de pico, mesmo quando a construção de
usinas nucleares, ou similares, vierem a
aumentar o fornecimento de energia de base, nos
casos em que a potência instalada nas usinas
hidrelétricas o permitir, ou se a instalação
adicional de turbinas reversíveis for possível.
As condições geográficas do Brasil têm
particularidades especiais: os grande potenciais
hidrelétricos encontram-se no interior do país,
longe dos centros de grande consumo e já
explorados. A transmissão de energia de ponta
em tais distâncias exigem investimentos enormes
e provoca grandes perdas. Em cada caso deve ser
estudado se a redução da potência instalada,
nessas usinas para o fornecimento de energia de
base e conseqüentemente da capacidade das
linhas de transmissão, justifica a construção de
usinas reversíveis perto dos centros de consumo.
Vários projetos de sistemas híbridos
eólico/solar/diesel de pequeno porte foram
desenvolvidos no Brasil para comunidades
isoladas
e
outras
aplicações.
O
site
www.eolica.com.br descreve vários trabalhos,
entre eles estão: o sistema para testes do CBEE,
em Recife (PE), o sistema híbrido para
telecomunicações da Embratel, em Fernando de
Noronha, o sistema híbrido para Joanes, o
sistema híbrido para Tamarutena, o sistema
híbrido para Praia Grande, no Estado do Pará.
O Sistema Híbrido Para Testes Do CBEE, em
Recife, Pernambuco, foi instalado em agosto de
1995 para pesquisa e demonstrações, contendo
uma turbina eólica de 1,5kW de potência
nominal, com diâmetro do rotor de 3m (3 pás) e
uma torre de 18m de altura. Os módulos
11
fotovoltaicos somam 360WP (Watt Pico). Um
controlador central é
responsável pelo
funcionamento automático do sistema. A
instrumentação
do
sistema
permite
a
monitoração e a coleta de dados.
O Sistema Híbrido Para Telecomunicações Da
Embratel, na ilha de Fernando de Noronha,
Pernambuco, foi instalado em maio de 1997 pelo
CBEE, para geração de energia para a estação
terrena da Embratel na ilha de Fernando de
Noronha. O sistema é composto de uma turbina
eólica com potência nominal de 6kW em CC,
diâmetro do rotor de 7m (3 pás) e torre de 24m
de altura, módulos fotovoltáicos com 4,2WP
(Watt Pico) e banco de baterias com 806,4kWh de
capacidade. Consiste no maior sistema híbrido
eólico/solar/baterias para telecomunicações da
América.
O Sistema Híbrido Para Joanes, na ilha de
Marajó, Pará, foi instalado em julho de 1997 pelo
Centro de Estudos e Pesquisas da Eletrobrás,
CEPEL e NREL dos Estados Unidos, para
eletrificação rural de uma vila com 150
consumidores. O apoio técnico foi fornecido pela
Companhia Energética do Pará, CELPA. O
sistema contém quatro turbinas eólicas de 6kW,
um sistema fotovoltáico de 10,2kWP (KWatt
Pico), um banco de baterias, e um conversor. Este
sistema foi conectado à rede elétrica do sistema
diesel de Salvaterra que tem capacidade
instalada de 1,2MVA.
O Sistema Híbrido Para Tamaruteua, em
Marapanim, Pará, foi instalado em julho de 1999
pelo Grupo de Estudos e Desenvolvimento de
Alternativas Energéticas - GEDAE e pelo Centro
Brasileiro de Energia Eólica para eletrificação
rural de uma vila com 40 famílias. O sistema
contém um grupo gerador diesel de 30kVA, duas
turbinas eólicas de 10kW e um sistema
fotovoltaico de 1,9WP (Watt Pico).
O Sistema Híbrido Para Praia Grande, na ilha
de Marajó, Pará, foi instalado em julho de 1999
pelo Grupo de Estudos e Desenvolvimento de
Alternativas Energéticas, GEDAE, para geração
de energia para a estação terrena da Embratel na
ilha. O sistema contém dois geradores diesel de
7,5kW cada e duas turbinas eólicas de 10kW e
15kW. Esta última foi projetada e construída pelo
GEDAE.
Os trabalhos mais importantes relacionados a
sistemas híbridos eólicos hidrelétricos foram de
Christinakis et alii, 1999, e de Theodoropoulos et
alii, 2000, que avaliam o emprego de sistemas
híbridos eólico hidrelétricos em ilhas gregas
através de resultados obtidos em simulações
computacionais. Os autores simularam o
funcionamento de sistemas híbridos, calculando
o índice de falhas no atendimento a partir de
dados de disponibilidade energética, dados de
demanda e de uma estratégia de operação
sugerida para o sistema que será apresentada a
seguir. Toda a programação para as simulações
foi feita em Matlab. A simulação utiliza uma
série de tempo. Os dados para esta entrada nesta
simulação
são
das
turbinas
eólicas
(características de curvas de velocidade foram
tiradas de modelos variáveis de velocidades
diferentes), dados das bombas, turbinas e todo o
sistema de apoio local com o gerador a diesel.
A maioria das ilhas gregas no mar Egeu
possui um excelente potencial de vento, em
muitas regiões com velocidades de vento médias
anuais a 10 m de altitude excedendo 9 m/s. Na
maior parte das ilhas o consumo de eletricidade
durante o verão (entre junho e agosto) representa
mais do que 40% do total de consumo anual.
