FÓRUM ABINEE TEC 2009 Eletrobrás · Radiação solar global diária, média anual 2 Coordenador...
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EletrobrásFÓRUM ABINEE TEC 2009
Energias Alternativas Renováveis:Eólica, Biomassa, PCH e Solar
Jorge Lima
ELETROBRÁS
São Paulo, 2 de junho de 2009
EletrobrásGrandes Desafios do Século XXI
• Administrar o crescimento ordenado das populações;• Garantir padrões mínimos de qualidade de vida para
essas populações;• Utilizar de forma consciente os recursos naturais,
mantendo o equilíbrio do ecosistema da Terra;• Reduzir a poluição e evitar danos ao meio ambiente:• Administrar os recursos que colocam em risco a
sustentabilidade do planeta:– Água;– Alimentos;– Energia.
Eletrobrás
• Aumentar a produção de energia (eletricidade, transporte etc.) sem grandes impactos ao meio ambiente;
• Buscar novas alternativas e tecnologias para aumentar a oferta de energia;
• Reduzir os riscos de suprimento, por diversificação da Matriz Energética;
• Aumentar a geração distribuída de energia elétrica;• Superar as instabilidades econômica e política relativas à
comercialização do petróleo;• No caso do Brasil, os grandes potenciais, junto aos
centros de consumo, já estão esgotamento.
Grandes Desafios do Século XXI
EletrobrásGeração de Energia Elétrica
Brasil Mundo
Fonte: MME
O Brasil tem uma forte tradição de geraçãoa partir de energia renovável (limpa)
Eletrobrás
Comparação da Carga de Energia (MW médios) PDE 2008/2017 e 1ª Revisão Quadrimestral de 2009 (*) – SIN
50.000
55.000
60.000
65.000
70.000
75.000
80.000
85.000
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
SIN (PDE 2008/2017) SIN 1ª Rev/09 ONS/EPE
2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017SIN (PDE 2008/2017) 52.189 54.995 57.838 60.505 64.262 67.155 70.129 73.201 76.686 80.111Crescimento % 5,4 5,2 4,6 6,2 4,5 4,4 4,4 4,8 4,5
SIN (1ª Rev./09 ONS/EPE) 52.189 52.964 56.273 58.992 62.738 65.417 68.314 71.307 74.701 78.038Crescimento % 1,5 6,2 4,8 6,4 4,3 4,4 4,4 4,8 4,5
Fonte: ONS/EPE(*) Foram consideradas para a projeção até 2017 as taxas de crescimento do PDE 2008-2017
(*) Inclui as interligações dos sistemas isolados Acre/Rondônia e Manaus/Macapá
Cenário de Crescimento
EletrobrásCenário Futuro
Fonte Energia Necessária Potência a Instalar
Nuclear 30.000 MWmed ÷ 0,9 = 33.300 MW
Hidroelétrica 30.000 MWmed ÷ 0,6 = 50.000 MW
Biomassa 30.000 MWmed ÷ 0,4 = 75.000 MW
Eólica 30.000 MWmed ÷ 0,4 = 75.000 MW
Solar 30.000 MWmed ÷ 0,25 = 120.000 MW
Será necessário um adicional de ~ 30.000 MWmed de geração até 2017.
Nenhuma fonte é capaz de suprir esta necessidade, por si só. Não poderemos abrir mão de qualquer fonte de geração disponível para suprir esta demanda futura.
EletrobrásTecnologias MadurasEólica – Tecnologia madura na Europa, Estados Unidos e Ásia. A capacidade instalada no mundo, em dez. 2008, era superior a 120.000 MW. No Brasil são 33 usinas em operação, com potência instalada de ~ 410 MW e 7 usinas em construção com potência de ~ 340 MW. Temos excelentes recursos eólicos e capacidade industrial. Precisamos de um pouco mais experiência e programas de longo prazo para atingirmos o domínio desta tecnologia.
Biomassa – Larga experiência nos diversas segmentos de geração com esta tecnologia. Atualmente são 330 usinas com mais de 6.600 MW instalados. O bagaço de cana de açúcar é empregado em 269 empreendimentos de geração atingindo mais de 5.100 MW instalados.
EletrobrásTecnologias MadurasPCH – Experiência centenária, superando 2.700 MW instalados, em mais de 418 empreendimentos em operação. Temos um potencial muito grande a ser, ainda, explorado.
