casasolar2011

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - Cepel CASA SOLAR | 2011

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica

Bruno Montezano

DTE

As energias solar e eólica

no Brasil

Rio de Janeiro, 21/10/10


CEPEL

• Centro de P&D do Sistema Eletrobrás

• Maior centro do Brasil em P&D de energia elétrica

• Maiores laboratórios de alta tensão e potência na América Latina

• Associação sem fins lucrativos fundada em 1974

• Mais de 500 funcionários e 100 parceiros de Universidades

• Infra-estrutura de P&D de US$ 300 milhões

• Orçamento anual de cerca de R$ 135 milhões

• Apoio Técnico para o Sistema Eletrobrás, Governo (MME), Entidades Setoriais (ONS, CCEE, EPE e ANEEL), concessionárias e indústria

Unidade Ilha do Fundão Unidade Adrianópolis


Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio Brito – CRESESB

Promover o desenvolvimento das energias solar e eólica

através da difusão de conhecimentos, da ampliação do

diálogo entre as entidades envolvidas e do estímulo à

implementação de estudos e projetos.


Sumário

• Introdução

• Contexto Nacional e Internacional da Energia Eólica

• Contexto Nacional e Internacional da Energia Solar

• Casa Solar Eficiente


Matriz Energética Brasileira - 2009

8,8%

4,8%

1,4%

15,2%

32,0%

37,9%

PETRÓLEO e

DERIVADOS

GÁS NATURAL

CARVÃO MINERAL

URÂNIO

HIDRÁULICA e

RENOVÁVEIS

BIOMASSA

(Fonte: Resenha Energética 2009. MME, Mar/2010)

Renováveis

Brasil: 47,2 %

OECD: 7,2 %

Mundo: 12,7 %

Características do Setor Elétrico Brasileiro

DERIVADOS DA

CANA-DE-AÇÚCAR 18,0%

LENHA E CARVÃO

VEGETAL 10,1%

OUTRAS

RENOVÁVEIS 3,8%

Matriz Energética Brasileira - 2009


Capacidade de Geração Elétrica no Brasil

Total: 122,7 GW

6.66%

66.50%

0.81%

1.58%

1.64%

6.64%

10.75%

5.42%

Hidro

Gás

Petróleo

Biomassa

Nuclear

Carvão Mineral

Eólica

Importação


(Fonte: Banco de Informações de Geração. ANEEL, 8/6/2011)

Total: 122,7 GW

Matriz Elétrica Brasileira


Setor Elétrico Brasileiro

Consumidores 63.3 milhões

Energia Gerada 499 TWh/ano

Pico de consumo 64,9 GW

114,6 GW

Linhas de Transmissão: 97.703 km (alta voltagem)

98% do mercado de energia elétrica é suprido através do Sistema

Interligado Nacional (SIN); o sistema isolado representa 2% do mercado

concentrando 3% da população

(Fonte: ANEEL, 2011, MME,2009)

Capacidade Instalada

Fonte Potência [MW] %

Hidrelétrica 81.602 71,23

Térmica 21.801 19,03

Biomassa 8.149 7,11

Nuclear 2.007 1,75

Eólica 999 0,87

Total 114.558 100,00


8

BRASIL

EUROPA

3,900 km

Linhas de Transmissão de dimensões continentais

(Fonte: MME, 2009)



Recursos Renováveis no Brasil Manual de Inventário Hidrelétrico

Brasil

Potencial: 260 GW

Aproveitado: 30%

Inventariado: 40%

Estimado: 30%

Nordeste

26.268 MW

Sul

42.030 MW

Sudeste e

Centro-oeste

78.716 MW

Norte

111.396 MW

(Fonte: WEC 2005)

Potencial Hidrelétrico


Energia Hidráulica

• As vantagens de uma usina hidrelétrica são o fato de sua

operação não ser poluente e de a água ser uma fonte

renovável. As barragens também controlam a vazão dos

rios, minimizando os efeitos das enchentes.

• As desvantagens são a desapropriação de terras

produtivas pela inundação e o impacto ambiental do

alagamento, que provoca a perda de vegetação e da

fauna terrestres. Além disso existem estudos que indicam

emissão de gás de efeito estufa do reservatório devido a

decomposição da matéria orgânica submersa com a

construção do reservatório (COPPE/UFRJ).


