Energia Eólica

Escrito por Marcelo Dias em setembro de 2022

Visão Geral

A energia eólica, ou seja, energia extraída do vento, é utilizada há muito tempo pelo ser humano, nas mais diversas aplicações: tanto em moinhos de vento, quanto para movimentar embarcações, bombear água, entre outros usos. No entanto, embora existam turbinas eólicas para gerar energia elétrica que datam da década de 30, a pesquisa tratando do uso acelerado desta tecnologia como meio para geração de energia elétrica se deu a partir da década de 70, motivado pelo aumento substancial dos preços do petróleo que ocorreu na ocasião (Burton et al., 2001).

Atualmente, este tipo de energia é bastante estimulado devido à preocupação com as mudanças climáticas. A energia eólica apresenta baixas emissões de CO₂ (restritas ao processo de fabricação, instalação e descarte), bem como aplicabilidade em diversas regiões do mundo, além de ser, atualmente, bastante competitiva em termos financeiros. 

O último relatório da Agência Internacional de Energias Renováveis (IRENA, 2021) mencionou que o custo da energia eólica continuou em uma tendência de queda.  Entre 2010 e 2021, o custo da energia eólica em terra (onshore) sofreu uma queda de 68%, custando atualmente, em média, USD 0,033/kWh, enquanto a energia eólica em alto mar (offshore)  custa atualmente, em média, USD 0,075/kWh. Para efeito de comparação com outras energias renováveis, a energia eólica em terra, atualmente, possui custo por kWh mais baixo do que a fotovoltaica e a hidrelétrica, ambas com um custo médio de USD 0,048/kWh. Além disso, atualmente, o investimento em novas usinas eólicas é mais barato do que o investimento na opção menos custosa que usa combustíveis fósseis, como mostrado na figura 1 (IRENA, 2021). A tendência de aumento de preços dos combustíveis fósseis tem favorecido ainda mais a utilização de fontes renováveis de energia.  A energia eólica offshore, por outro lado, possui custos maiores, especialmente por conta da maior complexidade de construção, e também da ligação da turbina na rede elétrica.

Figura 1: Custo da energia gerada por fontes Solar e Eólica (IRENA, 2021)

O aumento da capacidade e da eficiência dos aerogeradores se deu, principalmente, pelo aumento no diâmetro das máquinas, como também por melhorias no desempenho e otimização de projeto. Em 2016, por exemplo,  já estavam disponíveis turbinas comerciais com capacidade de 8 MW e 164 metros de diâmetro (IRENA, 2016), e a maior turbina eólica do mundo, em fase operacional, possui um rotor com 222 metros de diâmetro. A Chinesa MingYang alega estar construindo uma turbina com rotor de 242 metros de diâmetro, e capacidade de 16 MW de potência, com expectativa de ser instalado o protótipo já em 2023. A fabricante Vestas possui um protótipo de 236 metros de diâmetro e 15 MW de potência.

No âmbito nacional, a energia eólica, atualmente, figura como uma das fontes de geração renovável mais importantes. Em 2021, o Brasil possuía 21.161 MW (IRENA, 2022) de capacidade instalada de energia eólica. Para efeito de comparação, o Brasil possui 109.426 MW de capacidade hidrelétrica, e 13.055 MW de capacidade instalada de energia solar. A capacidade total de energias renováveis no Brasil é de 159.943 MW, e, portanto, a energia eólica representa aproximadamente 13,2% da produção de energias renováveis (IRENA, 2022). A EPE traz dados mais detalhados, e, no balanço energético anual de 2022 (ano base 2021), informou um crescimento na participação da eólica em relação ao total da energia gerada, para 10,6%, devido à escassez hídrica ocorrida no ano. De todo modo, a energia eólica é consideravelmente importante na matriz energética brasileira. 

Uma desvantagem da energia eólica, com relação às energias geradas por combustíveis fósseis como as usinas termelétricas, é sua característica de ser uma fonte de energia intermitente, que depende de condições do vento, que são variáveis. Além disso, a produção de energia depende significativamente do potencial da região onde as usinas estão instaladas. Por esta razão, no Brasil, o maior potencial de geração eólica se concentra na região Nordeste, tendo presença também na região sul, como mostra a figura 2. Consequentemente, as usinas eólicas brasileiras se concentram majoritariamente nestas regiões. Destaca-se também o potencial para geração offshore no Brasil, embora ainda seja pouco explorado.  A instalação offshore permite o uso de rotores maiores, já que o nível de ruído é menos problemático em alto mar. 

Figura 2: Mapa de velocidades de vento no Brasil (Global Wind Atlas)

Aspectos Técnicos

Essencialmente, a turbina eólica é um dispositivo mecânico projetado para extrair energia cinética presente no vento.  As pás dos rotores de turbinas eólicas possuem perfil aerodinâmico, de modo que o escoamento incidente irá gerar uma força de sustentação nas pás, que manterá a turbina em rotação. A força de sustentação é a mesma responsável por, por exemplo, manter um avião no ar quando este está voando em alta velocidade. 

