Energia Eólica

Visão geral

A energia eólica, ou seja, a energia extraída do vento, é usada há muito tempo pelos humanos em diversas aplicações: em moinhos de vento, para movimentar barcos, para bombear água, entre outros usos. No entanto, embora existam turbinas eólicas para gerar eletricidade que datam da década de 1930, as pesquisas sobre o uso acelerado dessa tecnologia como meio de geração de eletricidade começaram na década de 1970, motivadas pelo aumento substancial dos preços do petróleo ocorrido na época (Burton et al., 2001).

Atualmente, esse tipo de energia é altamente incentivado devido às preocupações com as mudanças climáticas. A energia eólica apresenta baixas emissões de CO2 (restrita aos processos de fabricação, instalação e descarte), além de aplicabilidade em diversas regiões do mundo, além de ser, atualmente, bastante competitiva em termos financeiros.

O último relatório da Agência Internacional de Energia Renovável (IRENA, 2021) mencionou que o custo da energia eólica continuou em tendência de queda. Entre 2010 e 2021, o custo da energia eólica onshore caiu 68%, custando atualmente em média US$ 0,033/kWh, enquanto a energia eólica offshore custa atualmente em média US$ 0,075/kWh. Para comparação com outras energias renováveis, a energia eólica onshore tem atualmente um custo por kWh menor que a fotovoltaica e a hidrelétrica, ambas com custo médio de US$ 0,048/kWh. Além disso, o investimento em novos parques eólicos é atualmente mais barato que o investimento na opção menos custosa que utiliza combustíveis fósseis, conforme mostrado na Figura 1 (IRENA, 2021). A tendência de aumento do preço dos combustíveis fósseis favoreceu ainda mais o uso de fontes de energia renováveis. A energia eólica offshore, por outro lado, tem custos mais altos, especialmente devido à maior complexidade da construção, e também da conexão da turbina à rede elétrica.

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

O aumento da capacidade e eficiência das turbinas eólicas se deu principalmente pelo aumento do diâmetro das máquinas, além de melhorias no desempenho e otimização do 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 rotor com diâmetro de 222 metros. A empresa chinesa MingYang afirma estar construindo uma turbina com rotor de 242 metros de diâmetro e capacidade de 16 MW de potência, com previsão de instalação do protótipo em 2023. A fabricante Vestas possui um protótipo de 236 metros de diâmetro e 15 MW de potência.

A nível nacional, a energia eólica figura atualmente como uma das mais importantes fontes de geração renovável. Em 2021, o Brasil tinha 21.161 MW (IRENA, 2022) de capacidade instalada de energia eólica. Para fins de comparação, o Brasil tem 109.426 MW de capacidade hidrelétrica e 13.055 MW de capacidade instalada de energia solar. A capacidade total de energia renovável no Brasil é de 159.943 MW e, portanto, a energia eólica representa aproximadamente 13,2% da produção de energia renovável (IRENA, 2022). A EPE fornece dados mais detalhados e, no balanço energético anual de 2022 (ano base 2021), relatou um aumento na participação da energia eólica em relação à energia total gerada, para 10,6%, devido à escassez hídrica ocorrida durante o ano. De qualquer forma, a energia eólica tem considerável importância na matriz energética brasileira.

Uma desvantagem da energia eólica, em comparação com a energia gerada por combustíveis fósseis, como as termelétricas, é que ela é uma fonte de energia intermitente que depende de condições variáveis de vento. Além disso, a produção de energia depende significativamente do potencial da região onde as usinas estão instaladas. Por esse motivo, no Brasil, o maior potencial de geração eólica concentra-se na região Nordeste, com presença também na região Sul, como mostra a Figura 2. Consequentemente, as usinas eólicas brasileiras concentram-se principalmente nessas regiões. O potencial de geração offshore no Brasil também é notável, embora ainda seja pouco explorado. A instalação offshore permite o uso de rotores maiores, uma vez que o nível de ruído é um problema menor em alto-mar.