O sistema em análise é constituído por:
turbinas eólicas; uma pequena usina hidrelétrica
com turbinas reversíveis; uma estação de
bombeamento de água, que em combinação com
as turbinas reversíveis (operando como bombas)
deve ter uma capacidade de absorção do excesso
de vento no sistema de energia; dois (ou mais)
reservatórios de água, trabalhando em circuito
fechado
junto
com
as
tubulações
correspondentes (o tamanho do reservatório de
água é caracterizado pelos dias de autonomia do
local); e um sistema auxiliar utilizado para
geração de energia. O sistema auxiliar para
geração de energia, baseado em motor de
combustão interno pode ser utilizado para
complementar
a
demanda
elétrica
das
comunidades das ilhas.
O objetivo do sistema proposto nas
simulações é cobrir, de forma autônoma, a
demanda de eletricidade requerida pela
comunidade local. O projeto do sistema deve
responder às seguintes estratégias de operação:
[1] a energia produzida pelo vento é maior do
que a demanda de energia do sistema, apesar de
que o excesso de energia seja estocado
hidraulicamente no reservatório mais alto; [2] a
energia produzida pelo vento é maior do que a
demanda de energia do sistema, já com o
reservatório mais alto plenamente preenchido;
havendo, portanto consumo dessa energia no
processo de dessalinização de água do mar; [3] a
demanda da energia elétrica é maior do que a
energia gerada pelas turbinas eólicas; havendo
turbinamento da energia acumulada no
reservatório superior; [4] a demanda de energia
elétrica é maior do que a energia eólica gerada
pelas turbinas eólicas, com o reservatório
superior praticamente esgotado; devendo haver
12
acionamento do sistema auxiliar de geração de
energia.
Após um processo de simulação de dados,
com base em medições e informações reais, o
aproveitamento dos ventos é de 98% para as
áreas com altas velocidades de vento.
O fornecimento de eletricidade para a maioria
das ilhas do mar Egeu é realizada através de
usinas geradoras a base de óleo diesel.
A simulação proposta é aplicada para
selecionar as ilhas do mar Egeu com grande
potencial para instalação dos sistemas híbridos.
Os casos escolhidos incluem duas ilhas de médio
porte, Ikaria com uma população de 6.000
habitantes, Karpathos com população de 7.000
habitantes e uma pequena ilha, Kithnos com
aproximadamente 1.700 habitantes.
Ikaria é uma ilha de tamanho médio, mas que
no verão a população aumenta de 6.000 para
30.000 habitantes devido ao turismo.
A simulação na ilha de Ikaria é composta por
um sistema de uma usina hidrelétrica reversível
de 6MW, um sistema de turbinas eólica variando
o número entre 13 e 27 turbinas de 300KW cada,
um sistema auxiliar de energia de 6,9MW (este
sistema entra em operação quando o sistema
convencional de fornecimento de energia não é
suficiente para atender a demanda). A
capacidade dos reservatórios variam de entre 150
x 10³m³ a 450 x 10³m³, com uma autonomia entre
1 e 3 dias. Nos gráficos a seguir a variável (d)
significa o número de dias que o sistema de
reservatórios possui de autonomia para suprir a
demanda na ilha.
Os resultados das simulações permitem
avaliar o aproveitamento da disponibilidade da
energia eólica. Baseado no FIGURA 1, para
simulações com 27 turbinas e 03 dias de
autonomia do sistema de reservatórios, chega-se
a um resultado de 98%.
ILHA DE IKARIA
Aproveitamento da energia
eólica
100
95
90
d=1,0
d=1,5
85
d=2,0
d=2,5
80
d=3,0
75
12
14
16
18
20
22
24
26
28
N° de Turbinas e ólicas
FIGURA 1. Aproveitamento da energia eólica x n° de turbinas eólicas instaladas associadas à autonomia
dos reservatórios em dias (d).
Para todas as combinações existe um bom
aproveitamento da energia eólica superando 80%
da energia eólica disponível, independente das
dimensões do reservatório.
A partir das simulações efetuadas com o
funcionamento da 20° turbina, conforme gráfico
3.1, é possível analisar a influencia do
reservatório no resultado, ou seja, o tamanho e
autonomia dos reservatórios influenciam
diretamente sobre um melhor aproveitamento
do sistema eólico.
As simulações na ilha de Karpathos, leva em
consideração um sistema de energia hidráulica
de 6MW, um APS de 9MW e grupos geradores
eólicos variando entre 13 e 27 turbinas de
300KW. As dimensões do reservatório de água
variam entre 250 x 10³m³ e 750x10³m³ para
autonomia entre um e três dias de uso.
Os resultados obtidos, conforme figura
abaixo, demonstram que o aproveitamento da
energia eólica passa de 95% trabalhando com 27
turbinas eólicas e considerando a autonomia de
reservatório de 03 dias.
Em relação ao número de turbinas eólicas,
podemos observar que a partir da simulação
efetuada com a 20°(vigésima) máquina o
tamanho do reservatório influencia diretamente
no resultado do aproveitamento da energia
eólica.
13
ILHA DE KARPATHOS
Aproveitamento da energia
eólica
100
95
90
d=1,0
85
d=1,5
80
d=2,0
75
d=2,5
70
d=3,0
65
60
12
14
16
18
20
22
24
26
28
N° de Turbinas e ólicas
FIGURA 2. Aproveitamento da energia eólica x n° de turbinas eólicas instaladas associadas a autonomia
dos reservatórios em dias (d).
A ilha de Kithnos é muito menor que Ikaria e
Karphatos, com médias de velocidade de vento
menores, enquanto a capacidade de energia local
é suprida por um gerador de 2.3MW.
A proposta para as simulações é composta de
uma usina hidrelétrica de 3MW, o sistema eólico
variando entre 5 e 20 aerogeradores de 30 0KW
cada. O sistema de reservatório é dimensionado
d=1,5
95
Aproveitamento da energia
eólica
ILHA DE KITHNOS
d=1,0
100
entre 50 x 10³ m³ e 150 x 10³m³, com autonomia
variando de 01 a 03 dias.