Usinas Hidrelétricas do Brasil

UHE (MW)

Outorgada 17.174,8

Em Obras 8.347,0

Em Operação 81.602,0

USINAS HIDRELÉTRICAS em Operação

Usina [MW] Proprietário Município Rio

Tucuruí I e II 8.370,0 ELETRONORTE Tucuruí – PA Tocantins

Itaipu (Parte

Brasileira) 7.000,0 Itaipu Binacional Foz do Iguaçu – PR Paraná

Ilha Solteira 3.444,0 Companhia Energética

de São Paulo

Ilha Solteira - SP /

Selvíria – MS Paraná

Xingó 3.162,0 CHESF Canindé de São Francisco

- SE / Piranhas – AL São Francisco

Paulo Afonso IV 2.462,4 CHESF Delmiro Gouveia - AL /

Paulo Afonso - BA São Francisco

USINAS HIDRELÉTRICAS em Construção


Jirau 3.300,0 Energia Sustentável do

Brasil S.A. Porto Velho - RO Madeira

Santo Antônio 3.150,4 Santo Antônio Energia S.A. Porto Velho - RO Madeira

UHE (no de

empreendimentos)

Outorgada 237

Em Obras 62

Em Operação 908

Potência Total:

81,6 GW Instalados

Total:

908 Usinas

em Operação


USINAS do tipo UHE em Outorga


Belo Monte 11.233,1 Norte Energia S.A. Vitória do Xingu - PA Xingu

Santa Isabel 1.087,0 Grupo de Empresas

Privadas Ananás - TO /

Palestina do Pará – PA Araguaia


Pespectivas da Energia Hidráulica

• É a fonte de energia que ainda apresenta os menores

custos de geração. Os custos da energia gerada pelas

Usinas Hidrelétricas brasileiras é na faixa de 70-80

R$/MWh.

• Os maiores potenciais remanescentes estão localizados

em regiões com fortes restrições ambientais e distantes

dos principais centros consumidores.

• As Pequenas Centrais Hidréletrica (PCHs), com potências

de 1-30 MW, operam a fio d’água com reservatórios

limitados. Essa modalidade de aproveitamento hidráulico

apresenta um menor impacto ambiental sendo

enquadrada com uma fonte alternativa.


Eólica

Solar fotovoltaica

Solar térmica

Tecnologias em Foco (energia renovável complementar)


Catavento –

Bombeamento d’água

• Residências

• Fazendas

• Aplicações Remotas

Aplicações da Energia Eólica


Pequeno Porte (10 kW)

•Residências

•Fazendas

•Aplicações Remotas

Intermediário

(10-250 kW)

•Sistemas Híbridos

•Geração Distribuída

Grande Porte

(250 kW - 5+MW)

•Parques Eólicos

•Geração Distribuída

Aplicações da Energia Eólica


Cubo

Rotor

Eixo

Multiplicador

Gerador

Nacele

Torre

(Fonte: CRESESB, 2008)

Configurações de Aerogeradores


Aerogeradores de Série Protótipos

50 kW

0

20

40

60

80

100

120

140

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Ano

Diâ

metr

o d

o r

oto

r (m

)

600 kW

500 kW

2,500 kW

1,500 kW

5,000 kW

7.000 kW

300 kW

Evolução da potência dos

aerogeradores

(Fonte: DEWI, 2006)

Desenvolvimento da Tecnologia


196,6 GW instalados no mundo em 2010

Potência Eólica Instalada no Mundo

(Fonte: WWEA, 2011. World Wind Energy Report 2010)

http://www.wwindea.org/home/images/stories/pdfs/worldwindenergyreport2010_s.pdf


Potencial Eólico Brasileiro

(Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. CEPEL, 2001)

Potencial Eólico: 143,5 GW

Altura de Referência: 50m


0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Va

zã

o (

m3

/s)

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

PR

OIN

FA

- E

óli

ca

s d

o N

E (

MW

h) Eólicas - NE

Vazão do Rio São Francisco

Sazonalidade das Usinas Eólicas do Proinfa

Potencializa maior estabilidade sazonal de oferta

Complementaridade sazonal entre os ventos e as vazões hídricas


• Alagoas http://www.desenvolvimentoeconomico.al.gov.br/minas-e-energia/mapa-eolico/

• Bahia http://www.coelba.com.br/

• Ceará http://www.seinfra.ce.gov.br/

• Espírito Santo http://www.aspe.es.gov.br/atlaseolico/

• Minas Gerais http://www.cemig.com.br/atlas_eolico_2010/index.htm

• Paraná http://www.copel.com/download/mapa_eolico/Atlas_do_Potencial_Eolico_do_Estado_do_Parana.pdf http://www.copel.com/download/mapa_eolico/Mapa_do_Potencial_Eolico_do_Estado_do_Parana.pdf

