atlas eólico do estado do paraná - Observatory for Renewable Energy

ATLAS EÓLICO DO ESTADO DO PARANÁ:
REVISÃO DOS RESULTADOS DE 1999 COM MEDIÇÕES
ADICIONAIS E MODELAGEM DE MESOESCALA
Dario J. Schultz1, Marcelo L. de Souza2, Sérgio M. da Anunciação3,
Odilon A. C. Amarante4, Fabiano J. L. Silva5, Emerson Parecy6,
Luiz A. J. Procopiak7, Roger P. Dorweiler8,
1
Engenheiro Eletricista, COPEL, [email protected]
Técnico em Edificações, COPEL, [email protected]
3
Engenheiro Eletricista, COPEL, [email protected]
4
Engenheiro Aeronáutico, Camargo Schubert Engenharia Eólica, [email protected]
5
Engenheiro Aeronáutico, Camargo Schubert Engenharia Eólica, [email protected]
6
Engenheiro Mecânico, Camargo Schubert Engenharia Eólica, [email protected]
7
Engenheiro Mecânico, MSc., Lactec, [email protected]
8
Engenheiro Aeroespacial, MSc., Lactec, [email protected]
2
Resumo
O Mapa Eólico do Estado do Paraná, publicado em 1999, foi elaborado a partir dos dados do Projeto Ventar, que
incluiu uma campanha de monitoramento da velocidade do vento através de 25 estações de medição e modelos
de conservação de massa. Este mapa eólico foi atualizado empregando uma nova metodologia envolvendo torres
de 50 e 100 metros de altura com sensores calibrados e modelos de relevo de alta resolução, bem como modelos
de mesoescala. Neste artigo é analisada a experiência com as novas técnicas de modelamento e os resultados são
comparados com os de 1999.
Abstract
Wind Energy Resource Atlas of State of Paraná, Brazil: Revising The 1999 Results with New Measurements and
Mesoscale Modeling. A revision of the Wind Resource Map of State of Paraná has been accomplished,
comparing the results published by the local utility COPEL in 1999, called “VENTAR Project” and which was
based on a monitoring campaign using 25 measuring masts and a mass-consistent model, with a recent
evaluation employing a new methodology comprising calibrated wind measurement equipment in masts with 50100 meters height, high resolution terrain models and mesoscale modeling. This paper presents an analysis on
the experience and implementation of new tools for wind mapping, comparing the results.
INTRODUÇÃO
O Mapa Eólico do Estado do Paraná foi publicado em 1999, como resultado de uma campanha de
monitoramento da velocidade de vento que empregou 25 estações de medição de vento de custo reduzido e
modelos computacionais de conservação de massa georeferenciados. Este mapa eólico foi pioneiro nesta
abordagem do recurso eólico no país e a metodologia foi apresentada na revista DEWI Magazin de agosto de
1999. Foram elaborados diversos outros mapas de outros estados utilizando a mesma tecnologia.
A partir de 2003 foi realizada uma nova campanha de medições de ventos, através de um projeto de pesquisa e
desenvolvimento envolvendo a COPEL, o LACTEC e a Camargo Schubert, na qual foram empregadas torres
treliçadas estaiadas de 50 e 100 metros de altura, com sensores novos e calibrados, instaladas nas áreas mais
propícias identificadas no mapa de 1999 e no Atlas Eólico Nacional de 2001, entre outras fontes. Com o
processamento em modelos de mesoescala destes novos dados de vento e de modelos mais detalhados de relevo
do Estado do Paraná, foi elaborado um novo mapa eólico.
NOVA METODOLOGIA
A nova metodologia de mapeamento eólico foi desenvolvida considerando os seguintes aspectos:
• Utilização de uma rede de torres de medição de vento de alta qualidade de 50 e 100 metros de altura
equipadas com anemômetros calibrados (segundo o padrão MEASNET) de diversos tipos e fabricantes
instalados a duas ou três alturas do solo, conforme as recomendações da Agência Internacional de Energia
(IEA) e da Comissão Internacional de Eletrotécnica (IEC);
• Adoção de um plano de qualidade para otimizar a taxa de recuperação de dados das estações de medição;
• Mapeamento eólico preliminar com modelos de mesoescala para definir a localização mais apropriada das
estações de medição;
• Validação das medições de velocidade de vento e correlação com as medições de longo termo obtidas através
dos ajustes climatológicos dos dados de reanálise do NCEP/NCAR;
• Emprego de modelos de relevo de alta resolução e de modelos de mesoescala para o detalhamento do recurso
eólico, uma vez que muitas das áreas com ventos mais fortes estão situadas em regiões de relevo complexo;
• Identificação das áreas mais promissoras, estimativa do potencial eólico total do Estado do Paraná e
comparação com os resultados de 1999.