Solar – Experiência em Fotovoltaica (PV) e Solar Térmica de baixa temperatura. Na tecnologia PV, estima-se que cerca de 20.000 sistemas tenham sido instalados, com potência da ordem de 20 MW. Na área de aquecimento de água, mais de 4x106 m2
de coletores já foram instalados, proporcionando economia da ordem de 1TWh em 2008. Em termos de recurso solar, pode-se dizer que o Brasil é o país com maior potencial do mundo, devido a sua localização geográfica. Embora seu potencial seja gigantesco, pouco tem sido explorado. Falta uma política de implantação de sistemas PV integrados à rede.
Eletrobrás
EÓLICA
EletrobrásUtilização da Energia Eólica
Pouca pesquisa de aerogeradores de grande porte
Uso intensivo de combustíveis fósseis
II Guerra 1970 1980 1990 20001900
Desenvolvimento e uso de turbinas eólicas de pequeno porte para suprimento de energia em comunidades isoladas
Acidente de Chernobyl 26/04/1986
Desenvolvimento da Indústria Alemã
Choque do Petróleo
Novas pesquisas em energia eólica
• Turbinas de 1.5 a 2.0 MW•UsinasOffshore
EletrobrásEvolução da Potência das Turbinas Eólicas
Fonte: DEWI - 2008
EletrobrásPotência Eólica Instalada no Mundo (GW)
Fonte: WWEA
Eletrobrás
• Potência = F V• F = Cp ½ ρA V2
• Potência no eixo: P = Cp 1/2 ρA V3
• Onde ρ é a massa específica do ar 1,22 kg/m3
• A é a área varrida pelas pás em metros quadrados (m2)• V é a velocidade do vento em metros por segundo (m/s)• Cp é o coeficiente de potência
Dependência dos Ventos
Eletrobrás
Eletrobrás
Eletrobrás
Eletrobrás
Eletrobrás
Fonte: Atlas do Potencial Eólico Brasileiro - 2001
NE
75.000 MW
20% do potencial
Fator de capacidad
e 40%
6.000MWmédios
Estimativa de Aproveitamento
20% do potencial
Fator de capacidad
e 35%
1.600MWmédios
S
23.000 MW
EletrobrásFacilitar o Acesso
4,00
0 km
Eletrobrás
BIOMASSA
EletrobrásViabilidade para a Geração
Preço de Venda da Energia R$ 140,00 / MWhCredito de Carbono R$ 10,00 / MWh
RECEITA TOTAL R$ 150,00 / MWh
Limite Médio Disponível para Compra de Combustível
Considerando PCI = 2.000 Kcal/Kg - R$ 60,00 / MWh
21 Kgf/cm² - 300oC h = 16% 2,7 Ton MWh = R$ 22,25 / Ton
42 Kgf/cm² - 420oC h = 22% 2,0 Ton MWh = R$ 30,00 / Ton
64 Kgf/cm² - 490oC h = 26% 1,7 Ton MWh = R$ 35,30 / Ton
Fonte: AREVA KOBLITZPCI – Poder Calorífico Inferior
Eletrobrás
Safra de 500 Milhões de Toneladas de Cana 2008/2009
Produção de açúcar e álcool:50% Açúcar 50% Álcool
250 Milhões TC – Açúcar:- 25 Milhões Ton Açúcar;- 3.000 Milhões litros de Álcool;
250 Milhões TC – Álcool:- 21.250 Milhões litros de Álcool.
Considerações básicas
Fonte: AREVA KOBLITZ
Potencial de longo prazo para geração de energia elétrica:~ 30 000MWmed (de 10 a 15 anos)
EletrobrásExemplo de Geradora
UTE - RUETTE
Eletrobrás
PCH – Pequena Central Hidroelétrica
• Classificação: Projetos com potência até 30MW;• Estudos de viabilidade aprovados pela ANEEL;• Projetos são otimizados visando o melhor
aproveitamento possível;• Potencial existente superior a 20.000 MW;• Potencial em diversas regiões do país;• Tecnologia 100% dominada no Brasil;• Baixo impacto ambiental.
Eletrobrás
SOLAR
Eletrobrás
O Sol envia para a Terra energia
equivalente a cerca de 10.000 vezes o atual consumo mundial de
energia bruta
EletrobrásSol - Fonte Inesgotável• Para a nossa escala tempo o Sol pode ser considerado uma fonte inesgotável de energia.
•A energia incidente na superfície terrestre é 10 000 vezes superior ao seu consumo global atual de energia primária.