• Rio de Janeiro Governo do Estado - Secretaria de Estado de Energia, da Indústria Naval e do Petróleo

• Rio Grande do Norte http://www.cosern.com.br/ARQUIVOS_EXTERNOS/PDF/mapa_eolico.pdf

• Rio Grande do Sul http://www.semc.rs.gov.br/index.php?menu=atlaseolico

Atlas do Potencial Eólico Iniciativas Estaduais

http://www.desenvolvimentoeconomico.al.gov.br/minas-e-energia/mapa-eolico/








http://www.coelba.com.br/

http://www.seinfra.ce.gov.br/

http://www.aspe.es.gov.br/atlaseolico/

http://www.cemig.com.br/atlas_eolico_2010/index.htm

http://www.cemig.com.br/atlas_eolico_2010/index.htm

http://www.copel.com/download/mapa_eolico/Atlas_do_Potencial_Eolico_do_Estado_do_Parana.pdf

http://www.copel.com/download/mapa_eolico/Atlas_do_Potencial_Eolico_do_Estado_do_Parana.pdf

http://www.copel.com/download/mapa_eolico/Mapa_do_Potencial_Eolico_do_Estado_do_Parana.pdf

http://www.copel.com/download/mapa_eolico/Mapa_do_Potencial_Eolico_do_Estado_do_Parana.pdf

http://www.cresesb.cepel.br/publicacoes/download/AtlasEolicoRJ.pdf





http://www.cosern.com.br/ARQUIVOS_EXTERNOS/PDF/mapa_eolico.pdf

http://www.cosern.com.br/ARQUIVOS_EXTERNOS/PDF/mapa_eolico.pdf

http://www.semc.rs.gov.br/index.php?menu=atlaseolico

http://www.semc.rs.gov.br/index.php?menu=atlaseolico

http://www.aspe.es.gov.br/atlaseolico/


Usinas Eólicas do Brasil

Potência Total Instalada:

998,5 MW (0,81%)

51 Plantas em operação

PROINFA – Eólica (MW)

Contratado 1.422,9

Em Operação 902,4

Em Construção 520,5

PROINFA – Eólica

(# Projetos)

Contratado 57

Em Operação 43

Em Construção 14


Situação Atual dos Empreendimentos de Energia Eólica

# Projetos Situação Atual Potência [MW]

115 Outogardos 3.771,7

35 Em construção 928,0

51 Em operação 998,5

USINAS EÓLICAS em Operação

Usina MW Proprietário Município

Praia Formosa 104,4

Eólica Formosa Geração e

Comercialização de Energia

S.A.

Camocim – CE

Parque Eólico

Elebrás Cidreira 1 70,0 Elebrás Projetos S.A Tramandaí – RS

Canoa Quebrada 57,0 Bons Ventos Geradora de

Energia S.A. Aracati – CE

Eólica Icaraizinho 54,6

Eólica Icaraizinho Geração e

Comercialização de Energia

S.A.

Amontada – CE

Alegria I 51,0 New Energy Options Geração

de Energia S/A Guamaré - RN


Osório – 50 MW (Osório, RS)

RN 15 – 49,3 MW (Rio do Fogo, RN)

Mucuripe – 2,4 MW (Fortaleza, CE)

Sistemas de Grande Porte

Paracuru – 23,5 MW (Paracuru, CE)

(http://www.suzlen.com)


Benefícios da Energia Eólica

• É uma fonte de energia limpa e renovável que não produz

a emissão de gases de efeito estufa ou resíduos tóxicos.

Contribui para o combate às mudanças climáticas.

• Projetada para operar por mais de 20 anos e, ao final de

sua vida útil, a área pode ser restaurada com baixo

financeiros e ambientais. É uma forma de

desenvolvimento essencialmente reversível.

• Melhora da segurança e confiabilidade do fornecimento

de energia elétrica com a diversificação da matriz.

• Reduz a dependência de importação de energia.

• A geração de empregos com desenvolvimento do

mercado de energia eólica.


Perspectivas da Energia Eólica


Perspectivas da Energia Eólica

Energia Eólica X

Energia de Fonte Hídrica

Complementares

• Energia limpa e renovável é uma alternativa a expansão de geração térmica contribuindo para mitigação das mudanças climáticas (um único aerogerador de 1,8 MW poupa a emissão de mais de 2 ton de CO2 anualmente).

• Perspectivas de crescimento com o custo da eletricidade gerada em queda contínua. Entre 1990 e 2008, a capacidade instalada no mundo dobrava a cada 3 anos coincidindo reduções de 15% nos preços.

