Fontes Alternativas de Energia
Energia Eólica e Energia Solar
Francisco José Arteiro de Oliveira
Diretoria de Planejamento e
Programação da Operação
1
Agenda
• Introdução
• Aspectos da Integração de Energia Eólica no Sistema Elétrico
Brasileiro
• Tecnologia Solar como Fonte de Energia Renovável
• Conclusões
2
Introdução
3
Aumento da Expansão de Energia Eólica na Matriz
Energética Brasileira
4
Expansão da Geração Eólica na Região Nordeste
432 MW
18 MW
59 MW
PEDRA DO SAL
PRAIA DO MORGADO
PRAIA FORMOSA VOLTA DO RIO
Araras
Boca do Córrego
Buriti
Cajucoco
Cataventos Paracuru 1
Colônia
Coqueiro
Dunas de Paracuru
Embuaca
Faisa I
Faisa II
Faisa III
Faisa IV
Faisa V
Fleixeiras I
Garças
Guajirú
Icaraí
542 MW 1.249 MW
AMONTADA
PARACURU
TAÍBA ALBATROZ
PARQUE EÓLICO DE BEBERIBE
FOZ DO RIO CHORÓ
PRAIAS DE PARAJURU
BONS VENTOS
CANOA QUEBRADA
CANOA QUEBRADA (RV)ALEGRIA I MANGUE SECO 1
ENACEL
ALEGRIA II MANGUE SECO 2
ICARAIZINHO
ARATUÁ
MANGUE SECO 3
MIASSABA III
MANGUE SECO 5
RIO DO FOGO
CABEÇO PRETO
CABEÇO PRETO IV
373 MW 2.559 MW
Tacaicó
Icaraí I
Taíba Águia
Icaraí II
Taíba Andorinha
Ilha Grande
Trairí
Jandaia
Vento do Oeste
Jandaia I
Vento Formoso
Junco I
Ventos de Horizonte
Junco II
Ventos de Santa Rosa
Lagoa Seca
Ventos de Santo
Malhadinha I
Inácio
Mundaú
Ventos de São
Pau Brasil
Geraldo
Pau Ferro
Pedra do Gerônimo Ventos de Sebastião
Planalto da Taíba Ventos de Tianguá
Ventos de Tianguá
Porto Salgado
Norte
Potengi
Ventos do Morro do
Quixaba
Chapéu
Ribeirão
Ventos do Parazinho
São Paulo
Marco dos Ventos 1
Marco dos Ventos 2
Marco dos Ventos 3
Marco dos Ventos 4
Marco dos Ventos 5
Ventos do Norte 1
Ventos do Norte 10
Ventos do Norte 2
Ventos do Norte 3
Ventos do Norte 4
Ventos do Norte 5
Ventos do Norte 6
Ventos do Norte 7
Ventos do Norte 8
Ventos do Norte 9
MILLENIUM COELHOS I PRESIDENTE
ALBATROZ COELHOS II VITÓRIA
ATLÂNTICA COELHOS III
CAMURIM COELHOS IV
CARAVELA MATARACÁ
ALHANDRA
CAPACIDADE INSTALADA
DEZEMBRO DE 2015
7.738 MW
66 MW
PIRAUÁ
1.154 MW
(50 CGE)
XAVANTE
GRAVATÁ
MANDACARU
SANTA MARIA
Barra dos Coqueiros
25 MW
35 MW
MACAÚBAS
NOVO HORIZONTE
SEABRA
95 MW 1.144 MW
Source: ANEEL
Alvorada
Ametista
Angical
Borgo
Caetité
Caetité 2
Caetité 3
Caititu
Candiba
Coqueirinho
Corrupião
Cristal
Da Prata
Dos Araçás
Dourados
Emiliana
Espigão
Guanambi
Guirapá
Igaporã
Ilhéus
78 MW
Aratuá 3
Areia Branca
Arizona I
Asa Branca I
Asa Branca II
Asa Branca III
Asa Branca IV
Asa Branca V
Asa Branca VI
Asa Branca VII
Asa Branca VIII
Caiçara 2
Caiçara do Norte
Calango 1
Calango 2
Calango 3
Calango 4
Calango 5
Campos dos Ventos II
Inhambu
Joana
Licínio de Almeida
Maron
Morrão
N. Sra. da Conceição
Pajeú do Vento
Pedra Branca
Pedra do Reino
Pedra do Reino III
Pelourinho
Pilões
Pindaí
