Uma turbina eólica é um dispositivo que transforma a energia cinética do vento em energia mecânica , conhecida como energia eólica , que, na maioria das vezes, é transformada em energia elétrica . As turbinas eólicas que geram eletricidade são chamadas de turbinas eólicas , enquanto as turbinas eólicas que bombeiam água diretamente são às vezes chamadas de turbinas eólicas de bomba ou bombas de vento . Uma forma antiga de turbina eólica é o moinho de vento .
Os termos "parque eólico ", " parque eólico " ou "parque eólico" são usados para descrever unidades de produção agrupadas, instaladas em terra ou no mar .
Os países do mundo com mais parques eólicos são China , Estados Unidos , Alemanha , Espanha , Índia , Reino Unido e, como proporção da população, Dinamarca (ver Geração de energia eólica ).
Em 1885, Ernest-Sylvain Bollée , inventor da turbina eólica Bollée , usou a palavra "moinho de vento" pela primeira vez como um substantivo comum a partir do adjetivo substantivo ( energia eólica ). A palavra encontrou seu lugar em Larousse em 1907.
O antepassado do vento é o moinho de vento , apareceu na Pérsia no ano 620 e seguir a bomba de vento , apareceu no IX th século na presente Afeganistão . Hoje, eles ainda são usados acoplados a uma bomba d'água , geralmente para drenar e secar áreas úmidas ou de outra forma irrigar as áreas secas ou permitir o abastecimento de gado .
Em 1888, Charles Francis Brush construiu uma grande turbina eólica para abastecer sua casa com eletricidade, com armazenamento por bateria de acumulador .
A primeira turbina eólica "industrial" a gerar eletricidade foi desenvolvida pelo Dane Poul La Cour em 1890, para fabricar hidrogênio por eletrólise . Nos anos seguintes, ele criou a turbina eólica “Lykkegard”, da qual vendeu setenta e duas cópias em 1908.
Em 1923, o geneticista britânico John Burdon Sanderson Haldane escreveu:
“Se uma turbina eólica no jardim pudesse produzir 50 kg de carvão por dia (ou pudesse produzir o equivalente em energia), nossas minas de carvão fechariam amanhã. Pessoalmente, acho que daqui a 400 anos , podemos ter resolvido o problema de energia na Inglaterra da seguinte maneira: o país será coberto com fileiras de turbinas eólicas de metal, acionando motores elétricos que fornecerão uma corrente de tensão muito alta grande rede elétrica. Plantas grandes e bem espaçadas usarão a energia excedente dos períodos de vento para efetuar a decomposição eletrolítica da água em oxigênio e hidrogênio. Esses gases serão liquefeitos e armazenados em grandes tanques a vácuo de parede dupla, provavelmente subterrâneos. (...) Em climas calmos, os gases seriam recombinados em motores de combustão interna ligados a dínamos para recuperar eletricidade ou, mais provavelmente, em células a combustível. "
Uma turbina eólica experimental de 800 kVA operou de 1955 a 1963 na França, em Nogent-le-Roi em Beauce . Foi desenhado pelo Gabinete de Estudos Científicos e Técnicos de Lucien Romani e operado em nome da EDF . Simultaneamente, duas turbinas eólicas Neyrpic de 130 e 1000 kW foram testadas pela EDF em Saint-Rémy-des-Landes ( Manche ). Havia também uma turbina eólica conectada ao setor nas alturas de Argel (Dély-Ibrahim) em 1957.
Esta tecnologia foi um tanto negligenciada a partir de então, somente na década de 1970 e no primeiro choque do petróleo que a Dinamarca assumiu as instalações de turbinas eólicas.
A turbina eólica mais comum, com eixo horizontal, consiste nos seguintes elementos:
Matt Permite que o rotor seja colocado a uma altura suficiente para permitir o seu movimento (necessário para turbinas eólicas de eixo horizontal), ou a uma altura em que o vento sopre com mais força e regularidade do que ao nível do solo. O mastro geralmente abriga parte dos componentes elétricos e eletrônicos (modulador, controle, multiplicador, gerador, etc. ). Os mastros são geralmente feitos de aço, mas os mastros de concreto são cada vez mais usados por alguns produtores (por exemplo, na França, para cerca de 1.000 turbinas eólicas montadas de 2004 ao início de 2013 pela Enercon , 300 têm um mastro de concreto). Uma nacela É montado no topo do mastro e abriga os componentes mecânicos e pneumáticos, certos componentes elétricos e eletrônicos necessários para a operação da máquina. A plataforma pode girar para apontar a máquina na direção certa. Um rotor Consiste no nariz do aerogerador recebendo as pás (geralmente três), fixadas em um eixo giratório em mancais instalados na nacela. O rotor, integrado às pás, é movido pela energia do vento. É conectado direta ou indiretamente (por meio de um multiplicador de velocidade engrenado) ao sistema mecânico que utiliza a energia captada (bomba, gerador elétrico , etc. ).Elementos adicionais, como uma estação de entrega para injetar a energia elétrica produzida na rede elétrica , completam a instalação.
