Fundamentos das Energias Renováveis

Fundamentos das Energias Renováveis

Torsten Schwab

GIZ – Energias Renováveis e Eficiência Energética

Brasília

Cooperação Alemã para o Desenvolvimento Sustentável

Cooperação Financeira

Cooperação Técnica

Coordenação Política

BMZ

68%

BMU and

others

10%

IS

14%

Co-Finance

8%

A GIZ no mundo

Presente em mais de 130 países

Volume de negócios: €1,85 bi.

17.000 colaboradores no mundo inteiro

Empresa Federal de Direito Privado

Cooperação Alemã para o

Knowhow técnologico &

ciência de ponta

Métodos operacionais

pragmáticos

comunicação

Gestão e

Capacitação individual e institucional

Cooperação Alemã para o

Conteúdo

1. Fontes e Formas de Energia

2. Fundamentos da Energia Solar

3. Aproveitamento Heliotérmico

Conteúdo

1. Fontes e Formas de Energia

2. Fundamentos da Energia Solar

3. Aproveitamento Heliotérmico

Gravitação e

cinética planetário

0.0001 * 10

24

_J/a

Fissão nuclear

0.001 * 10

24

_J/a

Radiação Solar

5.6 * 10

24

_J/a

Radiação térmica

3.9 * 10

24

_J/a

Reflexão direta

1.7 * 10

24

_J/a

Entrada

≈

≈

≈

≈

Saída

Fonte: Fend, Riffelmann

Balanço energético do planeta Terra

Fissão nuclear

no núcleo da

terra

Fusão nuclear

no sol

Gravitação e

cinética

planetária

Geotermia

Chuva

Derretimento

Vento

Ondas

Correntes/Marés

Biomassa

Solo aquecido

Carvão

Petróleo

Gás natural

Usina geotérmica

Usina geotermelétrica

Usina hidrelétrica

Calefação

Bombas de calor

Conversão química

Usina eólica

Usinas termelétricas

Usina de maré

Usina de onda

Usina fotovoltaica

Coletor solar

Usina heliotérmica

Energia térmica

Energia elétrica

Energia química

Usina nuclear

100% =

5,6 · 10

24

_J/a

0,02%

0,002%

Urânio

Fontes

Efeitos Naturais

Conversão

Uso

Segundo Kleemann, Meliss

Recursos não-renováveis em comparação com irradiação solar

Fonte: Fend, Riffelmann

Comparação dos recursos renováveis

Fonte: Fend, Riffelmann

Critérios de Sustentabilidade

Custo

• Baixo custo de energia

• Sem subsídios permanentes

Segurança

• Fornecimento diversificado e redundante

• Geração despachável

• Baseado em recursos não esgotáveis

• Tecnologia disponível ou alcançável

Compatibilidade

• Poluição baixa ou nula

• Proteção climática

• Baixo risco de saúde ou ambiental

• Acesso independente aos recursos

Portfólio atual

Carvão, Linhito

Petróleo, Gás

Combustível Nuclear

Helio- & Solartermia

Geotermia

Biomassa

Hidrelétrica

Energia Eólica

Fotovoltaica

Correntes Marinhas / Marés

recursos

energéticos

estocados

energias

armazenáveis

energias

intermitentes

Critérios de avaliação

Recursos Fontes armazenáveis ... intermitentes

C ar vão Li n h it o P e tr ó le o G á s N a tu ra l C o m b u st ív e l N u cl e ar H e li o te rm ia S o lar te rm ia G e o te rm ia B io m as sa H id re lé tr ic a E ó li ca S o la r F V Mar é s C u st o Custo (c/ externalidades) Subsídios permanentes S e g u ran ça Agilidade da expansão Geração despachável Recurso não-esgotável Tecnologia disponível C o m p a ti b il id ad

e _{Poluição baixa / nula}

Proteção climática

Baixo risco à saúde Acesso independente

.

.

. pay backenergético

. . .