Planaltina
Porto Seguro
Primavera
Rio Verde
São Judas
São Pedro do Lago
Seraíma
Serra do Salto
Carcará I
Carcará II
Carnaúbas
Costa Branca
Dreen Boa Vista
Dreen Cutia
Dreen Guajiru
Dreen Olho d'Água
Dreen São Bento do
Norte
Eurus I
Eurus II
Eurus III
Eurus IV
Eurus VI
Famosa I
Farol
GE Jangada
GE Maria Helena
Juremas
Lanchinha
Macacos
Mar e Terra
Mel 02
Miassaba 3
Miassaba 4
Modelo I
Modelo II
Morro dos Ventos
Morro dos Ventos
Morro dos Ventos
Morro dos Ventos
Morro dos Ventos
Morro dos Ventos
Pelado
Pedra Preta
Reduto
Rei dos Ventos 1
Rei dos Ventos 3
I
II
III
IV
IX
VI
Rei dos Ventos 4
Renascença I
Renascença II
Renascença III
Renascença IV
Renascença V
Riachão I
Riachão II
Riachão IV
Riachão VI
Riachão VII
Santa Clara I
Santa Clara II
Santa Clara III
Santa Clara IV
Santa Clara V
Santa Clara VI
Santa Helena
Santo Cristo
São João
Serra de Santana I
Serra de Santana II
Serra de Santana III
SM
União dos Ventos 1
União dos Ventos 10
União dos Ventos 2
União dos Ventos 3
União dos Ventos 4
União dos Ventos 5
União dos Ventos 6
União dos Ventos 7
União dos Ventos 8
União dos Ventos 9
Ventos de Santo Uriel
Ventos de São Miguel
6.584 MW
(210 CGE)
SOMENTE EMPREENDIMENTOS COM
OUTORGA
Serra do
Espinhaço
Sete Gameleiras
Tamanduá Mirim
Tanque
Teiu
Ventos do
Nordeste
5
Expansão da Geração Eólica na Região Sul
CAPACIDADE INSTALADA
DEZEMBRO DE 2015
1.648 MW
621 MW
(21 CGE)
1.027 MW
(43 CGE)
Água Doce
Amparo
Aquibatã
Bom Jardim
SOMENTE EMPREENDIMENTOS COM
OUTORGA
Campo Belo
Cascata
Cruz Alta
Púlpito
Rio do Ouro
231 MW
Salto
Atlântica I
Giruá
Santo Antônio
Atlântica II
Ibirapuitã I
Atlântica IV
Minuano I
Atlântica V
Minuano II
Cerro Chato IV
Osório 2
Cerro Chato V
Osório 3
Cerro Chato VI
Pinhal
Cerro dos Trindade
Pontal 2B
Chuí I
REB Cassino I
Chuí II
REB Cassino II
Chuí IV
REB Cassino III
Chuí V
Vento Aragano I
Corredor do Senandes II
Verace I
Corredor do Senandes III
Verace II
Corredor do Senandes IV
Verace III
Dos Índios 2
Verace IV
Dos Índios 3
Verace V
Fazenda Rosário 2
Verace IX
Força 1
Verace VI
Força 2
Verace VII
Força 3
Verace VIII
Cerro Chato I
Cerro Chato II
Cerro Chato III
Cidreira 1
Palmares
Parque Eólico de Osório
Parque Eólico de Sangradouro
Sangradouro 2
Sangradouro 3
Parque Eólico dos Índios
390 MW
1.027 MW
Verace X
Source: ANEEL
6
Evolução da Expansão Eólica - Horizonte 2021
70%
Geração Eólica no SIN
30%
7
Características da Geração Eólicas no Brasil
8
A Geração Eólica como Fonte de Energia
Sob o ponto de vista energético a geração eólica trará grandes benefícios para o
Sistema Interligado Nacional:
•
Sua produção anual é bastante previsível;
•
Há uma perfeita complementaridade de seu comportamento sazonal com o regime
hidrológico das bacias hidrográficas.
