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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

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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

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2

Agenda

• Introdução

• Aspectos da Integração de Energia Eólica no Sistema Elétrico

Brasileiro

• Tecnologia Solar como Fonte de Energia Renovável

• Conclusões

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3

Introdução

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4

Aumento da Expansão de Energia Eólica na Matriz

Energética Brasileira

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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

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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

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Evolução da Expansão Eólica - Horizonte 2021

Geração Eólica no SIN

70%

30%

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8

Características da Geração Eólicas no Brasil

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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.

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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.

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• 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

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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

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Maiores Desafios para o Aumento do Grau de

Expansão Eólica no Sistema Interligado Nacional

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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.

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Melhorias nos Procedimentos de Rede

Necessárias para Conexão Segura de Usinas

Eólicas em Redes com Elevado Grau de

Expansão Eólica

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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

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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

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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

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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

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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.

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Tecnologia Solar como Fonte de Energia

Renovável

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Índice de Irradiação Solar no Brasil

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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

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Central Solar Fotovoltaica - Diagrama Esquemático

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Central Solar Fotovoltáica

Fonte: www.astroman.pl - Usina Fotovoltáica Waldpolenz Perto de Leipzig, Alemanaha (40 MW)

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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.

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Tecnologias de Concentração

Receptores de calha cilindro-parabólica Receptores de torre central + heliostatos

Receptores lineares do tipo fresnel Receptores parabólicos de disco stirling

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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%)

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Central Termosolar de Torre Central + Heliostatos

Fonte: Torresol Energy

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Torresol Energy - Gemasolar - Ciclo diário de produção

Fonte: Torresol Energy

• Dados de produção: 06/09/2011 00:00 a 09/09/2011 00:00

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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

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Torresol Energy - Gemasolar - Bloco de potência central

16/04/2012

Fonte: Torresol Energy

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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%)

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Central Termosolar de Calhas Cilindro-Parabólicas

Fonte: Torresol Energy

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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)

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Torresol Energy - Valle 1 e Valle 2 - Vista aérea

Valle 2

Valle 1

Fonte: Torresol Energy

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Torresol Energy - Valle 1 - Bloco de potência central

Fonte: Torresol Energy

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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

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Conclusões

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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.

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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.

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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.

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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.

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