O aproveitamento da energia eólica em
Kithnos foi menor que nas outras ilhas
analisadas, pois o máximo do aproveitamento
chega a 91% para 20 aerogeradores e três dias de
autonomia, conforme demonstra o gráfico
abaixo.
d=2,0
90
d=2,5
85
d=3,0
80
75
70
65
60
55
50
4
6
8
10
12
14
16
18
20
N° de Turbinas e ólicas
FIGURA 3. Aproveitamento da energia eólica x n° de turbinas eólicas instaladas associadas a autonomia
dos reservatórios em dias (d).
Nesta ilha, como nas outras descritas, pode-se
concluir que o aproveitamento da energia eólica
é afetado diretamente pelo número de
aerogeradores utilizados. Com 05 máquinas
obtemos um aproveitamento de 55% e para 20
máquinas este aproveitamento chega a 90% Essa
variação nesta ilha é maior que nas outras nas
outras analisadas, pois a média das velocidades
do vento são menores e como a variação da
energia gerada varia ao cubo da velocidade do
vento, o sistema precisaria de mais turbinas para
conseguir uma maior geração de energia,
conseqüentemente, um maior aproveitamento da
energia eólica.
A conclusão destas simulações é que a
construção do sistema híbrido em Ikaria é um
investimento que pode garantir uma autonomia
do sistema isolado, utilizando o vento como
14
fonte principal de energia, ou seja, os sistemas
atuais passariam a ser secundários, diminuindo
os impactos ambientais, como por exemplo, a
diminuição da queima de óleo diesel ou
armazenamento de energia em baterias. Além
disso, se calcularmos os lucros não financeiros,
como por exemplo, a proteção do meio ambiente
e a criação de um pólo de atração turística para
cientistas, a implantação do sistema híbrido de
Ikaria pode, em breve, se tornar realidade.
3. O sistema híbrido eólico hidrelétrico em estudo
Este capítulo apresenta o estudo da configuração
para um sistema híbrido eólico hidrelétrico com
acumulação hidráulica, idealizado para operar
integrado ao sistema energético, atendendo ao
litoral norte do Estado do Rio Grande do Sul. O
próximo capítulo apresenta as simulações
numéricas efetuadas para estudar o efeito dos
reservatórios no aproveitamento da energia
eólica disponível
As demandas energéticas do Litoral Norte
apresentam uma forte sazonalidade, pelo
aumento da população no período que vai de
dezembro até março. As populações das cidades
da região em estudo são multiplicadas várias
vezes durante os meses de veraneio. A região
encontra-se entre o mar e a serra geral, onde
podem ser verificadas altitudes compreendidas
entre 350 e 900 metros.
A sugestão para o aproveitamento da energia
eólica consiste em um sistema híbrido conforme
o ilustrado abaixo. Um conjunto de turbinas
eólicas instaladas na região e inseridas no
sistema energético, um conjunto de reservatórios
(superior e inferior) caracterizando uma usina
reversível.
As usinas reversíveis consistem em usinas
hidrelétricas munidas de máquinas que podem
operar tanto para a geração de energia elétrica,
turbinando a água contida no reservatório
superior, quanto para consumir energia elétrica,
bombeando novamente a água (turbinada) do
reservatório inferior para o superior. Essas
usinas mostram-se bem adequadas para
operarem em sistemas com tarifas diferenciadas
em função do horário no dia, bombeando
durante a madrugada e turbinando nos horários
de pico. Aa tarifas sugeridas pela Eletrobrás são
de $40,00 MWh (quarenta dólares) para horário
de base e $240 MWh (duzentos e quarenta
dólares) para horário de pico.
Turbinas
eólicas
Sistema
energético
UHE(s)
Reversíveis
Reservatórios
FIGURA 4. O sistema híbrido eólico hidrelétrico em estudo.
As usinas reversíveis funcionariam como
bombas durante a baixa estação, consumindo
energia eólica não absorvida pelo sistema
energético. Durante o veraneio, funcionariam
15
como turbinas consumindo a energia potencial
armazenada
no
reservatório
superior,
complementando a demanda atendida pelas
turbinas eólicas.
Um sistema desse tipo permite um melhor
aproveitamento da disponibilidade de energia
eólica. Usualmente, a energia média produzida
por turbinas eólicas conectadas a sistemas
energéticos de médio e grande porte é
equivalente a uma potência igual a 40% da
potência instalada. O sistema proposto pode
levar a um aproveitamento próximo de 100%, em
função dos volumes de armazenamento.
Esse sistema permite então armazenar em
reservatórios de água a energia não aproveitada
pelo sistema energético durante a baixa estação
para atendimento à demanda nos meses de
veraneio.
Este trabalho pretende contribuir com a
identificação de áreas apropriadas para
reservatórios inferiores e superiores para o
sistema proposto juntamente com uma avaliação
do efeito dos reservatórios sobre o uso da
energia eólica disponível e das simulações
numéricas computacionais onde será possível
analisar a vantagem da operação do sistema.
O sistema em estudo foi dimensionado, tendo
em vista este trabalho, para a cobertura da
demanda do litoral norte do Estado do Rio
Grande do Sul, que engloba os municípios de
Arroio do Sal, Atlândida, Atlândida Sul, Capão
Novo, Osório, Pinhal, Torres, Terra de Areia e
Tramandaí. A FIGURA 5 mostra a abragência
destas cidades no contexto do Estado. Os valores
médios anuais da demanda na região foram
conforme a CEEE (2003), são de 56,3MW na
baixa estação e 190,3 MW no veraneio. No
capítulo 4 é apresentado o comportamento da
demanda na região em estudo no ano de 2003.