Tal turbina eólica é modelada principalmente com base em suas características aerodinâmicas , mecânicas e eletrotécnicas . Na prática, também é feita uma distinção entre “grandes aerogeradores”, que diz respeito a máquinas acima de 350 kW , aerogeradores de média potência (entre 36 e 350 kW ) e pequenos aerogeradores (menos de 36 kW ).
Uma turbina eólica de eixo horizontal é uma hélice perpendicular ao vento, montada em um mastro. A altura é geralmente de 20 m para pequenas turbinas eólicas e mais do que o dobro do comprimento de uma pá para modelos grandes.
Em 2017, a maior turbina eólica tinha 187 m de altura e uma potência de 9,5 MW . Em 2019, o protótipo do Haliade X, instalado em Rotterdam, com potência de 12 MW , atingiu 260 m de altura.
Potência teoricamente recuperávelA potência do vento contida em um cilindro de seção é:
com:
: Velocidade do fluido ao nível da turbina eólica : densidade do ar ( ar atmosférico seco, aproximadamente: 1,23 kg / m 3 a 15 ° C e à pressão atmosférica 1,0132 bar) : velocidade do vento em m / sUma turbina eólica só pode recuperar parte dessa energia, pois o fluxo não pode ter velocidade zero depois de passar pela turbina (caso contrário, isso equivaleria a “parar o vento” ).
Fórmula BetzA energia recuperável é menor que a energia cinética do ar localizado a montante da turbina eólica, uma vez que o ar deve reter energia cinética residual para que um fluxo permaneça. Albert Betz demonstrou que a potência máxima recuperável é igual a 16 ⁄ 27 da potência incidente.
A potência máxima teórica de uma turbina eólica é, portanto, fixada em:
é :
Ou :
A essa potência máxima é atribuído o coeficiente de desempenho específico para o tipo e modelo de turbina eólica e para o local de instalação. Esse coeficiente geralmente está entre 0,20 e 0,70.
Para o cálculo da potência de uma turbina eólica levando em consideração a energia cinética e potencial, ver: cálculo da potência de uma turbina do tipo vento ou maremotriz .
Geração de energia elétricaDevido à intermitência do vento e às variações em sua potência, é importante distinguir dois conceitos:
Poder nominal uma das características importantes das turbinas eólicas é sua potência elétrica nominal. Portanto, referir-se a uma turbina eólica de 2 MWp (megawatt-pico) significa que ela é capaz de fornecer uma energia elétrica máxima de 2 × 10 6 watts). A velocidade mínima do vento para atingir essa potência máxima é da ordem de 15 m / s , ou cerca de 55 km / h : abaixo dessa velocidade, o aerogerador produz menos energia, mas acima, a produção não é maior e quando a velocidade do vento atinge o limite de segurança (frequentemente em torno de 25 a 35 m / s - 90 a 126 km / h ), a turbina eólica é restringida ou mesmo desligada. A produção real de energia elétrica é, portanto, uma função da distribuição estatística da velocidade do vento no local. Fator de carga A relação entre a energia elétrica produzida em um determinado período e a energia que a turbina eólica teria produzido se tivesse operado com sua potência nominal durante o mesmo período. Este indicador é geralmente calculado ao longo de um ano e expresso como uma porcentagem (%), que é o caso no restante desta seção. Em média na Europa, essa taxa de ocupação variou entre 17,7 e 21,0% entre 2003 e 2008, enquanto na França foi de 22% para os anos de 2009 e 2010.Em 2009, a energia eólica representou 1,3% da produção global de eletricidade:
Na França a produção de eletricidade a partir do vento representou 1,5% da produção total de eletricidade em 2009 e 1,7% em 2010. Na Dinamarca com uma frota de 3.482 MW em 2009 e produção de 24.194 TJ , a geração eólica representou 18,5% da produção de eletricidade (ou seja, 2,99% do consumo total de energia).Turbinas eólicas e linhas de energia perto de Rye , Inglaterra.
Pôr do sol sobre o Parque Eólico Guazhou, na China, que inclui mais de 200 turbinas eólicas.