9
A Geração Eólica como Fonte de Potência
Sob o ponto de vista elétrico a geração eólica afeta a segurança do sistema se não for
adequadamente tratada devido a uma série de razões:
•
Sua grande variabilidade: sua produção máxima pode ocorrer a qualquer hora do
dia.
10
A Geração Eólica como Fonte de Potência
•
Difícil previsibilidade (intrinsicamente dependente das condições meteorológicas),
exigindo forte investimento no desenvolvimento de modelos e ferramentas de
previsão de ventos.
•
A possibilidade de desconexão de grandes blocos de geração em razão de
adversidades meteorológicas:
- ventos de rajada (> 25 m/s ~ 90 km/h) - típicas da Região Sul
- calmarias (< 3 m/s ~ 10 km/h) - típicas da Região Nordeste
11
Características do Vento nas Regiões Nordeste e Sul
Nordeste
- Ventos alísios
- Direção predominante sudeste
- Constante ao longo do ano
Sul
- São afetados por diferentes
sistemas meteorológicos
- Sofrem significativa modificação
ao longo do dia
12
Conexão de Fontes Alternativas na Rede Elétrica
•
A conexão ao sistema de transmissão é feita através de instalações denominadas
Instalações de Interesse Exclusivo de Centrais de Geração para Conexão
Compartilhada (ICG)
•
A utilização de ICGs representa uma redução de custo na conexão com a rede
elétrica, mas também representa um desafio de engenharia...
Source: L. A. Barroso, F. Porrua, R. Chabar, M. V. Pereira and B. Bezerra, Incorporating Large-Scale Renewables to the
Transmission Grid: Technical and Regulatory Issues - IEEE PES General Meeting 2009, Calgary, Canada
13
Maiores Desafios para o Aumento do Grau de
Expansão Eólica no Sistema Interligado Nacional
14
Desafios do Aumento da Expansão Eólica
•
Os sites no Brasil onde há a incidência dos melhores ventos estão localizados no
Nordeste e Sul do Brasil. Estas regiões são caracterizadas por uma baixa relação de
curto-circuito (SCR) e baixa inércia, muitas vezes necessitando de reforços na rede para o
correto desempenho dos aerogeradores.
•
Isso também provoca uma maior variação dos fluxos de potência (em valores absolutos e
temporal), devido ao alto grau de expansão eólica - sistemas de transmissão deve ser
adaptada a este novo paradigma.
•
Geradores eólicos devem ser capazes de participar do controle de tensão em redes fracas
de forma eficiente, mesmo quando produzem pouca ou nenhuma potência ativa.
•
A rede deve estar preparada para lidar com uma quantidade maior de perda de geração,
por exemplo, quando o vento em uma determinada área reduz de forma muito rápida.
•
Normalmente os aerogeradores não contribuem para a inércia do sistema.
15
Melhorias nos Procedimentos de Rede
Necessárias para Conexão Segura de Usinas
Eólicas em Redes com Elevado Grau de
Expansão Eólica
16
Características de Desempenho dos Aerogeradores
Operação Fora das Condições Nominais de Frequência
Inércia Sintética
Os geradores eólicos devem ser equipados
com controlador sensível às variações de
frequência de modo a prover resposta inercial,
modulando sua potência de saída até pelo
menos 10% de sua capacidade nominal, tanto
para subfrequência, quanto para
sobrefrequência.
17
Características de Desempenho dos Aerogeradores
Controle de Potência Reativa no Ponto de Conexão
No nível do parque eólico: todos os parques eólicos devem ter meios de controle
automático da tensão, da potência reativa ou do fator de potência. O modo de controle
normal será o modo de controle de tensão no barramento coletor da central de
geração eólica.
No ponto de conexão das instalações de uso restrito: deve ser atendido o requisito
apresentado na figura abaixo. podendo para tal ser utilizados recursos de
compensação reativa (compensação shunt ou compensadores estáticos).
