FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO

Produo Elica e EnquadramentoTcnico-Econmico em Portugal

Alexandre Morais Lopes

VERSO PROVISRIA

Dissertao realizada no mbito doMestrado Integrado em Engenharia Electrotcnica e de Computadores

Major Energia

Orientador: Prof. Dr. Antnio Carlos Seplveda Machado e Moura

Junho de 2009

c Alexandre Morais Lopes, 2009

Resumo

As actuais crises energticas obrigaram-nos cada vez mais a apostar em energias renovveis,diversos estudos realizados nos ltimos anos tm apontado as implicaes scio-ambientais doconsumo de energia. As fontes renovveis de energia so apresentadas como a principal alterna-tiva para responder procura da sociedade no que respeita a qualidade, segurana e reduo dosdanos ambientais. A energia elica apresenta-se como uma energia renovvel e gratuita, consti-tuindo por isso um caso de estudo. Com este trabalho pretende-se efectuar uma avaliao tcnico-econmica da produo de energia elica. O planeamento energtico com estes novos paradigmasde produo dispersa requer a definio de estratgias e politicas energticas. Esta planificao s possvel com a ajuda de ferramentas de avaliao de potencial elico, assim so analisados osparmetros que caracterizam/influenciam o regime dos ventos e as suas formas de previso.

A integrao dos sistemas de energia elica comeam a ter uma expresso significativa comoconsequncia do seu carcter renovvel. Nesse contexto so apresentadas regras, procedimentos econdies necessrias integrao nas redes elctricas por parte deste tipo de produo.

A energia renovvel apresenta-se como uma fonte intermitente, razo pela qual se deve con-siderar aproveitar a energia aquando da sua inutilidade, apresenta-se assim tcnicas de armazena-mento que tornam esta tecnologia de produo mais rentvel.Com este trabalho pretende-se tambm avaliar os custos iminentes produo elica, exposto aexpresso do clculo da renumerao vigente para sistemas de produo em regime especial e osincentivos existentes.

Por ltimo realizado uma anlise econmica de um parque elico constitudo por 6 aeroger-adores de 2MW.

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Abstract

Nowadays energy crises are responsible for making us bet, more and more, on renewableenergies. Several studies that were made over the past years have pointed out both social andenvironmental implications of power consumption. Renewable energy sources are presented as themain alternative to answer societys demand regarding the quality, the security and the reductionof environmental damages. Wind power presents itself as a free and renewable energy and for thatreason it is a study case.

The aim of this project is to do a technical and an economic valuation of the wind powergeneration. An energetic planning with these new patterns of a diffuse production requires thedefinition of energetic strategies and ideals. This planning it is only possible with the help ofvaluation tools for the wind potential. This way the patterns that characterise and influence thewind and its ways of prevision will be analysed.

Wind power systems integration has begun to have an expressive relevance as a result of itsrenewable nature. In this context, the rules will be presented, the proceedings as well as theconditions needed to allow the integration of this kind of power generation in the electrical supplysystem.

Renewable energy presents itself as a non-constant source of energy. This is why it must betaking into consideration that the energy should be turn to advantage when it is useless. There-fore technical ways to store this type of energy, which make its production more profitable, arepresented in this project.

The object of this project is also to estimate how much wind power generation will cost and soit is showed how to calculate the valid remuneration to the wind power generation. Besides thatthe economic benefits are also mentioned to those who want to produce it.

At last, an economic analysis is made regarding a wind power park, which has 6 aero-generatorsof 2MW.

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Agradecimentos

Quero agradecer ao meu orientador Prof. Dr. Antnio Machado e Moura por todo o apoio,motivao e conselhos concedidos para a realizao deste trabalho.

Como no podia deixar de ser, quero agradecer de uma forma especial aos meus pais e irmpor todo o auxlio, motivao, estabilidade e esforo prestado ao longo de todo o meu percursoacadmico.

De uma forma diferente mas contudo ainda muito especial, quero agradecer a todos os meusamigos e colegas o apoio e incentivo que me foi dado ao longo deste trabalho.

A todos, um sincero obrigado por terem tornado este trabalho concebvel.

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The more we focus on using renewable fuels, the less we are dependent upon foreign oil

John M. McHugh

Theres no question that power rates are going to go up whether its using wind energy or fossilfuels

Jamie Ballem

The answer, my friend, is blowin in the wind, The answer is blowin in the wind

Bob Dylan

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Contedo

1 Introduo 11.1 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objectivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3 Estrutura da Dissertao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 A Energia Elica 32.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 Histria da energia elica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.2 A evoluo comercial de turbinas elicas de grande porte . . . . . . . . . 52.1.3 Sistemas off-shore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 O meio ambiente e a energia elica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.1 Emisses de gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.2 Emisso de rudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2.3 Impacto visual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2.4 Impacto sobre a fauna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Tecnologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.1 Tipo de turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.3.2 Componentes do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.3.3 Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.4 Cabina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.5 Torre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.3.6 Gerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 Controlo de potncia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4.1 Por controlo do ngulo de passo das ps (pitch controlled) . . . . . . . . 192.4.2 Por perda aerodinmica (stall regulation) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 A Energia Elctrica 213.1 O sistema elctrico portugus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1 Modelo organizativo do sistema elctrico nacional . . . . . . . . . . . . 213.1.2 Potncia instalada no sistema elctrico nacional . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 A energia elica em Portugal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.1 Potncia instalada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2 Produo relativa a 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2.3 Localizao dos parques elicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.2.4 Levantamento energtico das estaes do atlas elico de Portugal . . . . 27

3.3 Energia elica mundial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.1 Potncia instalada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

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x CONTEDO

4 Anlise Tcnica 314.1 Aerodinmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314.2 Caracterstica elctrica do aerogerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.3 Previso do vento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4 Factores que influenciam o regime de ventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.4.1 Variao da velocidade com a altura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384.4.2 Influncia da rugosidade do terreno na variao da velocidade . . . . . . 404.4.3 Influncia dos obstculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.4.4 Influncia do relevo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.4.5 Influncia do efeito de esteira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5 Representao estatstica do regime dos ventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.5.1 Distribuio de Weibull . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444.5.2 Distribuio de Rayleight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454.5.3 Avaliao dos recursos elicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.6 Clculo da energia gerada por um sistema elico . . . . . . . . . . . . . . . . . 464.6.1 Procedimento para clculo da energia gerada por um sistema elico . . . 474.6.2 Procedimentos para avaliao de locais com potencial elico . . . . . . . 51

4.7 Impacto da integrao da gerao elica nas redes elctricas . . . . . . . . . . . 534.7.1 Impactos previsveis nas redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.7.2 Condies tcnicas de ligao rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584.7.3 Proteces da interligao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.8 Armazenamento de energia elica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.9 Concluses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5 Anlise Econmica 655.1 Caracterizao econmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.2 Aspectos econmicos dos projectos elicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.2.1 Remunerao vigente para sistemas de produo em regime especial . . . 675.2.2 Incentivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5.3 Anlise econmica de um parque elico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.3.1 Descrio de um sistema elico - Caso de estudo . . . . . . . . . . . . . 765.3.2 Distribuio dos custos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.3.3 Introduo matemtica financeira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.3.4 Anlise econmica do caso de estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825.3.5 Formao de um modelo para o valor da manuteno . . . . . . . . . . . 845.3.6 Anlise da viabilidade do projecto em causa para 20 anos utilizando o

modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.4 Concluses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6 Concluses 89

A Anexo A 93A.1 Rugosidade do terreno usada no Atlas Europeu do Vento . . . . . . . . . . . . . 93

B Anexo B 95B.1 Seleco do modelo para estimar a manuteno . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

C Anexo C 99C.1 Parques elicos ligados rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

CONTEDO xi

D Anexo D 109D.1 Cronograma-tipo das diferentes etapas do parque elico em estudo . . . . . . . . 109

Referncias 111

xii CONTEDO

Lista de Figuras

2.1 Um moinho de vento persa ainda em funcionamento na cidade de Neh (a) a pedrado moinho est abaixo do rotor e as velas esto fixadas nas palhetas, (b) vista geralda parede sul do moinho, (c) vista ampliada das velas da palheta [1]. . . . . . . . 3

2.2 Evoluo das turbinas elicas desde 1985 at 2005 [2]. . . . . . . . . . . . . . . 52.3 Previso da capacidade de energia elica na Europa (2008-2012) [3]. . . . . . . 62.4 Crescimento geogrfico da capacidade elica offshore (2008-2012) [3]. . . . . . 72.5 Principais dados dos parques elicos offshore que operavam no mundo em 2007 [4]. 72.6 Emisses de dixido de carbono [5]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.7 Emisso de vrias tecnologias de produo de energia elctrica (incluindo metano)

[6]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.8 Nvel sonoro da emisso (propagao ao ar livre), norma vdi 2714 [7]. . . . . . . 102.9 Direco do vento para turbinas upwind e downwind [2]. . . . . . . . . . . . . . 132.10 Diferentes tipos de turbinas verticais [8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.11 Componentes de um aerogerador de eixo horizontal [9]. Legenda: 1- ps do

rotor 2- cubo do rotor 3- cabina 4- chumaceira do rotor 5- veio do rotor 6- caixade velocidades 7- travo de disco 8- veio do gerador 9- gerador 10- radiador dearrefecimento 11- anemmetro e sensor de direco 12- sistema de controlo 13-sistema hidrulico 14- mecanismo de orientao direccional 15- chumaceira domecanismo de orientao direccional 16- cobertura da cabina 17- torre . . . . . 14

2.12 Ligao directa de geradores assncronos de rotor em gaiola de esquilo [9]. . . . 162.13 Ligao atravs de conversores de electrnica de potncia para rotor em gaiola [9]. 162.14 Ligao atravs de conversores de electrnica de potncia para rotor em gaiola [9]. 162.15 Ligao atravs de conversores electrnicos de frequncia para rotor bobinado [9]. 172.16 Ligao atravs de conversores electrnicos de frequncia para rotor bobinado [9]. 172.17 Ligao directa de geradores sncronos [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.18 Ligao atravs de conversores de frequncia para mquinas com circuito de ex-

citao [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.19 Ligao atravs de conversores de frequncia para mquinas com circuito de ex-

citao [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.20 Ligao atravs de conversores de potncia para mquinas com excitao perma-

nente [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.21 Ligao atravs de conversores de potncia para mquinas com excitao perma-

nente [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.22 ngulo de passo e de ataque [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.23 Foras de arrasto e sustentao [10]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.1 Modelo organizativo do SEN [11]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.2 Modelo organizativo do SEN [12]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