Parque eólico Estinnes , Bélgica, 11 turbinas eólicas, visto em10 de outubro de 2010.
Por razões de segurança, é necessário imobilizar as pás quando o vento estiver muito forte. Na verdade, as lâminas se dobram com a força do vento e, em um vento muito forte, atingem o mastro. A inércia da turbina é aproximadamente proporcional ao cubo do comprimento das pás, enquanto a superfície resistente ao vento é proporcional ao quadrado desse comprimento. As pressões exercidas em uma turbina eólica, portanto, aumentam muito rapidamente à medida que seu tamanho aumenta. Assim, o comprimento máximo de uma lâmina é limitado pela resistência de seus materiais.
As lâminas grandes são feitas de materiais compostos à base de fibra de vidro ou carbono e resina epóxi ou poliéster ; outros materiais podem ser usados. Turbinas eólicas menores podem ser construídas com materiais mais baratos, como fibra de vidro, alumínio ou madeira laminada.
Hub de uma turbina eólica sem pás (Enercon E-70) na ilha de El Hierro ( Ilhas Canárias ).
Pálido em um trailer.
Segmentos de mastro em reboques e uma base de lâmina.
Lâminas de reposição com aproximadamente 15 m de comprimento.
As pequenas turbinas eólicas são direcionadas para o vento por uma barbatana traseira, como um cata-vento . Grandes turbinas eólicas têm sensores que detectam a direção do vento e ativam um motor que gira o rotor.
Cada lâmina rotativa comporta-se como um giroscópio e, devido à força da gravidade exercida sobre ela, é submetida a uma força de precessão que, sendo perpendicular ao eixo de rotação e à força da gravidade, é horizontal. Essa força de precessão é, portanto, paralela à lâmina quando esta está na horizontal e é perpendicular a ela quando a lâmina está na vertical. Em última análise, essas mudanças cíclicas na força nas pás podem se cansar e fazer com que a base das pás e / ou o eixo da turbina quebre .
Quando uma poderosa turbina eólica possui mais de uma pá, estas são perturbadas pelo ar deslocado pela pá anterior. O rendimento é reduzido como resultado.
As vibrações diminuem conforme o número de lâminas aumenta. Além de cansar os mecanismos, algumas vibrações são audíveis e causam poluição sonora. No entanto, turbinas eólicas com menos pás maiores operam com um número de Reynolds mais alto e são, portanto, mais eficiente. Como o preço de uma turbina eólica aumenta com o número de pás, o número ideal para um sistema de eixo horizontal é, portanto, três, porque com duas pás os problemas de desequilíbrio seriam maiores. Na verdade, o número de lâminas deve ser ímpar para que o balanceamento seja ideal.
Rotores com um número par de pás não requerem necessariamente que cada pá seja fixada individualmente a um cubo. Além disso, muitas turbinas eólicas comerciais têm duas pás, porque é mais fácil e econômico fabricá-las inteiras. Turbinas eólicas com três pás, que são mais silenciosas, geralmente precisam ser montadas no local.
A maioria das turbinas eólicas caseiras tem duas pás, pois são feitas de uma única peça longa de madeira ou metal, montada em um gerador de salvamento, como um alternador de carro ou motor de máquina de lavar.
Como o mastro produz turbulência atrás dele, o rotor é geralmente colocado na frente do mastro. Nesse caso, o rotor é colocado suficientemente à frente e seu eixo às vezes é inclinado em relação à horizontal, a fim de evitar que as pás batam no mastro. As turbinas eólicas são por vezes construídas em que o rotor é colocado a jusante do mastro, apesar dos problemas de turbulência, porque as pás podem ser mais flexíveis e dobrar sem correr o risco de atingir o mastro com ventos fortes, reduzindo assim a sua resistência ao vento. ' .
Os antigos moinhos de vento são equipados com velas em vez de pás, mas têm uma expectativa de vida muito limitada. Além disso, sua resistência ao ar é relativamente alta em comparação com a energia que recebem. Eles fazem o gerador funcionar muito devagar e desperdiçam a energia potencial do vento, cujo impulso exige que sejam montados em um mastro particularmente forte. É por isso que hoje as preferimos lâminas de perfil rígido.
Quando uma pá está girando, a velocidade relativa do vento em relação à pá é maior que sua própria velocidade e depende da distância do ponto considerado da pá ao seu eixo de rotação. Isso explica porque o perfil e a orientação da lâmina variam em seu comprimento. A composição das forças exercidas nas pás se resume em um torque útil que permite a produção de eletricidade pelo alternador, e uma força de empuxo axial, refletida no mastro por meio de um batente. Esse impulso pode se tornar excessivo quando o vento está muito forte; é por isso que as turbinas eólicas são então paradas e orientadas para oferecer a menor resistência ao vento.
