UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CENTRO MULTIDISCIPLINAR DE ANGICOS CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA CIVIL
TÚLIO DE BRITO BATISTA
POTENCIAL PARA INSTALAÇÃO DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE VOLTADOS À CONSTRUÇÃO CIVIL NO MUNICÍPIO DE NATAL/RN
ANGICOS
2020
TÚLIO DE BRITO BATISTA
POTENCIAL PARA INSTALAÇÃO DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE VOLTADOS À CONSTRUÇÃO CIVIL NO MUNICÍPIO DE NATAL/RN
Trabalho Final de Graduação apresentado a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.
Orientador: Valquiria Melo Souza Correia, Profa. Dra.
ANGICOS
2020
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B333p Batista, Túlio.
POTENCIAL PARA INSTALAÇÃO DE AEROGERADORES DE PEQUENO PORTE VOLTADOS À CONSTRUÇÃO CIVIL NO MUNICÍPIO DE NATAL/RN / Túlio Batista. - 2020.
35 f. : il.
Orientadora: Valquiria Melo.
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Civil, 2020.
1. Intensidade dos ventos. 2. Geração de
energia. 3. Aerogeradores. 4. Construção civil. I.
Melo, Valquiria , orient. II. Título.
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AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus por estar sempre me guiando nas escolhas mais difíceis e nos dias mais complicados.
Agradeço especialmente à minha família, namorada e amigos por toda motivação, força e incentivo dados ao longo dessa caminhada longa e árdua.
Agradeço a minha orientadora professora Dra. Valquiria Melo Souza Correia, por todo conhecimento disponibilizado, pelas longas conversas e inúmeros conselhos que foram determinantes para meu crescimento pessoal.
Agradeço à banca pelos conhecimentos repassados, pelas sugestões e principalmente
por terem aceitado o convite.
RESUMO
Com dados de intensidade dos ventos a 10 metros de altura do município de Natal, localizado no estado do Rio Grande do Norte, foi determinado seu potencial eólico para geração de energia segundo as Normativas da Legislação Brasileira. Diante dos resultados, a região litorânea apresentou medianos valores de velocidade média dos ventos, estabelecendo destaque a região Potiguar. Assim, o município de Natal foi considerado viável e tecnicamente apto a instalação de turbinas eólicas de eixo horizontal em obras da construção civil de pequeno porte.
Devido a elevada demanda energética dos canteiros de obras de médio a grande porte, a magnitude das forças dos ventos apresentada pode inviabilizar a utilização desses aerogeradores, caracterizando o investimento como de baixa aptidão, alto custo e incapaz de atender a elevados consumos.
Palavras-chave: Intensidade dos ventos. Geração de energia. Aerogeradores. Construção civil.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Comportamento da circulação dos ventos...….……… 4
Figura 2 – Rotor Darrieus …...………..… 6
Figura 3 – Rotor Savonius ……...………... 7
Figura 4 – Rotor Downwind...……...……….. 7
Figura 5 – Rotor Upwind ………...………... 8
Figura 6 – Mapa de situação de Natal/RN……….……….11
Figura 7 – Aerogerador de eixo horizontal (Notus 138)...……….. 13
Figura 8 – Aerogerador de eixo horizontal (Gerar 246)...……….. 13
Figura 9 – Aerogerador de eixo horizontal (Gerar Extreme)...……….. 14
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Curva característica de um aerogerador de eixo horizontal Gerar Extreme... 15 Gráfico 2 – Variabilidade espacial e temporal da velocidade média dos ventos a 10m de altura...16 Gráfico 3 – Estimativa de geração mensal de energia por um aerogerador de eixo
vertical...17
Gráfico 4 – Conversão de kWh em moeda (real) ao longo do ano...….. 18
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Caracterização de aerogeradores eólicos de eixo horizontal...… 13
Tabela 2 – Cálculo do consumo de energia elétrica mensal.………...19
Tabela 3 – Execução da construção de banheiros públicos e salas de apoio ao
DETRAN/DF...………..………. 20
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
IDEMA Instituto de Desenvolvimento Econômico e Meio Ambiente do Rio Grande do Norte
INMET Instituto Nacional de Meteorologia
COSERN Companhia Energética do Rio Grande do Norte
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica TRT12 Tribunal Regional do Trabalho da 12ª Região
DETRAN Departamento Estadual de Trânsito do Distrito Federal TEEV Turbinas Eólicas de Eixo Vertical
TEEH Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal
CERNE Centro de Estratégias em Recursos Naturais e Energia HAWTs Horizontal-axis wind turbines
VAWTs Vertical-axis wind turbine (VAWTs) kWh Quilowatt-hora
Kg Quilograma
M Metro
CM Centímetro
MW Megawatt
RPM Rotações por minuto
M/S Metros por segundo
RN Rio Grande do Norte
SC Santa Catarina
DF Distrito Federal
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ………...……...……….…… 1
1.1 Objetivos……… 2
1.1.1 Objetivo geral……… 3
1.1.2 Objetivos específicos………. 3
2 REFERENCIAL TEÓRICO ………...………..… 4
2.1 Potenciais físicos dos recursos eólicos………... 4
2.2 Modelos de aerogeradores residenciais ………... 6
2.3 Sustentabilidade e aspectos ambientais ligados à energia eólica……… 8
2.4 O uso de aerogeradores residenciais na construção civil ………... 9
3 METODOLOGIA……….. 10
3.1 Caracterização da área de estudo……… 10
3.2 Processamento e base de dados ….………...……....………... 11
3.3 Determinação de modelos de aerogeradores residenciais adequados à instalação 11 4 RESULTADOS……… ....……… ……….... 15
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS……… ……… 21
6 REFERÊNCIAS...………...………... 22
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1 INTRODUÇÃO
Com a capacidade de ser produzida pela intensidade com que os ventos se locomovem ao longo do tempo, a energia eólica é considerada uma das fontes de menor custo e de matéria- prima inesgotável, proporcionando diminuição na emissão de gases poluentes e geração de resíduos. Utilizada desde os primórdios da sociedade, com máquinas que - através da força aerodinâmica de arrasto sobre placas - convertiam potencial eólico em energia mecânica. Sua principal fonte, os ventos, são originados pela associação entre o aquecimento exercido por energia solar sobre a superfície terrestre e suas respectivas massas de ar que atuam em rotação planetária.
