Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
AS ENERGIAS RENOVÁVEIS EM PORTUGAL NO
CONTEXTO DAS ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias
Carlos Daniel Almeida Rochinha
Orientadores:
Professor Doutor João Carlos Andrade dos Santos
Professora Doutora Margarida da Conceição Rasteiro Magano
Lopes Rodrigues Liberato
Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
AS ENERGIAS RENOVÁVEIS EM PORTUGAL NO
CONTEXTO DAS ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS
Dissertação de Mestrado em Engenharia de Energias
Carlos Daniel Almeida Rochinha
Composição do Júri:
Professor Doutor Eurico Vasco Ferreira Amorim
Professor Doutor João Carlos Andrade dos Santos
Professor Doutor Armando Luís Sousa Araújo
i
AGRADECIMENTOS
Desejo expressar os meus mais sinceros agradecimentos:
Ao Professor Doutor João Santos, meu orientador, pela competência científica e acompanhamento do trabalho, pela disponibilidade e generosidade reveladas ao longo deste último ano, assim como pelas críticas, correções, sugestões e palavras de incentivo feitas durante a orientação.
À Professora Doutora Margarida Liberato, minha coorientadora, pela competência científica e orientação dada, bem como pela disponibilidade e amizade então demonstradas.
Ao Coordenador do Mestrado em Engenharia de Energias, Professor Vasco Amorim, além da amizade, agradeço também a oportunidade e o privilégio que tive em frequentar este Mestrado que muito contribuiu para o enriquecimento da minha formação académica e científica.
Ao Ricardo, ao Hugo, ao Jony, ao Paulito, ao Pipoca, à Ana Rosa, ao Alex, à Carolina, ao Manicha, à Tatiana, ao Barbosa, à Soraia, ao Cana e ao Tito por todo o apoio e paciência que tiveram comigo durante esta jornada académica além de a terem transformado nos melhores anos da minha vida.
Um muito especial agradecimento à minha mãe, ao meu pai, ao meu padrinho e à minha irmã por todos os valores que me transmitiram. O afeto, o apoio, a alegria e a atenção sem reservas que me deram, durante todos estes anos, é impagável.
ii
Este trabalho foi parcialmente apoiado por fundos do FEDER (Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional) através do Programa COMPETE (Programa Operacional Factores de Competitividade) e por fundos nacionais através da FCT (Fundação para a Ciência e a Tecnologia, Portugal), no âmbito do projeto STORMEx – Variabilidade das Depressões Extratropicais Extremas no Atlântico Norte: Diagnose, Modelação de Processos Dinâmicos e Impactos na Península Ibérica (FCOMP-01-0124-FEDER-019524; PTDC/AAC-CLI/121339/2010).
iii RESUMO
O potencial energético do vento na Península Ibérica é avaliado, tanto para o passado recente (1961-2000) como para condições climáticas futuras (2041-2070), seguindo o cenário SRES A1B. Para o primeiro período, é usada uma simulação do COSMO-CLM (modelo climático regional) conduzido pelos dados das reanálises ERA-40, enquanto para o segundo período o COSMO-CLM é forçado pelo ECHAM5 (modelo climático global). Em ambas as simulações, a resolução espacial da malha obtida é de aproximadamente 20 km. É considerado um protótipo de uma turbina eólica, com potência nominal de 2 MW, de forma a estimar o potencial de geração de energia eólica à escala sazonal. Para avaliações regionais mais detalhadas, várias áreas-alvo também foram levadas em conta separadamente. Para o passado recente, os maiores potenciais médios diários são detetados no inverno e sobre o norte e leste da Península Ibérica, principalmente sobre áreas de altitude ou ao longo de algumas regiões costeiras. A região de Gibraltar revela elevado potencial ao longo do ano, enquanto o vale do Ebro e a costa centro-oeste apresentam potenciais relativamente mais elevados no verão. Utilizando uma simulação de controlo no período de 1961-2000, o COSMO-CLM é calibrado e as projeções das alterações climáticas do potencial eólico são geradas. Essas projeções sugerem reduções significativas no inverno e primavera sobre a maior parte da península, assim como alguns aumentos mais localizados no verão. Além disso, é ainda digna de nota a intensificação do potencial eólico na zona do Estreito de Gibraltar.
Palavras-chave: potencial energético do vento, energias renováveis, Península Ibérica,
v ABSTRACT
The wind energy potential in the Iberian Peninsula is assessed for both a recent past period (1961-2000) and under future climatic conditions (2041-2070), following the SRES A1B scenario. For the first period, a COSMO-CLM (regional climate model) simulation driven by ERA-40 reanalysis is used, while for the second period the COSMO-CLM is driven by ECHAM5 (global climate model). In these simulations, the spatial resolution of the fields is of approximately 20 km. A wind turbine, with rated power of 2 MW, is considered for estimating the wind energy potential at the seasonal time scale. For more detailed regional assessments, several target areas are also taken into account separately. For the recent-past conditions, the highest daily mean potentials are detected in winter and over northern and eastern Iberia, mostly over either high-elevation areas or along some coastal regions. The Gibraltar Strait region reveals high potentials throughout the year, while the Ebro valley and the central-western coast show relatively high summertime potentials. Using a control run in the period 1961-2000, COSMO-CLM is calibrated and climate change projections of the wind energy potential are generated. These projections highlight significant decreases in winter and spring over most of the peninsula, but some regional increases in summer are also detected. Furthermore, the strengthening of the wind potential in the Gibraltar Strait area is still worth noting.
Keywords: wind energy potential, renewable energy, Iberian Peninsula, wind turbine, climate projections, COSMO-CLM
vii ÍNDICE
1. Introdução ... 1
1.1. Enquadramento e estado da arte ... 2
1.2. Objetivos e estrutura da dissertação ... 5
2. Energia e Recurso Eólico ... 7
2.1. Enquadramento socioeconómico ... 7
2.2. Geração de energia eólica e caraterísticas do vento... 12
2.3. Turbinas eólicas ... 23
2.4. Ventos típicos da Península Ibérica ... 25
2.5. Modelação climática e análise de dados ... 26
3. Dados e métodos ... 33
4. Resultados ... 37
4.1. Caraterização do potencial energético do vento na Península Ibérica .. 37
4.2. Potenciais energéticos do vento no futuro ... 54