O estudo de áreas para implantação dos
reservatórios teve como ponto de partida a busca
em cartas do exército em escala 1:250.000. O
passo seguinte foi a identificação mais detalhada
e aseleção de áreas em cartas do eército na escala
1:500.000. em seguida foi realizada uma visita a
campo1
permitindo conhecer os locais
identificados nas cartas.
Foram identificadas três áreas para
implantação dos reservatórios denominados de
conjunto 01, conjunto 02 e conjunto 03. A
FIGURA 6 apresenta as localizações dos
reservatórios inferior e superior desses três
conjuntos. As figuras dos mapas apresentados a
seguir estão associadas a uma escala gráfica, para
não serem alteradas com a por software. A curva
cota x volume é apresentada no próximo capítulo
após a definição, pelas simulações numéricas, do
volume
de
água
necessário
para
armazenamento.
O conjunto de reservatório 01 apresenta uma
peculiaridade em relação aos outros dois
conjuntos, pois neste conjunto é possível instalar
dois reservatórios inferiores. As figuras seguintes
apresentam respectivamente o reservatório
superior e os reservatórios inferiores.
16
FIGURA 5. Região no Estado do Rio Grande do Sul com potencial eólico e que pode ser utilizada no
sistema híbrido eólico hidrelétrico em estudo. Em amarelo aparece a região dos reservatórios e em verde
a região apropriada para instalação de turbina eólicas.
17
FIGURA 6. Região onde foram estudadas as possibilidades para os reservatórios. Em amarelo aparecem
as linhas de transmissão e em vermelho as tubulações. As extremidades das linhas em vermelho marcam
as localizações dos reservatórios superiores e inferiores. No canto inferior direito da figura está a
localização da figura no Estado do Rio Grande Do Sul.
O conjunto 02 é o que mais dista do sistema
atual das linhas de transmissão, conforme visto
na FIGURA 6 apresentada anteriormente. A
FIGURA 9 apresenta a localização do conjunto
02.
O conjunto 03 mostrou-se mais adequado
para o sistema em estudo. Os reservatórios
inferior e superior do conjunto 03 possuem um
abastecimento natural, ou seja, estão localizados
em vales cortados por pequenos córregos. Esse
abastecimento
dos
reservatórios
pode
representar uma quantidade adicional de água
que pode ser turbinada nos horários de pico. A
FIGURA 10 mostra os reservatórios desse
conjunto. As simulações no próximo capítulo
não consideram perdas de água dos
reservatórios por evapotranspiração.
A FIGURA 11, à esquerda, mostra uma vista
do reservatório inferior do conjunto 01. A
FIGURA 11, à direita, mostra a área prevista para
o barramento. A FIGURA 12 mostra a área
prevista para implantação de barramento para o
reservatório superior do conjunto 2. A FIGURA
13, à esquerda, mostra o local para o barramento
do reservatório inferior do conjunto 3.
A
FIGURA 13, à direita, mostra uma vista do vale a
jusante do futuro possível barramento do
reservatório superior do conjunto 3. A FIGURA
14 ilustram algumas residências encontradas na
região. A FIGURA 15 mostram mais vistas da
região dos reservatórios.
FIGURA 7. Conjunto 01. Reservatório superior.
19
FIGURA 8. Localização do conjunto 01. Reservatório inferior 01 e 02, onde existe a possibilidade da
implantação reservatórios independentes.
20
FIGURA 9. Localização do conjunto 02. Reservatório superior e inferior.
FIGURA 10. Área para implantação do conjunto 03. Reservatório inferior e superior
21
FIGURA 11. Esquerda: Registro feito no pé do reservatório do conjunto inferior 01, onde é possível
analisar as condições atuais do local. Direita: Vista da possível área para implantação da barragem do
conjunto do reservatório inferior 01, onde é possível registrar o terreno rochoso e acentuado.
FIGURA 12. Esquerda: Área possível de implantação da barragem do conjunto 02, reservatório inferior.
Direita: Vista da topografia onde é proposta a instalação da barragem do reservatório superior do
conjunto 02
FIGURA 13. Esquerda: Grande declive e possível local para instalação da barragem do conjunto 03, no
reservatório inferior. Direita: Vista do vale do conjunto 03, no reservatório superior.
22
FIGURA 14. Esquerda: Registro de uma residência local. Direita: Residência local, ao fundo é possível
analisar as condições do terreno e dificuldade em exploração devido à topografia.
FIGURA 15. Esquerda: Área não explorada pela agricultura ou outra atividade. Direita: Região
montanhosa com declive acentuado e mata rasteira nativa
A proposta para o sistema hidráulico engloba o
arranjo e dimensões (alturas) das barragens,
definidas de acordo com a curva cota x volume
que será descrito no próximo capítulo. Neste
estudo foi levado em conta somente dois
reservatórios (superior e inferior), com a maior
diferença de nível possível entre eles. Este
sistema pode ter sua capacidade ampliada.
Existe a possibilidade de ser criado pequenos
reservatórios em diferentes níveis funcionando
em série, mas esta análise estará descrita
novamente no capítulo 4 como recomendações
para um próximo estudo.
O arranjo básico do sistema hidráulico pode ter a
seguinte variação:
Uma única tubulação para cada conjunto de
máquinas hidráulicas, sendo instalada turbinas
reversíveis na extremidade inferior desta
tubulação;
Uma tubulação exclusiva para turbinar a água
do reservatório superior para o inferior e outra
tubulação para o bombeamento da água do
reservatório inferior para o superior;
Uma única tubulação com uma conexão do tipo
Y na extremidade inferior, sendo utilizada a
mesma tubulação para turbinar e bombear a
água. Neste caso é necessário um estudo mais
aprofundado sobre as manobras nas máquinas
hidráulicas.