Testes foram realizados (2004) para usar lâminas cilíndricas e aproveitar o efeito Magnus .
Além das turbinas eólicas convencionais com eixo horizontal paralelo à direção do vento, as chamadas turbinas eólicas de “eixo vertical” têm um eixo perpendicular à direção do vento. O eixo é frequentemente posicionado verticalmente, mas turbinas eólicas deste tipo também podem ser posicionadas horizontalmente. Este tipo de turbina eólica está disponível de acordo com vários princípios.
O tipo DarrieusA turbina eólica do tipo Darrieus é baseada no efeito de sustentação sofrido por um perfil submetido à ação de um vento relativo , como o efeito exercido na asa de um avião . Existem várias variações em torno deste princípio, desde o rotor cilíndrico simples - dois perfis dispostos em cada lado do eixo - ao rotor parabólico onde os perfis são curvados em troposkin e fixados no topo e na base do eixo vertical. Uma turbina eólica desse tipo operou em Quebec (no Parc Éole ) de 1983 a 1992. Grande em tamanho (110 m de altura), o protótipo se deteriorou durante uma rajada. Ele foi projetado para fornecer 4 MW com um gerador no solo.
O tipo SavoniusO tipo Savonius , que consiste esquematicamente em dois ou mais baldes semicilíndricos ligeiramente deslocados, tem um grande número de vantagens. Além de sua pequena pegada, que permite que a turbina eólica seja integrada em edifícios sem distorcer sua estética, não é muito barulhento. Ele começa em baixas velocidades do vento e exibe alto torque, embora varie sinusoidalmente durante a rotação. Existe uma variante, chamada Savonius helicoidal (ou Savonius torcida em inglês), que aumenta o desempenho ao oferecer continuamente uma aderência de superfície ao vento. Em vez de ter semicilindros verticais, eles são torcidos helicoidalmente em torno do eixo de rotação. Por causa de sua pequena pegada, seu bom desempenho e a necessidade de vento muito fraco, eles são usados na cidade em telhados de casas, em barcos, como o Hornblower Hybrid , ou na Torre do Rio das Pérolas , uma torre de energia positiva . Eles também são adequados para uma posição horizontal, o eixo de rotação permanecendo perpendicular ao vento e não no perfil do vento, como turbinas eólicas convencionais com eixo horizontal.
Certos fabricantes também projetaram turbinas eólicas incorporando a tecnologia Darrieus e a tecnologia Savonius, buscando combinar as vantagens dessas duas tecnologias.
Uma variação deste tipo de turbina eólica é o Moulinet, do qual o anemômetro é uma boa ilustração. Citemos também os modelos com tela onde se esconde o lado “contraproducente” da máquina. Este modelo usa um sistema de orientação da tela em relação ao vento, de fato eliminando uma vantagem essencial das turbinas eólicas de eixo vertical. Finalmente, o aumento significativo da massa em função do tamanho torna a turbina eólica do tipo Savonius inadequada para a produção em larga escala em um parque eólico.
O tipo de asa rotativaO tipo de asa rotativa (ou panemone) é caracterizado pela otimização dinâmica do ajuste da lâmina em tempo real. Elas se comportam da mesma forma que a vela de um veleiro que circula na água com um vento determinado. As lâminas reproduzem assim fielmente todos os passos de um veleiro seguindo sua direção tangencial (ângulo) em relação à direção do vento. Como resultado, o impulso tangencial nos braços do rotor que suporta as pás é sempre otimizado. Esta forma de aproveitamento da energia eólica é muito antiga (Irã, Creta, etc.). Este processo, que recebeu a medalha de prata na Exposição Internacional de Invenções de Genebra em 2006, deu origem a várias experiências.
Outros modelos são construídos por várias empresas para superar as limitações devido ao tamanho das pás, sua velocidade de rotação e ruído. O princípio é o de um rotor com eixo vertical que gira no centro de um estator com aletas. Este tipo de solução reduz consideravelmente o ruído enquanto permite a operação com ventos acima de 220 km / he independente de sua direção. A pegada geral é menor em termos de espaço e altura. Para uma turbina eólica de 3 m de diâmetro e 2 m de altura, é anunciada uma produção de 8.000 kWh / ano (2007) . Este dispositivo é instalado apenas em pequenas turbinas eólicas; modifica as forças do ar nas lâminas. Atua movendo o rotor para fora do leito eólico de modo a reduzir seus efeitos nas pás.