4.3. Ligações com as alterações nos padrões de pressão e circulação atmosférica de grande escala ... 62
5. Conclusões ... 65
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 1 -EVOLUÇÃO TEMPORAL DA CAPACIDADE INSTALADA DE ENERGIA EÓLICA E TOTAL POR PAÍS
(10+). ... 7
FIGURA 2-LOCALIZAÇÃO DOS PARQUES EÓLICOS INSTALADOS EM PORTUGAL E CAPACIDADE (MW) POR DISTRITO. ... 10
FIGURA 3-REPARTIÇÃO, POR TECNOLOGIA, DA ENERGIA COMERCIALIZADA EM 2013 PELA EDP ... 11
FIGURA 4-ESQUEMA SIMPLIFICADO DA CIRCULAÇÃO ATMOSFÉRICA GLOBAL... 14
FIGURA 5-DISTRIBUIÇÃO DE WEIBULL PARA VÁRIAS VELOCIDADES MÉDIAS DO VENTO (SPERA,2009). .. 17
FIGURA 6-EXEMPLO DE UMA CURVA REPRESENTATIVA DO COEFICIENTE DE POTÊNCIA DE UMA TURBINA EÓLICA (IEC,2005). ... 20
FIGURA 7-ÁREA VARRIDA PELAS PÁS DE UMA TURBINA EÓLICA (BORGES,2007). ... 21
FIGURA 8-CARATERÍSTICA ELÉTRICA DE UMA TURBINA DE 660 KW. ... 22
FIGURA 9 -VENTOS TÍPICOS DA PENÍNSULA IBÉRICA E A SUA ASSOCIAÇÃO COM O ESTADO DO TEMPO (GEOPALAVRAS,2014). ... 25
FIGURA 10 -ILUSTRAÇÃO DAS DIFERENÇAS ENTRE O MUNDO REAL E O MUNDO REPRESENTADO PELOS MODELOS DE SIMULAÇÃO CLIMÁTICA (ADAPTADO DE THEMESSL,GOBIET,&LEUPRECHT,2011) ... 26
FIGURA 11 - EVOLUÇÃO DA COMPLEXIDADE DOS MODELOS CLIMÁTICOS AO LONGO DAS DÉCADAS (ADAPTADO DE NCAR,2013). ... 27
FIGURA 12-ILUSTRAÇÃO ESQUEMÁTICA DOS CENÁRIOS SRES.AS QUATRO FAMÍLIAS DE CENÁRIOS SÃO MOSTRADAS, DE MODO SIMPLISTA, COMO RAMOS DE UMA MATRIZ BIDIMENSIONAL (ADAPTADO DE NAKICENOVIC,2000). ... 28
FIGURA 13 - REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA ABORDAGEM DE DOWNSCALING DE UM MODELO CLIMÁTICO REGIONAL (GIORGI &MEARNS,1991). ... 29
FIGURA 14 - GRÁFICO COM A CURVA DE POTÊNCIA (EM KW) DA TURBINA SELECIONADA. OUTRAS ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA TURBINA SÃO MOSTRADAS NA TABELA AO LADO. ... 35
FIGURA 15- A)MÉDIA DIÁRIA DO PEV(MWH.DIA-1), PARA O ANO COMPLETO, AO LONGO DO PERÍODO DE 1961-2000. B) DESVIO PADRÃO INTER-ANUAL CORRESPONDENTE. C)COEFICIENTES DE VARIAÇÃO RESPETIVOS (DESVIO PADRÃO/MÉDIA, EM %). ... 39
FIGURA 16–O MESMO QUE A FIGURA 15 MAS PARA OS MESES DE INVERNO. ... 40
FIGURA 17–O MESMO QUE A FIGURA 15 MAS PARA OS MESES DE PRIMAVERA. ... 41
FIGURA 18-O MESMO QUE A FIGURA 15 MAS PARA OS MESES DE VERÃO. ... 42
FIGURA 19-O MESMO QUE A FIGURA 15 MAS PARA OS MESES DE OUTONO. ... 43
FIGURA 20 - MAPA OROGRÁFICO (ALTITUDE EM METROS) DA PENÍNSULA IBÉRICA. AS CADEIAS DE MONTANHAS MAIS IMPORTANTES SÃO EXIBIDAS, JUNTAMENTE COM AS OITO ÁREAS-ALVO SELECIONADAS:1)NORTE DA GALIZA;2)BURGOS;3)VALE DO EBRO;4)NORTE DE PORTUGAL;5) SUL DA CATALUNHA; 6) OESTE; 7) ALBACETE; 8) SUL DA ANDALUZIA. AS ÁREAS COM ALTA CAPACIDADE DE GERAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA INSTALADA ENCONTRAM-SE A SOMBREADO. ... 44
FIGURA 21- A)HISTOGRAMA (BARRAS CINZENTAS EM NÚMERO DE DIAS) DO PEV DIÁRIO PARA OS MESES DE INVERNO (DJF)(EM MWH.DIA-1) AO LONGO DE TODO O PERÍODO 1961-2000 PARA O PONTO 1 (NORTE DA GALIZA).AS DISTRIBUIÇÕES EMPÍRICAS SUAVIZADAS DE KERNEL (CURVAS A VERMELHO)
x
E OS RESPETIVOS BOX-AND-WHISKERS TAMBÉM SÃO REPRESENTADOS.AS MÉDIAS, DESVIOS PADRÃO E MEDIANAS TAMBÉM SÃO INDICADAS. B)O MESMO QUE A) MAS PARA OS MESES DE VERÃO (JJA). C) DISTRIBUIÇÕES EMPÍRICAS SUAVIZADAS DE KERNEL PARA CADA ESTAÇÃO DO ANO (VER LEGENDA
PARA DETALHES).AS DIFERENÇAS RELATIVAS VERÃO-INVERNO TAMBÉM SÃO ASSINALADAS. ... 49
FIGURA 22-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 2(BURGOS). ... 50
FIGURA 23-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 3(VALE DO EBRO). ... 50
FIGURA 24-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 4(NORTE DE PORTUGAL). ... 51
FIGURA 25-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 5(SUL DA CATALUNHA) ... 51
FIGURA 26-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 6(OESTE). ... 52
FIGURA 27-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 7(ALBACETE). ... 52
FIGURA 28-O MESMO QUE A FIGURA 21 MAS PARA O PONTO 8(SUL DA ANDALUZIA). ... 53
FIGURA 29- A)MÉDIAS DIÁRIAS DO PEV(EM MWH.DIA-1) PARA O PERÍODO DE 2041-2070(CENÁRIO A1B DO SRES). B)DIFERENÇAS CORRESPONDENTES ENTRE O FUTURO E O PASSADO RECENTE (CCLM-A1B- CCLM-ERA40). APENAS AS DIFERENÇAS ESTATISTICAMENTE SIGNIFICATIVAS, AVALIADAS PELO TESTE T DE STUDENT, A UM NÍVEL DE CONFIANÇA DE 90%, SÃO MOSTRADAS. ... 54
FIGURA 30-O MESMO QUE A FIGURA 29 MAS PARA OS MESES DE INVERNO. ... 55
FIGURA 31-O MESMO QUE A FIGURA 29 MAS PARA OS MESES DE PRIMAVERA. ... 55
FIGURA 32-O MESMO QUE A FIGURA 29 MAS PARA OS MESES DE VERÃO. ... 56
FIGURA 33-O MESMO QUE A FIGURA 29 MAS PARA OS MESES DE OUTONO. ... 57
FIGURA 34 - CRONOGRAMAS DAS MÉDIAS DIÁRIAS DO PEV (EM MWH DIA-1) DE INVERNO, PARA OS PONTOS ENUMERADOS, PARA O PASSADO (1961-2000) E FUTURO (2041-2070) (SEPARADOS PELA LINHA VERTICAL).AS MEDIANAS DO CCLM-ERA40 E CCLM-A1B CORRESPONDENTES E A MÉDIA MÓVEL 11-ANOS ESTÃO AMBAS MOSTRADAS (CF. LEGENDAS).OS INTERVALOS ± DO DESVIO PADRÃO, EM RELAÇÃO À MÉDIA, PARA O PASSADO ESTÃO SOMBREADOS A CINZENTO... 58
FIGURA 35-O MESMO QUE A FIGURA 34 MAS PARA OS MESES DE PRIMAVERA. ... 60
FIGURA 36-O MESMO QUE A FIGURA 34 MAS PARA OS MESES DE VERÃO. ... 61
FIGURA 37-O MESMO QUE A FIGURA 34 MAS PARA OS MESES DE OUTONO. ... 61
FIGURA 38 - CAMPOS DE PRESSÃO AO NÍVEL MÉDIO DAS ÁGUAS DO MAR (CONTORNOS EM HPA) E VELOCIDADE DO VENTO A 10 METROS (SOMBREADO EM M.S-1) PARA O PASSADO (PAINÉIS DA ESQUERDA; 1961-2000) E PARA O PERÍODO FUTURO (2041-2070; PAINÉIS DO MEIO). PAINÉIS DA DIREITA:DIFERENÇAS CORRESPONDENTES ENTRE OS PERÍODOS FUTURO E PASSADO NA PRESSÃO AO NÍVEL MÉDIO DAS ÁGUAS DO MAR E NA VELOCIDADE DO VENTO DE 10 METROS (APENAS DIFERENÇAS ESTATISTICAMENTE SIGNIFICATIVAS A UM NÍVEL DE CONFIANÇA DE 90% SÃO MOSTRADOS).NOTA TAMBÉM PARA O SECTOR GEOGRÁFICO NOS PAINÉIS À DIREITA SER DIFERENTE PARA UMA MELHOR VISUALIZAÇÃO DAS DIFERENÇAS SOBRE A PENÍNSULA IBÉRICA. DE FORMA A MELHORAR A PERCETIBILIDADE, ALGUMAS DIREÇÕES PREDOMINANTES DO VENTO SINÓTICO A 10 M, DENTRO DA FAIXA 1017-1020 HPA, TAMBÉM SÃO ILUSTRADAS... 63
xi ÍNDICE DE TABELAS
TABELA 1-TIPOS DE SUPERFÍCIE E COMPRIMENTOS DE RUGOSIDADE CORRESPONDENTES ... 18
TABELA 2 - LISTA DAS SIMULAÇÕES DO MODELO REGIONAL, ACRÓNIMO DORAVANTE EMPREGADO,
RESOLUÇÃO ESPACIAL, FORÇAMENTO E PERÍODO CONSIDERADO ... 34
TABELA 3 - LISTA DAS SIMULAÇÕES DO MODELO GLOBAL, ACRÓNIMO DORAVANTE EMPREGADO,
RESOLUÇÃO ESPACIAL, FORÇAMENTO E PERÍODO CONSIDERADO. ... 36
