Como Funciona: Energia Eólica

História

Os primeiros registros da utilização de energia eólica datam de 200 A.C. e são provenientes da civilização Persa. Eram utilizados moinhos de eixo vertical para moer grãos e bombear água, minimizando os gastos de força motriz humana ou animal. Acredita-se, todavia, que antes da invenção dos cata-ventos na Pérsia, a China (por volta de 2000 A.C.) e o Império Babilônico (por volta 1700 A.C) já se utilizavam de cata-ventos rústicos para irrigação.

Os cata-ventos chegaram à Europa com o fim das Cruzadas e foram largamente implementados, tornando a figura do típico moinho holandês muito conhecida na cultura popular. Os moinhos foram utilizados para produção de óleos vegetais, fabricação de papel e drenagem de áreas alagadas, entretanto, com o avanço da Revolução Industrial, a energia eólica entrou em declínio para dar espaço às novas máquinas à vapor.

Ao longo do tempo, passaram a utilizar a força dos ventos não só para gerar força mecânica, mas também energia elétrica. Pesquisas sobre essa aplicação dessa tecnologia voltaram à tona por volta de 1888. Com o avanço tecnológico, os aerogeradores se tornaram aptos a gerar uma quantidade maior de energia, até que surgiram as primeiras usinas eólicas. Sua exploração comercial teve início mais ou menos na década de 70 quando ocorreu a crise do petróleo e os países europeus começaram a investir em outras formas de energia.

Para entender melhor o aprimoramento dessa tecnologia, a imagem abaixo mostra uma linha do tempo mais recente, desde o século passado até os dias de hoje:

O que é

Mas afinal, o que é a energia eólica? A energia eólica é uma forma indireta de obtenção de energia do sol, uma vez que os ventos são gerados pelo aquecimento desigual da superfície da Terra pelos raios solares. Em outros termos, a energia eólica é a energia do movimento (cinética) das correntes de ar que circulam na atmosfera.

A geração de energia elétrica ou mecânica através dos ventos se dá pela conversão da energia cinética de translação pela energia cinética de rotação através do emprego de turbinas eólicas, quando o objetivo é gerar eletricidade, ou moinho e cataventos, quando o objetivo é a realização de trabalhos mecânicos.

É uma energia abundante, renovável e limpa, sendo, por isso, umas das principais apostas no campo das fontes renováveis de Energia.

Um sistema eólico pode ser utilizado em duas aplicações:

  • Sistemas isolados, que armazenam a energia em baterias, normalmente utilizados em aplicações residenciais e de menor escala
  • Sistemas integrados à rede, que entregam a energia direto para a rede elétrica, normalmente em maior escala e com fins comerciais

Existe também a aplicação off-shore que é um sistema de produção de energia eólica instalado no mar, que aproveita os ventos fora da costa e utilizam redes elétricas para transmitir a energia para o continente.

Como funciona

Vamos agora descobrir como funciona a geração de energia elétrica através da energia cinética do vento. O vento gira as pás, que giram um eixo, que se liga a um gerador, produzindo eletricidade. O gerador é composto basicamente por dois ímãs que, ao girar um sobre outro, produzem carga elétrica. Essa carga é então direcionada para uma estação de armazenamento, que funciona como uma bateria muito grande (no caso de sistemas isolados), ou é distribuída pela rede elétrica (no caso de sistemas integrados à rede). Este último processo está ilustrado na imagem abaixo:

Quanto às turbinas eólicas modernas, elas se dividem em dois grupos básicos: a variedade de eixo horizontal, e as de eixo vertical. Turbinas eólicas de eixo horizontal tipicamente possuem duas ou três lâminas. Estas turbinas eólicas de três pás são operados “contra o vento”, com as lâminas de frente para o vento. Outros modelos são instalados “a favor do vento”, mas o princípio de funcionamento é o mesmo. As turbinas eólicas podem ser construídas em terra ou no mar, em grandes massas de água, como oceanos e lagos, ou espalhadas em grandes áreas, onde há um fluxo constante de ar na maior parte do ano.

A geração de energia de cada turbina varia de 100 quilowatts a potências da escala de megawatts. Turbinas eólicas maiores são mais rentáveis e são agrupadas em parques eólicos, que fornecem grandes quantidades de energia para a rede elétrica.

Turbinas pequenas e simples, abaixo de 100 quilowatts, são usadas para residências, antenas de telecomunicações ou de bombeamento de água. As pequenas turbinas são por vezes usadas em conexão a geradores a diesel, baterias e sistemas fotovoltaicos. Estes sistemas são chamados sistemas eólicos híbridos e são normalmente utilizados em lugares remotos, fora das redes locais, onde uma conexão com a rede elétrica não está disponível.

