artigo parque eolico
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Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI
Campus Itabira
Arthur de Souza Meirelles Pires Ribeiro – EEL - RA 25798
Fernando Freitas Higino – EEL - RA 24317
Gabriel Guimarães Rosa Nascimento – EEL - RA 23765
Gleidson Pereira Roque – EEL - RA 24663
Vinícius Silveira Bastos – EEL - RA 24669
DIMENSIONAMENTO DE UM PARQUE EÓLICO
EAM-002 - Ciências do Ambiente
Prof. M.Sc. Rafael Balbino Cardoso
ITABIRA
2012
DIMENSIONAMENTO DE UM PARQUE EÓLICO
Arthur de Souza Meirelles Pires Ribeiro1
Fernando Freitas Higino2
Gabriel Guimarães Rosa Nascimento³
Gleidson Pereira Roque4
Vinícius Silveira Bastos5
RESUMO
Este artigo tem como objetivo dimensionar um parque eólico na sub-bacia do
Verde Grande, analisando os benefícios econômicos, energéticos e ambientais. Buscou-
se também por meio de revisão bibliográfica, avaliar a estrutura da matriz de geração de
energia elétrica no Brasil e a destacando o potencial eólico. Tratou-se também das
tecnologias de turbinas eólicas e dos critérios para determinação do potêncial eólico.
Palavras-chave: Parque - Eólico. Potencial – Eólico. Turbinas – Eólicas.
1. INTRODUÇÃO
1.1 Composição da matriz de geração de energia elétrica no Brasil
11 Acadêmico do 1º período de Engenharia Elétrica; RA 25798; [email protected] Acadêmico do 1º período de Engenharia Elétrica; RA 24317; [email protected] Acadêmico do 1º período de Engenharia Elétrica; RA 23765; [email protected] Acadêmico do 1º período de Engenharia Elétrica; RA 24663; [email protected] Acadêmico do 1º período de Engenharia Elétrica; RA 24669; [email protected]
Segundo Cruz (2009), A matriz de geração de energia elétrica no Brasil não é
muito diversificada. Sendo classificada como “hidrotérmica de grande porte” por ser
predominantemente baseada em Hidroelétricas e Termoelétricas. Isso pode ser
observado na figura Figura 1.1. Segundo o Balanço Energético Nacional - BEN 2008,
ano base 2007 (EPE, 2008), no qual a comparação é feita pelos indicadores de 2007 em
relação a 2006. Segundo esse balanço, houve um crescimento de 4,9% na geração de
energia elétrica, e a importação manteve-se praticamente igual. O BEN 2008 também
mostra que houve um forte crescimento no emprego das fontes renováveis de energia.
Por exemplo, a geração eólica triplicou, com um aumento de 135,8%, isso graças a
programas governamentais de incentivo ao uso dos recursos renováveis de energia.
Figura 1.1 - Matriz de Geração de Energia Elétrica do Brasil.
Fonte: Adaptada de EPE (2008).
A hidroeletricidade foi por muito tempo considerada uma fonte de energia limpa
e, por isso, uma alternativa positiva à queima de combustíveis fósseis. No entanto, uma
série de estudos que avaliaram a emissão de GEE por essas usinas, revela resultados
impressionantes que depõe contra esse conceito geral. Por exemplo, estudos realizados
por Fearnside (2007 e 2006), mostraram que as emissões de gás carbônico e metano por
usinas hidrelétricas podem ser responsáveis pelo agravamento do efeito estufa e isso a
um nível maior do que teria sido se essa mesma energia tivesse sido gerada pela queima
de petróleo. Essa comparação teria sido ainda muito mais marcante caso fossem usados
biocombustíveis adicionados ao combustível fóssil. Esse fato ilustra a importância de se
rever alguns conceitos atualmente estabelecidos sobre os impactos ambientais da
geração de energia elétrica e de se promover uma reforma no setor energético. (CRUZ;
ELIUDE, 2009).
1.2 Participação da energia eólica
A eólica é considerada atualmente, uma das fontes renováveis de energia com
maior viabilidade, economicamente falando e também em relação aos impactos
ambientais, porque essa forma de geração de energia elétrica não libera gases
causadores do efeito estufa após a sua implantação, além de causar pouco impacto
ambiental comparado com todas as fontes de geração de energia elétrica conhecidas
atualmente.