18
Características de Desempenho dos Aerogeradores
Requisito V-Q / Pmax
O fator de potência ± 0.95 deve ser atendido no ponto de conexão em toda a faixa
operativa de tensões, de acordo com a figura abaixo.
19
Características de Desempenho dos Aerogeradores
Características Fault Ride-Through e Suportabilidade a Sobretensões
Este requisito deve ser atendido para quaisquer tipos de distúrbio, sejam eles
provocados por rejeição de carga, defeitos simétricos ou assimétricos, devendo ser
atendida pela tensão entre fases que sofrer maior variação.
20
Características de Desempenho dos Aerogeradores
Requisitos para a Potência de Saída Durante Distúrbios
•
A potência de saída da central geradora deve recuperar-se a 85% do valor préfalta em não mais de 4 segundos após a recuperação da tensão a 85% da tensão
nominal.
•
Não será admitida redução na potência de saída da central geradora eólica na
faixa de frequências entre 58,5 e 60 Hz (estando as tensões no ponto de conexão
entre 0,9 e 1,1 pu).
•
Para frequências na faixa entre 57 e 58,5 Hz é admitida redução na potência de
saída de até 10%.
21
GT-Eólicas - Reavaliação da Reserva de Potência Operativa
•
Com o aumento na penetração da geração eólica no SIN, a metodologia para o
dimensionamento e alocação da Reserva de Potência Operativa deverá ser
reavaliada.
•
O grupo interno (GT-Eólicas) já está trabalhando nesta questão, que envolve os
seguintes aspectos:
 Modelos de Previsão de Geração Eólica (contrato assinado com a
Meteologica)
 Dimensionamento da RPO: metodologia determinística x probabilística
 Programação da RPO (D-1)
 Ações em Tempo Real
 Supervisão dos parques eólicos (nível mínimo de visibilidade)
 Centros de Controle de Parques Eólicos (modelo espanhol – CECRE)
•
Na última reunião do Steering Committee dof GO15, os CEOs do ONS e da REE
firmaram um acordo de cooperação para o intercâmbio de experiências com a
geração eólica.
22
Tecnologia Solar como Fonte de Energia
Renovável
23
Índice de Irradiação Solar no Brasil
24
Formas de Aproveitamento da Energia Solar
Tecnologia Solar
Tecnologia de Aquecimento
Termosolares
- Obtenção de água
quente e/ou vapor para
processos
- Fornos solares
Tecnologia Fotovoltaica
Centrais
Termosolares de
Concentração
Concentrated Solar
Power - CSP
Painéis
Fotovoltaicos
- Painéis
monocristalinos
- Painéis policristalinos
Centrais
Fotovoltaicas de
Concentração
Concentrated
PhotoVoltaic - CPV
- Receptores de calha
cilindro-parabólicas
- Ótica de baixa
concentração
- Receptores de torre
central + heliostatos
- Ótica de Reflexão
- Ótica de lentes
- Receptores lineares do
tipo fresnel
- Receptores
parabólicos disco
stirling
residencial
industrial
industrial
residencial
25
Central Solar Fotovoltaica - Diagrama Esquemático
26
Central Solar Fotovoltáica
Fonte: www.astroman.pl - Usina Fotovoltáica Waldpolenz Perto de Leipzig, Alemanaha (40 MW)
27
Central Solar Fotovoltaica
•
Necessitam de inversores CC-CA para a conexão da central solar com a rede. A utilização desse tipo
de equipamento tem as seguintes consequências:

Geração de correntes harmônicas que necessitam de filtros para que sejam atendidos os critérios de desempenho
harmônico. A presença desses filtros pode levar a dificuldades no controle de tensão da área, sobretudo em
regiões de baixo nível de curto-circuito (SCR).

Esse tipo de equipamento não contribui nem com o aumento do nível de curto-circuito nem com a inércia da área,
se comparada a uma forma convencional de geração.

Esse é um fator muito importante se levarmos em conta que os locais do País (sul do Estado da Bahia), onde são
observados os maiores índices de irradiação solar são próximos a redes com baixos nível de curto circuito e baixa
inércia, tornando a conexão de centrais solares fotovoltaicas nessa áreas um grande desafio.