Não se trata mais de um sistema de desaceleração, mas de uma parada total da turbina eólica.
Este mecanismo é acionado automaticamente quando a velocidade atinge um determinado limite por meio de um detector de velocidade. Se o vento diminuir, o freio é liberado e a turbina eólica volta a funcionar livremente. Este dispositivo também pode ser acionado quando um problema na rede elétrica é detectado.
Turbinas eólicas de passo fixo com regulagem Stall geralmente têm dois freios a disco para segurança.
Os modelos de turbinas eólicas Classe III, especialmente adaptados para locais que beneficiam de velocidades médias do vento ao longo de um ano de até 7,5 metros por segundo, passaram por avanços tecnológicos significativos e apresentam rendimentos superiores da ordem de 10 a 25% em relação à geração anterior. Geralmente são de altura maior e possuem facas muito mais longas, o que lhes permite reduzir a relação entre a potência elétrica e a área varrida pelas facas, aumentando significativamente a vida útil das máquinas ( fator de carga ). Sua produção também é mais regular, o que limita as dificuldades de gerenciamento de picos de energia nas redes elétricas. Por fim, podem ser instalados o mais próximo possível das áreas de consumo, o que permite limitar os investimentos na rede de distribuição. Os locais com menos vento também são muito mais difundidos e frequentemente muito mais facilmente acessíveis do que os locais de classe I (fortemente ventoso) ou II (moderadamente ventoso), o que abre novas perspectivas nos mercados internacionais. O lançamento de muitos modelos é anunciado para 2017 pela Nordex, Gamesa, Enercon, Vestas e GE Wind.
Os critérios para a escolha de uma usina eólica dependem do tamanho, potência e número de unidades. Eles exigem a presença de um vento regular (cf. atlas do vento) e várias condições, tais como: proximidade de uma rede elétrica para conectar as turbinas eólicas, ausência de zonas de exclusão (incluindo perímetro de monumentos históricos, sítios classificados, zonas com fenômenos de eco em montanhas, paisagens,) e de preferência uma zona denominada "não conflito" pelos promotores da energia eólica (população de baixa densidade e pouca resistência).
A eficiência de uma turbina eólica depende principalmente de sua localização. Na verdade, a potência fornecida aumenta com o cubo da velocidade do vento , razão pela qual os locais são primeiro selecionados com base na velocidade e frequência dos ventos presentes. Um local com ventos médios de 30 km / h será oito vezes mais produtivo do que outro local com ventos médios de 15 km / h . Uma turbina eólica funciona melhor quanto mais os ventos são regulares e frequentes.
Outro critério importante para a escolha do local é a constância da velocidade e da direção do vento, ou seja, a turbulência do vento. Como regra geral, as turbinas eólicas podem ser utilizadas quando a velocidade do vento for superior a um valor entre 10 e 20 km / h , sem, no entanto, atingir valores excessivos (superiores a 90 km / h ) que levariam à destruição do vento turbina ou a necessidade de "desengatá-la" (lâminas emplumadas) para limitar o desgaste. A velocidade do vento deve, portanto, estar entre esses dois valores tão frequentemente quanto possível para a operação ideal da turbina eólica. Da mesma forma, o eixo de rotação da turbina eólica deve permanecer paralelo à direção do vento na maior parte do tempo. Mesmo com um sistema de orientação de nacele eficiente, é preferível ter a direção do vento mais estável possível para obter um desempenho ideal ( ventos alísios, por exemplo).
Certos locais próximos a grandes obstáculos devem, portanto, ser evitados, porque o vento é muito turbulento (árvores, edifícios, escarpas complexas nas montanhas, regiões com fenômenos de eco, etc.).
Empiricamente, encontramos locais adequados para a instalação de turbinas eólicas, observando árvores e vegetação . Os sítios são interessantes se forem constantemente curvados pelos ventos, pela curvatura das árvores, na mesma direção, indicando a regularidade dos ventos. Os assentamentos industriais usam mapas de velocidade dos ventos de atlas eólicos (onde existem) ou dados acumulados por uma estação meteorológica próxima, sendo o melhor fazer a medição no local de instalação.
Na França, um projeto é considerado economicamente lucrativo se a velocidade média anual do local for superior a 6 ou 7 m / s , ou 21 a 25 km / h . Esta rentabilidade depende de muitos outros fatores, os mais importantes dos quais são o custo de conexão à rede e o custo das fundações (determinando no caso de um projeto offshore), bem como os custos de recompra de eletricidade e carga de impactos ambientais (na vida selvagem, paisagens, por incômodo acústico e estroboscópico ).
