Campus Experimental de Sorocaba
Recursos Energéticos e Meio Ambiente
Professor Sandro Donnini Mancini
14- Energia Eólica
Sorocaba, Maio de 2015.
ENERGIA EÓLICA
Aproveitamento da força de massas de ar em movimento
(ventos) para girar turbinas (aerogeradores) e obter energia:
Elétrica
Mecânica
(moinhos, bombeamento de água)
Utilizada há milhares de anos
1a turbina comercial ligada a rede: 1976 (Dinamarca)
Junho de 2012: + de 30 mil no mundo e a capacidade instalada
é mais de 250 GW
1
É um dos tipos de energia cujo aproveitamento mais cresce no
mundo. Em 2013 cresceu 12%, totalizando 318 GW.
1º semestre de 2014 – 336 GW
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
1º semestre de 2014 : + 18 GW
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
2
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
Potencial: 500.000TWh ao ano ⇒ ~28 x o consumo de
eletricidade mundial
Impactos ambientais mínimos:
Poluição visual
Acidentes com aves
Ruídos
Interferência eletromagnética (transformação e distribuição)
Transporte das pás
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Vantagens
Complementaridade com:
energia solar (-sol, + vento)
energia hidráulica (-chuva, + vento) – no Brasil
ANEEL, Attlas Nacional de Energia Elétrica. Brasília-DF, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br
Tecnologia
Substituição de aço e alumínio por compósitos de termofixos
com fibras de carbono e/ou vidro;
Tamanho médio aumentou (de 100 kW para + de 2000 kW);
Vida útil ~ 20 anos.
Tendência:
Devolução das pás usadas nas trocas por novas.
1a Etapa – contrato; 2a Etapa: legislação
Custos (caíram desde 1980)
Instalação - U$ 1.000/kWh instalado (1981 → U$ 2600 / kWh)
Operação e Manutenção - U$ 0,006 a 0,01 por kWh gerado
Offshore – 30-50% mais caras, porém produzem ~30% mais
Para instalação:
Obtenção de dados sobre velocidade e direção dos ventos
Preliminares – aeroportos e estações meteorológicas
Específicos – anemógrafos computadorizados
sensores especiais
4
Para a construção de uma usina eólica (wind farm), uma área é
considerada tecnicamente aproveitável quando a potência
instalada possa ser maior que 500W/m2 a uma altura de 50 m
ou seja Vvento ≥ 7 m/s
Isso só ocorre em 13% da superfície da Terra
ANEEL, Attlas Nacional de Energia Elétrica. Brasília-DF, 2003. Disponível em http://www.aneel.gov.br
Dos 500.000 TWh ao ano de potencial eólico mundial, estimase que somente 53.000 sejam realmente aproveitáveis (+ de 2
vezes o consumo mundial).
O restante, diz respeito a áreas densamente povoadas,
industrializadas ou com restrições naturais, como montanhas.
Potencial Líquido por grande região do globo:
África – 10.600 TWh/ano
Austrália – 3.000 TWh/ano
América do Norte – 14.000 TWh/ano
América Latina – 5.400 TWh/ano
Europa Ocidental – 4.800 TWh/ano
E o mar?
Ventos no mar são
geralmente 1m/s mais
rápidos que na praia.
Europa Oriental e ex-URSS – 10.600 TWh/ano
Ásia (- ex-URSS) – 4.900 TWh/ano
Mundo – 53.300 TWh/ano
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Turbinas
Desenho aerodinâmico visando a máxima resultante que
empurre a pá para cima;
Sensor de vento e controle de giro para adaptação;
Número pequeno de pás (2 ou 3), para facilitar o escoamento
do vento. Para ventos de baixa velocidade, mais pás;
Entre turbinas: 5 diâmetros de distância lateral;
10 diâmetros de distância longitudinal.
↑ altura, ventos geralmente mais velozes, + energia;
Turbinas de até 1 MW, ventos a 50m → litoral;
Turbinas de mais de 2 MW, ventos a 70m → interior;
Para sistemas comerciais: elevação de tensão e ligação na
rede de transmissão (normalmente tem prioridade);
Eficiência máxima de 59%.
se fosse 100% não haveria fluxo de ar
Potência total do fluxo de ar
m& = ρAV
(i )
1
mV 2
2
(ii)
Energia Cinética
Ec =
Derivando em relação ao tempo (ii):
P=
1
m& V 2
2
(iii)
Substituindo (i) em (iii):
P=
1
ρAV 3
2
6
ANEEL, Attlas Nacional
de Energia Elétrica.
