Energia Eólica, Notas de estudo de Engenharia de Produção

Baixe Energia Eólica e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia de Produção, somente na Docsity! UNIVERSIDADE SALGADO DE OLIVEIRA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA ENGENHARIA DE PRODUÇÃO ANDRÉ DA COSTA LUCRÉCIO CÉSAR GOMES DA SILVA ROMILDO AUGUSTO GOMES DA SILVA FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ENERGIA EÓLICA Niterói 2010 2 ANDRÉ DA COSTA LUCRÉCIO - 082490182 CÉSAR GOMES DA SILVA - 062400152 ROMILDO AUGUSTO G. DA SILVA - 072400032 FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA ENERGIA EÓLICA Trabalho entregue como exigência da disciplina de Fontes Alternativas de Energia do curso de Engenharia de Produção da Universidade Salgado de Oliveira. Niterói 2010 5 INDICE 1- INTRODUÇÃO 6 2- APLICAÇÕES DA ENERGIA EÓLICA 8 2.1- NAVEGAÇÃO 8 2.2- MOINHOS DE VENTO 8 2.3- GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA 9 3- COMPONENTES DE UM SISTEMA EÓLICO 9 4- COMO FUNICONA O SISTEMA EÓLICO 11 5- APLICAÇÕES DO SISTEMA EÓLICO 12 5.1- SISTEMAS ISOLÁDOS 12 5.2- SISTEMAS HÍBRIDOS 13 5.3- SISTEMAS INTERLIGADOS À REDE 13 6- ENERGIA EÓLICA NO MUNDO 14 6.1- CAPACIDADE INSTALADA 15 6.2- MAIORES PRODUTORES 15 6.3- ENERGISA EÓLICA NOS ARRANHA-CÉU 16 6.4- AS MICROEÓLICAS 18 7- ENERGIA EÓLICA NO BRASIL 19 7.1- POTENCIALIDADE EÓLICA 19 7.2- CAPACIDADE INSTALADA 20 7.3- PROJETOS EM OPERAÇÃO NO BRASIL 22 8- CUSTOS 25 8.1- CUSTOS DE INSTIMENTO 25 8.2- CUSTO DA ENERGIA 25 8.3- DIVISÃO DO CUSTO DA ENERGIA 25 9- VANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA 26 10- DESVANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA 26 11- CONCLUSÃO 28 12- BIBLIOGRAFIA 29 6 1- INTRODUÇÃO O vento é o ar em movimento devido ao aquecimento desigual da superfície da terra pelo sol. A terra e sua faixa de ar, a atmosfera, recebem mais calor solar próximo ao Equador do que nas regiões polares. Mesmo assim, as regiões equatoriais não ficam mais quentes a cada ano, nem as polares ficam mais frias. É o movimento do ar ao redor da terra que ameniza a temperatura extrema e produz ventos na superfície tão úteis para a geração de energia. Como todos os gases, o ar se expande ou aumenta de volume quando aquecido, e contrai e diminui de volume quando resfriado. Na atmosfera o ar quente é mais leve e menos denso do que o ar frio e se eleva a altas altitudes quando fortemente aquecido pelo sol. O ar aquecido próximo ao Equador fluirá para cima, e então, na direção dos pólos onde o ar próximo a superfície é mais frio. As regiões terrestres próximas aos pólos agora têm mais ar, pressionando- as, e o ar da superfície mais fria tende a desligar dessas áreas e movimentarem-se na direção do Equador. 7 A força motora primária da brisa do mar é a diferença de temperatura entre a terra e o mar. Quando essa diferença é grande e diurna, podem ser esperadas brisas marinhas relativamente fortes durante as horas da tarde e no começo da noite. As brisas marinhas mais intensas são encontradas naquelas regiões subtropicais, ao longo da costa dos continentes onde haja um oceano frio. É precisamente nessas regiões que o vento predominante é geralmente fraco e a brisa marinha local é na verdade quase a única fonte de energia eólica por grande parte do ano. A topografia, ou características físicas do solo, influencia fortemente as características do vento. As montanhas impedem a passagem uniforme dos ventos, o ar canalizado ao redor ou através das aberturas freqüentemente aumenta os ventos fortes locais, ideais para geradores de energia eólica A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as estações e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também têm grande influência na distribuição de freqüência de ocorrência de velocidade do vento em um local. Além disso, a quantidade de energia eólica extraível numa região depende das características de desempenho, altura de operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados. 10
Vento: É o principal elemento, ele determina a disponibilidade energética do local destinado à instalação do sistema eólico.
