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