Para a escolha das alternativas acima citadas, é
necessário conhecer a fundo dados técnicos,
topográficos, geotécnico e local exato de
implantação, associados a uma análise
econômica do sistema proposto. Neste trabalho,
a proposta é considerar apenas as vazões totais
turbinada e bombeada. O funcionamento do
sistema é apresentado no capítulo 4.
A armazenagem hidráulica através de bombas é
capaz de armazenar grande quantidade de
energia,
contrária
a
outros
tipos
de
armazenagem, a eólica, por exemplo. O sistema
pode ser expandido, não necessariamente
utilizando a mesma estrutura e sim executando a
ligação de reservatórios menores e em diferentes
níveis, conforme necessidade do sistema. A água
é reaproveitada, ou seja, praticamente não é
23
requerido um fluxo contínuo da bacia mais
elevada. Os reservatórios podem ter outras
utilidades, como irrigação de água, proteção de
incêndio de florestas, esportes náuticos e
pescarias.
Através da demanda do sistema e do conjunto de
reservatório escolhido, é apresentado uma pré
dimensionamento da estrutura hidráulica
necessária para o atendimento do sistema
híbrido que foi simulado no capítulo 4.
Através da fórmula P= δ.Q.h, onde P = Potência,
δ = 9,81 (água), Q = vazão e h = desnível, é
possível determinar a vazão do sistema. o valor
adotado para a potência instalada é de 190 MW,
energia necessária para
o atendimento da
demanda em caso de pane no sistema eólico. O
desnível encontrado no conjunto de reservatórios
é de 350metros. Através dos dados apresentados
a vazão do sistema é de 55,5 m3/ s. Utilizando 03
turbinas de 65 MW, cada tubulação de chegada
do sistema deve conduzir uma vazão de 18,5
m3/ s. Adotando a velocidade de escoamento de
5m/s, e aplicando a fórmula Q = V.A, é
necessário para cada conduto forçado uma
tubulação com 3,7m2 de área. Com os dados
apresentados é possível concluir que cada
tubulação terá 2,2 metros de diâmetro e
aproximadamente 8 km de extensão. Nestes
cálculos não foram consideradas as perdas de
cargas locais e contínuas. O conjunto de
barragem
As áreas destinadas à implantação das fazendas
eólicas localizam-se no litoral norte do Estado do
Rio Grande do Sul. Como a demanda do sistema
chega ao pico de 190 MW, os dimensionamentos
das fazendas serão baseados neste valor. O
dimensionamento dos aerogeradores não será
abordado neste trabalho, apenas a capacidade
total do sistema, pois este assunto merece um
estudo à parte associado a uma análise
econômica. A proposta é de que as fazendas
eólicas estejam distribuídas em grupos e
interligadas em um sistema secundário, o qual é
conectado à rede principal de distribuição de
energia. Segundo TITO (2004), novas tecnologias
estão sendo desenvolvidas na área de
meteorologia, entre elas um sistema que permite
a previsão do comportamento dos ventos com
um período de 48 horas de antecedência. Este
sistema está sendo desenvolvido atualmente na
Alemanha.
A figura 3.17 apresenta possíveis áreas co
potencial eólico, relacionadas com velocidades
de vento para implantação das fazendas eólicas.
Atualmente a geração eólica é apresentada como
uma fonte alternativa de energia, ou seja, é usada
para complementar uma fonte principal energia.
O sistema híbrido proposto neste trabalho
apresenta a energia eólica como a principal fonte
de geração de energia do sistema, juntamente
com o sistema hidráulico de acumulação que se
insere como fonte alternativa no sistema
proposto.
Este trabalho foi desenvolvido de acordo com as
seguintes etapas:
Estudo de áreas apropriadas para implantação
do sistema: as principais características já foram
descritas anteriormente e no próximo capítulo é
apresentada a justificativa da escolha do
conjunto de reservatório.
Simulações numéricas onde serão efetuadas
análises do sistema em funcionamento utilizando
uma programação efetuada em visual basic
utilizando como interface gráfica o Excel,
obedecendo ao fluxograma que será apresentado
a seguir no próximo capítulo.
4. Simulações numéricas
Este capítulo apresenta a metodologia usada nas
simulações numéricas do sistema híbrido
proposto, associado aos fluxogramas, os quais
formam a base para o desenvolvimento da
programação do sistema proposto.
As simulações foram programadas em visual
basic utilizando com interface gráfica o Excel,
obedecendo ao fluxograma 01 que será
apresentado a seguir.
Para um melhor entendimento da proposta
apresentada, primeiramente é apresentada, de
forma resumida, a idéia principal das
simulações, efetuando a análise de forma
unitária. Posteriormente é feita a descrição de
todo o sistema de simulações baseado em dados
reais.
A Figura 4.1 apresenta, de forma esquemática, a
idéia principal de funcionamento do sistema. As
linhas de potência eólica e de demanda são
apresentadas, sobrepondo-as no mesmo gráfico e
mesma unidade de tempo. Quando a linha de
energia gerada for superior à demanda o sistema
tem a possibilidade de bombear água do
reservatório inferior ou vender a energia
excedente. Caso a demanda for superior a
energia eólica gerada, o sistema passa a turbinar
água do reservatório superior para o inferior ou
compara da rede interligada o défict de energia.
As manobras do sistema serão apresentada mais
detalhadamente através dos fluxogramas
24
apresentados a seguir.