1.3 Critérios para determinação do potencial eólico
Para realizar a determinação do potencial eólico de uma determinada região é
necessário uma avaliação detalhada de vários aspectos, sendo os principais: a
velocidade e densidade do vento, elevação e inclinação do terreno, a ocupação do solo,
rede elétrica e infraestrutura, distancia até a próxima subestação, existência de área de
preservação ambiental, entre outros aspectos.
2.OBJETIVOS
2.1 Geral
Projetar um parque eólico na sub-bacia do Verde Grande.
2.2 Especificos
Estimar o beneficio liquido
Estimar o beneficio ambiental em termos de redução de emissões de gases do
efeito estufa.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Estrutura da matriz energética no Brasil
Diferentemente da matriz energética mundial, onde a utilização do petróleo
supera a utilização de fontes renováveis, o Brasil, tendo a seu favor significativos
recursos hídricos e de biomassa, tem nas fontes renováveis a maior parcela quanto à
oferta de energia, como mostra a figura abaixo:
Ainda assim, percebe-se uma grande participação do petróleo na composição da
matriz energética brasileira. Isto se deve principalmente à utilização de seus derivados
(gasolina e óleo diesel) no setor de transportes e também pelo uso em grande escala do
gás liquefeito de petróleo nos domicílios brasileiros.
A geração de energia elétrica no Brasil concentra-se predominantemente em
fontes hidráulicas. Segundo a ANEEL (2006), as usinas hidrelétricas tem participação
de 78,1% na geração de energia elétrica. Apesar disso, o Brasil ainda não chegou a
aproveitar nem 25% de todo o potencial hidráulico que possui.
A união usinas hidrelétricas com as termoelétricas e nucleares, além das outras
fontes (incluindo os parques eólicos) resulta numa capacidade de geração de energia
elétrica na ordem de 112 GW (ANEEL, 2010).
No Brasil, a participação da energia eólica na geração de eletricidade ainda é
pouco significativa. Segundo a EPE (2011), a energia dos ventos é responsável pela
geração de apenas 0,8% da matriz energética brasileira.
Apesar da baixa representação na matriz energética nacional, o potencial eólico
brasileiro é enorme. O Brasil é um país favorecido em termos de ventos, que se
caracterizam por volatilidade de 5% e uma presença duas vezes superior à média global.
Além disso, como a velocidade dos ventos tende a ser maior nos períodos de estiagem,
existe a possibilidade de as usinas eólicas operarem de forma complementar às usinas
hidrelétricas, preservando as águas nesses períodos.
Estima-se que, considerando locais onde os
ventos ultrapassam a velocidade de 7m/s, o potencial
eólico no Brasil ultrapassa os 147 GW, valor superior
à capacidade total de geração de energia elétrica atual
(ANEEL, 2007). A figura ao lado mostra que a região
Nordeste possui o maior potencial eólico no Brasil,
com 75 GW, seguida pela região Sudeste (29,7 GW) e
Sul (22,8 GW).
Potencial eólico brasileiro.
Fonte: EPE, 2007
A medição da velocidade do vento de determinada região é fundamental quando
se trata de determinar o potencial eólico. Por isso, a figura a seguir mostra o panorama
do potencial eólico do Brasil, apresentando a velocidade média anual do vento a 50
metros de altura.
Velocidade média anual do vento a 50m de altura.
Fonte: FEITOSA, E. A. N. et al. Panorama do Potencial Eólico no Brasil. Brasília:
Dupligráfica, 2003. (adaptado)
Como se pode observar, as informações apresentadas na figura acima corroboram com
os dados mostrados anteriormente, evidenciando o maior potencial eólico na região
Nordeste (principalmente no litoral do Rio Grande do Norte), seguido pela região
Sudeste, com destaque para a região do Vale do Jequitinhonha.
3.2.1 Aspectos Econômicos
Segundo a Associação Brasileira de Energia Eólica (2012), a energia eólica
produzida no Brasil já é a mais barata do mundo. Enquanto a energia europeia custa
cerca de R$300,00 por megawatts/hora (MWh), a brasileira sai, em média, por R$
105,00 MWh.
Comparando o custo da energia eólica com as outras fontes de geração que o
Brasil possui o resultado também positivo. Perde somente para a energia hidráulica, que
tem o custo aproximado entre R$80,00 a R$90,00 por MWh.
Para se estimar o custo da energia eólica, são considerados diversos quesitos, como:
Custo total de investimento;
Custos de fabricação das turbinas eólicas;
Custos de preparação dos projetos, custos de infraestrutura;
Custos de operação e manutenção;
Valor percentual da operabilidade do sistema;
Tempo de vida útil;
Valor médio da velocidade do vento no local de instalação.