“A mudança climática

não vai esperar até

que os mercados

livres internalizam

custos externos”

Fonte: AGEE

Preço da

Energia

Conflitos

energéticos

Danos

ambientais

Contaminação/

Gestão de Resíduos

Ameaças à

saúde

Segurança de

abastecimento

Biomassa (0-1)

Geotermia (0-1)

Solar (10-250)

Hidráulica (0-50)

Eólica (5-50)

Potencial de Geração de Energia Elétrica

[GWh/(a·km²)]

Fonte: DLR

Conteúdo

1. Fontes e Formas de Energia

2. Fundamentos da Energia Solar

3. Aproveitamento Heliotérmico

Fundamentos da Energia Solar

Fusão Nuclear Solar

H (650·106_{t/s) → He (646·10}6_t/s)

∆m = 4·106t/s

O Sol perde 0,03% da sua massa em 5·109_anos

E=mc² → 3,7·1026_{J/s = 3,7·10}20 _MW

A Energia Solar que chega à Terra é variável:

Ciclos Solares

Distância entre Terra e Sol e Ângulo de Incidência

Absorpção de Energia pela Atmosfera

Na média: Constante Solar ≈ 1.367 W/m²

Variações na

Geração de Energia

Fusão Nuclear Solar

Ciclos Solares

Rotação terrestre ao redor do Sol Mudanças da irradiação solar na superfície da Terra

A energia depende do ângulo de incidência solar

E

_R

= E * A

₀

* seno(γ)

E_R = Energia recebida [W];

E = Energia solar chegando no lugar [W/m2_];

A₀ = Área de incidência deitada na superficie da terra [m2_]; seno(γ) = Função seno para o ângulo de incidência considerado.

Distância entre Terra e Sol e Ângulo de Incidência

Radiação Direta Normal

Radiação Global difusa vs direta

Efeitos na Atmosfera

Absorpção de Energia pela Atmosfera

Air Mass

AM = 1 / seno(γ)

γ = ângulo de incidência solar

Fundamentos da Energia Solar

Irradiação solar espectral ao longo do dia

Fundamentos da Energia Solar

Equipamentos (seleção) Radiação medida [W/m²] Rastreamento obrigatório Custo de Aquisição Custo de Manutenção

Piranômetro Global Não $$ $$

Rotating shadowband Global, difusa e direta* Não $$ $

Piranômetro adaptado Global, difusa e direta* Sim $$$ $$$

Pireliômetro Direta Sim $$$ $$$

Células de referência Global Não $ $

* Calculada _{$ Baixo Custo, $$ Médio Custo, $$$ Alto Custo}

Fundamentos da Energia Solar

Irradiação Solar Difusa + Direta CSP CPV FV

Torre Dish Lente Filme

Fino

Cilindro

Parabólico Fresnel Espelho

Silício Cristalino

Direta

Localidade Latitude Radiação mínima (MJ/m2₎ Radiação máxima (MJ/m2₎ Radiação anual (MJ/m2₎ Dongola - Sudão 19o_{10’ 19,1 27,7 23,8} Dagget - USA 34o_{52’ 7,8 31,3 20,9} Belém - PA 01o_{27’ 14,2 19,9 17,5} Floriano - PI 06o_{46’ 17 22,5 19,7} Petrolina - PE 09o_{23’ 16,2 22,7 19,7} B.J. da Lapa - BA 13o_{15’ 15,9 21,1 19,7} Cuiabá - MT 15o_{33’ 14,7 20,2 18,0} B.H - MG 19o_{56’ 13,8 18,6 16,4} Curitiba - PR 26o_{25’ 9,7 19,4 14,2} P. Alegre - RS 30o_{01’ 8,3 22,1 15,0}

Fonte: Atlas Solarimétrico do Brasil 2000

Fundamentos da Energia Solar

Classificação para instalação de

Usinas Heliotérmicas:

Sul da Espanha 2.100 -2.200 kWh/m2

Saara/ Norte da África 2.600-2.700 kWh/m2

Deserto de Mojave / Calif. 2.600-2.700 kWh/m2 Deserto do Atacama / Chile até 3.000 kWh/m2

excelente bom adequado inadequado Fonte:DLR

Fundamentos da Energia Solar

... Solar térmica

... Fotovoltaica

... Heliotérmica

Energia ...