Para simular o comportamento do sistema, os
dados de entrada devem estar todos definidos,
ou seja, a capacidade do sistema hidráulico
(turbinas e bombas), velocidades máximas e
mínimas para o aproveitamento eólico, volume
mínimo que os reservatórios poderão atingir
para o sistema continuar em funcionamento,
volume máximo dos reservatórios superior e
inferior e a série temporal da velocidade do
vento e demanda energética a ser atendida.
Dos dados citados anteriormente, apenas a
velocidade do vento e demanda têm sua variação
ao longo do tempo, sendo que o restante dos
dados e a justificativa dos mesmos serão
apresentados mais adiante.
No início da simulação é feita a seleção dos
dados de vento. O programa considera aqueles
que se encontram na faixa de funcionamento das
turbinas eólicas (2m/s a 24m/s), conforme
apresentado na figura do fluxograma 1a.
Quando a velocidade não estiver na faixa de
geração de energia a programação obedecerá a
figura do fluxograma 1b, sendo analisadas as
condições de funcionamento do sistema (horário
correspondente, volume armazenado nos
reservatórios, capacidade hidráulica instalada).
Quando a velocidade de vento estiver na faixa de
funcionamento, os dados são transformados em
potência eólica, através da fórmula geral de
potência eólica, citada no capítulo 2. Com a
potência instantânea determinada, é inserido o
dado de demanda, associado pela série de
tempo. Caso a potência eólica seja maior que a
demanda requerida, o programa executa a
análise do horário correspondente (pico ou base),
das condições do reservatório superior e a
capacidade instalada do sistema hidráulico,
conforme figura do fluxograma 1c.
A potência eólica, sendo menor que a
demanda, a simulação seguirá o caminho
apresentado na figura do fluxograma 1d, sendo
analisado o horário correspondente no instante
da simulação e volume armazenado no
reservatório superior.
A capacidade do sistema hidráulico foi definida
de acordo com o pico da demanda, conforme
CEEE (2003), que é de 190MW para a área em
estudo.
Conseqüentemente,
como
foi
considerado um sistema fechado, as maquinas
hidráulicas são do tipo turbinas reversíveis. A
capacidade total do sistema de bombas e
turbinas está fixada em 190 MW, ou seja, o
dimensionamento
do
sistema
hidráulico
obedeceu ao pico da demanda.
A geração de energia elétrica, através do
aproveitamento eólico, tem início com
velocidades de vento da ordem de 2m/s a 3m/s;
abaixo desses valores, o conteúdo energético do
veto não justifica o aproveitamento. Velocidades
superiores a aproximadamente 12m/s a 15m/s
ativam o sistema automático de limitação de
potência da máquina, que pode ser por controle
de ângulo de passo das pás ou por estol
aerodinâmico, dependendo do modelo de
turbina. Em ventos muito fortes (velocidade
maior que 25m/s), atua o sistema automático de
proteção. Ventos muito fortes têm ocorrência
rara
e
negligenciável
em
termos
de
aproveitamento e a turbulência associada é
indesejável par a estrutura da máquina. As
turbinas eólicas de grande porte têm controle
inteiramente automático, através de atuadores
rápidos,
software
e
microprocessadores.
Usualmente, usa-se telemetria de dados para o
monitoramento de operação e auxílio a
diagnósticos e manutenção.
Na entrada de dados é limitada a velocidade do
vento entre 2m/s e 24m/s. Conforme descrito
anteriormente, a potência gerada varia ao cubo
da velocidade e a partir de 12m/s até 24m/s a
potência permanece constante.
Em relação aos reservatórios, foi arbitrado um
volume mínimo útil de funcionamento (volume
morto) em 10% do volume total. Este valor
justifica-se pela implantação dos reservatórios
em vales que, devido à topografia local,
pequenas barragens armazenam um grande
volume d’água.
O volume máximo dos reservatórios superior e
inferior serão limitados pelo volume utilizado no
sistema, que é determinado pelas simulações.
Para chegar ao volume ideal foi necessário rodar
a simulação com valores diferenciados para o
volume e potência hidráulica associados entre si,
com o objetivo de avaliar a melhor combinação
para o sistema, pois o custo de implantação das
estruturas hidráulicas pode se tornar inviável se
o volume exigido quanto maior for o volume de
água exigido pelo sistema. O valor ideal é
aquele em que supre a necessidade do sistema
eólico quando o sistema hidráulico é ativado. Em
compensação, a altura da barragem influencia
diretamente no custo de implantação do sistema.
Quanto mais alta for a barragem, mais energia é
possível armazenar e posteriormente vendê-la no
horário que for mais adequado.
No início das simulações o reservatório superior
deve ser considerado vazio, pois a única
diferença encontrada é que o sistema venderá
mais energia em um primeiro momento até o
reservatório conseguir se adequar e fechar o ciclo
anual, ou seja, terminar o ano com o mesmo
volume que começou. O comportamento do
25
volume do reservatório superior, inicialmente
vazio e em seguida cheio, é apresentado nas
figuras 4.6 e 4.7 respectivamente.
Os dados de velocidade do vento e demanda
energética inserida nas simulações, foram
obtidos através de empresas atuantes nas áreas
de energia eólica e transmissão de energia. Os
dados das leituras de vento foram gentilmente
cedidos pela empresa Camargo Schubert, uma
das elaboradoras do altlas eólico do Estado do
Rio Grande do Sul. Os dados de demanda
energética, da região foram cedidos pela CEEE.
A série de entrada de dados, leitura da
velocidade do vento e demanda, estão
segmentadas em horas. A leitura anual da
velocidade do vento (m/s) e o comportamento
da demanda (kwh) são apresentados nas figuras
4.8 e 4.9 respectivamente.
Com os dados de leitura da velocidade do vento,
através da fórmula apresentada no capítulo 2, foi
possível gerar o gráfico do comportamento da
potência eólica no mesmo intervalo de tempo,
conforme figura 4.10.