Estudos apontam que o potencial eólico continental brasileiro é estimado em 143 GW, maior do que a geração total de energia no país, que gira em torno de 113 GW. Segundo dados coletados no ano de 2017 pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o Brasil apresenta cerca de 61% de toda sua energia elétrica consumida através das hidrelétricas, que embora sejam consideradas fontes de energia limpa, acabam inundando grandes extensões territoriais, prejudicando assim o meio ambiente e o habitat natural dos animais que ali residem.
Segundo Pinto (2013), com a elevada escassez de recursos naturais, o conceito de sustentabilidade torna-se ideal para preservação e utilização desses meios de suprir tamanha demanda por energia elétrica.
O uso dos ventos como fonte energética cresce mundialmente cerca de 28,6 % ao ano, com uma previsão do Comitê Internacional de Mudanças Climáticas de que até 2030 o mundo esteja utilizando 30 mil MW gerados a partir de energia eólica (PEREIRA, 2009). De acordo com Fadigas (2011), o potencial de crescimento no percentual de participação na matriz energética nacional e mundial é notório. Essa - crescente procura e o desenvolvimento de novas tecnologias - permitem que inovações surjam gradativamente, proporcionando que pesquisas a respeito das Turbinas Eólicas de Eixo Vertical (TEEV); sejam feitas por todo o mundo, com destaque para a Alemanha, Espanha e França.
Segundo o Centro de Estratégias em Recursos Naturais e Energia (CERNE, 2017), o Estado do Rio Grande do Norte permanece líder na produção dos ventos, atraindo fortes investimentos nesse setor. Há perspectivas de crescimento, que se comparado ao ano de 2016, podem chegar a 39% (1.087,6 MW) de elevação e somar 3.209 MW de capacidade instalada evidenciando crescimento de 19% ao ano anterior.
Os aerogeradores residenciais são classificados de acordo com o eixo ao redor do qual
as pás da turbina giram, sendo estas as Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (TEEH) que são
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encontradas em maior quantidade no mercado e Turbina Eólica de Eixo Vertical. Turbinas de grande porte, para potências superiores a 1000 kW, são ligadas diretamente à rede elétrica e utilizadas em grandes parques eólicos. Já as turbinas de pequeno porte, como as de eixo vertical, segundo Menezes (2012), são ideais em alturas baixas, como no telhado das residências e em áreas urbanizadas; a sua capacidade de operar em baixas alturas é uma vantagem, pois conseguem minimizar os custos referentes à torre de sustentação e possuem a capacidade de operar com números de Reynolds inferiores devido aos ventos fracos (MATHEWS, 2011).
Aplicado a pequenas edificações, o uso de aerogeradores eólicos de pequeno porte atrai cada vez mais pessoas que buscam facilidade de implementar ferramentas economicamente viáveis que ajudem a reduzir o consumo de energia elétrica tradicional, sem provocar o aumento dos gases do efeito estufa. A instalação de fontes alternativas de energia nas residências em grande escala, o que incluem aerogeradores de pequeno porte, pode proporcionar aumento potencial na produção de energia do país, gerando empregos e transferindo a lucratividade do processo de produção energética para a população.
O sucesso na produção de energia residencial depende das características intrínsecas a cada localidade, no que se refere à intensidade com que o vento incide em cada região. Desta forma, são necessários estudos que definam áreas prováveis potencialmente favoráveis do ponto de vista técnico para utilização dessa tecnologia. Por tudo isso realizou-se o estudo buscando a intensidade dos ventos a 10 metros de altura no município de Natal, localizado no Estado do Rio Grande do Norte. Após ser feita essa avaliação, torna-se possível definir o potencial para utilização de aerogeradores em residências, obtendo valores representativos de sua aptidão e sua viabilidade para atender às demandas energéticas na construção civil. Esse processo disponibiliza à população e às empresas informações sobre alternativas sustentáveis de reduzir custos no desenvolvimento de suas obras.