• O grande potencial eólico brasileiro e a evolução tecnológica dos aerogeradores apontam a energia eólica como uma alternativa viável econômica e ambientalmente.

• Nos leilões realizados em ago/2011, foram comercializados o equivalente a 1.928,8 MW instalados, distribuídos entre 78 projetos, com preço médio da energia de 99,56 R$/MWh. O preço de referência da energia hidrelétrica homologado pela ANEEL é de R$ 64,69/MWh.

• Apresenta fatores de capacidade entre 42% e 32%, enquanto usinas elétricas convencionais apresentam em média 60%.


Eólica

Solar fotovoltaica

Solar térmica



O Sol envia para a Terra energia

equivalente a cerca de 10.000 vezes o

consumo mundial de energia bruta

Energia Solar


(Fonte: Wikipedia)

40º N

35º S

O “Cinturão” Solar

Radiação Solar Global


Potencial Solar

(Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil. UFPE, 2000)


(Fonte: SOLARBUZZ, 2009/ PHOTON INTERNATIONAL, 2008)

Painéis fotovoltaicos Potência instalada em nível mundial


Painéis fotovoltaicos Venda anual em nível mundial

(Fonte: IDEAL, 2011, http://www.americadosol.org/vendas/)

http://www.americadosol.org/vendas/


Painéis fotovoltaicos Consumo anual por Aplicação

(Fonte: IDEAL, 2011, http://www.americadosol.org/vendas/)

http://www.americadosol.org/vendas/


Efeito Fotovoltaico

(Fonte: http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/solarcell/index.html, 05/2009)

Efeito Fotovoltaico – Conversão direta de energia luminosa (fótons)

em energia elétrica

Célula Fotovoltaica – construída a partir de uma junção p-n de

material semicondutor, tem a propriedade de implementar o efeito

fotovoltaico.


Módulos Fotovoltaicos disponíveis no mercado

a) Silício Cristalino (c-SI)

b) Silício amorfo hidrogenado (a-Si)

c) Telureto de cádmio (CdTe)

d) Disseleneto de cobre (gálio) e índio

(CIS e CIGS)

e) Módulos coloridos

f) Módulos High Power

(a) m-SI

(b)

(e)

(Fonte: IDEAL, 2011, http://www.americadosol.org/tecnologias-no-mercado-3/)

(a) p-SI

(c)

http://www.americadosol.org/tecnologias-no-mercado-3/








Células Fotovoltaicas de Si

Silício policristalino

(poly-Si)

• Rendimento: 16%

• Menor Custo de fabricação

comparado a célula de

silício monocristalino

• Vida Útil: 20-40 anos

Silício monocristalino

(mono-Si)

• Rendimento: 18%

• Custo Elevado


Silício amorfo

(a-Si)

• Rendimento: 8%

• Menor Custo



Sistema Fotovoltaico Isolado

Sistema Isolado com Inversor de Tensão

Instalado em áreas de difícil acesso a rede elétrica, normalmente zonas rurais,

neste caso a energia fotovoltaica é a única fonte de eletricidade e é necessário

algum armazenamento, como baterias. Tais sistemas podem ser de geração

apenas para uma residência ou pode ser instalado em mini-redes para atender

uma pequena comunidade.


A geração fotovoltaica funciona em conjunto com outros, como geradores

eólicos ou diesel. Considerados mais complexos, tais sistemas exigem um

controle capaz de integrar as diferentes formas de geração de energia. Estes

sistemas podem estar conectados a rede, isolados ou ter o apoio da rede.

Sistema Fotovoltaico Híbrido

Sistema Híbrido com Geração Eólica



(Fonte: www.wright-way.com/solar-power.htm)

Sistema Fotovoltaico Residencial Conectado à Rede

Este é o tipo mais popular de instalações PV, normalmente sobre o telhado de

casas e escritórios, e no qual é necessário a presença de um inversor, para

transformar a energia em corrente contínua para corrente alternada. A energia

gerada pelos painéis é entregue a rede elétrica convencional.

http://www.wright-way.com/solar-power.htm






Mercado mundial de painéis fotovoltaicos

• Incentivos governamentais expressivos têm sido utilizados para

o desenvolvimento deste mercado (feed-in, incentivos fiscais,

linhas de financiamento especiais, etc.)

• Centenas de fabricantes de painéis fotovoltaicos no mundo

• Predominância de aplicações conectadas na rede elétrica

• Custos: US$ 2,00/W (célula); US$ 5,00/W (módulo completo)

• Evolução tecnológica: Si amorfo com eficiência de 11,3%

• Brasil: Maior exportador de Si grau metalúrgico do mundo

(Fonte: PHOTON INTERNATIONAL, 2009)


Crianças assistindo à TV pela primeira vez na comunidade de Boa Sorte. Município de Dianópolis - Tocantins

Sistema de bombeamento da comunidade de Boa Sorte.

