“Se o vento não servir, utilizem os remos “
Proverbio Latino
A humanidade conhece a energia eólica há mais de 3 000 anos. Muitas civilizações utilizaram o vento para moer grãos, bombear água e transportar mercadorias em barcos a vela.
A ideia de gerar energia elétrica a partir do vento surgiu no final do século XIX. Portanto, a energia eólica não representa uma novidade porque surgiu antes do desenvolvimento da eletricidade.
Contudo, o carvão e o petróleo suplantaram o vento na geração de energia elétrica em decorrência da possibilidade de armazenamento, da facilidade de transporte, e da densidade de energia.
Por outro lado, a partir da crise do petróleo em 1970, a energia eólica voltou a ser cogitada para a geração de energia elétrica, mas a tecnologia de turbinas eólicas se mostrou pouco competitiva.
No Brasil, a Eletrobrás financiou projetos de pesquisa nesta ocasião, mas foram descontinuados com a entrada em operação da usina de Itaipu.
Na ocasião, a oferta de energia elétrica cresceu tanto que criaram o programa de eletrotermia para substituição das caldeiras a óleo por caldeiras elétricas. 1
A questão ambiental e, em particular o aquecimento global, motivaram a sociedade a desenvolver energias renováveis utilizando subsídios e incentivos que possibilitaram um desenvolvimento tecnológico fantástico das turbinas eólicas.
Paralelamente, a evolução da Eletrônica de Potência e a comercialização de super imãs de terra raras provocaram reduções de custo na geração eólica.
Energia Eólica Hoje
A energia eólica se tornou a fonte de energia renovável que mais cresce no mundo (25% ao ano), mas responde por apenas 3% da energia renovável mundial. 2 Nos países desenvolvidos, a energia eólica responde por 8% da eletricidade gerada e o maior crescimento ocorre na Europa devido aos fortes subsídios governamentais.
A Figura 2 mostra a evolução da energia gerada pelas usinas eólicas no mundo. Observa-se um crescimento quadrático.
Figura 2. Evolução da energia eólica gerada no mundo
A Figura 3 apresenta o crescimento da potência instalada de geração eólica no mundo, que apresentou um crescimento linear a partir de 2010.
Figura 3. Evolução da potência instalada de geração eólica no mundo
Este crescimento resulta do desenvolvimento tecnológico das turbinas eólicas, cujos diâmetro, altura e potência têm crescido ao longo dos últimos anos, conforme mostra a Figura 4.
Figura 4. Evolução das turbinas eólicas
Observa-se que a potência das unidades, limitadas a 3 MW para instalações em terra firme, continua muito pequena quando comparada com as máquinas térmicas 3 e hidráulicas 4. Porém, a China já anunciou máquinas de 16 MW para instalações no mar.
A Figura 5 apresenta a densidade energética do vento no mundo mostrando seu aumento na direção dos polos e menores valores na linha do equador.
A Figura 6 apresenta a densidade energética do vento brasileiro a 200 m de altura e a Figura 7 os dados relativos ao potencial offshore.
Questões Tecnológicas
Basicamente, existem três questões tecnológicas associadas à geração eólica:
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- o tipo de gerador,
- o tipo de acoplamento,
- e o controle da velocidade, conforme mostra a Figura 6.
Nos primórdios, utilizou-se geradores de corrente contínua, mas este tipo de máquina se encontra em crescente desuso. Restam as máquinas síncronas, tradicionalmente utilizadas na geração de energia elétrica, e as máquinas assíncronas. 5
Porém, as máquinas síncronas requerem velocidade constante para manter a frequência constante. Esta característica se tornou a principal razão de sua utilização nos sistemas de potência tradicionais porque controla-se a frequência variando a velocidade da máquina.
Todavia, as turbinas eólicas devem trabalhar com velocidade variável para extraírem o máximo de energia. [nota] isto também se aplica às turbinas hidráulicas[/nota]
As máquinas elétricas necessitam de excitação para gerar energia e a fonte pode ser interna ou externa. A excitação interna reduz o custo do gerador, mas inviabiliza o controle de tensão e de potência reativa.
Para reduzir custos, os primeiros geradores eólicos utilizaram máquinas assíncronas com excitação interna porque o sistema determina a frequência e a velocidade da turbina a potência gerada. Este sistema possui a vantagem da simplicidade, mas absorve energia reativa do sistema. O aumento da quantidade e potência desta tecnologia provocou problemas de controle de tensão e reativos, e ela gradativamente entrou em desuso.
A solução foi utilizar geradores assíncronos com excitação externa (Induction generator – IG). Inicialmente, utilizou-se o sistema com resistências, mas posteriormente o sistema com dupla alimentação (Double-feed induction generator – DFIG) se tornou o padrão. Este último sistema apresenta menores perdas e melhor controlabilidade, mas requer conversores eletrônicos.
Entretanto, a evolução tecnológica não para.
Com o advento dos super ímãs de terra raras, os geradores síncronos com excitação interna (PMSG) voltaram a concorrer com os assíncronos, conforme mostra a Figura 7.
Observa-se que as máquinas de indução dominavam o mercado, mas após 2010 houve um crescimento do gerador síncrono com ímãs-permanente.
Porém, o aumento da demanda provocou um aumento do preço dos ímãs fazendo com que esta tecnologia perdesse competitividade.
Figura 7. Tipos de máquinas elétricas utilizadas em turbinas eólicas
Outra questão tecnológica consiste no problema do ajuste da velocidade da turbina à velocidade dos geradores.
A velocidade de rotação da turbina depende da velocidade do vento e do seu diâmetro.
Quanto maior o diâmetro da turbina e, consequentemente, sua potência, menor será sua velocidade de rotação.
Isto significa que o aumento da potência da turbina eólica requer caixas multiplicadoras de velocidade ou geradores capazes de operar em baixa rotação.
Caixas multiplicadoras representam custo, peso, e mais manutenção. Por outro lado, geradores de baixa rotação também custam mais por possuírem maior quantidade de polos.
Caixas de engrenagens multiplicadoras de velocidade funcionam como transformadores de velocidade e suas dimensões dependem da potência e da relação de transformação.
Por isso, surgiram duas alternativas tecnológicas; as turbinas com acoplamento direto (Direct Drive – DD) e as com caixa multiplicadora. Cada fabricante de turbina adota uma solução, mas de acordo com a Figura 8, o mercado continua foi para o acoplamento direto.
Figura 8. Mercado dos tipos de acoplamento de turbinas eólicas
Referências
- BURTON, T., SHARPE, D., JENKINS, N., BOSSANYI, E., Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons, 2001.
- Global Wind Atlas