•As fontes renováveis de energia, exceto a geotérmica, derivam da energia solar
• Dados Relevantes:• Energia Solar Anual Disponível na Superfície Terrestre:
~ 900 x 106 TWh
• Consumo Mundial de Energia Primária (2008):
~ 18 Gtoe ou ~ 85 x 103 TWh
• Eficiências de Conversão (comercial):
FV: 8 - 16%, Heliotérmica: 16 - 23%, Aquecimento 40 - 60%
Eletrobrás
• Solar Fotovoltaica
• Solar Térmica de baixa temperatura
• Solar Térmica de alta temperatura
Tecnologias Disponíveis
EletrobrásAtlas Solarimétrico do Brasil
Eletrobrás
OC
EA
NO
AT
LÂ
NT
IC
O
RIO GRANDEDO NORTE
PARAÍBA
PERNAMBUCO
ALAGOAS
DF
GOIÁS
150 150 450300 600 km75 0
ESCALA GRÁFICA
ATLAS SOLARIMÉTRICO DO BRASIL
8
6
10
12
14
16
18
20
22
24
Anual
Colômbia
Peru
Paraguai
Argentina
Bolívia
Suriname
Venezuela
Guiana
GuianaFrancesa
Uruguai
18
16
16
1618
18
18
18
18
18
20
AMAZONAS
ACRE
RONDÔNIA
MATO GROSSO
MINAS GERAIS
SÃO PAULO
PARANÁ
SANTA CATARINA
RIO GRANDE
DO SUL
RIO DE JANEIRO
ESPÍRITOSANTO
MATO GROSSO
DO SUL
AMAPÁ
MARANHÃOPARÁ CEARÁ
SERGIPE
PIAUÍ
BAHIA
TOCANTINS
RORAIMA
CARTA 3.14Radiação solar global diária, média anual
2
Coordenador do Projeto
GRUPO FAE - Grupo de Pesquisas em Fontes Alternativas de Energia-DEN/CT/UFPE
CHESF - Companhia Hidro Elétrica do São Francisco
Consultoria Técnica
CEPEL - Centro de Pesquisa de Energia Elétrica
( MJ/ m . dia )
5959
Média Anual
EletrobrásAtlas de Irradiação Solar
1a. Versão publicada em outubro de 98 pelo LABSOLAR/UFSC e pelo INPE.
É uma aplicação do modelo físico BRAZILSR, baseado em dados de satélite geoestacionário.
É representado por um conjunto de mapas de irradiação global.
Eletrobrás
• 1839 - Becquerel descobre o efeito fotovoltaico num eletrólito
• 1876 - Adams descobre o efeito FV num semicondutor
• 1930 - Shottky estabelece a teoria do efeito fotovoltaico
• 1954 - Pearson, Fuller e Chapin - Primeira célula FV prática (mono-Silício)
• 1958 - Primeiras células FV para alimentar um satélite (Vanguard I)
• década de 60 - aplicações espaciais da tecnologia FV
Tecnologia Fotovoltaica - Histórico
EletrobrásOs Inventores
Eletrobrás
• década de 70 - Lindmeyer et al. fazem desenvolvimentos importantes nas células FV, incluindo a célula de Poly-Si
• final da década de 70 - aplicações terrestres superam aplicações espaciais da tecnologia FV (telecomunicações)
• década de 80 - centrais fotovoltaicas piloto de médio porte (dezenas a centenas de kWp) instaladas na Europa e EUA
• década de 90 - utilização de tecnologia FV para eletrificação rural na maioria dos países em desenvolvimento
Tecnologia Fotovoltaica - Histórico
Eletrobrás
• 1992 - início das atividades do CEPEL na área de energia fotovoltaica; convênio CEPEL/NREL (US DoE) para eletrificação rural em vários estados
• 1995 - início do trabalho conjunto do CEPEL com o MME/DNDE no PRODEEM
• 1996 - produção anual mundial de 80 MWp de células fotovoltaicas
• 2006 – produção mundial deverá atingir 2.600 MWp
Tecnologia Fotovoltaica - Histórico
Eletrobrás
Satélites de comunicação, sensoreamento, pesquisa etc
Tecnologia Fotovoltaica - Aplicações
Eletrobrás
Estações repetidoras de micro-ondas, rádio VHF/UHF ou TV
Tecnologia Fotovoltaica - Aplicações
Eletrobrás
• Sistemas de Telemetria
• Monitoração Ambiental: estações de medições meteorológicas, pluviométricas, hidrológicas, anemométricas, monitoração de poluição, etc.