•
Apesar de minimizado com as novas tecnologias de células fotovoltaicas, ainda existe o problema de
aquecimento dos cristais que compõem os painéis, que reduz a geração de energia próximo ao período
do dia de maior irradiação solar (meio-dia) devido ao aquecimento. Isso é agravado pelo clima tropical
do Brasil.
•
Existe ainda o problema de não existir uma forma eficiente de armazenamento de energia para o
momento em que há a passagem de uma nuvem no parque ou durante o período noturno. Isso causa
uma redução de potência da planta que deve ser considerado para a correta operação da mesma.
28
Tecnologias de Concentração
Receptores de calha cilindro-parabólica
Receptores lineares do tipo fresnel
Receptores de torre central + heliostatos
Receptores parabólicos de disco stirling
29
Torresol Energy - Gemasolar (Sevilha - Espanha)
•
Torresol Energy - Gemasolar (19,9 MW)
–
Primeira planta solar do mundo com tecnologia CSP e armazenamento térmico em sais fundidos
–
Primeiro receptor solar de alta temperatura utilizando sais fundidos
• Os sais fundidos são compostos por uma mistura de sais de nitratos – principalmente nitrato de sódio (NaNO3) e
nitrato de potássio (KNO3) – em uma proporção de 60-40%, que se funde a 230°C
• Temperatura mínima dos sais: 290°C
•
Temperatura máxima dos sais: 565°C (máximo do fluido térmico 400°C)
–
Capacidade de armazenamento térmico para 15 horas
–
Fator de capacidade 75%, 110 GWh anual
–
Altura da torre 140 m, 2.650 heliostatos com área de 115 m2 cada, superfície total do campo
195 hectares (1,95 km2)
–
Investimento total de 240 milhões de euros
–
Total de 6.500 horas de produção anual (74,2%)
30
Central Termosolar de Torre Central + Heliostatos
Fonte: Torresol Energy
31
Torresol Energy - Gemasolar - Ciclo diário de produção
• Dados de produção: 06/09/2011 00:00 a 09/09/2011 00:00
Fonte: Torresol Energy
32
Torresol Energy - Driver de posicionamento dos heliostatos
altitude
Motor do controle
de altitude
Motor do controle
de azimute
azimute
Fonte: Torresol Energy
33
16/04/2012
Torresol Energy - Gemasolar - Bloco de potência central
Fonte: Torresol Energy
34
16/04/2012
Central Termosolar de Torre Central + Heliostatos
Fonte: Torresol Energy
35
Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 (Cádiz - Espanha)
•
Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 (50 MW) (características por planta)
–
Primeiro sistema de armazenamento térmico em sais fundidos do mundo em plantas comerciais termelétricas
–
Utiliza a tecnologia de captadores cilindro-parabólicos e fluido térmico
–
Capacidade de armazenamento térmico para 7,5 horas
–
Produção de energia 170 GWh anual
–
624 captadores parabólicos, totalizando 510.120 m2
–
Área total do campo solar 195 hectares (1,95 km2)
–
Investimento total de 322 milhões de euros
–
Total de 3.500 horas de produção anual (39,9%)
36
Central Termosolar de Calhas Cilindro-Parabólicas
Fonte: Torresol Energy
37
Tubo Receptor SCHOOT PTR 70
•
Fabricação de tubos receptores para receptores cilindro-parabólicos / fresnel
•
Fabricas na Alemanha, Espanha e Estados Unidos
• Tubo Receptor SCHOOT PTR 70



Tubo com 4.060 mm a 20ºC
Comprimento útil > 96,7%
Composto de tubo absorvedor e tubo de vidro
estabilidade da junção
vidro-metal
perdas por reflexão no vidro
perdas por
sombreamento
perdas por reflexão no tubo
absorvedor
tubo de vidro
vácuo
tubo absorvedor
estabilidade térmica do vácuo
perdas por aquecimento do
fluido
perdas de calor por irradiação
Fonte: SHOOT Solar
38
Altura do espelho (m)
FLABEG - Receptores solares parabólicos
Área do espelho interno (m2)
Área do espelho externo (m2)
Distância focal (m)
Espessura do espelho (mm)
Fonte: FLABEG
39
Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 - Vista aérea
Valle 1
Valle 2
Fonte: Torresol Energy
40
Torresol Energy - Valle 1 - Bloco de potência central
Fonte: Torresol Energy
41
Torresol Energy - Valle 1 - Sistema de armazenamento
Fonte: Torresol Energy
42
Torresol Energy - Valle 1 - Trocadores fluido térmico - sais
Fonte: Torresol Energy
43
Conclusões
44
Conclusões
•
A conexão de grande quantidade de energia eólica no SIN prevista para esta década, de
um modo seguro é possível, uma vez que as ações necessárias sejam tomadas a partir de
agora, por todas as pessoas e entidades envolvidas no processo.