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xiv LISTA DE FIGURAS

3.3 Evoluo da potncia instalada [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4 Evoluo da potncia instalada [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.5 Evoluo do consumo anual [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.6 Transaces de energia elctrica em Portugal [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.7 Potncia elica [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.8 Produo de energia elica para o dia 30 de Dezembro [15]. . . . . . . . . . . . 253.9 Produo de energia elica [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.10 Localizao dos parques elicos [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.11 Velocidade mdia horizontal a 60 m [m/s] [17]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.12 Capacidade mundial instalada 1996-2008 [18]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.13 Top 10 de capacidade instalada [18]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.14 Capacidade anual instalada por regio [18]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.1 Tubo de Betz [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324.2 Curva da potncia de uma turbina em funo da velocidade do vento. . . . . . . . 334.3 Utilizao da previso de energia elica [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344.4 Diagrama geral dos modelos estatsticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.5 Diagrama geral dos modelos fsicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.6 Estrutura dos Modelos [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.7 Variao da velocidade do vento com a altura acima do solo [21]. . . . . . . . . 404.8 Influncia da mudana de rugosidade no perfil vertical do vento [22]. . . . . . . 404.9 Efeito do obstculo sobre os ventos, em funo da sua altura [23]. . . . . . . . . 424.10 Esquema do regime de vento em situao de relevo [24]. . . . . . . . . . . . . 424.11 Influncia do parmetro k na curva de distribuio de Weibull [22]. . . . . . . . . 454.12 Influncia da velocidade mdia na distribuio de Rayleigh [25]. . . . . . . . . . 464.13 Algoritmo de clculo da energia produzida por uma parque elico. . . . . . . . . 484.14 Exemplo de curva de potncia de um aerogerador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.15 Exemplo de curva de f (V). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.16 Exemplo de curva de F (V). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.17 Esquema de cava de tenso [26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.18 Sentido a seguir das condies mais desfavorveis [27]. . . . . . . . . . . . . . 564.19 Variao da tenso [27]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.1 Estrutura de custos para uma turbina elica de 2 MW [28]. . . . . . . . . . . . . 665.2 Distribuio dos custos de Operao e de Manuteno [28]. . . . . . . . . . . . . 665.3 Custos da O&M para diferentes tipos de turbinas e idades [28]. . . . . . . . . . 675.4 Metas para incentivar a utilizao de fontes de energia renovveis [29]. . . . . . 755.5 Custos de operao e manuteno do caso de estudo. . . . . . . . . . . . . . . . 775.6 Distruio de custos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.7 Resumo com todas as expresses [30]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.8 Fluxo financeiro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.9 Traado da curva com os valores dados e os estimados pelo modelo . . . . . . . 855.10 comportamento da manuteno para as diferentes empresas nos primeiros 12 anos

de vida de um parque elico constitudo por 6 aerogeradores de 2MW. . . . . . . 86

B.1 Modelo Linear. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95B.2 Modelo Exponencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95B.3 Modelo Potencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96B.4 Modelo Polinomial de ordem 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

LISTA DE FIGURAS xv

B.5 Modelo Logartmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96B.6 Valores estimados para os diferentes modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

xvi LISTA DE FIGURAS

Lista de Tabelas

4.1 Tabela do factor n para diferentes tipos de superfcie [31]. . . . . . . . . . . . . 394.2 Tabela do factor Z0 para diferentes tipos de superfcie [32]. . . . . . . . . . . . . 394.3 Nveis de planeamento para a qualidade da onda [33]. . . . . . . . . . . . . . . 584.4 Valores limites das grandezas elctricas [27]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.1 Majorao ambiental (Z) [34] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.2 Dados de financiamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.3 Dados de financiamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.4 Caractersticas tcnicas do Aerogerador [35] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.5 Operao e Manuteno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.6 Valores dos parmetros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.7 Valores da manuteno utilizando o modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 855.8 Valores da manuteno total para 12 anos para as empresas em causa. . . . . . . 875.9 Valores da manuteno total correspondente a 20 anos para a Gamesa e o modelo

criado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.10 Valor da manuteno para os anos no intervalo de 13-20 . . . . . . . . . . . . . . 87

A.1 Tabela de rugosidade do terreno usada no Atlas Europeu do Vento [36] . . . . . 93

B.1 Valores estimados para os diferentes modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97B.2 Valor do erro total dos diferentes modelos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

D.1 Cronograma-tipo das diferentes etapas do parque elico em estudo . . . . . . . . 110

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xviii LISTA DE TABELAS

Abreviaturas e Smbolos

A.C. Antes de CristoEDF lectricit de FranceE.U.A Estados Unidos da AmericaWSH Wind Service HollandAWEA American Wind Energy AssociationU.S. United StatesEIA Energy Information AdministrationGEE Gases de Efeito de EstufaIDAE Instituto para la Diversificacion y Ahorro de la EnergaAC Alternating currentDC Direct currentSEN Sistema Elctrico NacionalML Mercado LiberalizadoMR Mercado ReguladoERSE Entidade Reguladora dos Servios EnergticosBTN Baixa Tenso NormalBTE Baixa Tenso EspecialPRE Produo em Regime EspecialGWEC Global Wind Energy CouncilPTN Condies Normais de Temperatura e PressoSCADA Supervisory Control And Data AcquisitionAR Auto-RegressivosNWP Numerical Weather PredictionMOS Model Output StatisticCFD Computacional Fluid DynamicEAP Energia Anual ProduzidaWAsP Wind Atlas Analysis and Application ProgramRCWEAF Research Centre for Wind Energy and Atmospheric FlowsFEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do PortoINESC Instituto de Engenharia de Sistemas e ComputadoresINETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e InovaoMT Mdia TensoAT Alta TensoPI Produtores IndependentesTMS Multiplicador do Tempo SeleccionadoO&M Operao e ManutenoPRIME Programa de Incentivos Modernizao da EconomiaPNAC Plano Nacional de Alteraes Climticas

xix

xx ABREVIATURAS

PNAEE Plano Nacional de Aco para Eficincia EnergticaPNALE Plano Nacional de Atribuio de Licenas de EmissoVAL Valor Actual LquidoTIR Taxa Interna de RentabilidadePRI Perodo de Recuperao do InvestimentoOE Oramento de EstadoFEDER Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional

CO2 Dixido de carbonorpm Rotaes por minutodb DecibisV Velocidade mdia Desvio padroA Factor de escalak Factor de formaPd Potncia disponvelPg Potncia geradaH2 Hidrognio

Captulo 1

Introduo

1.1 Enquadramento

Actualmente vivemos um momento de mudana devido necessidade de responder aos de-

safios criados pelas alteraes climticas e de reduzir a dependncia de combustveis fosseis.

Apesar da evoluo do Homem a nvel tecnolgico, econmico e social estar relacionado com

a utilizao destes combustveis, o seu uso de forma indiscriminada, nomeadamente na produo

de energia, tem originado uma crescente degradao ambiental no planeta. neste contexto que

imprescindvel falarmos de outra formas de produo, formas limpas, a que damos o nome de

energia renovveis. Estas apresentam-se como uma resposta alternativa actual dependncia das

fontes de energia esgotveis provenientes de combustveis slidos como o petrleo, o carvo e o

gs natural.

A energia elica apresenta-se como uma energia renovvel e gratuita, pelo que no importa a

quantidade que se utiliza hoje j que ela estar igualmente disponvel no futuro. Por outro lado,

esta energia uma fonte de energia limpa, isto , no produz gases de efeito de estufa nem outros

agentes de poluio. A energia elica tem um papel de complementaridade na produo de energia

elctrica sendo que contribui para a diversificao dos modos de produo e para diminuir a nossa

dependncia energtica do exterior, materializada na importao de combustveis fsseis (petrleo,

gs natural e carvo) [37].

A energia elica apresenta-se ento, pelas razes anteriormente referidas, como um contributo

para alcanar os compromissos internacionais, nomeadamente o Protocolo de Quioto e a directiva

comunitria, que impe que a sua representatividade na produo de electricidade corresponda

a 39%, at 2010. Por cada MWh de energia elctrica de origem elica so reduzidas entre 0,8

a 0,9 toneladas de emisses de gases de efeito de estufa que teriam origem na utilizao dos

combustveis fsseis na produo de energia elctrica. A produo elica dever ser acompanhada

de medidas eficazes de reduo do consumo de energia atravs do aumento da eficincia energtica

e da utilizao racional da energia [37].

1

2 Introduo

1.2 Objectivos

O principal objectivo desta dissertao consiste em efectuar uma anlise relativa ao enquadra-

mento tcnico-econmico da energia elica em Portugal. Numa fase inicial, pretende-se identificar

os meios tcnicos necessrios correcta integrao da produo elica na rede portuguesa e as suas

consequncias, assim como os impactos causados por essa ligao. A segunda fase prende-se com

os conhecimentos dos custos envolvidos na produo elica e o valor estimado do kWh elico

em condies de mercado. Posteriormente pretende-se fazer uma anlise econmica de um caso

de estudo, tirando concluses relativamente sua viabilidade. Por ltimo, tendo conscincia e

conhecimento de toda a pesquisa realizada, efectuada uma observao relativa implementao

ou no desta forma de energia.

1.3 Estrutura da Dissertao

Esta Tese encontra-se dividida em 6 captulos. No primeiro captulo, a Introduo, pode-

se encontrar fundamentada a justificao do interesse por este tema, o seu enquadramento e os

correspondentes objectivos.

No captulo 2 efectuada uma introduo temtica da energia elica, iniciando com uma

breve referncia histrica, que se segue de uma anlise da tecnologia actualmente existente. So

tambm descritos os impactos ambientais da utilizao da energia elica.

No captulo 3 exposta a actual situao do sistema elctrico portugus, com um enfoque

especial no o estado da Energia Elica a nvel nacional e mundial.