TABELA 4-COEFICIENTES DE CORRELAÇÃO DE PEARSON ENTRE AS DIFERENTES OITO ÁREAS-ALVO E PARA AS MÉDIAS ANUAIS (ANN) E SAZONAIS (DJF,MAM,JJA E SON).COEFICIENTES ESTATISTICAMENTE SIGNIFICATIVOS, COM NÍVEL DE SIGNIFICÂNCIA DE 5%, POSITIVOS/NEGATIVOS ENCONTRAM-SE SOMBREADOS A CINZA-CLARO/ESCURO.CHAVE:1-NORTE DA GALIZA;2 -BURGOS;3-VALE DO
EBRO;4 -NORTE DE PORTUGAL;5–SUL DA CATALUNHA;6-OESTE;7-ALBACETE;8– SUL DA
ANDALUZIA. ... 46
TABELA 5-ALTERAÇÕES PROJETADAS NAS MEDIANAS (MÉDIAS) DO PEV PARA CADA PAR PONTO-ESTAÇÃO DO ANO (EM MWH.DIA-1). A SIGNIFICÂNCIA ESTATÍSTICA DAS ALTERAÇÕES NAS MEDIANAS É AVALIADA PELO TESTE DE WILCOXON-MANN-WHITNEY, A UM NÍVEL DE 5% DE SIGNIFICÂNCIA. ALTERAÇÕES ESTATISTICAMENTE SIGNIFICATIVAS NAS MEDIANAS ENCONTRAM-SE A NEGRITO E A SOMBREADO CINZA CLARO/ESCURO PARA ALTERAÇÕES NEGATIVAS/POSITIVAS. ... 57
xiii LISTA DE ACRÓNIMOS E ABREVIATURAS
ANN – Anual
APREN – Associação Portuguesa de Energias Renováveis
CCLM - COSMO CLimate Model
DJF – dezembro, janeiro e fevereiro
EDP – Energias de Portugal
GCM - Global Climate Model
INEGI – Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial
IPCC - Intergovernmental Panel on Climate Change
JJA – junho, julho e agosto
MAM – março, abril e maio
MOS – Model Output Statistics
NAO – North Atlantic Oscilation
PEV - Potencial energético do vento
RCM - Regional Climate Model
REN – Rede Elétrica Nacional
SON – setembro, outubro e novembro
SRES - Special Report on Emissions Scenarios
1. INTRODUÇÃO
É indiscutível que grande parte do desenvolvimento tecnológico e das comodidades da sociedade atual estão assentes na exploração de combustíveis fósseis. Uma consequência deste “vício” da humanidade pelos combustíveis fósseis são as alterações climáticas. Estas são, em grande parte, provocadas pelas emissões de gases de efeito de estufa provenientes da queima destes combustíveis. Estima-se que se a nossa quási-inatividade para mitigar as alterações climáticas se mantiver, levará a que se tenha que investir em medidas de adaptação entre 70 a 100 mil milhões de dólares americanos por ano até 2050, caso a temperatura suba apenas 2°C (World-Bank, 2010). Este é o paradigma energético atual e não há como negá-lo. Por este motivo, quando se equacionam gastos destinados a mudar o panorama energético atual, devem-se sempre delinear estratégias pró-ativas, isto porque as consequências económicas, sociais e ambientais da inatividade poderão ser incomportáveis. Este dilema, juntamente com o previsível esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, aumento da procura de energia e o parco rendimento global do sistema energético tem levado a que a implementação das energias renováveis tenha sido uma medida de mitigação preferencial, fazendo com que estas constituam a base de um novo paradigma energético global. Este novo paradigma tem vindo, de facto, a ser promovido por múltiplas políticas climáticas e energéticas em todo o mundo (Edenhofer, 2011; IPCC, 2013). No entanto, as tecnologias de energia emergentes e o setor das energias renováveis enfrentam atualmente grandes desafios relativamente ao seu potencial de crescimento e sustentabilidade nas próximas décadas, ameaçando assim as metas para o clima e a energia (Lund, 2014). Além disso, as alterações climáticas também são um desafio importante para o setor das energias renováveis, uma vez que a maior parte das fontes de energia renovável são fortemente condicionadas pelo clima, o que se traduz num aumento da vulnerabilidade de todo o sector. Neste estudo, embora o tema inicial fosse o de estudar todas as energias renováveis relevantes em Portugal, com o desenvolver do trabalho apenas se abordou a energia eólica além de que se alargou o estudo para toda a Península Ibérica.
INTRODUÇÃO
2
1 . 1 . E N Q U A D R A M E N T O E E S T A D O D A A R T E
O consumo energético atual, como já se disse excessivamente assente em combustíveis fósseis, em conjunto com o crescimento demográfico e o correspondente aumento dos consumos energéticos, tem despoletado diversas preocupações ambientais, que motivaram a aposta nas energias renováveis (eea, 2011; IPCC, 2013). Entre estas destaca-se a energia eólica. Com efeito, entre todas as fontes renováveis, a energia eólica deverá desempenhar um papel importante, particularmente na Europa, onde o potencial de crescimento para, por exemplo, as bioenergias e a energia hidroelétrica é já relativamente limitado. A capacidade de prever quando, onde e quanto recurso eólico poderá ser utilizado, em várias escalas temporais, é essencial para diversas áreas, nomeadamente no planeamento da produção, gestão, distribuição e comercialização da energia, bem como no desenvolvimento científico-tecnológico das turbinas eólicas (Colak, Sagiroglu, & Yesilbudak, 2012). Visto isto, uma estimativa fiável da disponibilidade do potencial eólico nas próximas décadas é de extrema importância, mas nunca fácil de projetar. Esta dificuldade deve-se à complexidade dos parâmetros atmosféricos que estão, diretamente e indiretamente, envolvidos.
Várias abordagens a este problema foram já propostas. Em geral, os métodos de avaliação do potencial energético estão divididos em duas categorias: métodos físicos e métodos estatísticos. Os primeiros implicam considerações físicas, tais como a topografia, terreno, temperatura e pressões locais, de forma a estudar mais realisticamente o campo eólico numa determinada região. Os segundos, por outro lado, utilizam modelos estatísticos de forma a estabelecer a relação entre a potência e outras variáveis, bem como os seus valores históricos e previstos (Stathopoulos, Kaperoni, Galanis, & Kallos, 2013). Deve referir-se que a distribuição espacial e temporal do recurso eólico não é estática. Esta grandeza física apresenta um comportamento dinâmico, devido principalmente à natureza estocástica das condições meteorológicas. Além disso, grandes diferenças de comportamento eólico são registadas em função das estações do ano, da latitude do local, altura do dia, orografia, topografia, existência de túneis naturais de vento, da localização numa região onshore ou offshore, entre outros fatores (Archer & Jacobson, 2013). Embora a melhor informação que possamos ter para
INTRODUÇÃO
3
um determinado local seja a obtida através de medições experimentais a partir de instrumentos meteorológicos, esta abordagem revela custos elevados e está sempre sujeita a riscos instrumentais, tais como falhas nos sensores, desgaste por intempéries, entre outros (Middleton & Spilhaus, 1953). Este é também um dos fatores que justifica a modelação do recurso eólico.