Tecnologia Fotovoltaica - Aplicações
Eletrobrás
Produtos de consumo: relógios, calculadoras, carregadores de pilhas NiCd, NiMH, brinquedos etc.
Tecnologia Fotovoltaica - Aplicações
Eletrobrás
Propaganda comercial
Sinalização de aeroportos
Tecnologia Fotovoltaica - Aplicações
EletrobrásTecnologia Fotovoltaica - Aplicações
PV-shaded parking in Los Angeles, California
Eletrobrás
Energia Solar Fotovoltaica
para
Geração de Energia Elétrica
EletrobrásTecnologia FotovoltaicaTipos de Sistemas
• Autônomos - alimentam cargas elétricas exclusivamente a partir de energia solar fotovoltaica; são normalmente empregados em locais remotos não atendidos pela rede elétrica e/ou para eletrificação rural
• Conectados à Rede Elétrica - alimentam parcialmente uma carga e/ou suprem energia à rede elétrica convencional
EletrobrásArquipélago de São Pedro e São Paulo
Estação Científica Arquipélago São Pedro e São Paulo
• painel fotovoltaico de 3.6kWp
• dessalinizacão de água
• em operacão desde jun/98
• projeto do CEPEL para a CIRM Vista aérea da Estação Científica
Eletrobrás
Sistema FotovoltaicoResidencial Conectado à Rede Elétrica
Eletrobrás
• Sistemas Montados em Telhados (“rooftop”) ou Fachadas - alimentam parcialmente um prédio qualquer, injetando o possível excedente de energia na rede elétrica (ex. residências com tarifador bidirecional)
• Centrais Fotovoltaicas - funcionam como uma usina geradora, suprindo energia à rede elétrica convencional existente (ex. reforço de linhas de distribuição)
Tecnologia FotovoltaicaSistemas Conectados à Rede
EletrobrásMedição do Balanço de Energia
ArranjoFotovoltaico
Unidade deControle e
Condicionamentode Potência
Carga
RedeKWh
PC
Eletrobrás
Sistema fotovoltaico sobre o telhado de um condomínio residencial - Japão
Tecnologia FotovoltaicaSistemas Conectados à Rede
EletrobrásTelhado Solar - CEPEL
Sistema fotovoltaico sobre o telhado CEPEL
EletrobrásTelhado Solar - CEPEL
Equipamentos de sistema fotovoltaico do telhado CEPEL
Eletrobrás
Central Fotovoltaica Neurather See (Alemanha) 360kWp
Tecnologia FotovoltaicaSistemas Conectados à Rede
Eletrobrás
Número de módulos: 1,440Área Total : 3,311 m2
Potência: 325 kWGeração anual: 274,000 kWh
Tecnologia FotovoltaicaSistemas Conectados à Rede
EletrobrásAplicações de Sistemas Fotovoltaicos
• Apresenta um enorme potencial para aplicações remotas;
• Programas em diversos países para aplicações socias e produtivas no meio rural;
• Programas para a redução do consumo de combustíveis fósseis – redução de emissões (efeito estufa);
• Sistemas Híbridos, principalmente em sistemas isolados.