Alguns sites são especiais porque aumentam a velocidade do vento e, portanto, são mais adequados para uma instalação de turbina eólica:
Em geral, é sempre necessário realizar uma medição precisa do vento por vários meses, a fim de garantir o potencial eólico do local. Um estudo preciso permite então extrapolar os dados e determinar mais ou menos precisamente as características anuais do vento (frequência, velocidade, etc.) e sua evolução ao longo dos anos.
Outros critérios são levados em consideração para a escolha do local:
Em uma instalação de turbina eólica, é preferível colocar o gerador em um mastro a uma altura de mais de 10 metros até cerca de 100 m , a fim de captar ventos mais fortes e menos perturbados pela "aspereza" do solo. Em áreas onde o relevo é muito complexo, é possível dobrar a quantidade de energia produzida movendo a instalação apenas algumas dezenas de metros. Medições in situ e modelos matemáticos permitem otimizar o posicionamento de turbinas eólicas.
Para áreas isoladas expostas a ciclonesPara essas áreas, foram projetadas turbinas eólicas especiais: são estaiadas para que possam ser colocadas no solo em 45 minutos e também são mais leves. Eles também podem suportar os terremotos mais comuns. Eles não requerem fundações tão profundas quanto as outras e podem ser transportados em partes separadas. Por exemplo, sete turbinas eólicas com unidade de 275 kW tornam a Terre-de-Bas excedente em eletricidade, permitindo que ela forneça a Guadalupe . De 1990 a 2007, 20 MW de energia eólica puderam ser instalados em Guadalupe. Todos eles podem estar caídos no chão e arrumados, como foi o caso durante a passagem dos furacões Ivan e José .
Em meados de 2007, havia cerca de 500 dessas turbinas eólicas instaladas em todo o mundo, para uma capacidade total de 80 MW . A potência das turbinas eólicas que as equipam aumentou de 30 para 275 kW em dez anos.
Mar profundoDesde que estejam localizadas longe o suficiente da costa, as turbinas eólicas offshore têm menos impacto na paisagem terrestre. Por outro lado, a instalação de turbinas eólicas no mar é muito mais cara do que em terra: os mastros devem ser projetados para resistir à força das ondas e da corrente, proteção contra a corrosão (particularmente importante por causa do spray e do sal) deve ser reforçada, a instalação no mar requer equipamento especializado, a conexão elétrica envolve cabos submarinos caros e frágeis e as operações de manutenção podem exigir recursos substanciais. Em troca, uma turbina eólica offshore pode fornecer até 6 MW de energia (em comparação com turbinas eólicas onshore limitadas a 3 MW ), que pode produzir energia útil de cerca de 15 GWh / ano em locais com muito vento e com um fator de carga de 30 %, ou aproximadamente 2.500 horas / ano .
Em áreas onde o mar é raso (por exemplo, Dinamarca ), é muito fácil instalá-los com boa eficiência. No início de 2006, todas as turbinas eólicas (offshore ou onshore) na Dinamarca produziam 23% da eletricidade do país. O país é pioneiro e líder na construção e aproveitamento da energia eólica , com projeto lançado na década de 1970 . Hoje, grandes parques estão em construção ao largo da Inglaterra, no estuário do Tamisa , bem como na Escócia, com uma capacidade total de cerca de 4000 MW .
A França ainda não tem uma frota offshore em 2018, mas os concursos organizados em 2012 e 2014 selecionaram projetos de frota em St-Nazaire-Guérande (420 a 750 MW ), Courseulles-sur-Mer (420 a 500 MW ) e Fécamp ( 480 a 500 MW ) e na baía de Saint-Brieuc (480 a 500 MW ) em 2012, depois em 2014 para as ilhas de Yeu e Noirmoutier ( Vendée ) e Tréport (Seine-Maritime), por 500 MW cada. O parque eólico de Dieppe e Le Tréport (62 aerogeradores, 496 MW ) está programado para comissionamento em 2021, e o de Fécamp (83 aerogeradores, 498 MW ) em 2022.
As turbinas eólicas flutuantes podem ser instaladas em locais mais distantes, onde a água é muito mais profunda, mais forte e com ventos mais estáveis, permitindo um fator de carga maior. Enquanto as turbinas em terra podem funcionar em média 80 dias por ano, as turbinas eólicas flutuantes podem gerar eletricidade 160 dias por ano . O primeiro parque eólico deste tipo foi construído na costa da Escócia. O campo de cinco turbinas eólicas flutuantes, cada uma com 253 metros de tamanho e pesando 12.000 toneladas, tem uma capacidade total de 30 megawatts, ou o consumo de eletricidade de aproximadamente 22.000 residências.