Entre os trabalhos já publicados sobre a temática dos impactes das alterações climáticas no potencial energético do vento, com recurso à modelação climática, destacam-se os três seguintes:
(Raisanen et al., 2004) – Este estudo realizado pelo Swedish Rossby Centre, projetou o clima da Europa para o final do século XXI através de simulações regionais, conduzidas por dois modelos globais e dois cenários diferentes. Os modelos globais utilizados foram o HasAM3H (RH) e o ECHAM4/OPYC3 (RE), e os cenários A2 e B2 formulados pelo IPCC (Nakićenović et al., 2000). Quanto aos intervalos em estudo, o clima passado foi representado para o período 1961-1990, enquanto para cenários futuros foi considerado o intervalo 2071-2100. Sendo assim, quatro projeções de alterações climáticas para cada período foram obtidas. As alterações simuladas são particularmente significativas para o cenário A2 (maior forçamento antropogénico), com resultados semelhantes para ambos os modelos. No que concerne à velocidade média do vento à superfície, ambos os modelos mostram que será um elemento climático fortemente afetado. As diferenças entre as duas simulações do RH são muito pequenas (na ordem dos 4%), enquanto no RE já ocorrem maiores variações. Os resultados mostraram que se registará um aumento na frequência de ocorrência de rajadas no norte da Europa e uma diminuição no Mediterrâneo, especialmente na simulação RE-A2. À escala sazonal, esse aumento será maior no inverno e no início da primavera, já que o aumento do gradiente de pressão norte-sul será maior no inverno.
Numa outra abordagem foi avaliado o impacte potencial das alterações climáticas na disponibilidade energética do vento sobre o Mediterrâneo oriental, para 2071-2100 (Bloom, Kotroni, & Lagouvardos, 2008). Foram utilizados os dados projetados pelo modelo regional PRECIS para a região em estudo, forçado pelo modelo global Had3DM. Para a validação do modelo, os dados simulados da velocidade do vento foram comparados com os dados extraídos das reanálises do ERA-40. Como
INTRODUÇÃO
4
conclusões destaca-se o aumento da velocidade do vento nas regiões onshore e uma diminuição, no mesmo parâmetro, nas regiões offshore. É de salientar também um aumento significativo em torno do Mar Egeu.
Um estudo mais recente avalia as alterações regionais na Europa para todo o século XXI, utilizando um ensemble de projeções de modelos climáticos regionais (Hueging, Haas, Born, Jacob, & Pinto, 2013). O estudo mostrou que até ao final do século XXI são projetadas alterações significativas na média anual da densidade energética. Na Europa Central e do Norte espera-se que o potencial eólico aumente, particularmente no inverno e no outono. Em contraste, o potencial eólico no sul da Europa pode sofrer uma diminuição durante todo o ano, exceto na região em torno do Mar Egeu, em linha com Bloom et al. (2008). O conjunto de modelos CCLM e REMO, forçados pelo modelo global ECHAM5, projetou uma intensificação significativa da variabilidade da densidade energética na Europa Ocidental e Central, nas escalas inter- e intra-anual.
INTRODUÇÃO
5
1 . 2 . O B J E T I V O S E E S T R U T U R A D A D I S S E R T A Ç Ã O
No seguimento da revisão do estado da arte propõe-se nesta dissertação caracterizar o potencial energético de vento na Península Ibérica e avaliar as suas tendências num cenário futuro. Far-se-á inicialmente o enquadramento socioeconómico atual da energia eólica, assim como se apresentará a descrição do recurso eólico, desde a sua geração até à própria extração por meio de aerogeradores. Seguidamente será feita a caracterização dos padrões do vento, e consequente potencial energético na Península Ibérica, assim como serão mostradas as alterações que o potencial pode vir a sofrer no contexto das alterações climáticas. Para incrementar a discussão dos resultados serão avaliadas alterações nos padrões de circulação atmosférica de larga escala para o mesmo período. Espera-se que os resultados obtidos possam servir de guia no planeamento de sistemas de energia renovável eólico, como por exemplo na escolha de um local para a instalação de um novo parque eólico.
A dissertação foi organizada em cinco capítulos. O primeiro capítulo diz respeito à introdução ao tema, estado da arte e objetivos da dissertação. No Capítulo 2 são apresentados alguns conteúdos introdutórios necessários à compreensão da metodologia utilizada e consequente interpretação de resultados. Será ainda feito um enquadramento político da energia eólica. No Capítulo 3 são identificadas as metodologias utilizadas para a realização do estudo, bem como a origem dos dados utilizados para o mesmo. No Capítulo 4 é feita a apresentação e discussão de resultados principais. Este capítulo encontra-se organizado em 3 subcapítulos. No subcapítulo 4.1 é feita a caraterização do potencial energético do vento na Península Ibérica. No subcapítulo 4.2 são apresentados os resultados do estudo da diferença de sinal entre o clima presente e o clima futuro, sendo apresentados os potenciais energéticos do vento num período futuro. O subcapítulo 4.3 focará as alterações nos padrões de pressão e circulação atmosférica de larga escala, bem como as suas consequências nas alterações dos potenciais analisados anteriormente. Para finalizar, apresentam-se no Capítulo 5 as conclusões do trabalho efetuado e algumas sugestões para a prossecução do estudo em trabalhos futuros.
INTRODUÇÃO
2. ENERGIA E RECURSO EÓLICO
2 . 1 . E N Q U A D R A M E N T O S O C I O E C O N Ó M I C O
As alterações climáticas induzidas pela queima dos combustíveis fósseis, associadas à limitação das suas reservas, juntamente com as vantagens da energia eólica como uma fonte de energia renovável e amplamente disponível, tem levado vários países a estabelecer incentivos e a dirigir investimentos financeiros na promoção da produção de energia a partir do vento. Os dois últimos estudos da WWEA - World Wind Energy
Association - mostram esse mesmo crescimento. Segundo estes estudos, no ano de
2011, 86 países utilizaram a energia do vento para a produção de energia elétrica. Até 2008 a Alemanha liderava o ranking dos países com maior capacidade instalada de energia eólica, mas foi ultrapassada pelos EUA. Desde 2010 que a China é o maior produtor de energia eólica. Em 2011 o total instalado neste país ultrapassava os 62 GW. Comparado com os 44 GW instalados até 2010, foi um aumento de 41%. Para ter uma ideia da magnitude da expansão deste tipo de energia no mundo (crescimento exponencial), em 2005 a capacidade mundial foi de cerca de 59 GW, 94 GW em 2007, 159 GW em 2009 e, no final de 2012, mais de 283 GW (Figura 1).
ENERGIA E RECURSO EÓ LICO
8
Em alguns países a energia eólica já representa uma parcela significativa no mix energético. Na Dinamarca, representa quase 30% da produção, 11% na Alemanha e cerca de 4% nos EUA. A média da União Europeia situa-se perto dos 8%. Globalmente, a energia eólica não ultrapassa o 2,5% do uso total de energia elétrica em todo o mundo, mas está a crescer mais de 25% por ano (dados de 2012) (EWEA, 2013). Este crescimento não é mais elevado devido a fatores que transcendem os benefícios da aposta no sector eólico. Na China, por exemplo, o setor está sufocado pelo acesso insuficiente às redes de transmissão, enquanto um cenário de desaceleração parece ter atingido os EUA, como resultado de incertezas sobre a expiração de programas de incentivo. Na Alemanha e em Itália, cortes de tarifa e desafios relacionados com as redes de transmissão de energia têm reduzido a atratividade no curto prazo, enquanto o fim de um importante benefício fiscal na Índia prejudicou o crescimento do setor eólico após 2012. Por outro lado, diversos países, incluindo o México e Chile, anunciaram novos objetivos para a geração de energia limpa, ou reafirmaram o apoio do governo por meio de incentivos. Apesar disso, a energia eólica instalada no mundo crescerá de modo significativo nas próximas décadas e será parte importante do portfólio de energia renovável de muitos países (Warren, 2013).