Conteúdo

1. Fontes e Formas de Energia

2. Fundamentos da Energia Solar

3. Aproveitamento Heliotérmico

Linear Fresnel

Calhas

Cilindro-Parabólicas

Torre Central

Disco Parabólico

At

é

55

0º

C

; T

urb

in

as

a

V

ap

or

50

0º

C

a

1

00

0º

C

;

T

urb

in

as

a

V

ap

or

, T

urb

in

as

a

G

ás,

Mo

to

re

s

St

irl

in

g

Fonte: DLR

Aproveitamento Heliotérmico

Tecnologias de Concentração

Aproveitamento Heliotérmico

Gerador

Turbina a Vapor

Gerador

de Vapor

Condensador

Bomba

Calor

Fonte: DLR

Aproveitamento Heliotérmico

Fonte: DLR

Irradiação

Solar

_Calor

Energia

Elétrica

Calor

Calor

Irradiação

Solar

Irradiação

Solar

Combustível

Energia

Elétrica

En.El.

Armazém Térmico

Combustível

Aproveitamento Heliotérmico

Por exemplo: usina „Andasol“ c/ 50MW

_el

+ 7,5hs armazém térmico

_{Fonte: Fend, Riffelmann}

Aproveitamento Heliotérmico

Fonte: Kramer Junction Company

Nevada Solar One, USA

(64 MW

_el

)

Kramer Junction, EUA

(5x 30MW

_el

, 2x 80MW

_el

)

Fonte: Fend, Riffelmann

Calhas cilindro-parabólicas

Puerto Errado, Espanha

(31,4MW

_el

)

Fonte: SIJ

Linear Fresnel

Fonte: SIJ

Disco Solar

Maricopa Solar Plant, USA

(1,5 MW

_el

)

Dish Stirling System Test Site, EUA

(20kW

_el

)

Solar Two, Barstow, EUA

(10 MW

_el

)

CESA1, Espanha

(7 MW

_th

)

Fonte: Fend, Riffelmann

Torre Central

PS10, Espanha

(11 MW

_el

)

Fonte: Fend, Riffelmann, Ulmer

Torre Central

GEMA Solar

(20 MW

_el

, 15hs de armazém térmico)

Fonte: Schwab, GEMA Solar

Torres Centrais

90%

Hoje em construção ou estado avançado de planejamento: 15GW

Aproveitamento Heliotérmico

Conteúdo

1. Fontes e Formas de Energia

2. Fundamentos da Energia Solar

3. Aproveitamento Heliotérmico

Estrutura atômica da célula de Silício

(esq.) e dopagem com Fósforo (dir.) Junção PN e movimento em nível eletrônico

Processo eletrônico no sistema FV

Fonte: Krauter

O efeito fotovoltaico

Fonte: Krauter

da Célula à Usina FV

Fonte: SMA

Internet:

http://www.sma.de/en/company/pv-electricity-produced-in-germany.html

Fonte: SMA

Fonte / Tecnologia Tarifa Mínima Tarifa Máxima Tarifa Mínima Tarifa Máxima

Tarifa depende do local de instalação, da potência instalada

ou do período de operação

Decréscimo Anual

ct/kWh R$/MWh

(€ = R$ 2,30) Tarifa mínima Tarifa máxima %

Fotovoltaica

21,11 28,74 486 661 terrenos edificações (≤ 30 kW)

meta de 9% (a partir de 2012)

Eólica

on-shore

4,87 8,93 112 205

tarifa máxima pago pelo menos nos primeiros 5 anos de

operação

1,5% (2013)