Figura 2: Mapa de velocidades dos ventos 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 das turbinas eólicas possuem um perfil aerodinâmico, de modo que o fluxo incidente irá gerar uma força de sustentação nas pás, que manterá a turbina girando. A força de sustentação é a mesma responsável por, por exemplo, manter um avião no ar quando ele está voando em alta velocidade.

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

Outro aspecto técnico importante na operação de uma turbina eólica é a razão de velocidade da ponta da pá, conhecida como TSR (Tip Speed Ratio), e frequentemente representada pela letra grega λ. Esse 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 do projeto e do diâmetro da turbina. Esse parâmetro é essencial para definir o tipo de turbina a ser instalada em um determinado local, 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 típicas de desempenho de turbinas eólicas (Alabdali et al., 2020)

Como pode ser observado, as conhecidas turbinas eólicas de eixo horizontal apresentam o maior valor para o coeficiente de potência entre as tecnologias apresentadas na figura e, por isso, são amplamente utilizadas atualmente. As turbinas de eixo horizontal são particularmente eficientes em regiões com ventos considerados mais estáveis, e com maior incidência, e atualmente, quase todos os grandes parques eólicos do mundo utilizam turbinas de eixo horizontal.

No entanto, para uso no modo de geração distribuída, esse tipo de turbina apresenta algumas desvantagens, principalmente quanto à operação em condições nas quais a velocidade do vento é muito instável e de difícil previsão, como ambientes urbanos, cheios de obstáculos. O nível de ruído também é um ponto negativo das turbinas eólicas de eixo horizontal.

Nesse sentido, turbinas eólicas de eixo vertical, como a Darrieus, baseada no suporte; ou a Savonius, baseada na força de arrasto gerada pelo vento; elas apresentam maior adaptabilidade para operar em condições de vento mais instáveis, embora seu nível de eficiência seja menor, conforme mostrado na Figura 3. Além disso, essas turbinas apresentam menores níveis de ruído e são fáceis de instalar, sendo uma solução potencial para uso como fonte de geração distribuída em ambientes urbanos.

As turbinas eólicas de eixo vertical também requerem velocidades de vento menores para entrar em operação, em comparação às turbinas de eixo horizontal (Kumar et al., 2018). Embora seu uso ainda não seja amplamente difundido, as turbinas eólicas de eixo vertical podem ser utilizadas em ambientes urbanos, bem como em estradas com alto fluxo de veículos. Atualmente, são particularmente utilizadas em ambientes urbanos na China (IRENA, 2016).

O ambiente desafiador do uso da geração eólica em ambientes urbanos se deve à 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 das turbinas eólicas de eixo horizontal.

Concluindo, a energia eólica é bastante relevante no mundo, apresentando crescimento acelerado nos últimos anos, tendência que se repetiu no Brasil. O aumento dos preços dos combustíveis fósseis, aliado à maior pressão para acelerar a transição energética, tornará a energia eólica ainda mais relevante no cenário global. Melhorias nos projetos, aliadas à redução de custos de aerogeradores de eixo horizontal, têm viabilizado instalações em terra e no mar, onde ainda há potencial inexplorado e com tendência a crescer. O Brasil também ainda tem potencial inexplorado, embora a matriz elétrica já seja majoritariamente renovável. Por fim, a instalação de aerogeradores de pequeno porte de eixo vertical pode ser uma aliada 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. Português: https://doi.org/10.12691/rse-8-1-3

Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N., & Bossanyi, E. (2001). Manual de Energia Eólica.

IRENA. (2016). Resumo da Tecnologia de Energia Eólica.

IRENA. (2021). Custos de Geração de Energia Renovável em 2021.

IRENA. (2022). Estatísticas de Capacidade Renovável 2022.

Kumar, R., Raahemifar, K., & Fung, A. S. (2018). Uma revisão crítica de turbinas eólicas de eixo vertical para aplicações urbanas. Em Renewable and Sustainable Energy Reviews (Vol. 89, pp. 281–291). Elsevier Ltda. https://doi.org/10.1016/j.rser.2018.03.033