1.1 Objetivos
O uso de aerogeradores é capaz de reduzir os impactos ambientais, funcionando de
forma a completar ou substituindo sistemas já existentes. A sua utilização torna-se uma
alternativa de melhorar a capacidade energética do país, além do poder econômico, transferindo
a lucratividade do processo de produção de energia para população, gerando emprego, renda e
elevando a capacidade energética do país. No entanto, são necessários estudos que apontem a
potencialidade e viabilidade no uso de aerogeradores residenciais. Assim, o presente trabalho
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busca analisar o potencial de uma região para geração de energia eólica voltada a atender à demanda nas obras da construção civil.
1.1.1 Objetivo geral
Estabelecer o potencial para uso de aerogeradores residenciais no município de Natal, localizado no estado do Rio Grande do Norte, abordando sua aptidão à demanda energética na construção civil.
1.1.2 Objetivos específicos
• Levantamento bibliográfico das necessidades específicas para funcionamento de aerogeradores residenciais apontando seus pontos positivos e negativos;
• Levantamento do potencial para instalação de aerogeradores;
• Mapeamento do potencial eólico residencial no município de Natal localizado no estado do Rio Grande do Norte;
• Uso de aerogeradores residenciais na construção civil.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Potenciais físicos dos recursos eólicos
O vento é considerado uma matéria prima energética inesgotável e limpa, originada através do processo de aquecimento diferencial da superfície terrestre, em que áreas de maior temperatura e consequente ar atmosférico de menor densidade, sofrem variações em suas pressões atmosféricas com as regiões mais frias que possuem ar atmosférico mais denso. Essas variações de pressões obtidas pelas massas de ar nesse processo buscam o equilíbrio das diferentes densidades, proporcionando o surgimento de diferentes potenciais eólicos (GROTZINGER, 2013).
Figura 1 – Comportamento da circulação dos ventos
Fonte: Atlas do potencial eólico brasileiro (2001)
Segundo Varejão-Silva (2006), o vento é obtido principalmente em função de sua direção e intensidade, em que seu movimento horizontal representado na Equação (1), e sua força originada pela Equação (2) determinam a geração do escoamento do ar. As letras “u”, “v”
e “w” são as componentes do vetor velocidade do vento em diferentes direções, acompanhados de seus respectivos vetores unitários I , J , K .
K w J v I u
V (1)
J v I u xy
V (2)
5
Para Méndez (2013), existem três componentes capazes de determinar os potenciais eólicos para instalação de sistemas de conversão de energia eólica: a velocidade do vento, as características (turbulência) e a sua massa específica. A velocidade do vento é de extrema importância, pois a potência é diretamente proporcional a essas intensidades, que variam ao longo do ano. Além disso, a velocidade varia com a altitude sobre o solo, pela fricção causada por montanhas, árvores, edifícios e outros objetos. A turbulência determina os modelos de ventos globais e os movimentos do ar daquela região, definindo assim, sua viabilidade.
Com sua localização geográfica privilegiada, o estado do Rio Grande do Norte, sofre constantemente com a incidência de brisas marítimas, que contribuem para o aumento na intensidade e na variação da direção dos ventos alísios, tornando o estado de maior potencial eólico brasileiro. Esses ventos de grande escala movimentam-se ao longo do globo terrestre, favorecendo maiores potenciais eólicos de brisas marítimas, em meses de verão e final de inverno (SILVA, 2003).
Pinto (2013) afirma que a melhor forma de medir a intensidade do vento em determinada região seria realizá-la na mesma altura em que vai ser instalado o cubo do rotor da turbina eólica. Proporcionando, assim, a comparação de dados obtidos nos locais com os registros existentes em estações meteorológicas.
Adotando normais meteorológicas dos ventos a uma altura de referência da superfície, estima-se a velocidade em diferentes alturas através da Equação (3), o qual é uma extrapolação para alturas diferentes de dados já coletados (10 metros):
) ln(
) ln(
) ( ) (
Zo Zr Zo Z zr V z
V (3)
A variação entre a velocidade dos ventos com a altura vertical “Z” e “V(z)” é
estabelecida em função da velocidade a uma altura de referência “V(zr)”, do comprimento de
rugosidade “Zo” e da própria altura de referência “Zr”. O comprimento de rugosidade
corresponde à altura em que o vento, próximo à superfície, assume valor zero e dependendo
diretamente de obstáculos como relevo e da superfície, temperatura da região e pressão na
atmosfera (MARTINS et al., 2008).
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2.2 Modelos de aerogeradores residenciais
Conforme a orientação com que o eixo ao redor das pás das turbinas eólicas gira, os aerogeradores são assim divididos: Turbinas Eólicas de Eixo Horizontal (TEEH) ou em inglês Horizontal-axis wind turbines (HAWTs); e as Turbinas Eólicas de Eixo Vertical (TEEV) ou em inglês Vertical-axis wind turbine (VAWTs).
