Revista Controle & Instrumentação – Edição nº 188 – 2013



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Energias alternativas ou alternativas energéticas?

 



No Brasil, quando falamos de energia elétrica, quase tudo é renovável pois cerca de 90% da energia elétrica consumida é renovável - 85% hidráulica e 7% de biomassa. Nesse contexto, a energia eólica está crescendo e a energia solar tem grande potencial – que, segundo as últimas notícias, deve continuar no potencial já que os aportes de R$ 500 milhões anunciados não saíram do papel, nem sairão tão cedo, apesar da fonte ter um leilão (A-3) marcado para outubro deste ano. A Cemig possui uma visão bem pragmática do assunto: “alternativas energéticas são todas as fontes energéticas primárias, tecnologias de transformação e conversão, objetivando a produção e uso final de eletricidade, calor ou eficiência energética.” É bom ressaltar aí a clareza na busca de soluções porque o conceito utilizado pela empresa se diferencia do que comumente tratamos de energia alternativa, que seria uma fonte em substituição a outra – o que pode não resolver os desafios. Então, o foco tem que ser mesmo a busca de uma matriz energética futura possível e sustentável. Sob o viés de fontes, o Brasil pode pensar mesmo em eólica, solar, resíduos e energia das ondas sendo que a geotérmica não encontraria por aqui muito espaço. E de fato as quatro primeiras já têm projetos em estudo ou andamento.



 
Eólica
 


A partir da década de 1980 é que a energia eólica atingiu estágio significativo em termos de geração e economicidade, começando pela Califórnia, nos EUA, na Alemanha, na Dinamarca e mais recentemente na Espanha. De fato, desde o início desse século, a taxa média de crescimento da capacidade instalada desse tipo de energia foi em torno de 30% ao ano. E mesmo com pouco espaço, os parques eólicos offshore da Europa mantêm esse ritmo de crescimento.

O Brasil elaborou seu atlas eólico nacional em 2001 que estimava um potencial bruto de 143 GW de potência eólica no país e desde então vem implantando pequenas medidas de apoio a nova fonte. Leve-se em consideração que a implantação de um parque eólico de 100 MW leva em média cinco anos. Espaço não nos falta mas deve-se levar em conta o efeito esteira, ou efeito sombra, entre turbinas dispostas num parque para evitar prejudicar o desempenho das turbina e reduzir a vida útil devido a turbulência. O risco financeiro é alto nesse negócio pois a predição de energia produzida está sempre sujeita a forças naturais. A própria estabilidade da rede elétrica é afetada pelos efeitos de altas quantidades de energia eólica na matriz e pelo comportamento do parque no caso de faltas. Dessa forma, é fundamental que se saibam as características do sistema elétrico ao qual o parque será conectado - como tensão, frequência, impedâncias e capacidade - para o correto dimensionamento do gerador e seus sistemas de controle e proteção. Como o regime de ventos não é constante, pode trazer desafios para os controles e operação do sistema interligado. E se essa geração é intermitente, não pode ser a base do sistema – o que tem levado a pesquisas para melhorar as previsões dos regimes de ventos e as tecnologias de armazenamento. Na tabela a seguir, pode-se ver a participação da energia eólica no mundo hoje e a expectativa até 2030, prevista pelo World Energy Technology Outlook 2005 (WETO):





Mas, se considerarmos apenas as perspectiva de produção de energia a partir de fontes renováveis até o ano de 2050, notamos o crescimento da fonte eólica, em cerca de 10 vezes até 2030 (atingindo 9% da geração elétrica) e de 20 vezes até 2050 (12% da geração), com base nos valores de 2008.

 
Eletricidade a partir de fontes renováveis até 2050
 


Para Rodrigo Bota, superintendente de implantação da Renova Energia, as perspectivas de crescimento do setor eólico são excelentes porque atualmente a fonte representa quase 2,5 GW de capacidade instalada no Brasil, o que leva a crer que a energia dos ventos crescerá de forma vigorosa nos próximos anos. “Em 2011, nosso país era o 20º colocado no ranking global com 1,5 GW de capacidade eólica instalada. Em 2012, o Brasil passou para a 15ª posição, com 2,5 GW e, para 2013, a previsão é que o Brasil alcance a 10ª posição nesse ranking. Atualmente, apenas 1% do consumo de energia elétrica no Brasil é atendido pela fonte eólica - na Dinamarca, por exemplo, esse valor é de 29%”, frisa Bota. As perspectivas oficiais estão nos documentos elaborados pela EPE, como o PNE 2030, que aponta para um aumento de 0,2% para 1,0% da participação das centrais eólicas na matriz energética nacional. Para atingir esse valor, o documento analisa mecanismos de fomento às fontes alternativas renováveis de forma a aumentar a sua participação para mais de 4% na oferta interna de eletricidade.