No captulo 4 so caracterizadas as condies relativas viabilidade tcnica. Inicialmente

so enumerados factores que influenciam os ventos e a representao estatstica do regime do

vento. Seguidamente mostra-se a forma de clculo de energia gerada por um sistema elico e os

procedimentos a seguir para uma avaliao mais correcta de locais com potencial elico. Por fim,

descrevem-se as condies necessrias ligao rede de um parque elico e s suas proteces

de interligao.

No captulo 5 realizada a demonstrao do clculo da renumerao vigente para sistemas de

produo em regime especial e apresentada uma anlise de viabilidade econmica para um caso

de estudo.

No captulo 6 so expostas as concluses retiradas do trabalho e so referidas algumas su-

gestes sobre o trabalho futuro que poder vir a ser desenvolvido.

Captulo 2

A Energia Elica

2.1 Introduo

2.1.1 Histria da energia elica

Com o avano da agricultura, o homem necessitava cada vez mais de ferramentas para o ajudar

nas diversas etapas do trabalho, tarefas como a moagem dos gros e o bombeamento de gua

exigiam cada vez mais esforo humano e animal, tornando-se propcio o desenvolvimento de uma

forma primitiva de moinho de vento. O primeiro registo histrico do aproveitamento da energia

elica para bombeamento de gua e moagem de gros atravs de cata-ventos proveniente da

Prsia, por volta de 200 Antes de Cristo (A.C.). Contudo, acredita-se que antes da inveno dos

cata-ventos na Prsia, a China ( por volta de 2000 A.C.) e o Imprio Babilnico (por volta 1700

A.C.) tambm utilizavam cata-ventos rsticos para irrigao [38].

Figura 2.1: Um moinho de vento persa ainda em funcionamento na cidade de Neh (a) a pedra domoinho est abaixo do rotor e as velas esto fixadas nas palhetas, (b) vista geral da parede sul domoinho, (c) vista ampliada das velas da palheta [1].

3

4 A Energia Elica

Um dos primeiros passos para o desenvolvimento de turbinas elicas de grande porte para

aplicaes elctricas foi dado na Rssia em 1931, onde foi realizado a primeira tentativa de ligar

um aerogerador de corrente alternada a uma central termoelctrica. Este aerogerador, designado

de Balaclava, era um modelo avanado de 100 kW conectado por uma linha de transmisso de 6,3

kV de 30 km a uma central de 20 MW [39].

A Segunda Guerra Mundial (1939-1945) contribuiu para o desenvolvimento dos aerogeradores

de mdio e grande porte, uma vez que os pases faziam grandes esforos no sentido de economizar

combustveis fsseis. Os Estados Unidos desenvolveram um projecto de construo do maior

aerogerador at ento projectado. Tratava-se do aerogerador Smith-Putnam cujo modelo apresen-

tava 53.3 m de dimetro, uma torre de 33.5 m de altura e duas ps de ao com 16 toneladas. Este

aerogerador iniciou o seu funcionamento em 10 de Outubro de 1941, numa colina de Vermont

chamada Grandpas Knob. Contudo em Maro de 1945, aps quatro anos de operao intermi-

tente, uma das suas ps (que eram metlicas) partiu-se por fadiga [39].

A Dinamarca, no perodo inicial da 2a Guerra Mundial apresentou um dos mais significativos

crescimentos em energia elica de toda Europa. Esse avano deu-se sob a direco dos cientistas

dinamarqueses Poul LaCour e Johannes Juul [40].

A Frana tambm se empenhou nas pesquisas de aerogeradores conectados rede elctrica.

Entre 1958 e 1966 foram construdos diversos aerogeradores de grande porte, entre os quais es-

tavam trs aerogeradores de eixo horizontal e trs ps. Um dos modelos apresentava 30 metros de

dimetro de p com potncia de 800 kW a vento de 16,5 m/s. Esse modelo esteve em operao,

conectado rede EDF, nos anos de 1958 a 1963 [38] [41].

Durante o perodo entre 1955 e 1968, a Alemanha construiu e operou um aerogerador com o

maior nmero de inovaes tecnolgicas da poca. Os avanos tecnolgicos desse modelo persis-

tem at hoje na concepo dos modelos actuais mostrando o seu sucesso de operao. Tratava-se

de um aerogerador de 34 metros de dimetro operando com potncia de 100kW, a ventos de

8m/s [42] [43].

O choque petrolfero de 1973, acentuou a necessidade de assegurar a diversidade e segurana

no fornecimento de energia, bem como a obrigao de proteger o ambiente, motivando um maior

interesse pelas energias renovveis. A energia elica tornava-se assim numa fonte de energia das

mais promissoras, desenrolando-se programas de investigao e desenvolvimento sobre estas.

De particular importncia foi o programa de energia elica iniciado em 1973 nos E.U.A., que

dois anos depois deu frutos com a instalao da primeira turbina elica da era moderna perto de

Cleveland, Ohio, a Mod 0, com um rotor de duas ps com 38 metros de dimetro e 100 kW de

potncia [43].

Os Estados Unidos da Amrica deram o prximo passo no desenvolvimento de turbinas de

grandes dimenses com a instalao da turbina Boeing Mod 2 de 91 metros de dimetro e 2,5

MW de potncia em 1981, incorporando os mais recentes progressos tecnolgicos. nesta altura

que se formam os consrcios entre empresas americanas e europeias, mais concretamente suecas

e americanas, em programas de investigao e desenvolvimento de turbinas de grande potncia.

2.1 Introduo 5

Como resultado desta cooperao so de referir as turbinas americano-suecas WTS3 (3MW) e

WTS (4MW) instaladas em 1982 [44].

As primeiras turbinas elicas comerciais foram instaladas no incio dos anos 80, tanto na

Europa (principalmente na Dinamarca e Holanda) como nos E.U.A. (em particular na ), tendo

tipicamente entre 10 a 20 metros de dimetro e potncias de 50 a 100 kW [43].

Particularmente relevante no quadro do desenvolvimento da energia elica foi a poltica de

incentivo disseminao das energias renovveis promovida pelas autoridades do estado da Ca-

lifrnia, que, conjuntamente com os elevados valores registados para a velocidade do vento em

alguns locais deste estado, encorajou o rpido desenvolvimento de parques elicos financiados

por entidades privadas. Em 1987, a potncia instalada em sistemas de converso de energia elica

era de 1500 MW fornecidos por cerca de 15 000 turbinas elicas, a maior parte delas com di-

metros entre 15 a 25 metros [43].

A positiva experincia de operao com turbinas maiores, em conjunto com os frutos dos

programas de investigao, levaram a que o tamanho das turbinas elicas comerciais no tenha

parado de crescer.

2.1.2 A evoluo comercial de turbinas elicas de grande porte

O comrcio das turbinas elicas no mundo sofreu um rpido desenvolvimento relativamente

tecnologia e tamanho durante os ltimos 15 anos. A figura 2.2, mostra o impressionante desen-

volvimento do tamanho e da potncia de turbinas elicas. No entanto, no podemos afirmar estar

perante uma quebra de crescimento, uma vez que a procura de novos projectos off-shores poder

levar a uma evoluo da tecnologia.

Figura 2.2: Evoluo das turbinas elicas desde 1985 at 2005 [2].

6 A Energia Elica

O aumento do tamanho das turbinas mostra-se vantajoso, quer do ponto de vista econmico

quer ambiental. Deste modo, para um determinado lugar, quanto maior for a potncia unitria

maior a energia produzia, melhor aproveitadas so as infra-estruturas e menor o nmero de

rotores, o que provoca a diminuio do impacto visual.

A forte investigao contribuiu significativamente para uma certa uniformizao do desen-

volvimento tecnolgico das turbinas. Analisando a actual oferta comercial dos fabricantes constata-

se que existe um dominio de algumas opes bsicas de projecto, designadamente, as turbinas de

eixo horizontal relativamente s de eixo vertical, os rotores de trs ps (cerca de 90%) em relao

aos de duas e a colocao do rotor frente da torre relativamente sua colocao na parte de trs

(em relao direco do vento) [43].

2.1.3 Sistemas off-shore

So designadas de offshore as instalaes afastadas da terra com distncia a partir dos 10km.

Estas so menos intrusivas do que as turbinas em terra, uma vez que o seu tamanho e rudo so

atenuados pela distncia. Dado que gua apresenta menor rugosidade superficial do que a terra

(especialmente as guas mais profundas), a velocidade mdia do vento consideravelmente mais

elevada em guas abertas. Este tipo de instalao mais dispendioso,j que as torres so geral-

mente mais altas (devido altura submersa), requer fundaes com mais custos e cuidados espe-

ciais relativos ao meio de aplicao. Por conseguinte, em algumas situaes necessrio recorrer

a medidas de proteco e revestimento dos equipamentos, assim como dos cabos de transporte de

electricidade, contribuindo desta forma para o aumento dos custos.

As instalaes off-shore apresentam-se, contudo, como uma nova fronteira da utilizao da

energia elica. A tendncia para o aumento da potncia unitria, em conjunto com um melhor

conhecimento da tecnologia das fundaes das turbinas no mar e das condies de vento no local,

est a contribuir para tornar mais competitiva esta forma de aproveitar a energia do vento em

condies ambientais diferentes. Com o esgotamento das reas de grande potencial elico em

terra (on-shore) devido grande concentrao de parques elicos e s restries ambientais, este

tipo de instalaes tm vindo a crescer ao longo dos anos (apesar de representarem instalaes de

maior custo de transporte, instalao e manuteno).

Figura 2.3: Previso da capacidade de energia elica na Europa (2008-2012) [3].

2.1 Introduo 7

O mercado da energia elica offshore ainda constitui uma pequena percentagem do mercado

mundial de energia, estando, no entanto em crescimento. Em 2007 a capacidade total alcanou 1

GW (cerca de 0,01% da capacidade mundial de energia), e, num prazo de 5 anos, estima-se um

aumento de sete vezes.

Apesar dos esforos para estimular a evoluo offshore nos E.U.A e na sia, a actividade

encontra-se actualmente confinada Europa, onde o maior crescimento futuro esperado provm

do Reino Unido (sendo prevista uma capacidade de 20GW para 2020).