Os rotores verticais são divididos em dois grupos, a Figura 2 apresenta o modelo Darrieus movidos por força de sustentação e a Figura 3 o Savonius com menores custos e eficiência. Ambos capazes de gerar energia com baixas intensidades de ventos, estas suficientes para iniciarem o giro das pás, funcionando basicamente com força de arrasto. Nas turbinas eólicas de eixo horizontal, o eixo do rotor é paralelo ao fluxo de vento e o ângulo de ataque, em qualquer ponto da pá. Movidos principalmente pelas forças de arrasto (drag) e a de sustentação (lift), os rotores giram por forças de sustentação e através da potência gerada pela força de arrasto (MARQUES, 2012).
Figura 2 - Rotor Darrieus
Fonte: Marques, Santos et al. (2012).
7
Figura 3 - Rotor Savonius
Fonte: Marques, Santos et al. (2012).
Com o fluxo de vento que movimenta as pás, divide-se as turbinas eólicas em: upwind quanto à posição do rotor em relação à torre conforme a Figura 4, necessitando de um sistema de orientação do vento, em que o disco varrido pelas pás está à montante do vento; e downwind quando está a sentido jusante do vento e sua orientação é feita automaticamente como mostra a Figura 5 (MARQUES, 2012).
Figura 4 – Rotor Downwind
Fonte: Marques, Santos et al. (2012).
8
Figura 5 - Rotor Upwind
Fonte: Marques, Santos et al. (2012).
2.3 Sustentabilidade e aspectos ambientais ligados à energia eólica
Segundo estudos realizados pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2017), aproximadamente 61% de toda energia elétrica consumida brasileira advém das hidrelétricas, que embora seja considerada uma energia limpa e renovável, acabam inundando grandes extensões territoriais, prejudicando assim, os seres vivos que compõem aquela região. Para Pinto (2013), o conceito de sustentabilidade surge como uma alternativa para buscar inovações que possibilitem atender à demanda por matérias-primas e recursos, proporcionando ainda, o desenvolvimento econômico em respeito aos impactos ambientais. Desse modo, os termos inovação e sustentabilidade estariam diretamente relacionados, usufruindo de formas limpas na geração de energia e melhorando a eficiência dos recursos ambientais de maneira mais humana e economicamente viável.
Os impactos ambientais negativos causados pelo uso de energia eólica são mínimos,
pois o seu uso não estimula emissões de gases ou resíduos, e sua implementação independe de
deslocamento da população residente em áreas adjacentes ao seu entorno, destacando-se por
não gerar alagamentos ou ocupar grandes proporções territoriais (DUTRA, 2012). Para
Custódio (2013), as turbinas eólicas possuem um rotor capaz de converter energia mecânica
9
obtida através da rotação de suas pás na produção de energia elétrica. O autor afirma que nesse processo podem ser gerados ruídos causadores de incômodos e essa rotação pode atrapalhar o deslocamento das aves nativas da região.
Como forma de atender à demanda por energia elétrica e reduzir riscos no processo de uso dos ventos na geração de energia, torna-se necessário estudos intrínsecos à região e a elaboração de alternativas que minimizem esses problemas; o uso de turbinas mais modernas que são capazes de melhorar a eficiência na produção de energia com baixa velocidade de rotação, são capazes de reduzir ainda as interferências eletromagnéticas nas telecomunicações e evitar que em descargas elétricas os seus estilhaços possam ferir pessoas que ali residam (CUSTÓDIO, 2013).
2.4 O uso de aerogeradores residenciais na construção civil
A construção civil divide-se em um conjunto de subsetores que juntos geram o desenvolvimento econômico e produzem atividades destinadas a projetos de edificações, obras de pequeno e grande porte, atividades imobiliárias ou de manutenção, dentre tantas outras que demandam energia e geram resíduos. Esse setor também é responsável por elevado consumo de materiais energéticos, distribuídos desde seu transporte em grandes distâncias até o uso de equipamentos e tecnologias responsáveis pela produção e preparo desses materiais, que podem chegar a 80% do consumo energético utilizado na construção de um edifício (SANTOS, 2009).
Com a capacidade de gerar energia a uma baixa intensidade de ventos e principalmente de forma renovável e limpa, o uso de aerogeradores residenciais, quando bem dimensionado e após estudos intrínsecos à região determinada, tonar-se uma alternativa economicamente sustentável de atender à demanda energética e minimizar a emissão de resíduos, que consequentemente influenciarão de forma positiva o meio ambiente (MATHEWS, 2011).
Aplicado às obras da construção civil, o uso de aerogeradores eólicos de pequeno porte
atrai cada vez mais pessoas ou empresas que estejam à procura de profundas transformações,
que facilitem implementar ferramentas capazes de reduzir o consumo de energia elétrica
tradicional, sem provocar o aumento dos gases do efeito estufa. A instalação de fontes
alternativas de energia, o que incluem aerogeradores de pequeno porte, pode proporcionar
aumento potencial na produção de energia do país, gerando empregos e atraindo investimentos
no setor. Além do que, a transferência da lucratividade do processo de produção energética para
a população torna-se uma forma economicamente viável de melhorar a sua qualidade de vida
(MENEZES, 2012).