Rotor: É o componente do sistema eólico responsável por captar a energia cinética dos ventos e transformá-la em energia mecânica de rotação. É o componente mais característico de um sistema eólico. Por este motivo, a configuração do rotor influenciará diretamente no rendimento global do sistema.
Transmissão e Caixa Multiplicadora: A transmissão, que engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador.
Gerador Elétrico: Responsável pela transformação da energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de conversão eletro-mecânica.
Mecanismo de Controle: Destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga).
Torre: As torres são necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o seu funcionamento. É um item estrutural de grande porte e de elevada contribuição no custo inicial do sistema. Em geral, as torres são fabricadas de metal (treliça ou tubular) ou de concreto e podem ser ou não sustentadas por cabos tensores.
Sistema de Armazenamento: Também chamado de banco de baterias, pode ser necessária a utilização desse sistema devido à mudança de comportamento do vento ao longo do tempo, ele garante o fornecimento de energia adequado à demanda.
Transformador: Responsável pelo acoplamento elétrico entre o aerogerador e a rede elétrica. 11
Acessórios: englobam todos os itens de apoio necessários ao funcionamento do sistema eólico. Incluem-se transmissões, freios, embreagens, eixos, acoplamentos e mancais que não apresentam nenhum problema tecnológico aos sistemas eólicos. Esquema típico de um aerogerador O rendimento global do sistema eólico relaciona a potência disponível do vento com a potência final que é entregue pelo sistema. Os rotores eólicos ao extraírem a energia do vento reduzem a sua velocidade; ou seja, a velocidade do vento frontal ao rotor é maior do que a velocidade do vento atrás do rotor. Uma redução muito grande da velocidade do vento faz com que o ar circule em volta do rotor, ao invés de passar através dele. 4- COMO FUNCIONA O SISTEMA EÓLICO Um aerogerador consiste num gerador elétrico movido por uma hélice, que por sua vez é movida pela força do vento. A hélice pode ser vista como um motor a vento, cujo único combustível é o vento. A quantidade de eletricidade que pode ser gerada pelo vento depende, a grosso modo, de quatro fatores: da quantidade de vento que passa pela hélice, do diâmetro da hélice, a dimensão do gerador e o rendimento de todo o sistema. 12 As turbinas são, em princípio, instrumentos razoavelmente simples. O gerador é ligado através de um conjunto acionador a um rotor constituído de um cubo e duas ou três pás. O vento aciona o rotor que faz girar o gerador e converte esta energia mecânica captada pelas pás em energia elétrica. A quantidade de energia disponível no vento varia de acordo com as estações e as horas do dia. A topografia e a rugosidade do solo também têm grande influência na distribuição de freqüência de ocorrência de velocidade do vento em um local. Além disso, a quantidade de energia eólica extraível numa região depende das características de desempenho, altura de operação e espaçamento horizontal dos sistemas de conversão de energia eólica instalados, que será melhor abordado no decorrer deste trabalho. Os aerogeradores precisam agrupar-se em parques eólicos (concentrações de aerogeradores), necessários para que a produção de energia se torne rentável, mas podem ser usados isoladamente, para alimentar localidades remotas e distantes da rede de transmissão. É possível ainda a utilização de aerogeradores de baixa tensão quando se trate de requisitos limitados de energia elétrica. 5- APLICAÇÕES DO SISTEMA EÓLICO Um sistema eólico pode ser utilizado em três aplicações distintas: sistemas isolados, sistemas híbridos e sistemas interligados à rede. Os sistemas obedecem a uma configuração básica, necessitam de uma unidade de controle de potência e, em determinados casos, conforme a aplicação, de uma unidade de armazenamento. 5.1- Sistemas Isolados Os sistemas isolados de pequeno porte, em geral, utilizam alguma forma de armazenamento de energia. Este armazenamento pode ser feito através de baterias ou na forma de energia potencial gravitacional com a finalidade de armazenar a água bombeada em reservatórios elevados para posterior utilização. 