Figura 2.4: Crescimento geogrfico da capacidade elica offshore (2008-2012) [3].

Esse crescimento apoiado pelo Governo britnico, o qual afirmou recentemente que o com-

promisso de energia elica offshore uma das solues que contribui para a meta de gerar 15% da

energia necessria ao pas a partir de fontes renovveis at 2020.

Conclui-se que a indstria elica tem investido no desenvolvimento tecnolgico da adaptao

das turbinas elicas convencionais para uso no mar, a figura 2.5 exibe os principais dados dos

parques elicos offshore que operavam no mundo em 2007.

Figura 2.5: Principais dados dos parques elicos offshore que operavam no mundo em 2007 [4].

8 A Energia Elica

Na parte inferior do grfico observa-se uma linha do tempo apontada para o incio da

construo dos parques, com nmero acumulado de parques de energia elica offshore registada

pela estatstica do website do Wind Service Holland(WSH) [4].

2.2 O meio ambiente e a energia elica

2.2.1 Emisses de gases

A energia elica um dos mais ecolgicos mtodos de produo de electricidade, evitando

assim a produo directa de poluentes atmosfricos e de gases de efeito de estufa que so gerados

por combustveis fsseis na produo de electricidade.

A American Wind Energy Association (AWEA) desenvolveu um conjunto de estatsticas para

quantificar e comparar as emisses da energia do vento com outros combustveis, com base nos

dados recolhidos pelos U.S. Department of Energys Energy Information Administration (EIA)

[5]. De seguida apresentam-se as emisses de dixido de carbono (C02), o principal gs respon-

svel pelo efeito de estufa e aquecimento global, para os vrios combustveis responsveis pela

produo de electricidade:

Figura 2.6: Emisses de dixido de carbono [5].

Aps a observao destes valores pode-se fazer a comparao entre cada unidade (kWh) de

energia elctrica gerada por turbinas elicas e a mesma energia que seria gerada por uma central

convencional de produo de energia elctrica. Ao realizar essa anlise, observa-se que a energia

elica apresenta grandes vantagens na reduo de emisso de gases de efeito estufa e na reduo

da concentrao de C02 durante a sua operao.

Com o aumento da preocupao com o crescimento dos gases de efeito de estufa, vrios pro-

gramas de eficincia energtica foram projectados, mobilizando vrios pases na busca de solues

para a reduo das emisses nos prximos anos. Uma das medidas foi o Protocolo de Quioto, que

consiste num tratado internacional com compromissos mais rgidos para a reduo da emisso

dos gases de efeito de estufa (GEE), considerados como a principal causa do aquecimento global.

Neste, Portugal comprometeu-se a limitar o aumento das suas emisses de GEE em 27%, no

perodo entre 2008-2012, em relao s emisses de 1990 [45].

2.2 O meio ambiente e a energia elica 9

As preocupaes com as consequncias futuras das emisses de gases de efeito estufa por

parte de vrios pases do mundo tm criado um ambiente muito favorvel ao uso da energia elica

como uma fonte limpa de energia.

Num estudo realizado pelo grupo Hitachi pode-se observar a comparao de emisses de C02pelas diferentes tecnologias de produo de energia elctrica. Analisando o grfico verifica-se

a existncia de quatro tecnologias com menor produo de emisses, embora, na actualidade,

apenas as grandes hidroelctricas sejam competitivas. Estas possuem como todas as fontes de

energia alguns inconvenientes, provocando o apodrecimento da vegetao submersa nos grandes

reservatrios, os quais produzem uma quantidade substancial de gases de efeito de estufa, sendo o

metano o principal gs provocado pela vegetao submersa, o qual cinquenta vezes mais potente

que o C02. Os projectos de grandes hidroelctricas esto a ser abordados devido aos seus impactos

ambientais. Estas quatro tecnologias podem assim contribuir para uma reduo das emisses de

C02.

Figura 2.7: Emisso de vrias tecnologias de produo de energia elctrica (incluindo metano)[6].

2.2.2 Emisso de rudo

A instalao e explorao de um sistema elico susceptvel de induzir um impacto ambiental

sonoro, como consequncia do movimento giratrio das suas ps. Contudo, o desenvolvimento

tecnolgico nos ltimos anos, juntamente com as novas exigncias de um mercado crescente e

promissor, promoveu um avano significativo na diminuio dos nveis de rudo produzido pelas

turbinas elicas. O rudo gerado pelo normal funcionamento dos aerogeradores que constituem

um parque elico tem por base:

Uma caracterizao do ambiente sonoro existente na rea envolvente do parque, antes dainstalao dos aerogeradores;

Uma anlise acstica previsional do rudo que ser observada nos mesmos locais durante opleno funcionamento do empreendimento.

10 A Energia Elica

A avaliao do rudo ter em conta as caractersticas da potncia dos diferentes aerogeradores,

a sua localizao espacial e as caractersticas topogrficas dos terrenos. As potncias das mquinas

determinam as suas emisses sonoras, a sua localizao e a orografia da zona determinaro a

propagao acstica e o estabelecimento dos campos sonoros nos receptores eventualmente exis-

tentes [46].

A origem do rudo das turbinas elicas proveniente da sua aco mecnica e aerodinmica.

O principal responsvel pelo rudo mecnico provocado pelas turbinas a caixa de engrenagens,

onde a rotao das ps do gerador multiplicada. O conjunto de engrenagens funciona na faixa

de 1000 a 1500 rpm onde toda a vibrao da caixa multiplicadora transmitida para as paredes da

cabina, onde esta fixada. A prpria torre pode contribuir para o rudo atravs dos contactos desta

com a nacele. Relativamente aos geradores utilizados, a tecnologia convencional emprega gerado-

res que necessitam de uma elevada rotao para funcionarem, contribuindo assim para nveis de

rudo elevados. Com a baixa rotao da hlice comparada rotao do gerador existe a necessida-

de de apresentar um sistema de engrenagens para multiplicar a rotao necessria no gerador.

Contudo, existe um outro tipo de tecnologia utilizada em turbinas elicas, que consiste no uso

de um gerador elctrico multipolo conectado directamente ao eixo das ps. A vantagem desse

sistema de gerao traduz-se no facto de dispensar o sistema de engrenagens para multiplicao

de velocidade, uma vez que este gerador funciona tambm em baixas rotaes. Assim, sem a

principal fonte de rudo presente nos sistemas convencionais, as turbinas que empregam o sistema

multipolo de gerao de energia elctrica so significativamente mais silenciosas.

O rudo aerodinmico uma componente influenciada directamente pela velocidade do vento

incidente sobre a turbina elica. Vrios estudos continuam a ser realizados a este nvel, no que

concerne forma das ps e mesmo da prpria torre, procurando assim um mximo aproveitamento

aerodinmico com reduo de rudo.

Figura 2.8: Nvel sonoro da emisso (propagao ao ar livre), norma vdi 2714 [7].

A figura 2.8 mostra o nvel sonoro da emisso das turbinas elicas . Como se pode observar

o nvel de rudo apresenta valores compreendidos entre 52 e 33 dB, o que nos permite afirmar que

2.2 O meio ambiente e a energia elica 11

estas turbinas so na sua maioria barulhentas1. Os rudos emitidos pelos aerogeradores decrescem

entre os 50dB junto ao aerogerador e os 35dB a uma distncia de 450m. Os efeitos fisiolgicos

sobre o sistema auditivo e a afectao de diferentes funes orgnicas apenas so sentidos a partir

dos 65dB. No entanto, para valores superiores aos 30dB podem surgir efeitos psquicos sobre o

homem, sendo o nvel de rudo recomendvel inferior a 40dB. O rudo de 40dB corresponde a uma

distncia dos aerogeradores de 200m, que a distncia entre aerogeradores e habitaes respeitada

na Europa [47].

Muito esforo foi feito desde 1995 no desenvolvimento de uma gerao de turbinas elicas

agora disponveis no mercado para tornar possvel uma significativa reduo dos nveis de rudo

nas turbinas elicas.

2.2.3 Impacto visual

Embora energia elica estejam associados benefcios ambientais significativos do ponto de

vista da emisso de substncias nocivas atmosfera, existem outros aspectos ligados preservao

do ambiente que no podem ser negligenciados. indispensvel que os projectos sejam adequada-

mente integrados na paisagem e desenvolvidos em colaborao com as comunidades locais, para

manter o apoio da opinio pblica a esta forma de energia. O impacto visual das turbinas uma

questo de gosto pessoal e por isso subjectivo, h quem considere as turbinas como um smbolo

de energia limpa, sendo que estas so sempre bem-vindas e que se integram harmoniosamente

na paisagem e h quem considere a sua presena intrusiva. Vale a pena mencionar que os postes

que suportam as linhas de transporte de energia, e que existem um pouco por toda a parte, so

no mnimo igualmente intrusivos. Tambm, de destacar o sombreamento causado pela sombra

de um aerogerador em rotao, originando variaes de intensidade luminosa de frequncia num

local, causando uma impresso visual. Contudo, os efeitos do impacto visual tm sido minimiza-

dos, principalmente, com a consciencializao da populao local sobre a gerao elica. Atravs

de audincias pblicas, artigos e publicidade, a populao local passa a conhecer melhor toda a

tecnologia, sendo que aps o conhecimento dos efeitos positivos da energia elica, os ndices de

aceitao melhoram consideravelmente.

2.2.4 Impacto sobre a fauna

A localizao dos parques elicos pode de certa forma afectar a fauna existente, consoante a

sua localizao estes podem ter impactos negativos, sendo que, quando mais prximos se encon-

trarem as turbinas de reas de alimentao, migrao, repouso e ou nidificao de aves maior ser

a probabilidade destas serem afectadas. Os impactos causados nas aves podem ser originados pela

coliso destas com as estruturas existentes no parque elico ou ento pela perturbao causada

pela perda de habitat. Os estudos so concordantes com o facto dos impactos induzidos sobre as

aves serem sem excepo considerados negativos, destacando-se a coliso directa de aves com os

1Nveis de rudo prximos de 50 dB correspondem a situaes de trfego na cidade, ao funcionamento de ferramen-tas elctricas e at mesmo de um camio do lixo.