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3 METODOLOGIA
3.1 Caracterização da área de estudo
O estudo foi desenvolvido no município de Natal, capital do Estado do Rio Grande do Norte, na região Nordeste do país e banhado pelo Oceano Atlântico. É caracterizado pelo clima do Seridó Oriental e seu bioma predominantemente é a caatinga, com temperaturas superiores a 27ºC e áreas que passam por longos períodos de seca, caracterizada pela elevada variabilidade espacial e temporal das precipitações (IDEMA, 2016). De acordo com Bezerra (2007), sua formação geológica e geomorfológica é constituída por topografia suave e ondulada, formados por rochas cristalinas com grandes limitações, devido à pequena capacidade de retenção da água e a susceptibilidade à erosão.
O Brasil-RN, localizado na região Equatorial do globo terrestre, sofre constante
influência dos ventos alísios, que ocorrem entre 0º e 30º de latitude. Estes são resultados de
deslocamentos de massas de ar quente e úmido que se realizam de forma concêntrica em direção
às áreas de menor pressão atmosférica das Zonas Equatoriais do globo terrestre, a Zona de
Convergência Intertropical. Através de uma diferença térmica ocasionada pelo aquecimento
solar sobre a superfície terrestre, e uma diferença de pressão atmosférica entre o equador e os
polos, ocorre uma movimentação das massas de ar atmosféricas caracterizando o chamado
efeito de “circulação geral da atmosfera”- no qual as massas de ar quente e de leve densidade
proveniente do Equador sobem e seguem rumo aos polos onde sofrem esfriamento e descem,
gerando uma camada de ar fria e de alta densidade que sai dos polos em direção ao Equador
(ANEEL, 2003).
11
Figura 6 – Mapa de situação de Natal/RN
Fonte: Elaborado pelo autor.
3.2 Processamento e base de dados
Para realização do trabalho foram utilizadas estações meteorológicas distribuídas pelo município de Natal, de acordo com a disponibilidade de normais climatológicas. Com latitude de 05°47'42''S e longitude de 35°12'34''W, foram coletados dados de velocidade média mensal e anual do vento a 10 metros de altura (altura recomendada para instalação de aerogeradores residenciais), obtidos no site do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET).
De posse dos dados característicos de aerogeradores residenciais, foi estabelecida a capacidade de geração de energia mensal e anual para microrregião escolhida, definindo-se a aptidão para a instalação dos aerogeradores residenciais nas obras da construção civil.
3.3 Determinação de modelos de aerogeradores residenciais adequados à instalação
Existem três componentes principais do vento que determinam a potência disponível
para um sistema de conversão de energia eólica: a velocidade do vento, as características
(turbulência) e a sua massa específica. A velocidade do vento é de extrema importância, pois a
potência é diretamente proporcional à velocidade do vento. Além disso, a velocidade varia com
12
a altitude sobre o solo, pela fricção causada por montanhas, árvores, edifícios e outros objetos.
A turbulência determina os modelos de ventos globais e os movimentos do ar daquela região, determinando aproximadamente os recursos eólicos de uma localidade, definindo se um recurso eólico é viável. As massas específicas de ar em temperaturas baixas elevam-se, aumentando a fluidez das moléculas em certo volume de ar. Logo, a maior fluidez das moléculas em cima da pá de uma turbina produz um rendimento mais alto da potência produzida. Um aerogerador obtém sua potência de entrada convertendo a força cinética do vento em torque. A quantidade de energia transferida do vento para o rotor depende da massa específica do ar, da área do rotor (diâmetro das pás) e da velocidade do vento (MÉNDEZ, 2013).
Perante a normativa estabelecida pela legislação brasileira (ANEEL N°482/2012), que define o Sistema de Compensação de Energia Elétrica, toda a produção excedente de energia elétrica, gerada por micro ou mini geração residencial, pode ser injetada diretamente na rede, resultando em créditos (kWh), que a unidade consumidora terá até o momento que necessite de energia vinda da distribuidora, o que reduz os custos com sistemas de armazenamento. Caso a energia gerada pelo próprio sistema residencial não supra a demanda consumida pela família, os créditos serão resgatados e a diferença entre a energia gerada e a energia consumida será paga (FARIAS, 2016).
Para analisar a magnitude das variáveis, foi realizada a coleta de dados de aerogeradores
residenciais de eixo horizontal, que são mais comumente comercializados e difundidos, ambos
fornecidos pela ENERSUD, que atualmente trabalha apenas com turbinas de eixo horizontais e
é considerada a fábrica com o maior número de sistemas eólicos implantados no Brasil,
apresentando a maior quantidade de equipamentos voltados à geração de energia a partir de
fontes renováveis. Foram selecionadas 3 turbinas eólicas comercializadas pela empresa e
posteriormente elaborada uma tabela de comparação entre características e configurações de
desempenho, tornando-se possível a determinação do aerogerador eólico ideal para a realização
da pesquisa, gerando assim a Tabela 1, que relaciona a produção em kWh com seus respectivos
potenciais de geração, influenciando diretamente no custo-benefício do produto. As Figuras 6,7
e 8 apresenta os aerogeradores selecionados.