Eólica

off-shore

3,50 15,00 81 345

tarifa máxima pago nos

primeiros 12 anos 5% (2018)

Biomassa

(≤ 20 MW)

6,00 25,00 138 575 ≥ 5 MW ≤ 75 kW (dejetos animais) 2% (2013)

Hídrica

3,40 12,70 78 292 > 50 MW ≤ 0,5 MW 1% (2013)

Gás de esgoto

5,89 6,79 135 156 > 0,5 - 5 MW ≤ 0,5 MW 1,5% (2013)

Geotérmica

25,00 30,00 575 690 tarifa máxima para fontes

petrotermais 5% (2018)

Fonte: BMU

Aproveitamento Fotovoltaico

Comparação entre Brasil e Alemanha

Brasil

Alemanha

1. Situação atual – matriz de

energia elétrica

> 80% renovável

20% renovável

2. Desenvolvimento do

consumo de energia elétrica

crescente

estável

3. Objetivos da política

energética

Segurança de

fornecimento e

modicidade tarifária

Segurança de

fornecimento e matriz

mais limpa

4. Desenvolvimento da

matriz de energia elétrica

Diversificação

moderada

Mudança radical

Configuração

Feed-In

Gerador FV

Inversor Medidor Geração/Injeção Carga Medidor Consumo Rede Gerador FV Inversor Carga Medidor Bidirecional Rede

Configuração

Net-Metering

Fonte: SMA

Aproveitamento Fotovoltaico

Fonte: Rüther, ANEEL 18,8 – 19,8 €ct/kWh 18,1 – 18,8 €ct/kWh 16,6 – 18,1 €ct/kWh 15,5 – 16,6 €ct/kWh 14,4 – 15,5 €ct/kWh 13,4 – 14,4 €ct/kWh 12,3 – 13,4 €ct/kWh 9,0 – 12,3 €ct/kWh Residential Tariffs [2,20 R$/€]

Oportunidades no Brasil

Aproveitamento Fotovoltaico

Aproveitamento Fotovoltaico

Fundamentos da Energia Solar

... Solar térmica

... Fotovoltaica

... Heliotérmica

Energia ...

Fundamentos das Energias Renováveis

Torsten Schwab

GIZ – Energias Renováveis e Eficiência Energética

Brasília

Fontes e Referências

BMWI / E-Energy Bundesminsterium für Wirtschaft und Technologia Ministério de Economia e Tecnologia

http://www.bmwi.de http://www.e-energy.de

BMU Bundesminsterium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Ministério de Meio Ambiente e Segurança Nuclear

http://www.bmu.de

DESERTEC Iniciativa DESERTEC

http://www.desertec.org

DLR Deutsches Zentrum für Luft und Raumfahrt Agência Alemã de Aviação e Astronáutica

http://www.dlr.de

AGEE Agentur für Erneuerbare Energien

http://www.unendlich-viel-energie.de

ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica

http://www.aneel.gov.br

BSW Bundesverband Solarwirtschaft

http://www.solarwirtschaft.de

Fend, Riffelmann Dietmar Brakemeier, capacitação Energia Solar, EPE/GTZ 2009 fonte original: Seminário “Solar Technology”

IEA Key World Energy Statistics 2011 International Energy Agency

ISET Institut für Solare Energieversorgungstechnik hoje: Fraunhofer IWES

Fraunhofer IWES Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik

http://www.iwes.fraunhofer.de

Kleemann, Meliss Regenerative Energiequellen Kleemann und Meliss

Springer 1993 ISBN 0387550852

SMA Solar Technology AG, Sonnenallee 1, 34266 Niestetal, Alemanha

http://www.sma.de

Fontes e Referências

Stadler Prof. Ingo Stadler

Palestra EPE/GTZ sobre Demand Side Management e DESERTEC FH Köln

http://www.f07.fh-koeln.de

REN21 Global Status Report

Renewable Energy Policy Network for the 21st Century

http://www.ren21.org

SIJ Solar Institute Jülich, FH Aachen