De acordo com o relatório de 2019 da Agência Internacional de Energia , a energia eólica offshore pode atrair US $ 1 trilhão em investimentos até 2040; o potencial eólico no mar permitiria atender às necessidades de eletricidade de todo o mundo, mas hoje representa apenas 0,3% da produção mundial. Essa energia renovável pode se tornar a principal fonte de produção até 2040.
AltitudeNovas turbinas eólicas são capazes de subir no céu para atingir os ventos mais fortes, mais potentes e mais regulares. Por enquanto, na fase experimental, são de três tipos:
Em um ambiente urbano, onde fluxos de ar poderosos são difíceis de alcançar, equipamentos menores podem ser usados para operar sistemas de baixa tensão. Turbinas eólicas de telhado operando em um sistema de energia distribuída aliviam problemas de entrega de energia e superam quedas de energia. Pequenas instalações, como roteadores Wi-Fi, podem ser alimentadas por uma turbina eólica portátil que carrega uma pequena bateria.
Na China , várias cidades, incluindo Weihai , na província de Shandong , ou a rodovia na província de Hubei que conecta Jingzhou à barragem das Três Gargantas , estão equipadas com postes nos quais são acoplados pequenos geradores eólicos silenciosos e painéis solares., Para alimentar a iluminação de postes; a energia excedente pode ser reinjetada no circuito elétrico da cidade. A localização do poste de iluminação é cuidadosamente escolhida (ver foto). Essas instalações geralmente usam turbinas eólicas de eixo horizontal. Estão surgindo agora instalações do mesmo tipo, com uma turbina eólica de eixo vertical do tipo helicoidal Savonius (Twisted Savonius) oferecendo 40 W de energia eólica mais 80 W de energia solar em um único pólo e uma forma mais compacta. Alguns arranha-céus , como a Torre do Rio das Pérolas , incluem turbinas eólicas em sua estrutura, aproveitando assim os fortes ventos causados pelas diferenças de temperatura das estruturas de vidro desses edifícios, dependendo se estão no lado sombreado ou ensolarado. . Do ponto de vista energético, essas turbinas eólicas helicoidais do tipo Savonius também se beneficiam do efeito Venturi causado pelo tamanho do canal que as contém quando o vento sopra. A energia eólica é acoplada à energia elétrica fornecida pelas janelas dessa torre, que são feitas de painéis solares transparentes.
Soluções experimentaisNa cidade, pode-se considerar a instalação de aerogeradores de eixo vertical, helicoidal, efeito Venturi ou uma mistura dessas diferentes técnicas, que têm uma eficiência menor, mas que produzem eletricidade mesmo com vento fraco e não geram eletricidade.
As turbinas eólicas também podem ser colocadas no telhado das torres .
Em 2012, a energia eólica confirmou o seu estatuto de segunda fonte} de eletricidade renovável depois da hidroelétrica: com uma produção mundial de 534,3 TWh , representa 11,4% da produção de eletricidade renovável e 2,4 % da produção total de eletricidade.
Uma turbina eólica usada para fornecer eletricidade às redes fornece cerca de 2 MW no interior e 5 MW no mar, mas modelos menores também estão disponíveis.
Por exemplo, alguns navios agora são equipados com turbinas eólicas para operar equipamentos como ar-condicionado. Normalmente, esses são modelos de eixo vertical projetados para fornecer energia independentemente da direção do vento. Uma turbina eólica deste tipo com 3 kW cabe em um cubo de 2,5 m de lado.
Algumas turbinas eólicas produzem apenas energia mecânica, sem produzir eletricidade, principalmente para o bombeamento de água em locais isolados. Este modo de operação corresponde ao dos antigos moinhos de vento , que na maioria das vezes moviam pedras de amolar; Na verdade, a maioria dos 20.000 moinhos de vento na tarde XVIII th século França foram para o moinho .
A situação competitiva do setor da energia eólica difere entre os dois principais segmentos de mercado: no setor da energia eólica onshore, em 2016, a concorrência era bastante dispersa com um grande número de players, sem que surgisse um fabricante com posição dominante no mercado mundial. A maioria dos grandes players industriais pode contar com um mercado nacional ativo, o que lhes dá uma base sólida para competir e ganhar participação nos mercados internacionais. Este é especialmente o caso da GE Wind nos Estados Unidos, Enercon, Senvion e Nordex na Alemanha, Suzlon na Índia e Goldwind, United Power e Mingyang na China. Os demais players estão fragilizados e são alvo de um movimento de consolidação do setor.