Brasília-DF, 2003.
Disponível em
http://www.aneel.gov.br
Assim a energia eólica obtida é
proporcional a v3.
P = ½ ρar . Área. V3. Cp
Onde: P= [W]; ρar ~ 1,10 kg/m3 ;
Área = π D2/4, [m2]; V = [m/s];
Cp = eficiência do rotor = 0,59
Classificação de Turbinas:
< 500 kW – pequenas
Entre 500kW e 1.000 kW – médias
> 1.000 kW - grandes
Outros Mercados (2012):
México (1002 MW)
Austrália (384 MW)
Brasil: 2012: 1,89 GW
2015: 5,7 GW
(MME,2013);
2013: 2,2 GW
(MME, 2014);
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
Parque Eólico Mundial
(ANEEL, 2015)
7
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
Usinas Eólicas no Mar – OFFSHORE
A primeira data de 1991.
2004 – ~ 600 MW instalados – 16 fazendas, 316 turbinastodos no Mar do Norte.
2013 – 7,4 GW – Europa e Ásia
Planos da Europa para energia eólica offshore: 2020 – 20 GW
Horns Rev Offshore Wind Farm, Dinamarca.
A maior do mundo, com 160 MW
http://www.hornsrev.dk/Engelsk/default_ie.htm
8
Usinas Offshore no Mundo
Usina
País
Partida
MW
Turbinas
11
Vindeby
Dinamarca
1991
4.95
Lely (Ijsselmeer)
Holanda
1994
2.0
4
Tunø Knob
Dinamarca
1995
5.0
10
Dronten (Ijsselmeer)
Holanda
1996
11.4
19
Gotland (Bockstigen)
Suécia
1997
2.5
5
Blyth Offshore
Reino Unido
2000
3.8
2
Middelgrunden
Dinamarca
2001
40
20
Uttgrunden, Kalmar Sound
Suécia
2001
10.5
7
Yttre Stengrund
Suécia
2001
10
5
Horns Rev
Dinamarca
2002
160
80
Frederikshaven
Dinamarca
2003
10.6
4
Samsø
Dinamarca
2003
23
10
North Hoyle
Reino Unido
2003
60
30
72
Nysted
Dinamarca
2004
158
Arklow Bank
Irlanda
2004
25.2
7
Scroby Sands
Reino Unido
2004
60
30
http://www.bwea.com/offshore/worldwide.html
Usinas Offshore no Mundo (continuação)
Usina
País
Partida
MW
Turbinas
Kentish Flats
Reino Unido
2005
90
30
Egmond aan Zee
Holanda
2006
108
36
Barrow
Reino Unido
2006
90
30
48
Lilligrund
Suécia
2007
110.4
Beatrice
Reino Unido
2007
10
2
Burbo Bank
Reino Unido
2007
90
25
Lynn & Inner Dowsing
Reino Unido
2009
194.4
54
Princess Amalia
Holanda
2008
120
60
Thornton Bank 1
Bélgica
2009
30
6
Rhyl Flats
Reino Unido
2009
90
25
1.527,55
632
Total
http://www.bwea.com/offshore/worldwide.html.
9
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
http://www.bwea.com/offshore/how.html
1 – Apoio ; 2 – Pás; 3 – Nacele; 4 – Cabos Submarinos
5 – Transformador Primário, eleva tensão para mais de 30 kV;
6 – Transformador Secundário
As usinas em operação atualmente tem profundidade máxima
de 45m e estão, no máximo, a 30 km da praia.
Na teoria, uma área de 100 km2 poderia abrigar uma usina de
650 MW.
10
Para aproveitamento caseiro (raríssimo no Brasil), os requisitos
são menores (EUA):
Área de 4.000 m2;
Ventos médios de 4m/s;
Instalação de turbina de 5 a 15 kW;
Torres de 25 a 40m;
US$ 6.000 – US$ 22.000;
Nos sistemas modernos, não há necessidade de baterias.
Nos EUA, a casa recebe energia da distribuidora quando não
gera (ventos abaixo de 4m/s) não acionam o sistema gerador.
Quando gera eletricidade, a casa deixa de receber
eletricidade da distribuidora. Quando gera em excesso essa
energia é automaticamente enviada à distribuidora. A conta no
final do mês, virá com os créditos e a economia varia de 5090% em nove meses do ano.
Detalhes em http://www.awea.org/faq/rsdntqa.html
Aproveitamento caseiro (Small Winds – turbinas < 100 kW)
http://www.wwindea.org/webimages/WWEA_WorldWindReportKeyFigures_2013.pdf
11
Potencial
Eólico
Brasileiro
ANEEL, Attlas Nacional
de Energia Elétrica.