Como resultado da simulação são gerados
dados de saída do sistema, entre eles, o volume
utilizado dos reservatórios, cotas máximas e
mínimas atingidas, porcentagem da energia
eólica
efetivamente
utilizada,
vazões
instantâneas do sistema hidráulico.
Os valores de potência hidráulica e volume dos
reservatórios são dados de entrada, arbitrados,
ou seja é limitado a um valor de potência ou
volume de armazenamento, pois caso contrário a
geração de energia e o volume armazenado
tenderiam ao infinito, regra que não acontece.
Neste trabalho, nas simulações foi associado aos
volumes de 3,00Hm3, 5,00Hm3 9,00Hm3 e
16,00Hm3 as diferentes potencias do sistema
hidráulico, 100 MW, 150 MW, 190MW. Através
desta associação, é possível analisar os
resultados das simulações efetuando da análise
comparativa de compra e venda de energia em
horário de base e pico para cada situação.
Nas tabelas 4.1 e 4.2 são apresentados os
resultados das simulações para cada caso
mencionado
anteriormente,
levando
em
consideração inicialmente o reservatório superior
cheio e posteriormente vazio. Nas figuras 4.11,
4.12, 4.13 e 4.14 são apresentados os dados das
tabelas 4.1 em forma de gráfico associando o
volume do reservatório à potência instalada do
sistema hidráulico, considerando inicialmente o
reservatório superior cheio, calssificados em
venda de energia em horário de base, venda de
energia em horário de pico, compra de energia
em horário de base e compra de energia em
horário de pico, respectivamente. Nas figuras
4.15, 4.16, 4.17 e 4.18, os dados apresentados
diferenciam-se dos anteriores apenas pelo
volume inicial do reservatório, ou seja, neste caso
o
reservatório
superior
é
considerado,
inicialmente, vazio.
Através da análise das tabelas e dos gráficos
citados anteriormente, chegou-se a algumas
conclusões satisfatórias deste trabalho, que são
descritas a seguir.
Quanto maior for a potência hidráulica do
sistema, mantendo-se o mesmo volume dos
reservatórios, a venda de energia em horário de
base tente a diminuir e a venda de energia em
horário de pico tende a aumentar, pois a
programação dá preferência à venda em horário
de pico.
A compra e venda em horário de base e pico
influenciam apenas quando o dimensionamento
das máquinas hidráulicas for de 100MW.
Quando são arbitrados valores de 150MW e
190MW, a compra de energia não existe, ou seja,
o sistema atendeu toda a demanda necessária.
Quanto maior for o volume do reservatório e a
potência do sistema hidráulico, menor será a
venda de energia em horário de base maior será
a venda de energia em horário de pico.
Quanto maior for o volume e potência, o número
de horas que o reservatório superior fica vazio
diminui. Quando o volume permanece o mesmo
e a potência do sistema hidráulico aumenta, o
número de horas em que o reservatório superior
permanece vazio aumenta, pois a capacidade de
venda de energia em horário de pico é maior,
conseqüentemente cresce o número de MW
vendido em horário de pico.
Quando a potência hidráulica do sistema é
aumentada, e o volume permanece o mesmo, a
venda de energia em horário de base decresce, é
dada preferência para o bombeamento, ou seja,
quanto maior a potência maior consumo em
horário de base para posterior venda desta
energia em horário de pico.
O aproveitamento da energia eólica, utilizando o
sistema híbrido proposto chega a 100%, pois em
todos os momentos em que existe a geração de
energia através dos ventos, é feito um
aproveitamento, seja ele em forma de
armazenamento
(bombas)
ou
inserindo
diretamente na rede que interliga o sistema
energético.
Executando a simulação, somente utilizando o
sistema eólico, o aproveitamento da energia
eólica é de 37%.
Através das colocações anteriormente citadas, é
certo afirmar que quanto maior o volume dos
reservatórios e a potência hidráulica do sistema,
maior será o benefício financeiro. É neste ponto
26
que entra a análise de custo x benefício, tempo
de retorno e objetivo de implantação do sistema,
pois neste trabalho o objetivo é atender a
demanda da região em estudo, merecendo um
estudo mais aprofundado para a ampliação do
sistema
visando
retorno
financeiro
e
continuando a atender a demanda proposta.
Com os dados fornecidos pela simulação, para o
atendimento da demanda proposta, é necessário
um sistema eólico de 190MW, um sistema
hidráulico composto por turbinas reversíveis
com capacidade de 150MW com reservatórios
superior e inferior, cada um com 3Hm3 de
volume útil para armazenamento d’água.
Com o volume de armazenamento definido, é
possível efetuar a escolha do conjunto de
reservatório que consiga armazenar este volume
com menor altura possível da barragem. A
seguir á apresentado tabelas associando a
variação da cotas e volumes dos 3 conjuntos de
reservatórios apresentados no capítulo 3. A
tabela 4.3 apresenta os valores de cota x área
alagada x volume do reservatório superior do
conjunto 01 enquanto a tabela 4.4 apresenta os
mesmos dados para reservatório inferior deste
conjunto. Na tabela 4.5 e 4.6, é apresentado os
dados de cota x área alagada x volume, e a
variação dos reservatórios superior e inferior
respectivamente, do conjunto 02. Os mesmo
dados apresentados anteriormente para os
reservatórios, são apresentados nas tabelas 4.7 e
4.8 para o reservatório superior e inferior do
conjunto 03.
Com os dados anteriormente apresentados nas
tabelas, o conjunto de reservatório que melhor se
insere no panorama em estudo é o conjunto 02,
pois com a barragem de aproximadamente 20
metros de altura, é possível atingir o volume que
o sistema híbrido necessita para o atendimento
da demanda proposta, com um desnível de
aproximadamente 600 metros.