As turbinas eólicas são compostas por:

  • Anemômetro: mede a intensidade e a velocidade do vento. Funciona em média de dez em dez minutos;
  • Biruta (sensor de direção): capta a direção do vento. A direção do vento deve sempre estar perpendicular à torre para o maior aproveitamento;
  • Pás: captam o vento, convertendo sua potência ao centro do rotor;
  • Gerador: item que converte a energia mecânica do eixo em energia elétrica;
  • Mecanismos de controle: adequação da potência nominal à velocidade do vento que ocorre com mais frequência durante um período determinado;
  • Caixa de multiplicação (transmissão): responsável por transmitir a energia mecânica do eixo do rotor ao eixo do gerador;
  • Rotor: conjunto que é conectado a um eixo que transmite a rotação das pás para o gerador;
  • Nacele: compartimento instalado no alto da torre composto por caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico e sistema hidráulico;
  • Torre: elemento que sustenta o rotor e a nacele na altura apropriada ao funcionamento. A torre é um item de alto custo para o sistema.

Evolução comercial

O comércio de aerogeradores no mundo se desenvolveu rapidamente em tecnologia e tamanhos durante os últimos 15 anos. A figura 4 mostra o impressionante desenvolvimento do tamanho e da potência de aerogeradores desde 1985.

O perfil do crescimento da energia eólica na década de 90 indica perspectivas promissoras para o crescimento da indústria eólica mundial para as próximas décadas. Mesmo considerando-se uma desaceleração no aumento da potência instalada nos últimos anos, a procura por novos mercados e o desenvolvimento de aerogeradores de maior porte mostram boas perspectivas para um crescimento mais sustentável e não tão acelerado para a próxima década. A tabela 1 mostra a potência eólica instalada em diversos países desde 1999.

 

Energia Eólica no Brasil

No Brasil, a primeira turbina de energia eólica foi instalada em Fernando de Noronha, em Pernambuco, em 1992. Na época, a geração de energia elétrica correspondia a 10% da energia gerada e consumida na ilha. Isso economizava 70 mil litros de óleo diesel por ano.

Em fevereiro de 2017, o Brasil atingiu 10,8 GW de energia eólica em operação, representando 7,1% da matriz elétrica brasileira, atingindo o 9º lugar na geração eólica no mundo.

Com os parques atualmente em construção, estima-se que até 2020 o país terá aproximadamente 600 parques eólicos em operação, dos quais cerca de 30% foram desenvolvidos pela Casa dos Ventos. Esses parques terão capacidade instalada de 17,9 GW, e representarão em torno de 10% de toda a energia produzida no Brasil.

O crescimento da fonte eólica no Brasil tem sido expressivo, mas se analisarmos seu potencial, ainda temos muito a explorar. Segundo estudos da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o Brasil tem potencial de 300 GW de geração eólica, o que corresponde a 2,2 vezes a matriz elétrica brasileira.

O vídeo abaixo, feito pelo canal Ambiente Energia, mostra um pouco sobre o funcionamento da Energia Eólica e sobre a situação atual dessa forma de energia renovável no Brasil.

 

Vantagens e desvantagens

Após descobrirmos como funciona essa forma de geração de energia e como ela está se desenvolvendo no Brasil e no mundo, veremos agora algumas vantagens e desvantagens que ela oferece para a sociedade e para o meio-ambiente.

Vantagens

Para o Estado e a sociedade 

  • É uma das fontes mais barata de energia, podendo competir em termos de rentabilidade com as fontes de energia tradicionais. Apesar de o parque eólico Offshore ser mais caro que o Onshore, as rentabilidades de ambas são formas as tornam competitivas ;
  • Não requer manutenção frequente, uma vez que sua manutenção é semestral
  • Não requer abastecimento;
  • Vida útil longa, entre 25 e 30 anos;
  • Em menos de 6 meses um aerogerador recupera a energia que foi gasta para fabricá-lo;
  • Geração de empregos;
  • Geração de investimentos em zonas desfavorecidas;
  • Os parques eólicos podem ser utilizados também para outros meios, como a agricultura e a criação de gado;
  • Poupança devido à menor aquisição de direitos de emissão de CO2 por cumprir o protocolo de Quioto e directivas comunitárias e menores penalizações por não cumprir;
  • Possível contribuição de cota de GEE para outros sectores da atividade econômica;

Para o meio-ambiente

  • Não emite gases de efeito estufa e diminui a emissão dos mesmos, além de não gerar resíduos poluentes;
  • Baseada em energia renovável;

Desvantagens

Para o Estado e a sociedade

  • Intermitência. Como é preciso um fenômeno da natureza para funcionar, às vezes a energia não é gerada em momentos necessários, o que torna difícil a integração da produção dessa tecnologia;
  • Podem ser superada pelas pilhas de combustível (H2) ou pela técnica da bombagem hidroelétrica;
  • Geram impacto visual que modifica a paisagem original;
  • Causam impacto sonoro. O vento bate nas pás e isso acaba produzindo um ruído constante de aproximadamente 43 decibéis, tornando necessário que as habitações mais próximas estejam no mínimo a 200 metros de distância.

Para o meio-ambiente

  • Impacto sobre as aves do local: principalmente pelo choque destas nas pás, e efeitos desconhecidos sobre a modificação de seus comportamentos habituais de migração;
  • Utilizam grandes extensões de terra.

