TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO PARA GERADORES EÓLICOS

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Torres em concreto premoldado para geradores eólicos

Válter Lúcio e Carlos Chastre – Universidade NOVA de Lisboa ICCX Conference - Latin America 2014

Florianópolis, Brasil

Válter Lúcio: [email protected]

TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO

PARA GERADORES EÓLICOS

Válter J. G. Lúcio e Carlos Chastre Rodrigues

Universidade NOVA de Lisboa - Portugal

ICCX Conference

Latin America 2014

25 a 28 de março de 2014 Florianópolis, Brasil

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Válter Lúcio: [email protected] 2

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO 2. O MERCADO DA ENERGIA EÓLICA 3. EQUIPAMENTOS 4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS 5. AÇÕES 6. TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO

7. O GRUPO DE TRABALHO DA

fib

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1. INTRODUÇÃO

A energia do vento é usada há mais de 5 000 anos:

 Em barcos à vela para transporte

em mares, rios e lagos;

 Em moinhos para reduzir a farinha

os cereais;

 Na indústria em serrarias,

fábricas de papel, etc.;

 Para bombear água para a

agricultura, para o gado e os humanos.

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1. INTRODUCTION

Hoje a energia eólica é usada para

produzir eletricidade para a indústria e para os edifícios.

A produção de energia eólica para o

consumo diário é hoje uma realidade em muitos países.

Fontes da energia elétrica consumida numa habitação Portuguesa, durante 2013 Parque eólico em Torres Vedras - Portugal

40,1% 10,0% 8,9% 15,1% 10,7% 15,2% Energia eólica Energia hidráulica

Outras fontes renováveis Carvão

Cogeração fóssil Outras

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2. O MERCADO DA ENERGIA EÓLICA

6,1 7,6 10 14 17 24 31 39 48 59 74 94 121 159 198 238 283 0 50 100 150 200 250 300 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Giga Watt Ano

Capacidade global de produção de energia eólica 1996–2012

(adaptado de Renewables - 2013 Global Status Report) A evolução da capacidade de

produção de energia eólica no mundo é altamente positiva. Em 2012, o aumento em relação a 2011 foi de cerca de 19%.

Prevê-se que a produção global de energia eólica venha a ter um crescimento exponencial nos próximos anos.

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13,0 13,1 2,4 1,1 2,3 1,9 1,3 0,8 0,5 _0,1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Giga Watt Adicionado em 2012 Total em 2011

O crescimento mais significativo do ano 2012 ocorreu na América Latina, nomeadamente no Brasil, onde houve um aumento de 1.1GW de potência instalada.

Este aumento é uma resposta ao crescimento da procura de energia elétrica, devido ao crescimento econômico do Brasil.

No entanto, este aumento não foi suficiente para colocar o Brasil no

clube top dez em 2013. _{10 maiores produtores de energia eólica}

(adaptado de Renewables - 2013 Global Status Report)

Tendo em conta esta tendência, é claro que a energia eólica é uma área promissora de negócios, isto é, para a construção de torres em concreto premoldado para suporte de geradores eólicos.

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Evolução da altura da torre e do diâmetro das pás com a potência do gerador

Fonte: Wind Energy – The Facts 2010

As torres de suporte das turbinas necessitam ser tanto mais altas quanto maior for o

diâmetro das pás, para que as pás fiquem afastadas de obstáculos que provocam turbulência e atrito do vento perto da superfície.

Para produzir mais energia com menores custos, nomeadamente os custos relativos aos controles, à ligação à rede elétrica e de manutenção, é

necessário ter menos geradores e mais potentes.

O desafio futuro é usar turbinas com potência acima de 10 MW, porque são mais econômicas.

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NACELE: • Caixa de velocidades • Gerador • Transformador

3. EQUIPAMENTO

Suporte das pás Pá Transformador Sensores de vento Gerador Caixa de velocidades Chassi da máquina ROTOR: • 3 pás • 90 m diâmetro DADOS OPERACIONAIS: • Start/stop velocidade do vento: 4 m/s – 25 m/s • Velocidade nominal do vento a 3 MW: 15 m/s TORRE: 65 m, 80 m, 90 m ou 105 m. Pesos: Nacele 660 kN Rotor 380 kN Torre  2000 kN EXEMPLO DE UMA TURBINA

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 Estruturas de madeira ou alvenaria de pedra;  Treliças ou postes de aço;

4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS

 10 m de altura

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 Estruturas treliçadas em aço;  Cascas tronco-cónicas em aço;  Cascas em concreto premoldado;

 40 m - 80 m de altura

 60 m - 90 m de diâmetro do rotor

 1 MW – 3 MW

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Válter Lúcio: [email protected] Fonte: Hormifust 11

 Soluções híbridas em concreto na

base, premoldado ou moldado in situ, e no topo uma casca

tronco-cónica em aço;

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Estrutura treliçada em concreto premoldado

4. SOLUÇÕES ESTRUTURAIS

Para responder do mercado de torres com maior altura, foi projetada uma torre em treliça de concreto armado premoldado. De montagem rápida e fácil transporte.

A torre treliçada é composta por elementos premoldados e pretende ser uma solução alternativa e competitiva em termos econômicos.

As pequenas dimensões dos elementos:

 reduzem os custos de transporte,

 proporcionam a liberdade de escolha da geometria da

torre e optimizar a capacidade de carga e o controlo da frequência natural de vibração.

A solução apresenta também reduções no custo das fundações.

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 Parques eólicos onshore;  Parques eólicos offshore.