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Tabela 1 – Caracterização de aerogeradores eólicos de eixo horizontal
Produtos Turbina eólica Notus 138 Turbina eólica Gerar 246 Turbina eólica Gerar Extreme
Número de pás 3 3 3
Diâmetro da hélice (m) 1,38 2,46 2,46
Peso total (Kg) 12,5 35 39
Potência nominal (watts) 420 1000 1200
Rotação nominal (rpm) 1100 740 480
Velocidade de partida (m/s) 2,2 2 2,2
Valor do produto (reais) 3.620,00 8.370,00 9.200,00
Caracterização das turbinas eólicas de eixo horizontal
Fonte: Baseado em dados disponibilizados pela ENERSUD.
Figura 7 - Aerogerador de eixo horizontal (Notus 138)
Fonte: Baseado em dados disponibilizados pela ENERSUD.
Figura 8 - Aerogerador de eixo horizontal (Gerar 246)
Fonte: Baseado em dados disponibilizados pela ENERSUD.
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Figura 9 - Aerogerador de eixo horizontal (Gerar Extreme)
Fonte: Baseado em dados disponibilizados pela ENERSUD.
Apresentando geração de energia a partir de ventos a 2,2 m/s e a maior potência nominal de geração watts diretamente ligada a uma menor rotação nominal e rpm, a Turbina Eólica Gerar Extreme foi a escolhida para realização dessa pesquisa. Essa turbina é considerada a evolução da Turbina Eólica Gerar 246, apresentando um pequeno aumento em seu valor e aprimoramentos em suas características, tornando-se capaz de atender às exigências de locais caracterizados pela necessidade de manter a geração de energia mesmo com baixo potencial de intensidade dos ventos, resistindo ainda a suas oscilações e altas velocidades. Para isso, a turbina ganhou um alternador maior, com capacidade de atingir a potência nominal desejada com metade da velocidade rotacional da turbina original, além de operar em velocidade reduzida de 480 rpm, capaz de manter condições operacionais por longos períodos, dispensando custos com manutenção e visitas constantes.
A Turbina Eólica de Eixo Horizontal Gerar Extreme (Figura 5) é vendida virtualmente pelo próprio site da empresa ENERSUD, que disponibiliza o potencial de geração energético de cada aerogerador e seus respectivos valores, esclarecendo qual a turbina melhor se adapta à localidade e necessidade do consumidor, realizando ainda entregas para todo o Brasil. Custando R$9.200,00 no ano de 2019 para o interessado em adquirir o produto, a turbina em que foi desenvolvido esse estudo possui torque de partida de 0,3 Nm e potência nominal de 1200 W, composta por um rotor de diâmetro equivalente a 2,46 m com 3 pás e com 39 kg fatores determinantes na facilidade de sua instalação e redução com custos periódicos de manutenção.
Abaixo, o Gráfico 1 apresenta a curva característica da potência do aerogerador de eixo
horizontal selecionado, o Gerar Extreme, em que foi realizada a interpolação de pontos gerando
uma equação polinomial de 3° grau para produção mensal de energia em função da velocidade
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dos ventos a 10 metros de altura, ao longo dos meses do ano, apresentando ótima precisão que pode ser comprovada ao analisar o R², que aproxima os valores a estimativa real da produção de energia elétrica do aerogerador adotado.
Gráfico 1 - Curva característica de um aerogerador de eixo horizontal Gerar Extreme
y = -1,5065x3 + 28,18x2 - 94,929x + 85,797 R² = 0,9995
-100 0 100 200 300 400 500
0 2 4 6 8 10 12
Produção de energia kwh por mês
Velocidade em m/s
Fonte: Baseado em dados disponibilizados pela ENERSUD.
4 RESULTADOS
O Gráfico 2 apresenta a variabilidade mensal e espacial da velocidade do vento, de acordo com as Normais climatológicas de vento a 10 m de altura, disponibilizadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) para a região do município de Natal. Destacando-se com médias anuais de 4,41 m/s, justificada pela proximidade desta localidade ao litoral do estado, sofrendo forte influência das brisas terrestres e marítimas, além da incidência de ventos alísios.
Observa-se que esses fatores variam ao longo do ano, atuando com menor intensidade nos
meses de final de verão e outono (fevereiro a maio), diminuindo assim a força dos ventos que
seriam convertidos em energia elétrica, e aumentando nos meses de final de inverno e primavera
(agosto a novembro). Esses resultados revelam que o período de maior produção de energia
eólica concentra-se nos períodos de baixa precipitação, mostrando que a produção de energia
eólica vem a funcionar de forma complementar à hidrelétrica, reduzindo o impacto sobre os
reservatórios no período de estiagem (ANEEL, 2013).