12 A Energia Elica

aerogeradores, o embate e a electrocusso nas linhas de transporte de energia e a perturbao ger-

ada em reas de nidificao, alimentao, migrao e repouso. Dos estudos realizados conclui-se

que a sua mortalidade em grande escala est associada especificamente a zonas de importantes

corredores migratrios ou de deslocaes dirias muito frequentes e a zonas costeiras de grande

abundncia de aves e fauna. De referir o pior acontecimento de coliso de pssaros em turbinas

elicas que ocorreu nas proximidades de Tarifa, em Espanha, onde 269 turbinas elicas foram in-

staladas( de um total projectado de 2000 turbinas) numa das principais rotas de migrao de aves

da Europa Ocidental, onde muitos pssaros de inmeras espcies ameaadas de extino morreram

em colises com as turbinas. O director da Agncia Espanhola Instituto para la Diversificacion y

Ahorro de la Energa (IDAE) assumiu o erro pronunciando:

"O que me ocorreu sobre o facto que foi um inoportuno lapso de memria.

Ningum pensou nas migraes dos pssaros".

Contudo de realar que apesar da taxa de mortalidade das aves ser baixa, esta pode ser de

extrema importncia devido baixa densidade e taxa anual de reproduo das mesmas.

2.3 Tecnologia

2.3.1 Tipo de turbinas

As turbinas elicas actualmente no so todas iguais, porm h uma certa convergncia para

as turbinas elicas com um eixo horizontal e trs ps. Os dois grandes tipos de turbinas elicas

existentes so as de rotores de eixo vertical e as de eixo horizontal.

2.3.1.1 Rotores de eixo horizontal

Este o tipo de rotor mais eficiente, mas requer sistemas mecnicos mais complexos que os

de eixo vertical. Normalmente dividem-se em 3 grupos: rpidos (2 a 3 ps), velocidade mdia (3

a 6 ps) e lentos (6 a 24 ps) [8].

Hoje em dia poucas empresas fabricam turbinas de eixo vertical, cuja grande vantagem reside

no facto do gerador se encontrar na base e de poder captar os ventos sem necessidade de um

mecanismo de orientao [48]. As turbinas de eixo horizontal podem ser classificadas com base

da posio do rotor em relao torre: o disco varrido pelas ps pode estar a jusante do vento

(downwind) ou a montante do vento (upwind) [49].

Nas turbinas downwind como se pode ver na figura 2.9, o vento incide na rea de varredura

do rotor por trs da turbina elica. As turbinas downwind possuem uma vantagem terica que

reside no facto de no necessitarem de um mecanismo de orientao direccional em relao ao

vento, permitindo o auto alinhamento do rotor na direco do vento.No entando, tem vindo a ser

progressivamente abandonadas, pois o escoamento perturbado pela torre antes de incidir no rotor.

Contudo esta vantagem utilizada somente para turbinas elicas de pequena escala [38], pois para

as de grande escala, devido a maior flexibilidade do rotor, durante fortes rajadas de vento, as ps

2.3 Tecnologia 13

podem colidir com a torre. A principal desvantagem desta configurao a turbulncia causada

no vento pela torre da turbina. Essa turbulncia cria rudos audveis que dificultam a autorizao

e a aceitao deste tipo de turbina, principalmente, em reas prximas de habitaes [50] [49].

Figura 2.9: Direco do vento para turbinas upwind e downwind [2].

Nas turbinas upwind o vento incide na rea de varredura do rotor pela parte frontal da turbina,

sendo que a "sombra"das ps provoca esforos vibratrios na torre 2.9. A sua principal vantagem

consiste em evitar o distrbio causado pela torre no vento. Devido a este facto, a maior parte das

turbinas elicas utilizadas actualmente so upwind [50]. As desvantagens das turbinas upwind

so a passagem peridica das ps pela torre, que causam pulsaes de torque na turbina elica

e a necessidade do mecanismo de orientao direccional, que provoca uma maior carga na torre

comparado com as turbinas downwind [43], com os sistemas a montante do vento a necessitarem

de mecanismos de orientao do rotor com o fluxo de vento.

2.3.1.2 Rotores de eixo vertical

A nica turbina de eixo vertical, que em tempos foi fabricada comercialmente, foi a mquina

do tipo Darrieus 2.10, nomeada aps o engenheiro francs Georges Darrieus que a projectou e a

patenteou em 1931, e fabricada pela empresa E.U. FloWind, que faliu em 1997 [49]. As turbinas

de eixo vertical mais comuns so: savonius,darrieus e molinete [8].

Figura 2.10: Diferentes tipos de turbinas verticais [8].

14 A Energia Elica

A mquina Darrieus caracterizada pela forma em "C"das lminas do rotor que a tornam

idntica a um batedor de ovos, sendo normalmente constituda por duas ou trs lminas. As

vantagens de uma mquina de eixo vertical so:

Poder-se colocar o gerador e a caixa de velocidades no solo, sendo desnecessrio uma torrepara a mquina;

No precisar de um mecanismo de ajuste da direco do aerogerador para virar o rotor contrao vento;

Simplicidade na concepo.

As desvantagens consistem em:

Velocidades muito baixas perto do nvel do solo, o facto de no possuir uma torre origina oaproveitamento do vento a baixas velocidades;

No possuir um arranque automtico (por exemplo, uma mquina do tipo Darrieus necessitade um "empurro"antes de iniciar. Este contudo um pequeno inconveniente para uma

turbina ligada rede, uma vez que se pode usar o gerador como um motor para iniciar a

mquina);

Necessidade de utilizao de espias de suporte;

Esforos dinmicos acrescidos.

2.3.2 Componentes do sistema

Os principais componentes de um aerogerador elico de eixo horizontal encontram-se repre-

sentados na figura.

Figura 2.11: Componentes de um aerogerador de eixo horizontal [9]. Legenda: 1- ps do rotor 2-cubo do rotor 3- cabina 4- chumaceira do rotor 5- veio do rotor 6- caixa de velocidades 7- travode disco 8- veio do gerador 9- gerador 10- radiador de arrefecimento 11- anemmetro e sensor dedireco 12- sistema de controlo 13- sistema hidrulico 14- mecanismo de orientao direccional15- chumaceira do mecanismo de orientao direccional 16- cobertura da cabina 17- torre

2.3 Tecnologia 15

2.3.3 Rotor

O rotor o componente do sistema elico responsvel pela captao da energia cintica dos

ventos transformando-a em energia mecnica de rotao. o componente mais caracterstico de

um sistema elico, sendo caracterizado pela definio das ps, pela determinao da sua forma e

do ngulo de ataque em relao direco do vento. A sua configurao ir influenciar o rendi-

mento global do sistema. Os rotores elicos como referido em 2.3.1 podem ser classificados

segundo a orientao do eixo, podendo estes serem de eixo horizontal ou de eixo vertical. O rotor

pode ainda ser instalado a montante ou a jusante da torre em relao superfcie de ataque do

vento, sendo a opo upwind onde o vento ataca as ps pela frente a mais comum. As ps so

normalmente fabricadas a partir de compostos sintticos, tal como plsticos reforados com fibra

de vidro. Estes so materiais facilmente moldveis, robustos, resistentes fadiga e com boa re-

lao qualidade/preo. As fibras de carbono apresentam-se com melhores qualidades mecnicas

mas tambm so mais dispendiosas.

2.3.4 Cabina

A cabina "nacelle" o local onde se encontram alojados os constituintes do aerogerador, o

gerador (converte a energia mecnica em energia elctrica), o veio secundrio (transfere a ener-

gia mecnica da caixa de velocidades para o gerador), o travo de disco (permite travar o rotor

por questes de segurana), a caixa de velocidades (aumenta o nmero de rotaes do veio se-

cundrio), a chumaceira (sustenta o veio primrio) e os radiadores (que arrefecem o gerador e a

caixa de velocidades).

2.3.5 Torre

As torres constituem um elemento necessrio para sustentar e posicionar o rotor a uma altura

conveniente para o seu funcionamento, isto , de forma a que a velocidade do vento seja maior e

menos perturbada do que no solo. um item estrutural de grande porte e de elevada contribuio

no custo inicial do sistema. Quase todas as torres tm uma forma tubular de modo a minimizar

o impacto visual, sendo normalmente construdas em diversos troos de ao ou beto que so

montados no local com a ajuda de equipamentos e mquinas adequadas, nomeadamente gruas.

As torres entrelaadas apesar de terem custos mais reduzidos, fundaes mais ligeiras e efeito de

sombra da torre atenuado, tm vindo a ser progressivamente abandonadas especialmente devido

ao seu maior impacto visual [51].

2.3.6 Gerador

O gerador o componente responsvel pela converso da energia mecnica de rotao em

energia elctrica. A sua integrao nos sistemas de converso elica possui alguns problemas, os

quais envolvem principalmente:

Variaes na velocidade do vento (extensa faixa de rotaes por minuto para a gerao);

16 A Energia Elica

Variaes do torque de entrada (uma vez que variaes na velocidade do vento induzemvariaes de potncia disponvel no eixo);

Exigncia de frequncia e tenso constante na energia final produzida;

Facilidade de instalao, operao e manuteno devido ao isolamento geogrfico de taissistemas.

Existem fundamentalmente trs tipos de aerogeradores com aplicao industrial: as mquinas

assncronas, as mquinas assncronas duplamente alimentadas e as mquinas sncronas de veloci-

dade varivel.

2.3.6.1 Mquinas assncronas

As mquinas assncronas utilizam um gerador assncrono e um multiplicador de velocidade.

Os tipos de ligao disponveis por estes rede so:

Ligao directa de geradores assncronos de rotor em gaiola de esquilo

Figura 2.12: Ligao directa de geradores assncronos de rotor em gaiola de esquilo [9].

Este tipo de ligao possui um sistema de velocidade fixa, necessita de ter compensao de

energia reactiva e apresenta uma ligao rede muito robusta no emitindo harmnicos.

Ligao atravs de conversores de electrnica de potncia para rotor em gaiola

Figura 2.13: Ligao atravs de conversores de electrnica de potncia para rotor em gaiola [9].

Figura 2.14: Ligao atravs de conversores de electrnica de potncia para rotor em gaiola [9].