15 6.1- Capacidade Instalada Capacidade Instalada até 2007 De acordo com a pesquisa do Conselho Global de Energia Eólica (GWEC, na sigla em inglês), em 2009, a capacidade da América Latina passou de 653 MW para 1,27GW, enquanto a capacidade do mundo ampliou-se em 37,5GW, chegando a 157,9GW. Em termos absolutos, os Estados Unidos têm uma capacidade de 35 GW, a China de 25 GW, a Índia de 11 GW e a Europa de 76 GW. 6.2- Os Maiores Produtores. Os Maiores Produtores até 2008 16 O vice-diretor do Departamento da Energia Renovável da Administração Nacional de Energia da China, Shi Lishan, afirmou que, no final de 2009, a capacidade instalada de energia eólica da China atingiu 25 milhões quilowatts, ficando no segundo lugar do mundo. Shi Lishan afirmou que esse volume em 2005 era de somente 1,27 milhões de quilowatts. Nos últimos anos, a China manteve uma tendência acelerada do desenvolvimento no setor, com um aumento considerável por quatro anos consecutivos. Segundo Shi, a China está dando mais atenção ao plano de rede elétrica e às usinas de energia eólica. Ao mesmo tempo, o país também está acelerando a captação de energia eólica no mar. 6.3- Energia Eólica nos Arranha-Céu. Bahrain World Trade Center O Bahrain World Trade Center começou a ser construído em 2004 pela companhia dinamarquesa Ramboll e foi inaugurado em 2008, ele tem 50 andares, mede 240 metros de altura e é o primeiro arranha-céu equipado com turbinas eólicas. As turbinas foram fabricadas pela companhia dinamarquesa NORWIN, especializada em energia eólica. 17 Cada uma das 3 turbinas mede 29 metros de diâmetro e tem uma potencia de 225 KW e juntas geram 675 KW, entre 11 e 15% da energia consumida pelo arranha-céu. Comissionamento das turbinas do Bahrain World Trade Center Castle House, em Londres 20 “Os investidores sempre fazem suas próprias medições, mas o atlas é um indicativo que mostra onde eles devem focar”, explica o pesquisador do Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), Antônio Leite de Sá. Atualmente, ele trabalha no desenvolvimento de uma nova versão do documento, que trará dados atualizados. No atlas antigo, com medições feitas a alturas de até 50 metros, o potencial brasileiro foi estimado em 143,5GW. Com o desenvolvimento da tecnologia as torres eólicas ficaram cada vez maiores, o que deixou o mapeamento anterior defasado. Na nova versão, as medições serão feitas a 150 metros, e o Cepel não descarta mapear até mesmo alturas de 200 metros. O estudo, que deve ser concluído em até dois anos, mostrará um potencial eólico ainda maior para o País. “Eu trabalho com uma estimativa de 250GW, para ser conservador. Há quem fale em até 300GW”, adianta Antônio. 7.2- Capacidade Instalada O Brasil responde por cerca da metade da capacidade instalada na América Latina, mas representa apenas 0,38% do total mundial. Para o diretor- executivo da Associação Brasileira de Energia Eólica (ABEEólica), Pedro Perrelli, o desenvolvimento do parque eólico do país só não é maior porque o Brasil tem muita capacidade hidrelétrica instalada e potencial. Segundo ele, apesar disso, o Brasil tem ainda muito terreno para crescer na energia eólica. "A energia eólica é importante, porque ela é complementar a esse potencial hidráulico. Inclusive porque ela não consome água, que é um bem cada vez mais escasso e vai ficar cada vez mais controlado", segundo Perrelli. De acordo com a ABEEólica, a capacidade instalada de energia eólica no Brasil deve crescer ainda mais nos próximos anos. Isso porque um leilão, realizado no final de 2009, comercializou 1.805MW que devem ser entregues até 2012. 21 Capacidade Instalada em 2008 A capacidade de geração de energia eólica no Brasil aumentou 77,7% em 2009, em relação ao ano anterior. Com isso, o país passou a ter uma capacidade instalada de 606MW, contra os 341MW de 2008. Os dados, divulgados hoje pelo Conselho Global de Energia Eólica (GWEC, na sigla em inglês), mostram que o Brasil cresceu mais do que o dobro da média mundial (31%). O crescimento brasileiro foi maior, por exemplo, que o dos Estados Unidos, que teve aumento de 39%, o da Índia 13% e o da Europa 16%, mas menor que o da China, cuja capacidade de geração ampliou-se em 107%. O Brasil também cresceu menos do que a média da América Latina, cujo aumento foi de 95%, puxado, em grande parte, pelas expansões de capacidade do México 137%, do Chile 740%, da Costa Rica 67% e da Nicarágua, que saiu de zero para 40MW. De acordo com a pesquisa, a capacidade da América Latina passou de 653MW para 1,27GW, enquanto a capacidade do mundo ampliou-se em 37,5GW, chegando a 157,9GW. 22 7.3- Projetos em operação no Brasil
Turbinas Eólicas do Arquipélago de Fernando de Noronha-PE: A primeira turbina foi instalada em junho de 1992, a partir do projeto realizado pelo Grupo de Energia Eólica da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE, com financiamento do Folkecenter (um instituto de pesquisas dinamarquês), em parceria com a Companhia Energética de Pernambuco – CELPE. A turbina possui um gerador assíncrono de 75kW, rotor de 17m de diâmetro e torre de 23m de altura. Na época em que foi instalada, a geração de eletricidade dessa turbina correspondia a cerca de 10% da energia gerada na Ilha, proporcionando uma economia de aproximadamente 70.000l de óleo diesel por ano. A segunda turbina foi instalada em maio de 2000 e entrou em operação em 2001. O projeto foi realizado pelo CBEE, com a colaboração do RISØ National Laboratory da Dinamarca, e financiado pela ANEEL. Juntas, as duas turbinas geram até 25% da eletricidade consumida na ilha. Esses projetos tornaram Fernando de Noronha o maior sistema híbrido eólico- diesel do Brasil.