Assim, o principal parâmetro de desempenho utilizado para medir a eficiência de um aerogerador é o coeficiente de potência, que relaciona a energia disponível no vento passando pela área do rotor da turbina, e a potência aerodinâmica extraída pela turbina. O valor teórico máximo deste coeficiente é de aproximadamente 0,59 (deduzido de relações da mecânica dos fluidos), e quanto mais próximo um aerogerador consiga chegar deste limite, maior será sua eficiência. 

Outro aspecto técnico importante no funcionamento de uma turbina eólica é a razão de velocidade de ponta de pá, conhecida por TSR (Tip Speed Ratio), e frequentemente representada pela letra grega λ. Este parâmetro adimensional é uma medida da velocidade da ponta da pá da turbina, em relação à velocidade do vento incidente. A velocidade da ponta da pá, por sua vez, depende da velocidade de rotação de projeto, e do diâmetro da turbina. Este parâmetro é fundamental para que seja definido o tipo de turbina a ser instalado em uma determinada localidade, de acordo com as velocidades médias do vento naquele local. A figura 3 mostra algumas faixas de desempenho, para diferentes tipos de turbinas eólicas:

Figura 3: Faixas de desempenho típicas de turbinas eólicas (Alabdali et al., 2020)

Como se pode observar, as conhecidas turbinas eólicas de eixo horizontal possuem o valor mais alto para o coeficiente de potência, dentre as tecnologias apresentadas na figura e, por isso, são amplamente utilizadas atualmente. As turbinas de eixo horizontal são particularmente eficientes em regiões de vento considerados mais estáveis, e com incidência mais alta, e atualmente, quase todas as grandes usinas eólicas do mundo utilizam turbinas de eixo horizontal. 

No entanto, para o uso na modalidade de geração distribuída, este tipo de turbina apresenta algumas desvantagens, especialmente com relação a operação em condições nas quais a velocidade de vento é muito instável e de difícil previsão, como ambientes urbanos, repletos de obstáculos. O nível de ruído também é um ponto negativo dos aerogeradores de eixo horizontal.

Neste sentido, as turbinas eólicas de eixo vertical, como a Darrieus, baseada em sustentação; ou a Savonius, baseada na força de arrasto gerado pelo vento; possuem uma maior adaptabilidade para operar em condições mais instáveis de vento, embora seu nível de eficiência seja mais baixo, como mostrado na figura 3. Além disso, estas turbinas apresentam menor nível de ruído e fácil instalação, sendo um potencial solução para uso como fonte de geração distribuída em ambientes urbanos. 

As turbinas eólicas de eixo vertical também necessitam de menores velocidades de vento para começarem a funcionar, em comparação com as turbinas de eixo horizontal  (Kumar et al., 2018). Embora seu uso ainda não esteja tão disseminado, turbinas eólicas de eixo vertical podem ser utilizadas em ambientes urbanos, bem como em vias com alto fluxo de veículos. Atualmente, elas são particularmente utilizadas em ambientes urbanos na China (IRENA, 2016)..

O ambiente desafiador de utilizar geração eólica em ambientes urbanos se dá pela maior dificuldade de previsão das condições de vento, além do problema de menor eficiência apresentado pelas turbinas eólicas de eixo vertical, ou problemas de ruído e baixa adaptabilidade de turbinas eólicas de eixo horizontal. 

Concluindo, a energia eólica é bastante relevante no mundo, apresentando um crescimento acelerado nos últimos anos, tendência que se repetiu no Brasil. O aumento de preços de combustíveis fósseis, aliado a uma maior pressão por aceleração da transição energética tornará a energia eólica ainda mais relevante no cenário global. Melhorias nos projetos, aliado a redução de custos de aerogeradores de eixo horizontal tem viabilizado instalações em terra e no mar, onde ainda existe um potencial inexplorado e com tendência de crescimento. O Brasil também possui ainda um potencial inexplorado, embora a matriz de energia elétrica já seja majoritariamente renovável. Por fim, a instalação de aerogeradores de eixo vertical de pequeno porte podem ser um aliado na geração distribuída, contribuindo para a transição energética. 

Referências

Alabdali, Q. A., Bajawi, A. M., Fatani, A. M., & Nahhas, A. M. (2020). Review of Recent Advances of Wind Energy. Sustainable Energy, 8(1), 12–19. https://doi.org/10.12691/rse-8-1-3

Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. (2001). Wind Energy Handbook.

IRENA. (2016). Wind Power Technology Brief.

IRENA. (2021). Renewable Power Generation Costs in 2021.

IRENA. (2022). Renewable Capacity Statistics 2022.

Kumar, R., Raahemifar, K., & Fung, A. S. (2018). A critical review of vertical axis wind turbines for urban applications. Em Renewable and Sustainable Energy Reviews (Vol. 89, p. 281–291). Elsevier Ltd. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.033