2.3 Tecnologia 17

Este tipo de ligao pode funcionar com velocidade varivel e pode usar conversores AC/DC/AC

ou AC/AC. As mquinas com conversores de frequncia podem injectar potncia reactiva na rede

de forma controlada. de referir ainda que esta ligao responsvel pela injeco de harmnicos

na rede.

2.3.6.2 Mquinas assncronas duplamente alimentadas

Ligao atravs de conversores electrnicos de frequncia para rotor bobinado

Figura 2.15: Ligao atravs de conversores electrnicos de frequncia para rotor bobinado [9].

Neste caso controla o torque da mquina (escorregamento), controlando a potncia activa mas

continuando, contudo, a consumir energia reactiva.

Figura 2.16: Ligao atravs de conversores electrnicos de frequncia para rotor bobinado [9].

Apresentam a possibilidade de injectar na rede potncia activa e reactiva, de forma controlada.

So mquinas duplamente alimentadas (esttor e rotor).

2.3.6.3 Mquinas sncronas de velocidade varivel

Ligao atravs de um gerador sncrono de velocidade varivel. Os tipos de ligao disponveis

por estes rede so:

Ligao directa de geradores sncronos

Figura 2.17: Ligao directa de geradores sncronos [9].

um sistema extremamente rgido que usado em pequenos aerogeradores isolados da rede

sendo que a frequncia imposta pelo multiplicado.

18 A Energia Elica

Ligao atravs de conversores de frequncia para mquinas com circuito de excitao

Figura 2.18: Ligao atravs de conversores de frequncia para mquinas com circuito de exci-tao [9].

Figura 2.19: Ligao atravs de conversores de frequncia para mquinas com circuito de exci-tao [9].

Esta ligao para alm de poder funcionar com velocidade varivel pode incluir um multi-

plicador de velocidade. As mquinas podem usar conversores AC/DC/AC ou AC/AC sendo que

as que apresentam conversores de frequncia podem injectar potncia reactiva na rede de forma

controlada. de mencionar ainda que esta ligao responsvel pela injeco de harmnicos na

rede.

Ligao atravs de conversores de potncia para mquinas com excitao permanente

Figura 2.20: Ligao atravs de conversores de potncia para mquinas com excitao permanente[9].

Figura 2.21: Ligao atravs de conversores de potncia para mquinas com excitao permanente[9].

Este tipo de ligao utiliza mquinas sncronas de manes permanentes sem multiplicador de

velocidade nem circuito de excitao para a mquina sncrona. Podem usar conversores AC/DC/AC

ou AC/AC e as mquinas com conversores de frequncia podem injectar potncia reactiva na rede,

de forma controlada.

2.4 Controlo de potncia 19

2.4 Controlo de potncia

As turbinas elicas so projectadas para produzir a energia elctrica ao menor custo possvel.

Nesse sentido so geralmente concebidas de forma a poderem produzir potncia mxima em ve-

locidades do vento de cerca de 15 metros por segundo. No existe necessidade de pagar a con-

cepo de turbinas que maximizem a sua produo em ventos mais fortes, uma vez que esses so

raros (ocorrem com menos frequncia). Em caso de ventos fortes, necessrio perder parte do

excesso de energia do vento, a fim de evitar danificar a turbina elica. Todas as turbinas elicas

so por isso concebidas com alguma forma de poder controlar. Existem duas maneiras diferentes

de o fazer com segurana em turbinas elicas modernas.

2.4.1 Por controlo do ngulo de passo das ps (pitch controlled)

O controlo de passo um sistema que normalmente necessita da informao vinda do contro-

lador do sistema. Sempre que a potncia nominal do gerador ultrapassada devido a um aumento

da velocidade do vento, as ps do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal, ou seja, estas

mudam o seu ngulo de passo para reduzir o ngulo de ataque como ilustrado na figura 2.22.

Esta reduo diminui as foras aerodinmicas intervenientes e consequentemente a velocidade

das hlices. Para qualquer velocidade do vento superior nominal o valor seleccionado do ngulo

corresponde quele que permite turbina produzir apenas a potncia nominal. Esse mtodo possui

um controlo mais preciso, em especial junto da potncia mxima e auxilia o processo de arranque

e paragem.

Figura 2.22: ngulo de passo e de ataque [10].

2.4.2 Por perda aerodinmica (stall regulation)

O controlo de stall um sistema passivo em que a perda aerodinmica das ps controlada

atravs do seu desenho, que s tem efeito para velocidades elevadas do vento. As ps do rotor

so fixadas no ngulo de passo e no podem girar em torno de seu eixo longitudinal. O ngulo

de passo escolhido de forma a que, para velocidades de vento superiores velocidade nominal,

o escoamento em torno do perfil da p do rotor se afaste da superfcie da p, reduzindo as foras

20 A Energia Elica

de sustentao e aumentando as foras de arrasto. A diminuio das foras de sustentao e

o aumento das foras de arrasto agem contra um aumento da potncia do rotor, como se pode

concluir a partir da figura 2.23. Para evitar que o efeito de stall ocorra em todas as posies radiais

das ps ao mesmo tempo, o que reduziria significativamente a potncia do rotor, as ps possuem

uma pequena toro longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito. Apesar

de ser um controlo simples e robusto possui um dimensionamento aerodinmico complexo.

Figura 2.23: Foras de arrasto e sustentao [10].

Em alguns sistemas so utilizados freios que actuam directamente no sistema de transmisso

de forma a complementar os sistemas de controlo.

Captulo 3

A Energia Elctrica

3.1 O sistema elctrico portugus

3.1.1 Modelo organizativo do sistema elctrico nacional

A organizao do Sistema Elctrico Nacional (SEN) assenta na coexistncia de um Mercado

Liberalizado (ML) com um Mercado Regulado (MR). Assim os agentes econmicos tm a opo

de estabelecer relaes contratuais com o Comercializador Regulado, ao abrigo das condies

aprovadas pela ERSE, ou negociar outras condies com os Comercializadores em ML.

Figura 3.1: Modelo organizativo do SEN [11].

21

22 A Energia Elctrica

A abertura do mercado comeou a ter efeitos para os consumidores em nveis de tenso mais

elevados, tendo sido progressivamente alargada a todos os consumidores de energia elctrica. Em

2000, sentiram-se os primeiros efeitos da liberalizao, embora tenha sido em 2002 que se verifi-

cou um significativo aumento do nmero de Clientes, quando o acesso ao Mercado Liberalizado

passou a abranger todas as instalaes, excepto as ligadas em Baixa Tenso (ver grfico abaixo).

Parte destas ltimas, as ligadas em Baixa Tenso Especial (BTE), passaram a ter acesso ao mer-

cado em 2004.

Figura 3.2: Modelo organizativo do SEN [12].

No dia 4 de Setembro de 2006, com a liberalizao da Baixa Tenso Normal (BTN), marcou-se

o fim do processo iniciado em 1999, permitindo a todos os Clientes o acesso ao mercado. Assim,

a partir dessa data, todas as instalaes, independentemente do nvel de tenso a que estariam

ligadas s redes, tinham condies para eleger o seu fornecedor de electricidade [12].

3.1.2 Potncia instalada no sistema elctrico nacional

Com o passar dos anos, como evidenciado na figura 3.3, tem-se assistido a uma evoluo

progressiva da potncia instalada em Portugal continental. De uma forma mais detalhada pode-se

Figura 3.3: Evoluo da potncia instalada [13].

mesmo dizer que de 1985 a 2005 a potncia mais do que duplicou o seu valor, passando de 5,4

GW para 13,5 GW. Os responsveis por este aumento so recentemente as centrais de produo

3.1 O sistema elctrico portugus 23

de energia elctrica a partir do gs natural. De 2005 a 2008 assistiu-se a um aumento de potncia

mais suave. de realar o incremento observado na potncia da Produo em Regime Especial

(PRE) a partir de 1992, devido legislao para a instalao deste tipo de produo.

Figura 3.4: Evoluo da potncia instalada [13].

O consumo de energia elctrica em 2008 totalizou 50,6 TWh, revelando assim um aumento de

1% face ao ano anterior. Desde 2003 que no se verificava um crescimento to baixo. O consumo

abastecido com tarifa regulada correspondeu a mais de 97% do total, face aos 88% verificados em

2007.

Figura 3.5: Evoluo do consumo anual [14].

No ano de 2008 o valor mximo de potncia solicitada rede pblica ocorreu a 2 de Dezembro

com 8959MW, ficando a 150 MW do mximo atingido em 2007.

A produo trmica no ano de 2008 foi responsvel pela produo de 47% do total, tendo

apenas 11% do consumo sido disponibilizado pela produo hidroelctrica, constituindo assim o

quinto ano consecutivo que esta fica abaixo da mdia, com um ndice de 0,56.

A Produo em Regime Especial abasteceu 23% do consumo, registando, contudo, um cresci-

mento inferior ao dos ltimos anos. As entregas totais da PRE cresceram 14%, com reduo de

6% na cogerao e aumento de 42% na elica, onde a potncia foi reforada em 576 MW.

Em termos de qualidade de servio, a rede continuou a apresentar um bom desempenho, sendo

o Tempo de Interrupo Equivalente de 1,3 minutos.

24 A Energia Elctrica

visvel em 2008 uma diminuio de energia elctrica exportada e um ligeiro aumento de

energia importada como evidenciado na figura 3.6.

Figura 3.6: Transaces de energia elctrica em Portugal [14].

3.2 A energia elica em Portugal

3.2.1 Potncia instalada

A potncia instalada dos parques elicos em 2008 ligada rede pblica perfazia 2925 MVA,

correspondentes a uma potncia mxima de ligao rede de 2640 MW.

Os parques concludos no ano de 2008, referem-se os da Gardunha com 114 MW e Terras

Altas de Fafe, na serra do Monte do Marco, com 101 MW, dos quais foram ligados em 2008 44

e 24 MW, respectivamente. Ainda em construo, mas quase concludo, destaca-se o parque do

Alto Minho I, com 222 MW no final do ano, dos quais 218 MW ligados em 2008. De realar ainda

o incio da construo dos parques de Arada-Montemuro (112 MW) e Toutio, na serra do Aor

(102 MW) , dos quais foram ligados em 2008 respectivamente 72 e 12 MW, alm de 15 outros

parques de menor dimenso.