 
Composição da matriz energética por tipo de geração em 2005 e expectativa para 2030
 

Associação Brasileira de Energia Eólica congrega e representa o setor eólico no país e tem como principais objetivos promover a produção de energia elétrica a partir da força dos ventos como fonte complementar da matriz energética nacional e defender a consolidação e competitividade do setor eólico, em crescente expansão no Brasil. A ABEEólica, que possui 82 associadas, é dirigida por Elbia Melo, presidente executiva, auxiliada por equipe nas áreas técnica-regulatória, administrativo-financeira e de relacionamento com associados. O Conselho de Administração, presidido por Otavio da Silveira, é formado por 25 associados, todos representantes das associadas, que também compõem o Conselho Fiscal. Desde sua invenção até o momento atual, foram feitos diversos modelos de aerogeradores mas os mais utilizados hoje seguem um padrão parecido, que é o aerogerador de grande porte composto por uma torre, uma nacelle e três pás. Eduardo Lopes, da Woben, lembra que alguns fabricantes utilizam dentro da nacelle uma caixa multiplicadora e outros optam pelo acoplamento direto rotor/ gerador, dispensando o uso da caixa multiplicadora. Aerogerador Como o vento é uma fonte incontrolável e que pode ou não estar com velocidade suficiente para gerar energia eólica, a produção de energia é variável. O vento é o meio que viabiliza este tipo de geração, mas alguns aerogeradores podem trabalhar com ventos baixos de 3 m/s e também com rajadas de ventos de até 22 m/s, numa ampla faixa de operação. Os mecanismos de controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao controle de carga, etc. Existe uma enorme variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga). Os modernos aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para limitar a extração de potência à potência nominal do aerogerador: controle estol (Stall) e controle de passo (Pitch). Atualmente os geradores usam o controle de passo, em sua totalidade. O controle de passo é um sistema ativo que necessita de uma informação vinda do sistema de controle. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido a um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal. As pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo do vento sobre elas. Esta redução do ângulo de ataque diminui as forças aerodinâmicas atuantes e, consequentemente, a extração de potência do vento. Para todas as velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é escolhido de forma que o aerogerador produza apenas a potência nominal. Isso permite controlar a potência em diferentes situações de vento. Os geradores são movidos pela energia cinética do vento que atinge as pás, que movimentam o rotor da máquina. A direção relativa das pás em relação ao vento varia em função do controle de pitch, de forma a extrair a máxima potência da fonte primária de energia. O rotor possui ímãs permanentes, que induzem uma força eletromotriz no estator. A saída do estator está conectada a um conversor estático de frequência que, além de converter a frequência de geração à frequência da rede, permite regular potência e fator de potência. Este conversor é desenvolvido especificamente para se adequar às características dos geradores – no caso da ICSA, por exemplo, os Unipower fabricados pelo grupo Impsa, geradores síncronos multipolos com ímã permanente, modelo IWP 100. “Estamos fabricando localmente um conversor estático baseado em IGBTs de frequência de 2MW, comercialmente conhecido com CEF 2000. Este conversor transforma a energia fornecida pelo gerador em energia compatível com as características da rede elétrica, adequando níveis de tensão, frequência, etc. Por outro lado, nesse dispositivo existem algoritmos de controle que permitem regular potência, fator de potência e filtrar harmônicos gerados pelo chaveamento inerente à operação do conversor. O conversor desenvolvido pela nossa empresa é do tipo full power, visto que trabalha no circuito principal de potência da geração”, ressalta o gerente de operações da ICSA, Victor Rozo.