Brasília-DF, 2003.
Disponível em
http://www.aneel.gov.br
Fonte: Balanço Energético Nacional 2010 - Disponível em www.mme.gov.br
12
Algumas usinas da Wobben ou com sua Tecnologia
U.F.
Usina
Potência
(MW)
Partida
No
turbinas
Altura do
eixo do
rotor (m)
Diâmetro
do rotor
(m)
Taíba*
5
1998
10
45
40
Prainha*
10
1999
20
45
40
Mucuripe*
2,4
2002
4
45
40
Beberibe**
25,6
2008
32
50-76
48
Millennium**
10,4
2007
13
50-76
48
Vale dos Ventos**
48
2009
60
50-76
48
PI
Pedra do Sal**
18
2009
20
45
44
PR
Palmas
2,5
1999
5
45
40
Bom Jardim da Serra
0,6
2002
1
45
40
Horizonte
4,8
2003
8
45
40
Água Doce**
9
2005
15
45
40
Macau
1,8
2003
3
45
10
Rio do Fogo**
49,6
2006
62
50-76
48
CE
PB
SC
RN
RS
Osório**
50
2006
25
64-113
70
Sangradouro**
50
2006
25
64-113
70
Índios**
50
2006
25
64-113
70
* Usinas da Wobben
** Usinas construídas com o auxílio do PROINFA
Algumas Outras Usinas no Brasil:
Fernando de Noronha I (PE) - 75 kW
Fernando de Noronha II (PE) - 275 kW
Morro do Camelinho (MG) - 1 MW
Olinda (PE) - 225 kW
A maior do Brasil
Alto Sertão I (BA) - Caetité, Guanambi e Igaporã
294 MW em 184 aerogeradores
Partida: 2012
Proprietário: Renova
http://www.renovaenergia.com.br//
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Energia Eólica no Brasil em 2009
Total = 602 MW em 36 usinas
260 MW em construção
Produção de 1.238 GWh
Energia Eólica no Brasil em 2011
Balanço Energético Nacional 2012 - MME
Total = 1.426 MW
Produção de 2705 GWh
Energia Eólica no Brasil em 2015
(http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm)
Total = 5. 515 MW em 249 usinas 2.207 MW/96 usinas em 2013
3.219 MW em construção (122 usinas) 2.401 MW / 85 usinas em 2013
PROINFA
Programa de Incentivo ao Uso de Fontes Alternativas de
Energia Elétrica, criado em 2002.
BNDES financia até 70% do empreendimento;
Garantia de compra, por até 20 anos, no preço de mercado de
até 1100 MW;
+1.100 MW para biomassa e 1.100 MW para PCHs;
Eólicas tem prioridade de entrar na rede de transmissão.
Dezembro de 2009
ANEEL faz o primeiro leilão exclusivo de energia eólica;
71 novas usinas (63 no NE) até 2012;
Meta era acrescentar 1,8 GW;
Garantia de compra por 20 anos a R$ 148 / MWh.
Leilões periódicos posteriormente
14
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétria, 24/02/2015
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/FontesEnergia.asp?
O Brasil possui 3.624 empreendimentos em operação, totalizando 134,7 GW de
potência instalada.
Potencial eólico brasileiro
Estimativa (APEB, 2001)
143 GW
Capacidade instalada (GWEC, até 2010)
Ano 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2013 2015
MW
29
237
247
341
606
931 2.207 5.515
2013 – BEN - http://www.mme.gov.br; 2015: ttp://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/OperacaoCapacidadeBrasil.cfm
15
Fonte: Balanço Energético Nacional 2014 - Disponível em www.mme.gov.br
ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétria, 06/04/2015
http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/OperacaoCapacidadeBrasil.cfm
O Brasil possui 3.705 empreendimentos em operação, totalizando 143,5 GW de
potência instalada. São 260 usinas eólicas, respondendo por 3,98% da
capacidade instalada brasileira.
16
ANEEL, Attlas Nacional
de Energia Elétrica.
Brasília-DF, 2008.
Disponível em
http://www.aneel.gov.br
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Usina Eólica da Prainha, Ceará
20 turbinas de 500 kW
Proprietária: Wobben
Usina Eólica do Mucuripe
Fortaleza-CE (Avenida Beira Mar)
4 turbinas de 600 kW
Proprietária: Wobben
Repotenciada em 2002
18
19