Central Eólica de Taíba – CE: Localizada no Município de São Gonçalo do Amarante, a Central Eólica de Taíba, com 5MW de potência, foi a primeira a atuar como produtor independente no País. Em operação desde janeiro de 1999, a central é composta por 10 turbinas de 500KW, geradores assíncronos, rotores de 40m de diâmetro e torre de 45m de altura.
Central Eólica de Prainha – CE: Localizada no Município de Aquiraz, a Central Eólica de Prainha possui uma com capacidade de 10MW (20 turbinas de 500KW). O projeto foi realizado pela Wobben Windpower (do Brasil) e inaugurado em abril de 1999. As turbinas utilizam geradores síncronos, funcionam com velocidade variável e com controle de potência por pitch (ângulo de passo das pás). 25 8- CUSTOS 8.1- Custo de Investimento Os custos de investimento na produção por KWh de energia Eólica, são 50% mais caros que os de uma Hidroelétrica. Este é um dos motivos este que inviabiliza um maior investimento desse tipo de geração de energia no país. 8.2- Custo da Energia No leilão de energia eólica, realizado em 14 de Dezembro de 2009, foi alcançando um resultado positivo por um preço de fornecimento de energia elétrica bastante razoável, R$ 0,148 por KWh. 8.3- Divisão do Custo da Energia Em Niterói o preço cobrado pela AMPLA por KWh e de R$ 0,63339. Que são divididos da seguinte maneira: 26 9- VANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA
Fonte inesgotável: Abundante fonte de energia, renovável, limpa e disponível em todos os lugares;
Meio ambiente: Ecologicamente correto, pois não influi no efeito estufa;
Alto potencial: Grande potencial para geração de energia elétrica;
Compatibilidade: Pode coexistir tranquilamente com a produção agrícola e a pecuária;
Prazo de instalação: Tempo de instalação relativamente rápido em torno de 18 a 24 meses para começar a produção. 10- DESVANTAGENS DA ENERGIA EÓLICA
Sistema secundário: A energia eólica não pode ser utilizada como um sistema principal de geração de energia elétrica devido à variação da distribuição dos ventos;
Custo de instalação: Mesmo com o avanço da tecnologia dos equipamentos do sistema eólico, o investimento inicial com equipamentos e linhas de transmissão continua sendo alto, inviabilizando alguns projetos;
Os impactos sonoros: São devido ao ruído dos rotores e variam de acordo com as especificações dos equipamentos, as turbinas de múltiplas pás são menos eficientes e mais barulhentas que os aerogeradores de hélices de alta velocidade. A fim de evitar transtornos à população vizinha, o nível de ruído das turbinas deve atender às normas e padrões estabelecidos pela legislação vigente; 27
Os impactos visuais: São decorrentes do agrupamento de torres e aerogeradores, principalmente no caso de centrais eólicas com um número considerável de turbinas, também conhecidas como fazendas eólicas. Os impactos variam muito de acordo com o local das instalações, o arranjo das torres e as especificações das turbinas. Apesar de efeitos negativos, como alterações na paisagem natural, esses impactos tendem a atrair turistas, gerando renda, emprego, arrecadações e promovendo o desenvolvimento regional;
Interferências eletromagnéticas: Podem causar perturbações nos sistemas de comunicação e transmissão de dados (rádio, televisão etc.). Essas interferências variam muito, segundo o local de instalação da usina e suas especificações técnicas, particularmente o material utilizado na fabricação das pás;
Interferência na rota de migração de pássaros: A interferência nas rotas de aves deve ser devidamente considerada nos estudos e relatórios de impactos ambientais (EIA/RIMA).