Município de Dianópolis - Tocantins

Instalações Fotovoltaicas

(Fonte: CEPEL, 1999) (Fonte: CEPEL, 1999)


Abastecimento comunitário de água da comunidade de Amapá Grande

Município de Amapá - AMAPÁ

Sistema energético no posto de saúde e bombeamento da comunidade de Lago Novo

Município de Tartarugalzinho - AMAPÁ

Sistema de Bombeamento Fotovoltaico

(Fonte: CEPEL, 1999)

(Fonte: CEPEL, 1999)


Universalização: metas e desafios

(Fonte: MME, 2004)


Perspectivas

• Tem sido utilizada, no Brasil, em aplicações distantes da

rede, em particular na região amazônica e no interior da

região nordeste (exemplo: PRODEEM / Luz para Todos).

• Os custos médios variam de 400-1200,00 R$/MWh.

• No Brasil, se houver uma redução de custos ainda mais

significativa do que a que já está se verificando,

aplicações interligadas podem contribuir num cenário

distante de substituição de fontes térmicas.

• Proposta de regulamentação para microgeração de

energia com fontes renováveis (<100 kW) foi

apresentada pela ANEEL em out/2011. (ANEEL, 2011)

http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/dspListaDetalhe.cfm?attAnoAud=2011&attIdeFasAud=562&id_area=13&attAnoFasAud=2011


Eólica

Solar fotovoltaica

Solar térmica



Grande oportunidade de crescimento da utilização de coletores

solares planos para aquecimento de água.

É desejável que uma legislação adequada e a disponibilidade

de financiamento estimulem sua utilização.

(Fonte: http://www.komeco.com.br/assets/)

Solar Térmico Aquecimento solar residencial


Aquecimento Solar Residencial

(Fonte: http://www.komeco.com.br/assets/)

Instalação

Reservatório de Água Quente


Solar Térmico Aquecimento solar residencial

• O Brasil possui a sétima maior área de coletores solares

instalados do mundo: 3,1 milhões de m²:

– 84% no setor residencial;

– 15% no setor terciário (hotéis e serviços);

– 1% no setor industrial.

• Em termos populacionais, o Brasil possui apenas 1,72 m² de

área coletora instalada para cada 100 mil habitantes, muito

atrás de Chipre (84,4), Barbados (26,9) e Turquia (13,5).

• A taxa média de crescimento anual da área coletora instalada

no Brasil é de 14%, enquanto no Canadá é de 50%, na

Alemanha de 39% e na França e na Grécia, de 34%.

(Fonte: Solar Heat Worldwide, Edition 2008)


Concentrador parabólico Disco parabólico

Torr

e C

entr

al

Potência Instalada (MW)

Concentrador

Parabólico 468 MW

Torre Central 11 MW

(Fonte: Wikipedia, 2008)

Solar Térmico Geração de Energia Elétrica - Heliotermia


Solar Térmico Geração de Energia Elétrica - Heliotermia

Desde que haja uma diminuição de custos muito significativa, a

geração heliotérmica poderá ser empregada,

em particular na Região Nordeste.

Iniciativa governamental de criação de grupos para

estabelecimento de uma agenda de P&D

• Custos de Instalação:

– Plantas sem armazenamento térmico : 5000 Euros/kW

– Plantas com armazenamento térmico : 6000 - 7000

Euros/kW

• Custos da Energia Gerada:

– Plantas comerciais : 0,22 Euros/kWh (2007)


Casa Solar Eficiente


Planta Baixa

1. Painel Rastreador

2. Aerogerador

3. Banco de Baterias

4. Painel Fotovoltaico

5. Iluminação Pública

6. Aquecimento Solar

Térmico

7. Sistema de

Bombeamento

8. Sala de Controle

9. Cozinha

10. Auditório

11. Sala de Eficiência

Energética

12. Banheiro


Configuração Elétrica

Painel Fotovoltaico: 1993 Wp

Baterias: 750Ah/48Vcc (20 unidades)

Inversor: 48Vcc/120Vca/60Hz-4kW

Autonomia: 72 horas

Consumo: 7,5 kWh

Rad. Média Anual: 4,75 - 5,25 kWh/m2.dia



Obrigado!

Bruno Montezano

www.cepel.br/cresesb [email protected]

http://www.cepel.br/cresesb

mailto:[email protected]

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