Relativamente à situação de Portugal, como não tem recursos conhecidos de petróleo ou de gás natural, e os recursos disponíveis de carvão estão praticamente extintos, impõe-se o desenvolvimento de formas alternativas de produção de energia. Esta situação promoveu e incentivou a utilização dos recursos energéticos endógenos. Em 1988 foi publicada a primeira legislação (Decreto-Lei 189/88 de 27 de Maio) que regulava a produção de energia elétrica pelos produtores independentes. A potência instalada em cada central foi limitada a um máximo de 10 MW, impondo-se a utilização, quer das chamadas energias renováveis, quer de carvão nacional, quer ainda de resíduos de origem industrial, agrícola ou urbana. A publicação desta legislação permitiu mobilizar investimentos significativos do sector privado, nomeadamente nos domínios da produção mini-hídrica e da cogeração. Já quanto à energia eólica, a situação foi muito diferente, tendo sido aprovados poucos projetos, durante a vigência deste quadro legal, a maior parte deles nos arquipélagos da Madeira e dos Açores. Estes resultados poderiam levar a supor que o recurso eólico no continente era escasso e que, portanto, não valeria a pena explorar. A explicação não é, no entanto, esta. Na verdade,
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o facto de a tecnologia das pequenas centrais hidroelétricas estar amadurecida, beneficiando da experiência adquirida com os grandes aproveitamentos hidroelétricos, e ainda o facto de os recursos hidrológicos serem bem conhecidos, tornaram esta forma de conversão de energia muito atraente. No polo oposto encontrava-se a energia eólica, com conhecimento limitado do potencial eólico, tecnologia ainda em desenvolvimento, experiência reduzida com a tecnologia atual dos aerogeradores e, consequentemente, uma difícil avaliação dos riscos por parte dos potenciais produtores. A situação da energia eólica em Portugal é hoje completamente diferente, assistindo-se a um dinamismo inédito. Como principais causas do acentuado desenvolvimento da energia eólica que se verifica atualmente em Portugal podem apontar-se:
• A reestruturação do setor elétrico, iniciada em 1995, com o estabelecimento do Sistema Elétrico de Abastecimento Público e do Sistema Elétrico Independente.
• A publicação de legislação específica, com o fim claro de promover o desenvolvimento das energias renováveis, designadamente o Decreto-Lei 312/2001, que altera procedimentos administrativos com o objetivo de melhorar a gestão da capacidade de receção, e o Decreto-Lei n.º339-C/2001, que atualiza o tarifário de venda de energia de origem renovável à rede pública, introduzindo uma remuneração muito atrativa, diferenciada por tecnologia e regime de exploração.
• A aprovação da Diretiva Comunitária das Renováveis, cuja aplicação em Portugal fez prever a instalação de cerca de 2500 a 3000 MW de conversores eólicos, no horizonte de 2010. A verdade é que, em 2010, o valor da potência eólica instalada em Portugal ultrapassou esta meta, chegando quase aos 4000 MW, sendo que estavam mais 500 MW em construção (Borges, 2007).
No ano de 2001, 173 aerogeradores produziram 114 MWh. Em 2005 deu-se a maior taxa de crescimento anual da capacidade de produção eólica no país. No final de 2013, ano especialmente ventoso em que se alcançou um recorde na produção eólica, a capacidade instalada era mais de 40 vezes superior (4620 MW), num total de 2.474 aerogeradores ligados à rede, de acordo com o levantamento realizado pelo Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (INEGI) e pela Associação de Energias Renováveis (APREN). Depois de terem mudado a paisagem em terra, realizam-se agora testes sobre a viabilidade do investimento em parques eólicos no mar, estando já em
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pleno funcionamento a primeira eólica offshore, WindFloat, ao largo da costa portuguesa, perto da Aguçadoura (Póvoa de Varzim), um projeto liderado pela EDP.
Portugal, fruto dos 4.620 MW de potência instalada, ocupava no final de 2013 a sétima posição na produção eólica na Europa, embora desde finais de 2012 o valor da potência instalada se tenha mantido particamente inalterado. Por este motivo, em 2013, Portugal perdeu uma posição no ranking mundial, sendo ultrapassado pela Dinamarca. Em termos geográficos, Viseu é o distrito líder na produção de energia eólica, com quase um quinto da capacidade instalada (934 MW), seguido por Coimbra (630 MW) e Vila Real (589 MW). O Alentejo é a região do país onde existem menos condições para o investimento. A Figura 2 mostra a potência ligada e em construção por distrito em Maio de 2014.
Figura 2 - Localização dos parques eólicos instalados em Portugal e capacidade (MW) por distrito.
Relativamente à geração, e consequente contributo para o mix energético nacional, a energia eólica contribuiu com cerca de 50% da oferta total de energia em 2013 (um ano excecional), enquanto a geração de energia hidroelétrica representava aproximadamente 14% e outras fontes renováveis 10% (EDP Energias de Portugal, http://www.edpsu.pt/pt/origemdaenergia/, Figura 3).
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Figura 3 - Repartição, por tecnologia, da energia comercializada em 2013 pela EDP
Nos primeiros cinco meses deste ano (2014), a energia eólica assegurou já 27% do consumo nacional, de acordo com dados da REN, a gestora da rede elétrica nacional.
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2 . 2 . G E R A Ç Ã O D E E N E R G I A E Ó L I C A E C A R A T E R Í S T I C A S D O V E N T O
A energia do vento representa um recurso energético de nova geração e tem um peso importante no mercado energético mundial. A energia do vento é uma forma convertida da energia solar, que é produzida pela fusão nuclear do hidrogénio em hélio no núcleo do sol. O processo da reação de fusão hidrogénio → hélio gera calor e fluxos de radiação eletromagnética que se propagam em todas as direções. Embora apenas uma pequena porção da radiação solar seja intercetada pela Terra, esta seria capaz de suplantar todas as necessidades energéticas da mesma. Foi estimado que o total de energia solar recebida pela Terra é aproximadamente de 1,8 x 1011 MW. Dentro deste valor, apenas 2% (i.e. 3,6 x 109 MW) é convertida em energia do vento e cerca de 35%
da energia do vento é dissipada dentro da camada limite planetária, i.e. até 1000 m acima da superfície terrestre, por processos de mistura turbulenta, difusão e dissipação de vórtices numa cascata de escalas (Venetsanos, Angelopoulou, & Tsoutsos, 2002). Sendo assim, a quantidade de energia do vento disponível para conversão em outras formas de energia é aproximadamente de 1,26 x 109 MW. Tendo em conta que este valor representa cerca de 20 vezes o presente consumo energético global, a energia do vento poderia largamente satisfazer todas as necessidades energéticas mundiais, sendo portanto um recurso com elevado potencial de crescimento a longo prazo.
Quando comparada com as energias fósseis tradicionais, a energia do vento possui um elevado número de benefícios/vantagens. Ao contrário dos combustíveis fósseis, que emitem gases prejudiciais ao ambiente, e da energia nuclear, que produz lixo radioativo de difícil gestão, a energia do vento é um recurso energético limpo e ‘amigo’ do ambiente, promovendo a sustentabilidade ambiental. Como recurso energético é também inesgotável e virtualmente gratuito, estando disponível em todas as regiões da Terra, apesar da elevada heterogeneidade na sua distribuição espacial. Para além disso, um uso intensivo do potencial eólico poderia reduzir a procura de combustíveis fósseis, que podem acabar ainda este século, se a taxa de consumo atual assim continuar. Além disso, o custo por kWh de energia eólica gerada é muito menor que o da energia solar (El-Ali, Moubayed, & Outbib, 2007). Assim, sendo uma das mais promissoras formas de energia, acredita-se que a energia eólica irá desempenhar um papel importante no fornecimento de energia no século XXI.
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O vento resulta do movimento do ar essencialmente induzido por gradientes de pressão atmosférica, por sua vez gerados por aquecimentos diferenciais da superfície do globo e das camadas de ar atmosférico que conduzem a diferenças de pressão e de densidade do ar. O vento tende a fluir desde regiões com altas pressões para regiões com baixas pressões. Quanto maior for o gradiente de pressão atmosférica maior será a velocidade do vento e assim, teoricamente, maior será a energia eólica que pode ser extraída do vento através de dispositivos de conversão de energia (e.g. turbinas eólicas). Todavia, as caraterísticas do vento (rumo e intensidade) são modificadas por um número de fatores. Entre eles destaca-se o efeito de Coriolis, devido à própria rotação da Terra, o atrito e a turbulência, bem como as condições geográficas locais.