Para uma análise custo benefício do sistema
híbrido, avaliando-o exclusivamente pelo lado
financeiro, ou seja, chegar ao ponto onde o
aumento da altura da barragem, elevando o
volume armazenado e conseqüentemente
vendendo mais energia em horário de pico, é
viável, ou seja, é um assunto para continuidade
deste trabalho.
A série de resultados apresentados foram
divididas em três, de acordo com as potências
eólica, e hidrelétrica instaladas, sendo estas de
100MW, 200MW e 300MW. Treze gráficos e uma
tabela são apresentados, contendo informações
básicas sobre o desempenho da simulação para
cada caso, ao longo de um ano.
Resumidos na tabela estão os seguintes
dados:
Volumes iniciais e total dos reservatórios
superior e inferior
Dados do conjunto de turbinas eólicas, como
potência total, faixa de operação, e rendimento.
Fator simplificado de conversão vento/potência,
aplicado na fórmula P = k * V3 , sendo que o
fator k engloba o rendimento, densidade do ar e
área das turbinas.
Faixa de operação e rendimento das turbinas e
bombas hidráulicas.
Valores anuais de compra e venda de excedente
de energia (Wh) em horários de base (CB, VB) e
de pico (CP, VP).
Os gráficos apresentados representam a
variação do nível d’água no reservatório
superior, evidenciando os períodos de
reservação ou suprimento de energia. O primeiro
gráfico apresentado apresenta a variação anual
do nível no reservatório superior. Devido à
grande densidade de informações apresentadas,
e visando uma melhor visualização, foram
criados doze gráficos mensais, de grande
utilidade para a avaliação de cada período do
ano.
A série de dados para potências de 100MW,
apresenta uma grande variação do nível dos
reservatórios no mês de abril. Uma análise da
série de dados de potência eólica e demanda no
período mostra uma brusca queda na demanda,
com um pequeno aumento da potência gerada.
Esta potência mostra ser incapaz de grande
reservas de energias nos períodos de vento
acima da média, durante no verão, assim como a
partir do mês de maio. Devido a esta
insuficiência, os valores de compra de energia
superam com folga os valores de venda, não
havendo desta forma grande vantagem na
adoção do sistema para esta potência instalada.
Para
máquinas eólicas e hidráulicas de
200MW, há um ganho considerável, tanto visual
como numericamente na reservação e venda de
energia. O valor de venda de energia na base
sofreu um acréscimo pouco significativo. No
entanto a venda de energia no pico aumentou
em 60MWh.
Apesar do pouco acréscimo de energia
vendida na base nos dois primeiros caso, para a
27
potência de 300MW instalados, há uma
acréscimo de 6,9MWh, mostrando que a relação
entre a energia vendida na base ou pico não está
linearmente relacionada à potência instalada, e
requer uma discretização maior do incremento
de potência instalada para uma melhor análise
do fenômeno.
A mesma análise feita para a venda de
excedente de energia pode ser feita para a
compra de energia. As séries de dados de 200 e
300MW
mostram
uma
decréscimo
na
necessidade
de
compra
de
energia,
correspondendo à expectativa de funcionamento
do sistema.
5. Conclusões preliminares
Este estudo teve a intenção de apresentar uma
proposta de aplicação de um sistema híbrido
eólico hidrelétrico.
O primeiro passo consistiu na pesquisa de
sistemas híbridos em utilização e pesquisas
efetuadas nesta área. Após a elucidação desta
etapa partimos para análise do sistema proposto,
mas para isso precisaríamos de um local com
potencial eólico, e hidrelétrico, sendo que o
potencial hidrelétrico deveria possuir as
particularidades que estão descritas do capítulo
4.
Com a definição da área em estudo, o
levantamento de implantação dos reservatórios
e com os dados de demanda da região e
velocidade do vento, foi executado o programa
de simulações baseado no programa elaborado
por Beluco (2001).
O resultado destas simulações nos mostra que
a implantação de um sistema híbrido eólico
hidrelétrico é viável. É importante considerar
que a topografia e o potencial eólico das regiões
analisadas são similares ao da região proposta
neste trabalho
Por fim, podemos concluir que o sistema
híbrido é viável tecnicamente. Analisando sob o
ponto de vista de investimentos, a energia eólica
não possui uma energia firme, mas associada
com outro sistema (conforme proposto neste
trabalho), podemos atingir uma meta de
atendimento da energia requerida pelo sistema
de no mínimo 80%, podendo mesmo chegar a
100%.
Prosseguimentos do trabalho: Este trabalho
abre frentes de pesquisas em algumas áreas
muito importantes para a continuação e
complementação deste estudo, já que este
trabalho teve como principal objetivo a análise e
funcionamento do sistema híbrido. Estudo mais
aprofundado deste mesmo sistema levando em
consideração o estudo da hidrologia local, assim
como características técnicas aprofundadas,
como determinação do tipo de estrutura
hidráulica (barragem), traçado das linhas de
energia das tubulações e definição dos
diâmetros. Levantamento de custos para
implantação deste sistema; Efetuando uma
análise financeira sob o ponto de vista de
investidor.
O estudo continua sendo executado. Um
aluno de Mestrado está em ultimando os
preparativos para apresentação de sua
dissertação, prevista para este primeiro semestre
de 2005.
Esse estudo será complementado por outro
aluno de Mestrado, que continuará o estudo
implementando levantamentos de custos
detalhados das estruturas envolvidas. Como
resultado, espera-se alcançar uma impressão
bastante satisfatória da viabilidade técnica
econômica do sistema híbrido eólico hidrelétrico
estudado.
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