Cada aerogerador é equipado com diferentes instrumentos e sensores, como anemômetro, biruta, termoresistências para medição de temperatura do gerador, monitoramento de vibrações, encoder, etc. O sistema de controle do gerador da ICSA por exemplo, considera um PLC localizado na base da torre com remotas localizadas em diferentes partes do aerogerador. Essas remotas estão interligadas através de fibra ótica e de um anel coletor (no caso das partes rotantes). Cada aerogerador tem um computador interligado ao PLC, no qual reside um software supervisório que se utiliza fundamentalmente durante o comissionamento do gerador e registro de dados históricos (datalogger). Além disso, nesse computador reside um driver de comunicação que realizará a interface entre o aerogerador e o sistema Scada do parque. Cada parque tem seu próprio sistema Scada, que normalmente se integra ao sistema Scada da subestação, a partir do qual se enviam os dados à ONS por diferentes meios, como FO e modem radio. Segundo a equipe da Renova, a instrumentação associada é a que permite medir os ventos, qualidade do mesmo e do ar em torno do equipamento e para tal são usados, sensores anemométricos, termômetros, barômetros em torres especificas dentro dos parques e também sobre o aerogerador. Internamente são utilizados sensores de velocidade, força e direção para orientação correta das pás, em momento de operação de controle de pás. Quanto a protocolos, os utilizados são os baseados na área elétrica, tendo como base Modbus, IEC60870-5 e em alguns casos dentro das instalações de transmissão, IEC61850. Cada um dos fabricantes possui um software próprio para gerenciamento de suas maquinas e normalmente eles são instalados nas casas de controle ou nas subestações de energia elétrica associadas as máquinas. O sistema de controle se encarrega de identificar as condições de vento usando o sistema de controle de pás ou alterando o ângulo das mesmas para maximizar a retirada de energia vinda do vento. Quanto não há vento os equipamentos desligam automaticamente e ficam a espera. O sistema de controle é responsável por monitorar, através da instrumentação as velocidades e as forças sobre as pás, para quando o vento retornar que o equipamento volte a gerar energia. A equipe da renova trabalha com curvas de previsão de vento confiáveis e com o comportamento do vento medido de 1 a 3 anos previamente à instalação de um equipamento para prever com certa regularidade o regime de ventos em uma localidade. A geração eólica precisa cumprir os mesmos procedimentos de rede de outras fontes e realizar os estudos elétricos solicitados pelo ONS. As usinas eólicas convergem a uma subestação que é integrada à rede básica ou rede secundária do sistema interligado nacional; portanto antes da integração, são realizados estudos elétricos e de estabilidade típicos, como curto-circuito, fluxo de potência, etc. Por outro lado, considerando a tecnologia que se utiliza para este tipo de geração (chaveamento de IGBTs), podem aparecer distorções harmônicas relevantes nas tensões de rede, especialmente em faixas de potência reduzida, situação que obriga à instalação de filtros de harmônicos sintonizados às frequências de maior preponderância. Antes da instalação desses filtros, normalmente se realiza um estudo que identifica as principais componentes harmônicas, suas amplitudes e a distorção harmônica total do sistema, o que permite realizar o projeto do filtro de forma a garantir a adequação do parque aos requerimentos de qualidade de energia. Para a equipe do engenheiro Bota, os maiores desafios consistem em gerenciar uma quantidade muito grande de equipamentos com variação de energia de acordo com a condição climática, e que representam cada vez mais uma porção expressiva da matriz energética brasileira. Para ajudar nisso, devem ser desenvolvidos softwares de previsão de geração interligados aos equipamentos. Mas ainda existem vários desafios em termos de aumento de potência gerada, e um dos maiores que as empresas do setor está enfrentando é poder atender às porcentagens de nacionalização exigidas pelo BNDES. “A ICSA já atende essas porcentagens em uma situação que lhe permitiu ser o primeiro fabricante cadastrar seu produto nas novas regras dessa entidade”, afirma Victor.


Composição
A média anual de energia incidente na maior parte do Brasil varia entre 4 kWh/m2 dia e 5kWh/m2 dia. O Atlas Brasileiro de Energia Solar foi lançado em 2006 e faz estimativas da radiação solar a partir de imagens de satélites. Ele identificou a região de valor máximo de irradiação solar global, localizada ao norte da Bahia, próximo à fronteira com o Piauí (6,5 kWh/m²) e a região de valor mínimo, no litoral norte de Santa Catarina (4,25 kWh/ m²). Claro que todas as regiões do país apresentaram potenciais superiores aos da maioria da União Europeia, onde os incentivos em energia solar são muito maiores. Apesar de ser simples, o coletor solar ainda não está disseminado no Brasil onde seu maior mercado ainda é o residencial de alta renda – mas já existem projetos piloto para incluí-lo para chuveiros em áreas de baixa renda. A cidade brasileira mais adiantada na adoção de sistemas de aquecimento solar de água – inclusive em edifícios altos, residenciais e comerciais – é Belo Horizonte/ MG, onde, desde 1985 a Cemig, junto com empresas e universidades locais, estuda o emprego da tecnologia como alternativa à energia elétrica para a produção de água quente. Um dos estudos da Cemig foi a instalação de uma usina na cidade de Januária, região norte de Minas Gerais, com nível elevado de radiação solar direta, um dos maiores da região Sul/Sudeste do Brasil. O estudo mostrou viabilidade técnica da implantação, mas inviabilidade econômica dentro da atual realidade do setor elétrico nacional: o custo elevado dos coletores solares concentradores e a necessidade de um combustível complementar para suprir os momentos sem insolação. A primeira iniciativa nessa área foi a usina termelétrica solar, resultante de um projeto de P&D no âmbito Cemig/Aneel, implantada no Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – Cefet-MG. Além do custo dos painéis – estranho já que o Brasil possui grandes jazidas de quartzo de qualidade, parque industrial que o extrai, beneficia e exporta -, controladores, inversores e luminárias também são um desafio. O IEA apresenta as perspectivas de desenvolvimento da eficiência de cada um dos tipos de tecnologias fotovoltaicas até o ano de 2030 no documento Technology Roadmap – Solar Photovoltaics, onde também sugere algumas metas e ações aos governos, indústrias, empresas do setor elétrico e órgãos internacionais para que a tecnologia fotovoltaica se desenvolva no mundo e seus custos sejam reduzidos. No Brasil, ainda há necessidade de consolidar uma legislação que viabilize a geração e a transmissão da energia solar, e dê segurança para investimentos e elaboração de normas técnicas. A tecnologia fotovoltaica é uma alternativa à geração centralizada e seria muito útil num país com a extensão do Brasil.
 
 
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