Entre todos os fatores forçadores do vento, o aquecimento solar desigual da superfície terrestre é o mais importante. Esta desigualdade do aquecimento terrestre pode ser atribuída a quatro razões. Primeiro, a forma aproximadamente esférica da Terra, a sua translação em torno do Sol e a inclinação do seu eixo de rotação determinam que o equador receba maior quantidade de energia solar por unidade de área, valor que decresce gradualmente na direção dos polos. Devido ao aquecimento solar diferencial da superfície terrestre, geram-se gradientes de temperatura, de pressão e densidade entre o equador e os polos. Como tal, o ar quente, com densidade mais baixa, eleva-se no equador até à estratosfera e move-se em direção aos polos. O ar frio, com densidades mais elevadas, flui desde os polos até ao equador ao longo da superfície terrestre. Se não se considerar a rotação da Terra e a força de Coriolis, a circulação do ar formaria uma única célula com circulação meridional em cada hemisfério. Em segundo lugar, o eixo de rotação da Terra tem uma inclinação de cerca de 23,25º em relação ao plano da elíptica. É esta inclinação do eixo da Terra que, durante a translação, faz com que exista um aquecimento solar desigual, resultando num ciclo anual de alterações sazonais no estado do tempo. Em terceiro, pode-se afirmar que a superfície terrestre é composta por diferentes materiais, tais como vegetação, rochas, areia, água, neve, gelo, entre outros. Cada um destes materiais tem diferentes características de absorção e reflexão da radiação solar (albedos), levando a que surjam gradientes térmicos zonais, e.g. desertos e lagos gelados à mesma latitude. A quarta e última razão tem origem topográfica. Como existe um vasto número de montanhas, cordilheiras e vales, isto leva a diferenciações na radiação solar conforme as respetivas exposições solares locais, o
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que gera gradientes de temperatura e pressão horizontais em diversas direções e escalas espaciais.
A rotação da Terra é outro importante fator que afeta a direção e velocidade do vento. A força de Coriolis, induzida pela rotação terrestre, deflete a direção dos movimentos terrestres. A força de Coriolis depende da latitude do local, sendo nula no equador e máxima nos polos. No hemisfério norte, o vento é defletido para a direita e no hemisfério sul para a esquerda. Para além disso, a magnitude da força de Coriolis depende também da velocidade do vento. Vento que sopre a velocidades mais baixas é defletido levemente, enquanto ventos mais fortes são mais defletidos. Em movimentos de larga escala, a combinação do gradiente de pressão gerado pelo aquecimento desigual da superfície terrestre e da força de Coriolis faz com surjam três células convencionais em cada hemisfério: de Hadley, de Ferrel e Polar. Cada célula é caraterizada pelos seus próprios padrões de circulação (Figura 4).
Figura 4 - Esquema simplificado da circulação atmosférica global.
No hemisfério norte, a célula de Hadley situa-se entre o equador e a latitude de 30ºN, onde dominam os climas tropicais e subtropicais. O ar quente eleva-se no equador e flui na direção do Pólo Norte na alta troposfera. Esta massa de ar arrefece, desce e é defletida pela força de Coriolis que induz os ventos alísios de nordeste junto à superfície do globo. Aproximadamente a norte do paralelo 30ºN, a força de Coriolis torna-se suficientemente intensa para equilibrar a força do gradiente de pressão. Como resultado, os ventos passam a dirigir-se predominantemente de oeste para este. O ar acumulado no
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topo da atmosfera forma uma cintura de altas pressões subtropicais à superfície e divide-se em dois fluxos: um regressa ao equador, fechando a célula de Hadley; o outro move-se ao longo da superfície terrestre em direção ao Pólo Norte para formar a célula de Ferrel, que se localiza aproximadamente entre os paralelos 30ºN e 60ºN. Devido à influência da força de Coriolis, o ar em movimento nesta zona é defletido, produzindo os ventos de oeste. A célula Polar, por fim, localiza-se entre o Polo Norte e o paralelo 60ºN. O ar frio afunda-se sobre o Ártico e flui ao longo da superfície terrestre em direção ao Equador. Próximo do paralelo 60ºN a força de Coriolis torna-se significativamente mais forte para rodar o rumo do vento para nordeste.
Outro fator que afeta a geração de energia eólica é a geografia local. A rugosidade da superfície terrestre resulta tanto da geografia natural, como de infraestruturas de origem humana. A força de atrito e obstruções perto da superfície terrestre geralmente retardam a velocidade do vento, mas podem também induzir efeitos de túnel, que localmente intensificam o vento. A taxa à qual a velocidade do vento aumenta com a altura depende das condições locais de topografia e terreno e das condições atmosféricas, com elevadas taxas de aumento vertical observadas sobre terrenos mais rugosos, onde a força de atrito e o cisalhamento (efeito de corte) tendem a ser mais pronunciados. Numa primeira aproximação, foi estimado que a velocidade do vento aumenta cerca de 10% por cada duplicação da altura (Jackson & Oliver, 1996).
A velocidade do vento é obviamente o elemento chave para a geração de energia eólica. Esta varia tanto no espaço como no tempo, sendo determinada por muitos fatores, tais como condições geográficas e condições atmosféricas. Tendo em conta que a velocidade do vento é uma variável aleatória, a análise da velocidade do vento é muitas vezes realizada através de parâmetros estatísticos. As variações diurnas da velocidade média do vento são frequentemente descritas como ondas sinusoidais, largamente relacionadas com mecanismos de brisas e outros regimes de vento locais. A título de exemplo, as variações diurnas dos valores horários da velocidade do vento, calculados com base em dados entre 1970 e 1984 em Dhahran (Arábia Saudita), mostraram um padrão ondulatório (Siddiqi, 2005). As velocidades do vento são maiores durante o dia e as velocidades máximas ocorrem por volta das 15h, indicando que as velocidades do vento diurnas são proporcionais à intensidade solar. Outro estudo mostrou que a velocidade do vento em Lubbock, no Texas (Estados Unidos da
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América), é aproximadamente constante durante a noite e segue um padrão curvilíneo durante o dia (George, Peterson, Lee, & Wilson, 1994). Mais tarde, mostrou que os padrões diurnos da velocidade do vento em cinco localizações nas Grandes Planícies seguem um padrão similar ao registado no estudo anterior (George, Wilson, & Vining, 1996).
Baseando-se nos dados da velocidade do vento para o período de 1970-2003 de 66 locais onshore no Reino Unido, Sinden concluiu que a velocidade média mensal do vento é inversamente proporcional à temperatura média mensal, i.e. é maior nos meses de Inverno e menor nos meses de Verão. As velocidades máximas do vento ocorrem em janeiro e as mínimas ocorrem em agosto (Sinden, 2007). Na verdade, a variação inter-anual da velocidade média do vento depende grandemente dos locais selecionados. A título de exemplo, a velocidade média anual do vento decresceu desde 1970 até 1983 em Dhahran, na Arábia Saudita (Siddiqi, 2005). No Reino Unido, esta exibiu flutuações importantes para o período 1970-2003 (Sinden, 2007). Com efeito, os regimes locais de vento são muito diversificados, não sendo possível estabelecer um padrão comum, o que justifica os estudos à escala local e regional.
A procura de uma única distribuição que retrate de forma satisfatória o maior número de comportamentos de vento fez com que investigadores analisassem de forma aprofundada diversos métodos probabilísticos. Entre estes, concluiu-se que a distribuição teórica mais satisfatória de representação da intensidade do vento num determinado local é a função de Weibull. Assim, as variações anuais da velocidade do vento podem ser representadas num histograma de frequências de intervalos de velocidade cuja distribuição é tendencialmente bem caracterizada pela distribuição de
Weibull. A função densidade de probabilidade de Weibull,
u
, exprime-sematematicamente através da equação 1 (Weibull, 1951):
1
exp
0
( , , )
0
0
k kk u
u
u
f u k
u
(1)Na equação
é um fator de escala e está relacionado com a velocidade média do vento ek
, fator de forma, é uma medida da largura da distribuição. Estes doisENERGIA E RECURSO EÓ LICO
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parâmetros podem ser determinados a partir de análises estatísticas da velocidade do vento medida no local (Ulgen & Hepbasli, 2002). A análise das velocidades médias num determinado local deve ser feita tendo em atenção o fator forma, pois é este que indica a prevalência dos resultados próximos da média. Assim, valores de
k
elevados (2,5 – 3) indicam que a dispersão à volta da média anual é baixa, enquanto valores dek
baixos (1,2 – 1,5) indicam elevada dispersão em torno da média anual. Existem já alguns estudos que mostram que a distribuição de Weibull é um bom ajuste aos dados observados da velocidade do vento (Veysel Yilmaz & Çelik, 2008). As distribuições de Weibull exemplificadas para várias velocidades do vento médias são mostradas na Figura 5.Figura 5 - Distribuição de Weibull para várias velocidades médias do vento (Spera, 2009).