MODELAGEM NUMÉRICA
Ambos os mapeamentos eólicos empregaram simulações numéricas de camada limite atmosférica e dados de
velocidade de vento de estações de medição; no primeiro mapeamento, de 1999, foi utilizado um modelo
convencional de conservação de massa (WindMap, Brower & Co) e no segundo, atualização do mapeamento, foi
utilizado um modelo de mesoescala avançado (MesoMap, AWS Truewind, LLC), levando-se em consideração
que as áreas mais promissoras identificadas se encontravam em locais de terreno de relevo complexo.
Os modelos convencionais de conservação de massa ou Jackson-Hunt, devido as suas características mais
simplificadas e por não incorporarem importantes fenômenos atmosféricos, podem não ser adequados para a
definição da posição dos aerogeradores em áreas de relevo complexo.
Os modelos de mesoescala incorporam os princípios de conservação de massa e de energia, além dos fluxos de
calor, mudanças de fase do vapor de água e energia cinética turbulenta, podendo simular uma grande variedade
de mecanismos de mesoescala como os ventos catabáticos de montanha-vale, canalização dos ventos nos passos
entre montanhas, brisas marinhas e terrestres, bem como inversões térmicas. O modelo de mesoescala utilizado
foi o sistema MesoMap, desenvolvido pela empresa AWS Truewind, LLC.
CAMPANHA DE MONITORAMENTO EÓLICO
Na campanha de 1999 foram utilizadas 25 estações de medição de vento em estruturas simplificadas, torres de
comunicação existentes ou postes de concreto com extensão em tubo de alumínio atingindo alturas de 18 a 20
metros. Considerando-se que o potencial eólico estava referenciado a 50 metros de altura do solo, foram
empregadas ferramentas matemáticas para a extrapolação dos dados de vento, o que acarretou algumas
imprecisões ou incertezas.
Na nova campanha, iniciada em 2003, foram empregadas nove torres treliçadas estaiadas de 50 e 100 metros de
altura, equipadas com sensores calibrados segundo os padrões da MEASNET, instaladas nas regiões mais
promissoras identificadas na primeira versão do mapa eólico. Para a avaliação do desempenho foram utilizados
sensores e registradores de dados de diversos tipos e fabricantes.
Figuras 1 e 2: Anemômetros Calibrados de Copo e Sônico
Figures 1 & 2: Calibrated Cup and Sonic Anemometers
Figura 3: Registrador de Dados
Figure 3: Data Logger
Figura 4: Instalação de uma torre de 100m.
Figure 4: Installation of 100m. met mast.
COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS DOS MAPAS EÓLICOS
O Mapa Eólico do Paraná do Projeto Ventar de 1999 foi baseado nos dados de velocidade de vento de 25
estações simples de medição, nos dados de terreno e relevo de cartas topográficas e de uso do solo simplificadas
com resolução superficial de 2km x 2km e em simulações numéricas de camada limite de ventos com modelos
de conservação de massa WindMap.
O novo mapeamento eólico baseou-se também nas medições das 25 torres do Projeto Ventar e em mais 9 novas
torres de medição que foram instaladas e operaram principalmente no período de 2003 a 2006. Todos os dados
de vento foram validados e foi verificada a correlação com longas séries históricas dos dados de reanálise do
Projeto de Reanálise NCEP/NCAR, que cobrem um longo período (1976-2006) com quatro leituras diárias (a
cada 6 horas). Os dados validados foram utilizados para ajustar os desvios dos valores calculados pelo modelo
MesoMap para cada local das estações de medição. O banco de dados topográficos foi obtido da NASA/SRTM Shuttle Radar Topography Mission com uma resolução original de cerca de 90m x 90m.
O modelo de rugosidade foi desenvolvido a partir de imagens de satélite, mapas de cobertura do solo e de
inspeções em campo dos tipos de terrenos. A resolução final dos modelos de terreno ficou em 200m x 200m. As
simulações do MesoMap foram feitas utilizando uma resolução de mesoescala de 3,6 km, interpolada para a
resolução de 200 metros dos modelos de terreno.
As próximas figuras mostram as imagens do satélite Landsat e os modelos de terreno empregados.
Figura 5: Modelo Digital de Relevo do Paraná.
Figure 5: Digital Elevation Model of State of Paraná.
Figura 6: Imagem do satélite LANDSAT
Figure 6: LANDSAT Image
Figura 7: Modelo Digital de Rugosidade e Uso do Solo do Paraná.
Figure 7: Digital Roughness Model of State of Paraná.