Estudos da EWEA (European Wind Energy Association) mostram que os preços da
energia eólica podem ser reduzidos em até 25% com o desenvolvimento de novas
tecnologias e com o aumento dos volumes de produção.
3.2.2 Impactos socioambientais
A geração de energia elétrica a partir dos ventos constitui uma alternativa para
diversos tipos de demanda. Os pequenos parques podem suprir pequenas localidades,
enquanto as centrais de grande porte podem atender uma importante parcela do Sistema
Interligado Nacional. Esta interligação ao SNI promove diversos benefícios, como a
diminuição da necessidade de construção de novas hidrelétricas e a contribuição para a
redução de poluentes atmosféricos lançados pelas usinas térmicas.
Entretanto, existem também impactos socioambientais negativos, sendo os
principais os impactos sonoros e visuais. Os impactos visuais decorrem do agrupamento
de torres e aerogeradores, principalmente no caso de grandes centrais eólicas, que
possuem uma quantidade relativamente alta de turbinas. Estes impactos variam de
acordo com o local das instalações, a disposição das torres a configuração das turbinas.
Já os impactos sonoros são devidos ao ruído dos rotores e variam de acordo com
as especificações dos equipamentos (ARAÚJO, 1996). Segundo o autor, as turbinas de
múltiplas pás produzem mais barulho e são menos eficientes que as turbinas de hélices
de alta velocidade. Com o objetivo de evitar transtornos às pessoas que residem
próximas às centrais, existe uma legislação vigente que estabelece normas e padrões
para os níveis de ruído.
Apesar de serem considerados impactos negativos, por provocarem alterações na
paisagem natural, estes impactos promovem o turismo, gerando empregos, renda, e
também promovendo o desenvolvimento regional.
3.3 Tecnologias de turbinas eólicas
Existem essencialmente dois tipos de turbinas eólicas: as de eixo horizontal e as
de eixo vertical. As figuras a seguir mostram esses dois tipos de turbina:
Turbina de eixo horizontal. Turbina de eixo vertical.
Fonte: Merkasol. Disponível em: www.merkasol.com Fonte:Merkasol. Disponível em:www.merkasol.com
As turbinas de eixo horizontal são montadas horizontalmente, paralelas ao solo.
Como elas precisam se alinhar constantemente com o vento, existe um sistema de
ajuste, constituído por caixas de engrenagens e motores elétricos, que move o rotor para
a direita ou esquerda.
As turbinas de eixo horizontal são as mais comuns do mercado, estando
presentes na maioria dos parques eólicos atualmente.
As turbinas de eixo vertical, por sua vez, não necessitam de nenhum ajuste em
relação às mudanças do vento, pois ao contrário das turbinas de eixo vertical, elas se
encontram permanentemente alinhadas. Entretanto, as turbinas de eixo vertical
necessitam de um sistema elétrico de partida; as pás não se movem por si mesmas. As
TEEV’s são mais caras que as turbinas de eixo vertical, já que seu projeto e construção
são muito mais complexos. Apesar disso, elas ainda são menos eficientes que as
TEEH’s, apresentando uma velocidade de rotação menor. Por isso, são de rara
utilização.
Desde o início da implantação da energia eólica, foram desenvolvidos diversos
tipos de turbinas de eixo horizontal – com apenas uma pá, com duas ou três pás, com
gerador de indução, gerador síncrono – até a elaboração dos modelos atuais, que
possuem as seguintes características: eixo horizontal de rotação com três pás, gerador de
indução, alinhamento ativo e estrutura não flexível, como mostra a figura a seguir:
Desenho esquemático de uma usina eólica moderna.
Fonte: CENTRO BRASILEIRO DE ENERGIA EÓLICA - CBEE / UFPE. 2000. Disponível em: www.eolica.com.br. (adaptado)
3.4 Critérios para determinação do potencial eólico
Para que a energia eólica seja considerada tecnicamente aproveitável, é
necessário que sua densidade seja maior ou igual a 500 W/m², a uma altura de 50m, o
que requer uma velocidade mínima do vento de 7 a 8 m/s (GRUBB; MEYER, 1993).