Outra caraterística do vento é o wind shear (cisalhamento ou efeito de corte do vento), i.e. o efeito de aumento da velocidade do vento com a altura a partir do solo, resultado da combinação entre a condição de não escorregamento à superfície e a ação diferenciada da força de atrito nas sucessivas camadas horizontais. O cisalhamento pode ser estimado pela equação de Prandtl, que relaciona a velocidade do vento a duas alturas diferentes (Peterson & Hennessey, 1978):
0 0
( )
( )
z
u z
u z
z
(2)ENERGIA E RECURSO EÓ LICO
18
Na equação,
z
é a altura acima da superfície terrestre,z
0 é altura para a qual a velocidade do vento é conhecida (nível de referência) e α é o coeficiente de cisalhamento. Na prática, o valor de α depende de um número alargado de fatores, incluindo a rugosidade do meio envolvente, altitude, hora do dia e estação do ano. O coeficiente de cisalhamento é geralmente mais baixo durante o dia e mais alto à noite (menor turbulência e atrito). Os valores do coeficiente para diferentes rugosidades da superfície terrestre estão representados na Tabela 1.Tabela 1 - Tipos de Superfície e comprimentos de rugosidade correspondentes
Características do Terreno1,00 Cidades
0,80 Florestas
0,30 Zonas cobertas com árvores
0,20 Muitas árvores e/ou arbustos
0,10 Terrenos agrícolas
0,008 Vegetação rasteira
0,001 Superfícies lisas (neve)
0,0001 Superfícies lisas (lagos)
Visto que a energia extraída por uma turbina eólica depende fortemente da velocidade do vento à altura do eixo do rotor, as turbinas modernas são construídas a alturas geralmente maiores que 80 m. Isto permite capturar mais energia eólica e diminuir o custo por unidade de energia extraída (J. F. Manwell, 2009).
A energia eólica é uma forma específica de energia cinética contida no ar que flui. A energia eólica tanto pode ser convertida em energia elétrica por dispositivos de conversão de energia, como diretamente no bombeamento de águas, moagem de grãos, navegação marítima, entre outros. A energia cinética existe quando um objeto com uma dada massa está em movimento com uma velocidade translacional ou rotacional. Quando o ar está em movimento, a energia cinética,
E
k, pode ser determinada por:1
2
2
kE
mu
, (3)onde
m
é a massa do ar eu
é a velocidade média do vento ao longo de um período de tempo. A potência do vento,P
u, pode ser obtida pela derivação da energia cinética do vento em função do tempo,dt
, i.e.:ENERGIA E RECURSO EÓ LICO
19 2d
1
d
2
k uE
P
mu
t
(4)No entanto, apenas uma pequena porção da energia eólica pode ser convertida em energia elétrica. Quando o vento passa por uma turbina eólica e induz rotação das pás, o caudal do vento correspondente, m, vem dado por:
m
Au
(5)onde
é a densidade do ar eA
o espaço varrido pelas pás. Substituindo (5) em (4) tem-se a energia disponível numa massa de ar,P
w, que pode ser expressa por:3
1
2
w
P
Au
(6)Uma análise mais cuidada desta equação revela que para obter mais energia eólica são necessárias velocidades mais elevadas do vento, pás maiores (de forma a varrerem mais área) e maiores densidades do ar. Como a potência eólica é proporcional ao cubo da velocidade média do vento, uma pequena variação na velocidade do vento pode resultar numa grande mudança na energia eólica convertida (Rothstein & Halbig, 2010).
A equação 6 indica a potência disponível no vento na ausência de turbina. Esta potência não pode ser integralmente convertida em potência mecânica no veio da turbina, uma vez que o ar, depois de atravessar o plano das pás, sairá com velocidade não nula. O máximo de energia que pode ser retirada do vento através de um aerogerador corresponde a uma diminuição na velocidade do vento de 16/27 em relação à sua velocidade antes de atingir o aerogerador. Este valor foi obtido pelo Físico Albert Betz em 1919, por aplicação de conceitos da mecânica de fluidos, sendo conhecido por Limite ou Lei de Betz. O coeficiente de Betz é o rendimento teórico máximo, normalmente chamado coeficiente de potência máximo, Cpmáx, e é a razão entre a potência útil máxima, u
máx
P , e a potência total disponível no vento, u
disp
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20 0,593 umáx pmáx udisp P C P (7)Na verdade, a Lei de Betz considera que é possível converter, no máximo, 59,3% da energia cinética disponível no vento em energia cinética de rotação. Os rotores que atualmente são utilizados para a produção comercial de eletricidade apresentam coeficientes de potência compreendidos entre 0,35 e 0,4 (rendimentos de 60% a 70%, em relação ao máximo de Betz). Na Figura 6 encontra-se representada a variação do coeficiente de potência em função da velocidade do vento, para um aerogerador comercial recente.
Figura 6 - Exemplo de uma curva representativa do coeficiente de potência de uma turbina eólica (IEC, 2005).
Além deste limite teórico, há ainda outras caraterísticas que também influenciam a quantidade de energia elétrica que se pode extrair a partir do vento. A área total varrida pelas pás de uma turbina eólica é uma delas. Tal como mostra a Figura 7, a área total varrida pelas pás,
A
, pode ser calculada pela fórmula:2 2
[(
)
]
(
2 )
A
l
r
r
l l
r
, (8)onde
l
é o comprimento da pá er
o raio do eixo. Assim, duplicando o comprimento das pás, a área varrida é aumentada por um fator de 4. Quandol
>> 2r,A
=
l
2.ENERGIA E RECURSO EÓ LICO
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Figura 7 - Área varrida pelas pás de uma turbina eólica (Borges, 2007).
Outro parâmetro importante que afeta diretamente a geração de energia eólica é a densidade do ar,
, que pode ser calculada pela equação de estado dos gases ideais:P
RT
(9)onde P é a pressão do ar em Pascal, R é a constante do gás ideal (287 J.kg-1.K-1 para o
ar seco) e T é a temperatura do ar em K (Jones, Kreith, & White, 1981).
Por fim, as turbinas eólicas são projetadas para gerarem a máxima potência a uma determinada velocidade do vento. Esta potência é conhecida como potência nominal e a velocidade do vento a que ela é atingida é designada por velocidade nominal. Esta velocidade é ajustada de acordo com o regime de ventos no local, sendo habitual encontrar valores entre 12 e 15 m.s-1. As especificações exatas da curva caraterística do aerogerador dependem do regime de ventos no local de instalação. Na Figura 8 mostra-se um exemplo de uma curva característica correspondente a um sistema de conversão de energia eólica com potência nominal de 660 kW. Devido à lei de variação cúbica da potência com a velocidade do vento, para velocidades abaixo de um certo valor – cut-in wind speed – (normalmente, cerca de 4 m.s-1, dependendo do local) não interessa extrair energia. Pela mesma razão, para valores superiores à velocidade nominal – rated wind speed – não é económico aumentar a potência, pois isso obrigaria a robustecer a construção. Do correspondente aumento no investimento, apenas se tiraria partido durante poucas horas no ano. Assim, a turbina é regulada para
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funcionar a potência constante, provocando-se, artificialmente, uma diminuição no rendimento da conversão. Quando a velocidade do vento se torna perigosamente elevada – cut-out wind speed – (tipicamente superior a cerca de 25 – 30 m.s-1), a turbina é desligada por razões de segurança (Seki, Shimizu, & Zhu, 1996).
Figura 8 - Caraterística elétrica de uma turbina de 660 kW.
A fórmula que dita a potência extraível por uma turbina eólica, Pout, tendo em conta todos os fatores analisados até então (coeficiente de potência - C ; área varrida p
pelas pás -
A
; densidade do ar -
e velocidade do vento -u
), e que dá origem à curva da caraterística elétrica para uma qualquer turbina, é dada por:3
1
2
out p
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2 . 3 . T U R B I N A S E Ó L I C A S
Uma turbina eólica é um dispositivo de conversão de energia cinética do vento em energia cinética de rotação do eixo da turbina. Nas últimas três décadas, foram conseguidos avanços consideráveis no desenho e desempenho das turbinas eólicas,
acompanhados de importantes avanços tecnológicos. Desenvolvimentos na
aerodinâmica, dinâmica estrutural e micrometeorologia têm contribuído para aumentos de 5% ao ano na extração de energia por parte das turbinas eólicas (Shikha, Bhatti, & Kothari, 2003). Vários conceitos de turbinas eólicas têm vindo a ser desenvolvidos e construídos de forma a maximizar a extração de energia eólica, minimizar o custo da turbina em si e aumentar a sua eficiência e segurança. As turbinas eólicas podem ser classificadas de acordo com a configuração da rotação do seu gerador, capacidade da turbina, sistema de transmissão, forma de fornecimento de energia e até pela própria localização da turbina.