Os mapas eólicos são apresentados nas próximas figuras e pode-se observar a resolução bem mais alta do mapa
atualizado e a relativa congruência entre eles, apesar do mapa atualizado apresentar novas áreas com potencial
eólico promissor.
Figura 8: Mapa Eólico do Paraná: Projeto Ventar-1999.
Figure 8: Wind Resource Map of State of Paraná: Ventar-1999
Figura 9: Mapa Eólico do Paraná: Nova Metodologia
Figure 9: Wind Resource Map of State of Paraná: New Methodology
A tabela a seguir apresenta a comparação do potencial eólico para a geração de energia elétrica estimada a partir
dos dois mapas.
Tabela 1: Comparação do Potencial Eólico dos Mapas: Integração Acumulada da Geração Anual
Table 1: Wind Resource Maps Comparison: Cumulative Integration of Annual Yield.
Velocidade
media anual
do vento
(m/s)
1999
NOVO
1999
NOVO
1999
NOVO
≥ 6.0
5560
4033
11120
8066
21460
16792
≥ 6.5
1370
852
2740
1704
5760
4110
≥ 7.0
64
156
128
312
310
847
ÁREA (km²)
POTENCIA
INSTALÁVEL (MW)
GERAÇÃO DE ENERGIA
ANUAL (GWh)
O modelo de mesoescala resultou uma visão mais apurada do recurso eólico. A nova metodologia revelou
grandes extensões de áreas com velocidades de vento médias anuais iguais ou superiores a 7 m/s a 50 metros de
altura, considerada como a velocidade mínima necessária para se iniciar os estudos de viabilidade de usinas
eólicas, que representam uma potência instalável de cerca de 312 MW (cerca de 847 GWh/ano), dados estes
muito superiores aos estimados a partir do mapa eólico de 1999: 128 MW (cerca de 310 GWh/ano).
CONCLUSÃO
A nova metodologia envolvendo medições de vento de alta qualidade, melhores dados de terreno de resolução
mais alta (topografia e rugosidade/uso do solo) e simulações com modelos de mesoescala resulta em um
detalhamento do recurso eólico muito mais preciso.
As simulações resultaram um perfil muito mais detalhado do potencial eólico do Estado do Paraná. Em
comparação com o primeiro mapa com resolução de 2km x 2km, a nova grade de dados com resolução de 200m
x 200m representa uma melhora de 100 vezes no plano horizontal.
Nas áreas de terreno de relevo complexo, as simulações com modelos de mesoescala resultaram um mapeamento
eólico muito mais preciso que o anterior, o que pode ser comprovado através das medições locais.
O novo mapeamento apresentou novas áreas promissoras ao norte e ao oeste do Estado, bem como áreas mais
extensas com velocidades de vento superiores a 7,0 m/s a 50 metros de altura. Como conseqüência disto, a
potência instalável atingiu 312 MW (847 GWh/ano).
Por outro lado, entretanto, algumas áreas tiveram seu potencial reduzido, principalmente nas regiões de relevo
complexo localizados nos cumes das montanhas mais altas e nos campos elevados com pastagens naturais.
A experiência com terrenos de relevo complexo mostrou que os métodos tradicionais de mapeamento eólico
tendem a indicar velocidades de vento mais altas no topo das colinas, como conseqüência da lei de conservação
de massa. Neste caso, contudo, o modelo MesoMap indicou velocidades de vento mais elevadas logo abaixo e a
jusante dos topos das colinas, o que pode ser comprovado através das medições.
Todos estes resultados foram consolidados no Atlas Eólico do Estado do Paraná que está sendo publicado pela
COPEL e o novo mapa eólico do Estado poderá atrair novos investidores e empreendedores de projetos eólicos,
com a indicação das melhores áreas, pois as medições de melhor qualidade podem reduzir as incertezas nas
análises preliminares de geração de energia.
REFERÊNCIAS
AMARANTE, O. A. C. DO, SCHULTZ, D. J., “Wind Energy Resource Map of the State of Paraná”, Brazil.
Dewi Magazin, Alemanha, n.15, p. 70-75, Aug.1999.
DO AMARANTE, O. A. C., BROWER, M., ZACK, J., Atlas do Potencial Eólico Brasileiro. MME /
ELETROBRÁS / CEPEL, 2001.
IEA - International Energy Agency: Recommended Practices for Wind Turbine Testing and Evaluation, Part 11
Wind Speed Measurement and Use of Cup Anemometry, 1. Edition 1999
MEASNET - Network of European Measuring Institutes: Cup Anemometer Calibration Procedure, 1. Ed. 1997
NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center: NCEP Reanalysis Data, Boulder, Colorado, USA, site:
http://www.cdc.noaa.gov