Além da densidade e velocidade do vento, vários outros fatores são considerados
para avaliar o potencial eólico de determinada região. Entre os principais, estão:
Elevação e inclinação do terreno;
Ocupação do solo;
Rede elétrica e infraestrutura;
Distância até a próxima subestação;
Existência ou não de áreas de preservação ambiental;
O ato de identificar locais com alto potencial eólico em uma fase inicial do projeto
traz muitos benefícios, já que o tempo gasto para encontrar os locais ideais é diminuído
drasticamente. Do mesmo modo, locais com pouco potencial são evitados desde o
início, bem como os locais sensíveis em relação ao licenciamento. Todos estes aspectos
visam à redução de tempo e custo e – escolhendo-se o melhor local dentro da região de
análise – à maximização do rendimento econômico. (Atlantec)
4. MÉTODOS
Para obter-se bom rendimento em um parque eólico é necessário que a região de
instalação proporcione ventos com potencial acima de 6m/s. Assim localizada na divisa
entre o Norte de Minas Gerais com 87% do território e Sul da Bahia com 13%, com
altitude media de 800m a Bacia do Verde Grande apresentou durante o ano de 2001
uma incidência aproximada de 53% do tempo com ventos acima deste potencial, alem
de apresentar uma media total de 6,30 m/s.
Para projetar o parque eólico, primeiramente é preciso escolher as turbinas, e
fazer a distribuição das turbinas no espaço de acordo com o diâmetro da turbina,
respeitando a distancia lateral de 5 vezes o diâmetro entre turbinas, e a distancia frontal
de 10 vezes o diâmetro.
Foram escolhidas turbinas de 500 kW, com diâmetro de 40m, sendo que o local
tem 800x8000m², respeitando-se as distancias de segurança é possível instalar 120
turbinas.
Com os dados acima citados, podemos calcular a potencia de uma turbina,
usando a seguinte formula:
“P = Cp x η x 1/2 x ρ x A x V³” (W)
Onde “Cp” é o coeficiente aerodinâmico de potencia do rotor, “η” é o
rendimento do aerogerador, “ρ" é a densidade do ar em kg/m³, “A” é a área do rotor,
“V³” é a media do cubo e o cubo das medias da velocidade do ar.
Com o auxilio de uma tabela no Excel contendo a serie de ventos, podemos
analisar a potencia em relação a diferentes velocidades do vento e a frequência que
esses ventos ocorrem, dando mais credibilidade ao projeto, afinal é um investimento de
alto valor, e deve ser analisado nos mínimos detalhes.
Com a potencia media, calculamos a energia gerada anualmente de acordo com a
formula:
“E = P x 8760 x frequência relativa do vento” (kWh)
Sabendo a quantidade de energia gerada, podemos calcular os gastos e os lucros anuais. Para calcular os gastos, pesquisamos dados de mercado como o custo para cada kW instalado, de acordo com a empresa Wobben, o custo da instalação varia de R$ 1700 a R$ 2380 o kW de potência instalada., sendo assim escolhemos um valor de R$ 2000 como custo de instalação por kW.
Para calcular os lucros é necessário pesquisar o preço da tarifa de energia, e o
fator de recuperação de capital, a media da tarifa de energia eólica que encontramos é de
R$ 100,00 por MWh, e o fator de repureraçao de capital fica em 14% considerando
juros de 13% ao ano, e um período de 20 anos.
Com os dados de custos e lucro bruto, fazemos uma simples subtração e
achamos o beneficio liquido.
Com essa analise visamos ter um bom retorno financeiro, com um projeto viável
e com o Maximo de confiabilidade, para atrair investidores. Sendo este um projeto que
utiliza uma fonte renovável de energia, acreditamos que possa contribuir com a
diminuição da emissão de gases poluentes e que possa atender a demanda energética da
população de forma satisfatória, ou seja, um projeto viável do ponto de vista econômico,
ambiento-social e energético.
5. RESULTADOS
5.1 Resultados Econômicos
Após levantamentos dos dados foram feitas as analises de viabilidade econômica com utilização de cálculos de TIR e VPL, utilizando se de uma taxa de 13% para ceifar as incertezas do mercado.
As turbinas selecionadas foram do Fabricante Vestas, que apresenta um rendimento de 46,6% e um custo de operação R$50,00 por kW nos dois primeiros anos do projeto e posteriormente R$120,00 por kW, valores que poderiam potencializar os retornos do projeto.
Para checar as possibilidades forma feitas analise de viabilidade com as demais turbinas (80m, 72m, 64m, 54m, 48m, 44m, 33m e 27m), mas todas se mostraram inviáveis a atual situação do mercado de custo de instalação, orçado em R$2000,00 por kW instalado, tarifa de venda de energia a R$100,00 por MWh.