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Gráfico 2: Variabilidade espacial e temporal da velocidade média dos ventos a 10m de altura.
0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00
Intensidadedos ventos (m/s)
Meses do ano Natal
Fonte: Elaborado pelo autor.
Conforme as Normais climatológicas de intensidade dos ventos a 10 metros de altura
fornecidas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), foram obtidos dados da
estimativa de geração mensal de energia para a localidade (Gráfico 3), de acordo com a função
obtida pela curva característica de geração de energia de um aerogerador de eixo horizontal, o
modelo Gerar Extreme fornecido pela ENERSUD, adotado como padrão neste trabalho. A
região de Natal é capaz de gerar 147,67 kWh no mês de setembro e alcança um total anual de
1032,01 kWh.
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Gráfico 3 - Estimativa de geração mensal de energia por um aerogerador de eixo horizontal.
0 20 40 60 80 100 120 140 160
kWh
Meses do ano Natal
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para análise da viabilidade econômica e rendimento para instalação de aerogeradores eólicos na capital do estado do Rio Grande do Norte, foi adotada a tarifa cobrada pela Companhia Energética do Rio Grande do Norte (COSERN) de R$0,506 por kWh fornecida pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL, 2019), e assim gerada a Equação 4 que relaciona a quantidade de energia convertida pela turbina eólica e sua rentabilidade mensal obtida em moeda (reais), destacando-se o mês de setembro com valores que chegam a R$ 74,72 mensais e um total de R$ 522,20 anual, sendo assim representados pelo Gráfico 4.
TcxQp
Vo (4)
Em que “Vo” representa o valor obtido em moeda (real) naquele respectivo mês, de
acordo com a tarifa “Tc” cobrada pela COSERN, a cada kWh produzido “Qp” de acordo com
o aerogerador adotado.
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Gráfico 4 – Conversão de kWh em moeda (real) ao longo do ano.
Fonte: Elaborado pelo autor.
Analisando o custo-benefício do investimento e supondo uma geração constante de R$522,20 anual, o valor gasto inicialmente de R$9.200,00 para adquirir esse aerogerador eólico de eixo horizontal seria pago em aproximadamente 17 anos, o que pode variar ao longo do tempo conforme a variação na intensidade dos ventos na região estudada ou até mesmo com o aumento da altura em que a turbina foi instalada, influenciando diretamente no potencial energético desta turbina eólica.
Para definição da classe de aptidão para instalação de aerogeradores residenciais nas
obras da construção civil, foi estimado o consumo de uma obra de médio e outra de pequeno
porte. O primeiro caso apresenta 14 funcionários e consumo total médio mensal estimado em
1.186,80 kWh (Tabela 2), foi adotada a composição de custos unitário dos materiais utilizados
na produção das estruturas de concreto armado dos pavimentos do Tribunal Regional do
Trabalho da 12ª Região (TRT12), localizado em Florianópolis/SC.
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Tabela 2 – Cálculo do consumo de energia elétrica mensal
Equipamentos Potência (W)
Dias de Uso
Tempo Médio
(horas) Quantidade
Consumo Médio/Dia
(kWa)
Consumo Médio/Mês (kWh)
Geladeira 120 30 10,00 1 2,00 60,00
Lâmpada
incandescente 60 W 60 30 6,00 8 7,20 86,40
Lâmpada
incandescente 100 W 100 30 6,00 8 6,00 144,00
Máquinas de mão
portátil 1200 15 4,50 5 43,20 405,00
Betoneiras 1400 15 4,00 1 5,60 84,00
Motor de potência para transporte de
cargas verticais
6000 10 4,00 1 24,00 240,00
Motor de potência
para serra circular 3800 10 1,80 1 6,84 68,40
Motor de potência
para policorte de aço 3000 10 1,10 1 3,30 33,00
Bebedouro de água
potável 300 22 4,00 1 1,20 26,40
Micro Computador 200 22 8,00 1 1,60 35,20
Impressora 400 22 0,50 1 0,20 4,40
Total 16580 216 49,90 29 101,14 1186,80
Composição do consumo unitário
Fonte: Adaptado pelo autor.
Para realização do cálculo do Consumo médio de energia (Cm) em kWh de cada equipamento, utilizou-se a Equação 5, disponibilizada pelo Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL), no qual resultado do produto entre “W” que é a potência do equipamento, o “Nh” sendo número de horas utilizadas e por fim “Nd” como o número de dias de uso ao mês, originando:
1000 WxNhxNd
Cm
(5)
O município de Natal possui intensidade dos ventos a 10 metros de altura que variam
de 3,17 m/s a 4,41 m/s ao longo do ano, tendo sua produção máxima nos meses de final de
inverno e começo de primavera (agosto a novembro). Adotando o uso da Turbina Eólica Gerar
Extreme e obtendo como base a produção máxima mensal de 147,67 kWh no mês de setembro,
pode-se definir que a mesma atenderia à demanda energética de 12,45% desta obra, suprindo
necessariamente apenas o quantitativo energético da betoneira e da geladeira.