No final do ano de 2008 estavam em funcionamento cerca de 1500 aerogeradores em 173

parques, dos quais 13 ligados Rede de Transporte, totalizando 1002 MW e os restantes 1638

MW ligados Rede de Distribuio. A potncia elica ligada rede representava no final do ano

cerca de 18% do total da capacidade instalada no SEN.

Figura 3.7: Potncia elica [15].

3.2 A energia elica em Portugal 25

A potncia mxima histrica das centrais elicas, que no final de 2007 se situava em 1693 MW,

foi subindo nos primeiros meses do ano de 2008 atingindo 1857 MW em Maro, ultrapassando

pela primeira vez os 2000 MW em Outubro, e fixando-se j no final de 2008, a 30 de Dezembro,

em 2197 MW como ilustrado na figura 3.8.

A produo mxima diria no ano de 2008 ocorreu a 24 de Novembro com 45 GWh, dia

em que a produo elica abasteceu 30% do consumo nacional. No mesmo dia a utilizao da

potncia instalada atingiu os 73%. A maior utilizao da potncia instalada ocorreu, no entanto, a

17 de Fevereiro com 75%.

No dia 28 de Outubro de 2008, a produo elica representou 32% do consumo nacional,

atingindo a participao diria mais elevada de sempre. Em termos de potncia a participao

mais elevada de sempre ocorreu tambm nesse dia, s 4:30, com 48% do consumo. A produo

diria mais baixa do ano ocorreu no dia 22 de Setembro, apenas 1 GWh, a que correspondeu

uma utilizao da capacidade ligada de 2% e abastecendo 0.7% do consumo. A potncia mxima

atingida no mesmo dia no ultrapassou os 85 MW.

Figura 3.8: Produo de energia elica para o dia 30 de Dezembro [15].

3.2.2 Produo relativa a 2008

Em 2008, a produo elica aumentou 42% face ao ano anterior, totalizando 5.7 TWh, o que

representou 11% do consumo total de energia abastecido pela rede pblica, ou 14% da produo

total injectada na rede pblica.

Figura 3.9: Produo de energia elica [15].

A totalidade da produo renovvel, incluindo elica, grande e mini-hdrica, fotovoltaica e

trmica renovvel, representou 27% do consumo, ou 33% da produo injectada na rede pblica.

26 A Energia Elctrica

Em 2008 a utilizao da potncia instalada nos parques elicos foi de 27%, correspondentes a um

ndice de produtibilidade de 1.02, estabelecido com base no regime mdio observado no perodo

2001-2007. Dezembro foi o ms com a produo mais elevada, 756 GWh, e com a melhor utiliza-

o da potncia instalada, 39%. Em Setembro atingiram-se os valores mais baixos do ano, com

uma produo de 282 GWh e uma utilizao da potncia instalada de 16%.

3.2.3 Localizao dos parques elicos

Portugal devido sua situao geogrfica e geomorfologia, apenas nas montanhas a velocidade

e a regularidade do vento susceptvel de aproveitamento energtico. A maior parte dos locais

com essas caractersticas situam-se a norte e sul do rio Tejo, junto Costa Vicentina e na Ponta de

Sagres, sendo raros na extensa plancie alentejana.

Os distritos de Viseu, Castelo Branco, Viana do Castelo, Coimbra, Lisboa, Leiria, Vila Real,

Braga e Santarm, so os que possuem maior potncia instalada. Contudo os distritos com maior

recurso disponvel, em 2006, foram: Bragana, Coimbra, Porto, Vila Real, Viana do Castelo,

Guarda, Castelo Branco e Aveiro.

Na figura 3.10 encontra-se o mapa de Portugal com a localizao e potncia instalada dos

parques elicos.

Figura 3.10: Localizao dos parques elicos [16].

3.2 A energia elica em Portugal 27

3.2.4 Levantamento energtico das estaes do atlas elico de Portugal

A avaliao precisa do potencial de vento numa dada regio um passo fundamental para a

gesto do aproveitamento do recurso elico como fonte de energia. Nesse sentido, a realizao

de um mapa de potencial elico que permite ilustrar as caractersticas, a intensidade do vento e

a estimativa de produo elica nas diversas regies do pas para Portugal Continental constitui

uma ferramenta de extrema importncia. Na concepo de um mapa representativo do potencial

elico de uma dada regio so utilizados modelos numricos de mesoescala, uma vez que se torna

necessrio simular a variabilidade espacial e temporal da evoluo do escoamento na superfcie

terrestre de forma a caracterizar estatisticamente a climatologia dos processos fsicos relativos

orografia da regio.

Figura 3.11: Velocidade mdia horizontal a 60 m [m/s] [17].

28 A Energia Elctrica

3.3 Energia elica mundial

3.3.1 Potncia instalada

O ano transacto representou um recorde de instalaes elicas: a capacidade mundial de gera-

o de energia elica aumentou 28,8%, em 2008, e os Estados Unidos tornaram-se no pas com

maior potncia instalada.

Figura 3.12: Capacidade mundial instalada 1996-2008 [18].

O Global Wind Energy Council (GWEC) destaca que os Estados Unidos e a China registaram

os maiores crescimentos na produo de energia elica, no final de 2008, ano em que a capacidade

mundial de gerao de electricidade subiu para 120,8 GW sendo que mais de 27GW entraram em

funcionamento nesse mesmo ano, representando uma taxa de crescimento de 36%. Estes valores

mostram que existe uma enorme e crescente procura mundial de energia elica livre de emisses.

Figura 3.13: Top 10 de capacidade instalada [18].

3.3 Energia elica mundial 29

Os EUA contam com 8,35 GW do novo aumento, elevando a sua capacidade em 50% e su-

perando a Alemanha como o maior produtor de energia elica, com um total de 25,1 GW, contra

23,9 GW.O pas europeu consegue obter, porm, um percentual maior da sua energia de origem

elica.

Figura 3.14: Capacidade anual instalada por regio [18].

A China duplicou a sua capacidade instalada, somando pelo menos 6,3 GW e alcanando os

12,2 GW no total. Nesse ritmo, o gigante asitico est a caminho de superar a Alemanha e a

Espanha e de se tornar,em 2010, o segundo pas em termos de capacidade de produo elica

[18]. Na figura 3.14 assiste-se a um forte desenvolvimento da energia elica na Amrica do Norte

e na sia como anteriormente mencionado.

A energia elica consitui a nica tecnologia de energia elctrica que permite realizar as necess-

rias redues nas emisses de CO2 no sector da energia no perodo crtico at 2020, j que os gases

de efeito de estufa atingiram um valor elevado e devem comear a diminuir se se pretender evitar

os piores impactos das alteraes climticas. Os 120,8 GW de capacidade elica mundial instala-

dos vo produzir 260 TWh de electricidade e economizar 158 milhes de toneladas de CO2 por

ano [18].

30 A Energia Elctrica

Captulo 4

Anlise Tcnica

4.1 Aerodinmica

A energia elica pode ser considerada como uma das formas de manifestar a energia prove-

niente do Sol, uma vez que os ventos so causados pelo aquecimento diferenciado da atmosfera.

As diferenas de presso atmosfrica causadas pelo aquecimento diferencial terrestre provocam a

deslocao de massas de ar (vento), as quais so influenciadas pelas condies atmosfricas, por

obstculos e pelas condies do solo. O aproveitamento da energia cintica do vento efectuado

atravs de turbinas elicas acopladas a geradores; este conjunto turbina-gerador designado por

aerogerador.

A energia cintica derivada das deslocaes de massas de ar pode ser transformada em:

- energia mecnica atravs de aeromotores;

- energia elctrica atravs de turbinas elicas ou aerogeradores.

Como se pode observar na equao 4.1, a potncia mecnica disponvel numa turbina depende

principalmente da velocidade do caudal de ar que passa atravs dela, fazendo com que o interesse

deste recurso seja influenciado pela intensidade e direco do vento. Assim a potncia do vento,

que passa perpendicularmente atravs de uma rea circular, dada pela seguinte expresso:

P = 1/2 V 3 r2 (4.1)

Onde:

P - potncia mdia do vento(W);

- densidade do ar seco = 1,225 kg/m3 (PTN);

V- velocidade mdia do vento (m/s);

r - raio do rotor (m).

31

32 Anlise Tcnica

Contudo, esta energia no pode ser inteiramente recuperada pelo aerogerador.

A lei de Betz indica que, independentemente da forma construtiva da turbina, apenas 16/27,

cerca de 59%, da energia cintica contida no vento, pode ser transformada em energia mecnica.

Figura 4.1: Tubo de Betz [19].

A teoria de Betz coloca em modelo a passagem do ar antes e aps a turbina, por um tubo de

corrente onde:

V1 a velocidade do vento antes das ps da turbina; V2 a velocidade do vento aps ter transferido energia s ps da turbina;

Onde V1 > V2 , sendo estas velocidades paralelas ao eixo do rotor.

A passagem do vento pela turbina elica provoca a reduo da velocidade uma vez que capta

a sua energia cintica e a converte em energia rotacional. Como consequncia, a velocidade do

vento a jusante inferior de montante, (figura 4.1). A presso do ar aumenta gradualmente a

montante com a aproximao da torre elica, mas, como o rotor actua como uma barreira para

o vento, a presso do ar cai imediatamente a jusante do rotor, crescendo de forma gradual at

atingir de novo o valor da presso atmosfrica. Assim, de forma a tornar o clculo mais preciso,

utilizado o coeficiente Cp no clculo da potncia:

P = 1/2 V 3 r2 Cp (4.2)

O coeficiente Cp caracteriza o nvel de rendimento de uma turbina elica e pode ser definido

pela razo:

Cp =Potencia disponivel no eixoPotencia disponivel (util)

(4.3)

4.2 Caracterstica elctrica do aerogerador

Uma das caractersticas elctricas do aerogerador a sua curva de potncia. Esta consiste

numa curva que apresenta a potncia elctrica produzida pela turbina para diferentes valores da

4.2 Caracterstica elctrica do aerogerador 33

velocidade do vento, sendo projectada para produzir a mxima potncia (potncia nominal) a uma

determinada velocidade do vento (vento nominal).