Eletrobrás
Energia Solar Fotovoltaica
MERCADO
EletrobrásTecnologia - Tendências
Produção de módulos fotovoltaicos em 2007:
• ~ 80 % silício na forma cristalina (single + poly)
• ~ 15 % filmes finos (incluindo silício)
• ~ 5 % outras formas
EletrobrásProdução Mundial
• 2001 – 390 MWp ~ 36% de crescimento• 2002 – 550 MWp ~ 41% de crescimento• 2003 – 750 MWp ~ 36% de crescimento• 2004 – 1200 MWp ~ 60% de crescimento• 2005 – 1800 MWp ~ 50% de crescimento• 2006 – 2550 MWp ~ 42% de crescimento• 2007 – 3800 MWp ~ 49% de crescimento• 2008 – 5000 MWp ~ 42% de crescimento (*)
(*) estimado
EletrobrásPotência InstaladaCumulative installed PV Power in IEA-PVPS
countries 1992-2003 (MW)
109,9 136,2 163,9 198,6 244,7314
395,7520
725,8
990
1.327,70
1.782,04
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Source: IEA Photovoltaic Power Systems Programme
* estimate
*
*
Acumulado até 2008 = ~15.000 MWCerca de 10 X o acumulado até 2003
EletrobrásProdução Mundial
Fonte: European Comission – Institute for Energy
EletrobrásOs Maiores Produtores
Fonte: European Comission – Institute for Energy
EletrobrásOs Maiores da Europa
Fonte: European Comission – Institute for Energy
EletrobrásProdução, Capacidade e Planejado
Fonte: European Comission – Institute for Energy
EletrobrásMercado por Aplicação
Source: PV News, July 2007
EletrobrásParticipação das Tecnologias
Source: PV News, May 2007
EletrobrásTendência Tecnológica
EletrobrásProdução de Filmes Finos
EletrobrásEnergia Produzida e Payback
System Energy Payback Times for Several Different Photovoltaic Module Technologies.(1700 kWh/m2/yr and 75% performance ratio for the system compared to the module)
Cell Technology
Energy Payback Time (EPBT)1 (yr)
Energy Used to Produce System Compared to Total Generated Energy 2 (%)
Total Energy Generated by System Divided by Amount of Energy Used to Produce System2
Single-crystal silicon 2.7 10.0 10
Non-ribbon multicrystalline 2.2 8.1 12
Ribbon multicrystalline 1.7 6.3 16
Cadmium telluride 1.0 3.7 27
1. V. Fthenakis and E. Alsema, "Photovoltaics energy payback times, greenhouse gas emissions and external costs: 2004-early 2005 status, " Progress in Photovoltaics, vol. 14, no. 3, pp. 275-280, 2006.
2. Assumes 30-year period of performance and 80% maximum rated power at end of lifetime.
EletrobrásTecnologia Solar Térmica
EletrobrásConcentrador - Cilindro Parabólico
Planta na Califórnia (SEGS)
Possui uma única linha focal horizontalRastreamento do sol em um eixo (Leste – Oeste)
Irradiação Direta Normal diária média mensal (mês + crítico)
Temperaturas: ~ 390°C
EletrobrásConcentrador – Torre Central
Planta na Califórnia (Solar Two)
Coletores com acompanhamento do sol em dois eixos (campo de heliostatos)
Irradiação direta normal diária média mensal (para + crítico)
Temperatura: ~ 565°C
Eletrobrás
Planta Disco/Stirling na Alemanha (SBP)
Rastreia o sol em dois eixos concentrando energia em receptor no ponto focal do disco
Irradiação Direta Normal diária média mensal (para mês crítico)
Temperatura: ~ 750°C
Concentrador – Disco Parabólico
EletrobrásRegião Apropriada
Região no NE do Brasil que apresenta níveis satisfatórios para aplicação de Geração Heliotérmica
EletrobrásFator de Capacidade
EletrobrásCustos de Sistemas de Geração Elétrica
Sistemas Custos (US$/kW)
Fotovoltaico 2.500 a 5.000
Cilindro Parabólico 1.600 a 2.500
Torre Central 3.000 a 6.000
Disco Parabólico 7.000 a 10.000
EletrobrásCustos
EletrobrásBarreiras de Mercado• Imprecisão na contabilização dos custos ambientais no preço das energias convencionais;
• Até pouco tempo não havia isenção do II, IPI, etc nos equipamentos associados às renováveis;
• Rigidez das estruturas institucionais, políticas e regulamentares;
• Convicção cultural de que a utilização das tecnologias de renováveis é cara, de risco elevado e de baixa relevância para o sistema;
• Localização remota de alguns recursos renováveis.
EletrobrásConclusões• A biomassa, principalmente a de cana de açucar, apresenta um enorme
potencial de aplicação, inclusive de longo prazo;• A PCH é uma tecnologia de geração de energia utilizada há muitos anos,
com uma participação na matriz cada vez maior;• A energia eólica tem uma capacidade enorme de se integrar ao sistema
elétrico, principalmente pela complementaridade ao regime hidrológico, permitindo melhorar o armazenamento nos reservatórios;
• A energia solar já é economicamente viável em diversas aplicações;• Num horizonte de 10 a 20 anos sua participação será grande na matriz
elétrica mundial;• O Brasil apresenta um enorme potencial para aplicação de energia solar,
em todas as tecnologias;• É necessário que se estabeleça uma política nacional, o mais breve
possível, incentivando, inclusive, os sistemas conectados à rede;• Novas tecnologias poderão depender da solar;• Custos: forte dependência da escala de produção.