Quando se considera a configuração do eixo de rotação, as turbinas eólicas, podem ser classificadas em turbinas de eixo horizontal ou vertical. A maioria das turbinas eólicas comerciais pertence ao tipo de eixo horizontal, no qual o eixo de rotação das pás é paralelo ao fluxo do vento. As vantagens deste tipo de turbina incluem altas eficiências, velocidades de cut-in baixas e baixos custos por unidade de energia extraída. O maior proveito que se pode retirar de uma turbina de eixo vertical é que esta pode aceitar vento vindo de qualquer direção. Outra das vantagens é o menor custo de instalação, pois o gerador, caixa de velocidades e outros componentes da turbina podem ser instalados no solo e assim simplificar o desenho e construção da turbina.
Relativamente à sua categoria, as turbinas eólicas são divididas tendo em conta a sua potência nominal: microturbinas, pequenas, médias, grandes e muito grandes. As microturbinas, com capacidades geralmente de apenas alguns kW de potência, são recomendadas apenas para locais onde a rede elétrica está indisponível. Turbinas com menos de 100 kW são usualmente denominadas de pequenas turbinas. A aplicação mais utilizada nesta gama prende-se com bombeamento de águas e fornecimento energético de antenas de telecomunicações em regiões mais remotas (Doran, 2008). As turbinas mais comuns têm capacidades médias a grandes. Enquanto a primeira categoria engloba todas as turbinas entre 100 kW e 1 MW, a segunda pode ir até 10 MW. Turbinas médias
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destinam-se tanto a sistemas on-grid como off-grid e podem fornecer energia a pequenas povoações, sistemas híbridos e até serem agrupadas em parques eólicos. As turbinas de grande capacidade são a categoria dominante no mercado internacional de energia eólica. Com efeito, a maior parte dos parques eólicos utilizam turbinas eólicas de grande capacidade. Por fim, as turbinas de muito grande potência, com capacidades superiores a 10 MW, ainda estão em fase de desenvolvimento e ainda não são muito comuns.
As turbinas eólicas podem ser utilizadas tanto em aplicações com ligação à rede elétrica, i.e. on-grid, como em aplicações sem ligação à rede elétrica, i.e. off-grid. A forma mais comum é a de ligação à rede, que apresenta como principal vantagem a dispensa de armazenamento de energia.
Por fim, as turbinas eólicas podem também ser classificadas tendo em conta o seu local de instalação: onshore ou offshore. As turbinas eólicas onshore têm já uma longa história no seu desenvolvimento. As vantagens incluem baixos custos relativos às fundações, fácil integração com a rede elétrica e custos relativamente baixos na construção da torre e na instalação da turbina. A operação e manutenção também se revelam convenientes. As turbinas offshore têm-se desenvolvido mais rapidamente desde o início da década de 90, devido ao excelente recurso eólico offshore em termos de intensidade energética. Uma turbina instalada offshore pode gerar mais energia e operar mais horas em cada ano quando comparada com a mesma turbina instalada
onshore. Para além disso, as restrições ambientais são inferiores em locais offshore.
Outra vantagem é o menor impacto da poluição sonora associada ao seu funcionamento (Tong, 2010).
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2 . 4 . V E N T O S T Í P I C O S D A P E N Í N S U L A I B É R I C A
De um ponto de vista geográfico, a Península Ibérica, pela sua localização e configuração, é influenciada por ventos de diversos quadrantes que, em função da época do ano, da sua origem e intensidade, contribuem para o estabelecimento de regimes mais ou menos padronizados (Figura 9).
Durante os meses quentes:
O vento de Norte ou Noroeste (Nortada) está associado a bom tempo e temperaturas moderadamente elevadas, não tão extremas como nas regiões do interior, onde a continentalidade dilui a sua influência amenizadora;
O vento de Este ou Nordeste (vento de Leste) está associado a bom tempo e a temperaturas muito altas (e eventualmente vagas de calor), com baixo grau de humidade relativa no ar;
O vento de Este ou Sudeste (Levante) está associado a bom tempo, que poderá ser interrompido por chuvas fortes, associadas a trovoadas. De uma maneira geral as temperaturas são muito elevadas;
O vento de Sudoeste está associado a tempo instável, temperaturas baixas para a época, com precipitação frontal.
Durante os meses frios:
O vento de Este ou Nordeste (vento de Leste) está associado a bom tempo e a temperaturas muito baixas, podendo, inclusivamente, ocorrer vagas de frio;
O vento de Sudoeste está associado a mau tempo, com a passagem de perturbações da frente polar.
Figura 9 - Ventos típicos da Península Ibérica e a sua associação com o estado do tempo (Geopalavras, 2014).
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2 . 5 . M O D E L A Ç Ã O C L I M Á T I C A E A N Á L I S E D E D A D O S
Como a geração de energia elétrica está diretamente relacionada com as condições atmosféricas, o primeiro aspeto da previsão da energia eólica é o prognóstico das variáveis atmosféricas relevantes. Essas variáveis são projetadas através da modelação climática. Um modelo climático global (GCM) é um modelo físico-matemático da circulação atmosférica e oceânica a nível planetário. Este modelo é baseado nas equações de Navier-Stokes numa esfera rotativa e tem como função integrar diversas equações diferenciais, tais como: equação de conservação da massa de ar, da quantidade de movimento, da energia e da humidade. Estas equações são integradas por códigos computacionais muito complexos, corridos em supercomputadores, regularmente usados em simulações atmosféricas e oceânicas (Solomon et al., 2011). Embora a complexidade dos modelos globais seja muito elevada, estes ainda representam o mundo real de uma forma algo grosseira à escala local/regional (Figura 10).
Figura 10 - Ilustração das diferenças entre o mundo real e o mundo representado pelos modelos de simulação climática (Adaptado de Themessl, Gobiet, & Leuprecht, 2011)
Inicialmente existiam apenas modelos estritamente oceânicos e modelos estritamente atmosféricos mas, hoje em dia, foram já desenvolvidos diversos modelos climáticos que combinam as interações oceano-atmosfera. Estes modelos têm a vantagem de não necessitar de ajustes nos fluxos através da interface oceano-atmosfera. Dos modelos existentes destacam-se o HadCM3, desenvolvido pelo Hadley Centre, no
ENERGIA E RECURSO EÓ LICO
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Reino Unido (Pope, Gallani, Rowntree, & Stratton, 2000), o GFDL CM2.X, desenvolvido pelo NOAA Geophysical Fluid Dynamics Laboratory, nos EUA, o ECHAM/MPI-OM, desenvolvido pelo Max Planck Institute for Meteorology, na Alemanha (E. Roeckner, 2003), entre outros.
Há já modelos, mais completos, que englobam interações da atmosfera com os oceanos, litosfera, criosfera e biosfera, assim como representações de ciclos ambientais complexos, tal como o ciclo do carbono. Um destes modelos é o MPI-ESM, desenvolvido pelo Max Planck Institute for Meteorology. Tem como base o ECHAM6 na componente atmosférica, o MPIOM na componente oceânica, JSBACH para a biosfera terrestre e o HAMOCC para a bioquímica oceânica (Bjorn Stevens, 2012; Marsland, Haak, Jungclaus, Latif, & Roske, 2003; Reick, 2013). A evolução da complexidade dos modelos ao longo dos anos está ilustrada na Figura 11.
Figura 11 - Evolução da complexidade dos modelos climáticos ao longo das décadas (Adaptado de NCAR, 2013).
Deve-se salientar ainda que todos estes modelos estão em constante desenvolvimento embora, neste momento, sejam o pináculo da complexidade em modelos climáticos e analisem o máximo de processos possíveis. Na verdade, para projeções de climas futuras são a única ferramenta disponível.
Relativamente às projeções climáticas, estes modelos são geralmente corridos em períodos temporais muito longos, em modo de simulação climática transiente. Esta forma de correr o modelo considera as concentrações de gases com efeito de estufa variáveis em função do tempo, i.e. para diferentes cenários de emissões. Isto leva a que