•
Uma revisão detalhada dos Procedimentos de Rede foi feita pelo Operador Nacional do
Sistema Elétrico - ONS, para incluir os novos requisitos técnicos que as novas tecnologias
de geração eólica dispõem. O trabalho foi realizado pelo Grupo de Trabalho GT-Eólicas.
•
As tecnologias de controle disponíveis nos aerogeradores DFIG e Full-Converter devem
ser exploradas ao máximo, para permitir a operação segura do sistema com alto grau de
expansão eólica.
•
Os Procedimentos de Rede, bem como os requisitos técnicos para os próximos leilões,
devem refletir, e ter em conta, a melhoria do desempenho que pode ser obtido para a rede
elétrica através do uso das novas tecnologias disponíveis nos aerogeradores de última
geração.
•
Um planejamento criterioso da expansão da rede elétrica deve ser feito de forma a permitir
a conexão segura de parques eólicos em áreas do sistema com baixo nível de curtocircuito e inércia. O equipamento mais apropriado para melhorar o desempenho de um
sistema com estas características é o compensador síncrono.
45
Conclusões
•
A melhoria nos modelos de previsão de vento é necessária para se tornar a geração eólica
mais previsível e, portanto, tornar o cálculo da reserva de potência mais precisa. Isso irá
impactar diretamente na redução dos custos de operação.
•
Melhoria nos controles centralizados dos aerogeradores para tornar a operação dos
parques eólicos como um todo, a partir do Centro de Controle, mais amigável.
46
Conclusões
•
A tecnologia solar fotovoltaica apresenta como grande desvantagem se comparada a
tecnologia CSP a necessidade de inversores CC-CA para a conexão da central geradora à
rede. Além do custo elevado esses inversores necessitam de requisitos específicos para
seu correto funcionamento.
•
A tecnologia CSP apresenta como grande vantagem se comparada a tecnologia
fotovoltaica a possibilidade da conexão com a rede elétrica ser feita através de um gerador
síncrono, agregando dessa forma potência de curto-circuito e inércia à rede.
•
Outra vantagem da tecnologia CSP é que parte do calor gerado pode ser armazenado
através de tanques de sais fundidos, propiciando uma operação mais estável da planta
mesmo em períodos sem sol.
•
O armazenamento térmico também possibilita o planejamento do período de produção da
planta, além de contribuir para o aumento na vida útil dos turbogeradores, devido a
menores variações nos ciclos térmicos dos mesmos.
•
A tecnologia CSP não apresenta problemas de sobreaquecimento dos cristais presente
nos painéis fotovoltaicos, sobretudo em regiões de clima tropical, que provoca decréscimo
na energia gerada quase sempre durante o período diário de maior radiação solar.
47
Conclusões
•
A tecnologia CSP tem como principal desvantagem um elevado custo de instalação e a
tecnologias não totalmente desenvolvidas.
•
Possibilidade de integração de usinas CSP e usinas térmicas de ciclo-combinado como
uma usina híbrida (ISSC, Integrated Solar Combined Cycle – Pesquisa Siemens). No Brasil
temos também a possibilidade de montar uma usina híbida termosolar x bagaço de canade-açúcar, por exemplo.
48
Obrigado
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+55 21 2203-9899