Como consequncia da variao cbica da potncia com a velocidade do vento ilustrada em

4.2, pequenas oscilaes na velocidade do vento originam grandes variaes na potncia. Um

aumento na velocidade do vento de 8 para 10 m/s (aumento de 25%) traduz-se num aumento de

potncia de cerca de 100%, mantendo constantes as restantes condies. O rendimento do sistema

aerodinmico dos aerogeradores actuais varia entre 50 e 70% do mximo terico. O processo de

converso de energia mecnica em energia elctrica tem uma eficincia de 90-95%, tendo assim o

aerogerador um rendimento global de 27 a 40%.

A curva de potncia de uma turbina elica consiste numa curva que apresenta a potncia

elctrica gerada pela turbina para diferentes valores da velocidade do vento.

Figura 4.2: Curva da potncia de uma turbina em funo da velocidade do vento.

Os aerogeradores, para velocidades do vento reduzidas no produzem energia (Zona I). A

grande parte dos aerogeradores comea a produzir energia a partir de velocidades do vento prxi-

mas dos 5 m/s (cut-in wind speed - VS), tendo uma potncia dada pela equao anterior (Zona II)

e atingindo a sua potncia nominal para velocidades do vento compreendidas entre 12 a 15 m/s

(rated wind speed - VR). Para velocidades do vento superiores a VR, mantida a potncia mxima

(Zona III).Contudo quando a velocidade do vento ultrapassa os 25 a 30 m/s (cut-out wind speed -

VM), o aerogerador desligado por razes de segurana (Zona IV).

Quando a velocidade do vento excede um valor para o qual a turbina atinge a sua potncia

nominal, necessrio limitar a potncia fornecida pela turbina elica. Esta tarefa de regulao

realizada atravs dos mtodos de controlo de potncia apresentados no Captulo 2.

34 Anlise Tcnica

4.3 Previso do vento

As ferramentas de previso do vento tm sido utilizadas no auxlio da gesto dos sistemas

elctricos, realando-se a previso de carga que consoante o horizonte temporal da previso, pode

auxiliar o despacho do sistema electroprodutor.

Com a forte integrao dos sistemas de produo de energias renovveis, nomeadamente a

produo de energia elica que tem actualmente um grande impacto nos sistemas elctricos, surge

a necessidade da utilizao de ferramentas que permitam prever a potncia associada gerao

elica para os seguintes efeitos:

garantir a segurana de abastecimento;

ajudar na resoluo dos problemas de gesto de congestionamento;

auxiliar o despacho econmico e pr-despacho;

planear reservas secundrias e tercirias afectadas pelas variaes de produo elica;

traar a gesto do armazenamento de energia;

planear os trnsitos nas interligaes;

delinear a manuteno de parques elicos;

operar nos mercados de electricidade;

apoiar a gesto de produo em parques elicos.

Figura 4.3: Utilizao da previso de energia elica [20].

A previso da gerao elica desenvolvida considerando um determinado horizonte tem-

poral, a qual depende do sistema elctrico e da disponibilidade de dados. Deste modo pode-se

classificar os horizontes de previso em:

4.3 Previso do vento 35

Alguns s/min: com o objectivo de fazer o controlo das torres elicas;

0 horas: nowcasting, estimativa da produo renovvel para sistemas onde nem todos osparques elicos so visveis atravs de SCADA1;

1-6 horas: Essencialmente para redes isoladas de pequena dimenso, permite a gesto deunidades convencionais rpidas;

1-72 horas: para sistemas interligados com grandes parques elicos ( exige a disponibilidadede NWPs2);

1-7 dias: para planeamento da manuteno (extremamente til para parques offshore);

>7 dias: est normalmente associada ao apoio na gesto das centrais elctricas conven-cionais, na gesto de recursos hdricos e na programao de aces de manuteno nos

parques elicos.

Os sistemas de previso englobam dois tipos de modelos, os modelos fsicos e os modelos estats-

ticos. Estes so utilizados em conjunto com o intuito de melhorar a performance dos resultados

finais.

Modelos EstatsticosEstes modelos procuram encontrar uma relao entre os valores histricos da produo elc-

trica, assim como de algumas variveis explicativas com a informao medida em tempo real. Na

implementao destes modelos utilizam-se normalmente modelos do tipo AR, Redes Neuronais,

sistemas de inferncia difusa, modelos de regresso. Estes modelos possuem a vantagem de se

obter directamente a previso da potncia como se pode ver na figura 4.4.

Figura 4.4: Diagrama geral dos modelos estatsticos.

1Supervisory Control And Data Acquisition2Numerical Weather Prediction

36 Anlise Tcnica

Os modelos estatsticos podem ser representados pela seguinte expresso:

p(t+k|t) = f(

pt , u(t+k|tNWP), (t+k|tNWP), x(t+k|tNWP))

(4.4)

Onde:

p(t+k|t) corresponde previso da potncia para o instante t+k efectuada no instante t;

pt potncia produzida no instante t;

u(t+k|tNWP) previso NWP da velocidade do vento para o instante t+k efectuado no instantetNWP;

(t+k|tNWP) previso NWP da direco do vento para o instante t+k efectuada no instantetNWP.

Para alm da potncia produzida pode ser considerado outras medidas em tempo real [52].

Este modelo apresenta a vantagem de ser um modelo rpido uma vez que no necessita de

modelao fsica.No entanto de salientar que necessita de um conjunto extenso de dados histri-

cos e de medidas em tempo real no parque.

Modelos FsicosOs modelos fsicos apoiam-se em leis fsicas para atingir as previses com base na modelao

do escoamento do fluido do ar considerando a presena de obstculos, a rugosidade e a orografia

do terreno.

Os modelos Numerical Weather Prediction so modelos computacionais que permitem a simu-

lao do comportamento da atmosfera, baseados em leis fsicas que descrevem o comportamento

hidrodinmico da atmosfera.

Figura 4.5: Diagrama geral dos modelos fsicos.

4.4 Factores que influenciam o regime de ventos 37

No sentido de obter um modelo melhor os modelos fsicos podem recorrer introduo de

modelos estatsticos, ilustrados de cor cinzenta na figura 4.5. O MOS (Model Output Statistics),

que influenciam assim o output dos modelos fsicos de forma a efectuar um ajuste estatstico.

A converso da previso da velocidade em potncia efectuada atravs dos modelos de curva de

potncia, Power Curve, recorrendo curva de potncia caracterstica de cada aerogerador. A curva

de potncia pode ser fornecida pelo fabricante ou pode ser obtida atravs do histrico de sries

temporais com potncias produzidas pelas mquinas em funo das caractersticas do vento.

O processo downscaling consiste na adaptao das previses dos modelos NWP ao local, a

qual pode ser realizada atravs dos modelos micro ou meso-escala.

Os modelos de meso-escala baseiam-se no vento geostrfico para efectuar o downscaling, ou

seja, o vento horizontal no acelerado que sopra ao longo de trajectrias rectilneas. Apesar de

ser um modelo rpido e de fcil implementao apresenta resultados insatisfatrios para terrenos

complexos. Pelo contrrio, o modelo de micro-escala que recorre a modelos Computacional Fluid

Dynamic (CFD) de alta resoluo para estimar o fluxo do vento no nvel das turbinas, apresenta as

vantagens de ser possvel modelar o efeito da turbulncia e obter resultados satisfatrios aquando

da aplicao em terrenos complexos (apesar dos elevados custos e esforos de modelao) [53].

Estrutura dos Modelos

Figura 4.6: Estrutura dos Modelos [20].

4.4 Factores que influenciam o regime de ventos

A diversidade de factores que influenciam o regime de ventos so obtidos a partir de mapas

analgicos, mapas digitais, imagens areas e imagens de satlite. O vento ao longo do dia apre-

senta um comportamento estatstico que influenciado pela variao de velocidade do vento ao

38 Anlise Tcnica

longo do tempo. Dados climticos, dados do terreno e do uso do terreno possuem extrema im-

portncia para a anlise de potenciais elicos. As caractersticas topogrficas e a rugosidade do

solo, em determinadas reas, permitem a reduo ou a acelerao da velocidade do vento. Con-

tudo, para alm destas influncias, a altura outro factor que faz variar o valor da velocidade do

vento. Assim, a velocidade do vento pode ser significativamente afectada em curtas distncias, na

avaliao do local para instalar turbinas elicas todos os parmetros responsveis pela sua altera-

o devem ser tidos em conta. Entre os principais factores de influncia no regime dos ventos

destacam-se:

A variao da velocidade com a altura;

A rugosidade do terreno, que caracterizada pela vegetao, utilizao da terra e cons-trues;

A presena de obstculos nas redondezas;

O relevo que pode causar efeito de acelerao ou desacelerao no escoamento do ar.

Estes dados so obtidos a partir de mapas analgicos, mapas digitais, imagens areas e imagens

de satlite. Os dados necessrios para o levantamento das condies regionais podem ser obtidos

a partir de mapas topogrficos analgicos, mapas digitais, imagens areas, imagens de satlite e

visitas ao local para avaliar e modelar a rugosidade e os obstculos.

4.4.1 Variao da velocidade com a altura

O deslocamento do ar sobre a superfcie da terra forma uma camada limite que se estende a

grandes alturas, onde o escoamento no seu interior feito de modo turbulento. Uma vez que a

altura das turbinas elicas no ultrapassa a camada limite importante conhecer o perfil da ve-

locidade do vento ao longo de uma seco transversal, ou seja, o valor da velocidade em relao

altura. Nos problemas relacionados com o aproveitamento da energia elica frequente apresentar

a distribuio da velocidade com a altura utilizando-se os modelos da "Lei da Potncia"e a "Lei

Logartmica". A "Lei da Potncia" o modelo mais simples apresentando assim a vantagem da

sua fcil utilizao, contudo os resultados obtidos no possuem uma preciso adequada. A Lei da

Potncia expressa por:

V (Z) =V (Zr)(

ZZr

)n(4.5)

onde:

V(Zr) = Velocidade na altura de referncia;

V(Z) = Velocidade na altura desejada;

Zr = Altura de referncia;

4.4 Factores que influenciam o regime de ventos 39

Z = Altura desejada;

n = Parmetro directamente associado rugosidade da superfcie;

O valor de "n" utilizado mais frequentemente como o valor referente a uma rugosidade classe

1 ond