Mitos e Verdades

Será que isso é mito ou é verdade? Listamos aqui algumas dúvidas comuns sobre o tema com suas respectivas respostas e explicações.

  1. Os parques eólicos só podem ser instalados em regiões litorâneas.

MITO. A regra número um para a escolha do local de instalação de aerogeradores é simples: tem que ter vento, muito vento. E isso pode acontecer tanto no litoral, quanto no interior. No agreste pernambucano, por exemplo, tem áreas com ventos ótimos para a geração elétrica. É lá onde fica o complexo eólico Caetés, operado pela Casa dos Ventos. São 107 aerogeradores da GE gerando 180 MW de energia, o suficiente para abastecer uma cidade de 500 mil habitantes.

A escolha do local de instalação de parques eólicos é complexa e não está só relacionada à velocidade do vento. Ela envolve fatores como terreno plano, pouco ondulado e sem obstáculos. Tudo isso para que o fluxo do vento não seja “quebrado”. De forma geral, o litoral brasileiro tem todas essas características, além, é claro, de contar com ventos de velocidades médias relativamente altas e constantes, com pouca ou nenhuma turbulência. Isso faz do nosso litoral um local ideal para a instalação de parques eólicos. Porém, não quer dizer que outras regiões devam ser descartadas.

  1. O Brasil já está desenvolvendo tecnologia para produzir energia eólica.

VERDADE. O setor de energia eólica está crescendo de vento em popa. No ano passado, ele movimentou cerca de R$ 15 bilhões no país, de acordo com a Associação Brasileira de Energia Eólica (Abeeólica). Na fábrica da GE em Campinas, por exemplo, são produzidas três peças importantes dos aerogeradores:  o hub, a nacelle e o painel de controle. E, com o aumento da capacidade de produção em 30%, agora é possível fabricar 500 componentes eólicos por ano, em vez de 400. Para garantir um serviço de ponta para os clientes, a GE também mantém dois centros de operação e manutenção de aerogeradores na Bahia e no Rio Grande do Norte. Até o final do ano, mais três centros de serviços entrarão em operação no Piauí, Pernambuco e Rio Grande do Sul, garantindo que tudo corra bem com a instalação e operação dos aerogeradores.

  1. Não é recomendável instalar parques eólicos próximos a áreas residenciais no Brasil.

VERDADE. Essa é uma opção que, no Brasil, não é nem muito comum nem muito viável, principalmente quando falamos de instalações de grande porte, como os complexos eólicos operados pela Casa dos Ventos no Nordeste do Brasil. Ainda, as áreas urbanas são locais que apresentam rugosidade bastante elevada do solo, quando há irregularidades na superfície. De acordo com pesquisas da Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, em geral, quanto mais acentuada a rugosidade da superfície da terra, mais o vento será abrandado, de forma que os ventos próximos à superfície costumam ser fracos e muito turbulentos.

  1. A energia eólica é insuficiente para suprir as necessidades energéticas do Brasil.

VERDADE. O Brasil é um dos cinco países no mundo que mais investe em geração de energia eólica e essa é a fonte da matriz energética que mais cresce no país. Hoje, de acordo com a Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), 5 % de toda a energia produzida no Brasil vem do vento. E, nos próximos anos, a participação da energia eólica na matriz energética deve crescer e passar para 10%. É energia limpa e competitiva na matriz energética, mas, para suprir a demanda por energia crescente e tornar a matriz energética brasileira cada vez mais eficiente, é preciso diversificá-la. Nesse sentido, o ideal é que a energia eólica continue crescendo na matriz energética, assim como outros modelos de geração de energia renovável.

  1. A energia eólica só pode ser usada perto de onde é produzida.

DEPENDE. Muitos parques eólicos do Brasil estão ligados ao Sistema Interligado Nacional (SIN) e a energia pode ser consumida em outras partes do país. Isso acontece, por exemplo, com o complexo eólico Santa Brígida, onde está instalado o milésimo aerogerador da GE em operação no Brasil.

É verdade também que no país existem sistemas isolados ou independentes. Eles são, na maioria das vezes, sistemas autônomos, não conectados e de pequeno porte, com potência instalada de cerca de 80kW. Existem ainda os sistemas de apoio que são aqueles em que um aerogerador operando em paralelo com uma fonte de energia predominante, tendo como objetivo economizar combustível.

  1. É possível armazenar energia proveniente do vento?

VERDADE. A GE está trabalhando no armazenamento de energia e acreditamos que esse pode ser um mercado de 6 bilhões de dólares até 2020. Em alguns parques eólicos com tecnologia GE, graças à Internet Industrial, aerogeradores são conectados às baterias, que estocam a energia excedente. O armazenamento de energia é uma solução eficiente e eficaz para utilizar a energia sob demanda, proporcionando flexibilidade do outro lado da rede. Ainda, o monitoramento permite um uso mais eficiente dos aerogeradores e maior previsibilidade para o parque eólico, fazendo com que os equipamentos sejam direcionados para onde há mais vento. Vale lembrar que essa tecnologia da empresa ainda não está em operação no Brasil.

Fontes

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