Offshore:

• O rotor pode estar a uma distância menor da água

(do que do solo) devido ao menor efeito do atrito superficial no perfil de velocidade do vento;

• Maior velocidade de funcionamento porque os

inconvenientes causados pelo ruido provocado são menores;

• Diâmetro do rotor é menor;

• Torre menor para gerar a mesma potência.

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FOUNDAÇÕES

 Onshore: sapatas de grandes

dimensões ou estacas;

 Offshore:

 Gravidade ou por estacas

para águas superficiais;

 Flutuante para águas profundas.

Fonte: Principle Power

Fonte: Enercon Windblatt, 2009

Fonte: Concrete Wind Towers, The Concrete Center, 2005.

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FUNDAÇÕES EM OFFSHORE

Fonte: Volund, Per; Concrete is the future for Offshore foundations; Wind

Engineering, Volume 29, 2005

Produção de fundações por gravidade na Dinamarca

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COMPARAÇÃO DAS TORRES EM AÇO E EM CONCRETO

Fonte: Concrete Towers for Onshore and Offshore Wind Farms; Gifford, The Concrete Center, 2007.

TORRES EM AÇO TORRES EM CONCRETO

Grandes diâmetros (4.3m+) mais difícil de transportar por estrada

Maior peso do que o aço.

Sensibilidade a ações dinâmicas, rigidez

menor e dificuldade de controle das frequências naturais de vibração.

Bom comportamento para as ações dinâmicas devido ao maior peso da torre.

Necessitam fundações com maiores

dimensões.

Menores fundações.

As ligações (flanges etc.) são condicionadas pela fadiga.

Protensão melhora o comportamento da torre e reduz

os efeitos da fadiga. Necessitam manutenção da proteção contra a

corrosão, especialmente em offshore.

As ligações são vulneráveis à corrosão.

Manutenção reduzida. Protensão melhora a

durabilidade do concreto.

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5. AÇÕES

As principais ações na estrutura da torre são:

• O peso da turbina e o peso próprio

da estrutura;

• As forças do vento na turbina e na

estrutura;

• Efeitos dinâmicos do vento e do

equipamento;

• Ação dos sismos.

q _vento (z,t)

a_{g sismo}(t) Vento na torre

Sismo

Vento na turbina F_top (t)

M_F(t) G_top (t) Peso p ró p ri o (z ) ONSHORE

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Válter Lúcio: [email protected] Fonte: www.windfair.net 18

• Ações das correntes e das ondas,

incluindo os efeitos dinâmicos, no caso de torres offshore.

5. AÇÕES

q _vento (z,t) a_{g sismo} (t) Peso p ró p ri o (z ) Vento na torre Sismo

Vento na turbina F_top (t)

M_F(t) G_top (t)

OFFSHORE

q _{ondas e correntes} (z,t) Ondas e correntes

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6. TORRES EM CONCRETO PREMOLDADO

 Anéis em concreto premoldado, com juntas horizontais, normalmente protendidos na vertical;

 Meios anéis em concreto premoldado na base e anéis fechados nas zonas superiores, com juntas horizontais, normalmente protendido na vertical;

 Aduelas verticais, com largura compatível com os meios de transporte correntes, com protensão vertical;

 Estrutura treliçada de elementos lineares, em concreto premoldado e protendidos, ligados entre si.

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Anéis em concreto premoldado com juntas horizontais.

Anel inferior com abertura para a porta. Fonte: Enercon

20

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Ligação entre anéis numa junta horizontal.

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Meios anéis em concreto premoldado, com juntas verticais e horizontais.

Pormenor de uma junta vertical.

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ATS – Advanced Tower System

Sistema de aduelas verticais, com largura compatível com os meios de transporte correntes, com protensão vertical.

Torre híbrida do sistema ATS

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6. TORRES EM CONCRETO

PREMOLDADO

ESTRUTURA TRELIÇADA Os autores desta apresentação

desenvolveram uma nova solução estrutural, com elementos premoldados (colunas, vigas transversais e diagonais) para construir uma treliça espacial.

Esta solução permite uma construção

rápida e fácil de transportar, uma vez que os elementos são de dimensão reduzida.

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PATENT PENDING em Portugal e no Brasil. Prémio BES de Inovação 2009, no tópico “Novos materiais e tecnologias industriais”.

Esta solução estrutural permite diferentes opções como o número e dimensões das colunas, o seu afastamento e a intensidade da protensão.

A solução é flexível permitindo adaptar a torre àaltura especificada, às forças do vento, ao peso da turbina e aos limites definidos para as frequências próprias de vibração.

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OFFSHORE

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ONSHORE A solução de Torre

Treliçada permite a construção de torres altas para suportar turbinas pesadas:

• onshore • e offshore.

A solução para offshore tem como vantagens maior durabilidade e menores custos de manutenção do que as soluções em aço, menor resistência às ações hidrodinâmicas do que as soluções em poste e pode ser usada em águas profundas.

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Este grupo de trabalho tem como objetivo produzir um documento com o estado da arte sobre estruturas em concreto premoldado para suporte de turbinas eólicas.

Pretende-se analisar e discutir os aspetos relacionados com a conceção, dimensionamento, pormenorização, construção e impacte ambiental de torres em concreto premoldado para produção de energia elétrica.

fib Commission 6 - Prefabrication

:

Precast concrete towers

for wind energy production

Commission 6

Prefabrication

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O documento abordará os seguintes tópicos:

• Tipos de torres de concreto • Equipamento • Segurança • Ações • Análise estrutural • Ligações e pormenorização • Construção • Aspetos ambientais • Desenvolvimentos recentes