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Definindo como “aptas” as regiões capazes de suprir mais de 50% do consumo mensal das obras da construção civil, “moderadas” as regiões que apresentem de 20% a 50% do consumo e “baixas aptidões” com geração de energia menor que 20%. Entretanto, definir uma região como de aptidão baixa, não inviabiliza a instalação desses aerogeradores, pois estas classificações variam conforme o tamanho da obra e o uso de equipamentos com elevados índices de consumo médio mensal, fatores estes, que podem ser solucionados conforme investimentos em aerogeradores mais modernos ou até mesmo aplicando sistemas híbridos.
Ao comparar os valores de geração de energia apresentada pela Turbina Eólica Gerar Extreme à obras de pequeno porte como construções menores, revestimentos ou pequenas reformas, determinou-se que a menor necessidade por equipamentos influencia diretamente em seu consumo médio de energia mensal como mostra o exemplo evidenciado. O segundo caso escolhido apresenta 6 funcionários e tem como objetivo a execução da construção de banheiros públicos e salas de apoio (Tabela 3) ao Departamento Estadual de Trânsito do Distrito Federal (DETRAN/DF), localizado no Parque Ecológico do Gama. O seu canteiro de obras teve duração de 60 dias e segundo sua planilha estimativa orçamentária disponibilizada pela Administração Regional do Gama, seu consumo médio de energia nesse espaço de tempo seria de 600 kWh.
Tabela 3 – Execução da construção de banheiros públicos e salas de apoio ao DETRAN/DF
Descrição dos Serviços Tipo Etapa (dias)
Serviços Preliminares
Construções provisórias, proteção e sinalização, locação
da obra, limpeza e preparação da área, compactação do aterro
0 a 15
Fundações e estruturas
Escavação das valas, vigas baldrames, blocos e estacas,
estruturas metálicas
15 a 45
Arquitetura e elementos de urbanismo
Piso, parede, teto, portas e janelas, louças, mestais e
acessórios
15 a 45
Instalações hidráulicas Água e esgoto 15 a 45
Instalações elétricas
Instalações elétricas, eletrodutos, caixa de passagem, cabos e fios,
luminárias
15 a 45
Serviços complementares Limpeza da obra 45 a 60
Fonte: Adaptado pelo autor.
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Estabelecendo que o consumo energético total desta obra foi de 600 kWh e teve duração de 2 meses, a produção energética do aerogerador adotado também será repetida ao longo desse tempo, gerando aproximadamente 295 kWh de economia na tarifa de energia elétrica comercial de baixa tensão, representando quase 50% de seu consumo total e tornando a obra do segundo caso “apta” ao investimento em instalação de aerogeradores de pequeno porte.
Segundo a Resolução Normativa ANEEL nº482/2012, que define o Sistema de
Compensação de Energia Elétrica brasileira, todo o excedente produzido em meses de maior
intensidade dos ventos poderá ser utilizado na forma de créditos em períodos posteriores de
baixa produção de energia ou serão inseridas na própria rede convencional, gerando descontos
nas tarifas futuras. Esta pesquisa sobre o potencial e viabilidade técnica pra instalação de
aerogeradores na construção civil, leva em consideração que todo o excedente produzido em
meses de maior intensidade dos ventos ou até mesmo a energia gerada não utilizada em obras
de pequeno porte, atuariam de forma complementar aos canteiros das construções de grande
porte, transferindo a lucratividade do processo de produção energética para a população.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O município de Natal/RN apresenta potenciais eólicos adequados a instalação de aerogeradores residenciais voltados à construção civil, entretanto é necessário realizar considerações características de cada localidade e demanda energética dos canteiros de obra determinados.
A região litorânea se destaca com moderados níveis de velocidade média dos ventos,
tornando o investimento viável a obras de pequeno porte, em que as turbinas eólicas de eixo
horizontal seriam capazes de atender a grande parte do consumo mensal de energia, transferindo
a lucratividade do processo para a construtora adepta ao investimento, proporcionando ainda a
preservação do meio ambiente e economia através da sustentabilidade.
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6 REFERÊNCIAS
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http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm. Acesso em: 24 set. 2019.
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Agência Nacional de Energia Elétrica, ANEEL. Ranking das Tarifas. Rio Grande do Norte:
ANEEL, s/d. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/relatorio-ranking-tarifas. Acesso em: 11 out. 2019.
AMARANTE, O. A. C. do; BROWER, M.; ZACK, J.; SÁ, A. L. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. Brasília: Ministério de Minas e Energia, 2001.
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when sustainability and competitiveness shake hands. New York: Palgrave Macmillan, 2009.
CASTRO, R. M. G. Energias Renováveis e Produção Descentralizada: introdução à energia eólica. 3 ed. Lisboa: Universidade Técnica de Lisboa, 2007.
CEPEL, Centro de Pesquisas de Energia Elétrica. Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. 3. ed.
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FADIGAS, E. A. F. A. Energia eólica. Barueri, SP: Editora Manoele Ltda, 2011.
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