Os custos de instalação foram os mais baixos apresentados por todos os parques onshore.
O fator de suma importância que realmente deixou a desejar fora a serie de ventos, apresentando uma media de 6,30m/s. Velocidades abaixo dos 6m/s ficaram em 46,5% e abaixo dos 4m/s por 22%.
velocidade (m/s)
v classe (m/s) f. absoluta f. relativa (%) f/soma
0 a 1 0,5 72 1,07%
1 a 2 1,5 279 4,14%
2 a 3 2,5 460 6,82%
3 a 4 3,5 676 10,02%
4 a 5 4,5 789 11,70%
5 a 6 5,5 859 12,74%
6 a 7 6,5 909 13,48%
Velocidades acima de 6,m/s foram encontrados por 53,5%, porem concentrada entre 6 e 9 m/s.
6 a 7 6,5 909 13,48%
7 a 8 7,5 874 12,96%
8 a 9 8,5 676 10,02%
9 a 10 9,5 469 6,95%
10 a 11 10,5 307 4,55%
11 a 12 11,5 156 2,31%
12 a 13 12,5 113 1,68%
13 a 14 13,5 67 0,99%
14 a 15 14,5 22 0,33%
15 a 16 15,5 11 0,16%
16 a 17 16,5 2 0,03%
17 a 18 17,5 1 0,01%
18 a 19 18,5 2 0,03%
19 a 20 19,5 0 0,00%
Fator determinante para a instalação e viabilidade do projeto do parque eólico para Sub-Bacia do Verde Grande, a velocidade medida pelos anemômetros, apresentou baixo desempenho.
Sendo assim resultados alcançados não foram satisfatórios. Analisando todos os números fornecidos, pode-se perceber a inviabilidade do projeto do ponto de vista econômico.
Custo de Instalação Custo anual B.anual BL
P.parque x C.unitario x FRC Energiat x tarifa
B.anual - Ct.anual
R$ 120.000.000,00 R$ 1.024.947,28 R$ 8.924.167,04 R$ 7.899.219,76
VPL TIR a.a. Payback
-R$ 57.088.445,60 3% #Invalido#
Para a tarifa de venda de energia ousamos testar uma variação maior no preço, descobrimos que o investimento neste parque eólico só se torna viável com uma tarifa a partir de energia de R$203,00 por MWh.
5.2 Resultados Ambientais
Uma turbina de 600kW, dependendo do regime de vento, pode evitar a emissão de 20.000 a 36.000 toneladas de CO2, equivalentes à geração convencional, durante seus 20 anos de vida útil estimado (EWEA, 2000d).
Assim podemos estimar que este parque eólico poderia contribuir na redução de 2.400.000 a 4.320.000 toneladas de CO2, Durante sua vida útil.
6. CONCLUSÃO
Com as informações adquiridas pelo estudo de viabilidade econômica da Sub Bacia do Verde Grande, a partir de medições de velocidade do vento, levantamento de custos de instalação e operação de uma usina eólica, taxa media de juros atuais e valores de venda de energia. Chegou-se a conclusão que seria Inviável a construção de tal usina do ponto de vista econômico.
Para que se instalasse uma usina com tais custos, no local haveria de encontrarmos uma frequência maior de velocidades do vento acima de 6m/s.
Como não se pode alterar a frequência do vento acreditamos que seja melhor aguardar no futuro a utilização do local, haja visto a velocidade em que os custos dos da tecnologia para as usinas eólicas vem caindo esta cada vez maior, tornando assim o projeto mais vantajoso.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Cruz Segundo, E., ESTUDO DE ENERGIA EÓLICA PARA A ILHA DE
MARAJÓ - PA, 2009. Registro do documento original disponível no
site:<http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2009/02.27.21.18> Acesso em: 10 de
junho de 2012.
Abeeólica (Associação Brasileira de Energia Eólica), www.abeeolica.org.br, acessado
em 10/06/2012.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de energia elétrica do
Brasil. 2.ed.Brasília, DF: Aneel, p. 93 – 109, 2005.
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA. Atlas de energia elétrica do
Brasil. 3.ed.Brasília, DF: Aneel, p. 77 – 82, 2009.
Atlantec, www.atlantec.com.br, acessado em 10/06/2012.
BALBINO, R.B., “Perspectivas da Matriz Energética mundial e no Brasil”, Rev. O
Setor Elétrico, p 32 – 43, 2007.
EWEA - European Wind Energy Association. Wind Energy - The Facts Environment,
Vol. 4., 2000d. 2000.