O segmento de mercado eólico offshore é muito menor e ainda tem apenas uma implantação internacional limitada: principalmente confinado a alguns mercados no Mar do Norte, Mar Báltico e ao largo da costa britânica, permanece nas mãos de uma minoria de jogadores experientes, principalmente entre as quais está a Siemens Wind Power número um do mundo com 80% do mercado e a MHI Vestas, a subsidiária conjunta formada em 2013 pela Dane Vestas , número um do mundo em terras, e pela japonesa Mitsubishi . Outros fabricantes estão posicionados neste mercado e já entregaram suas primeiras máquinas, mas estão em dificuldade porque as perspectivas de crescimento não são as esperadas no momento. Desde 2013, uma onda de consolidação afetou este setor: em 2013, a Vestas e a Mitsubishi fundiram-se, depois em 2014 a criação da Adwen , uma subsidiária conjunta da Areva e da Gamesa. Em 2015, a francesa Alstom, que está desenvolvendo a turbina eólica offshore Haliade 150 , caiu nas mãos da americana GE.
Na energia eólica onshore, a alemã Nordex e a espanhola Acciona anunciaram em outubro de 2015sua intenção de unir suas forças para entrar no top 5 mundial. Executivos da Gamesa anunciaram o29 de janeiro de 2016que tinham entrado em negociações com a Siemens com vista à fusão da sua atividade eólica, criando o peso-pesado do setor global com cerca de 15% de quota de mercado à frente da General Electric (11%) e da Vestas (10%). Essas discussões resultaram em um acordo anunciado em17 de junho de 2016 : a nova empresa terá sede na Espanha e permanecerá listada na Bolsa de Valores de Madrid; A Siemens terá 59% da nova entidade e fará um pagamento em dinheiro de 3,75 euros por ação aos acionistas da Gamesa, ou no total mais de um bilhão de euros; A Areva terá três meses para escolher entre vender sua participação na Adwen ou comprar a participação da Gamesa e então vender a empresa inteira para outro jogador; A General Electric estaria interessada. Dentronovembro de 2017, Siemens e Gamesa anunciaram uma reestruturação de até 6.000 empregos em 24 países. Quando sua união foi anunciada em meados de 2016, os dois fabricantes tinham 21.000 funcionários, incluindo 13.000 da Siemens. O faturamento caiu 12% entre abril esetembro de 2017, devido a uma “suspensão temporária” do mercado indiano, e o grupo espera uma queda acentuada em 2018.
No primeiro semestre de 2016, a Vestas viu seu faturamento aumentar 23%.
Em 2015, de acordo com um estudo publicado na 22 de fevereiro de 2016pela Bloomberg New Energy Finance (BNEF), a General Electric foi destronada pelo grupo chinês Goldwind que instalou 7,8 GW de turbinas no mundo durante o ano, à frente da Vestas (7,3 GW ) e General Electric (5, 9 GW ). Em 2014, foi Goldwind 4 th com 4,5 GW instalado. A China respondeu em 2015 metade do mercado mundial e cinco fabricantes chineses aparecem no top 10. A Siemens está ocupando o primeiro Europeu de 2015, a 4 ª mundo com 5,7 GW , dos quais 2,6 GW no mar, segmento onde ele é o líder claro, quatro vezes maior que o número dois; sua fusão em discussão com a Gamesa Espanhol (3,1 GW ) poderia usá-lo para 1 st lugar a nível mundial.
Os dez principais fabricantes em 2015 foram:
NB: Vestas permanece em 1 st lugar para vendas com 8400 € milhões contra 4180 M € para Goldwind.
Em 2012, as quotas de mercado global dos principais fabricantes de turbinas eólicas de acordo com a BTM Consult eram as seguintes:
A General Electric Wind finaliza sua ascensão, a Vestas perde seu primeiro lugar após doze anos de reinado; os alemães estão voltando com força; Os quatro maiores fabricantes de turbinas eólicas da China Goldwind, United Power, Sinovel e Mingyang estão no Top 10, mas nenhum está no Top 5.
No setor de turbinas eólicas offshore , dois dos principais fabricantes, Areva e Gamesa , assinaramjulho de 2014um acordo sobre a criação de uma joint venture detida em partes iguais pelos dois grupos, com o objetivo de atingir 20% de quota de mercado na Europa em 2020, bem como de se colocar no mercado asiático, em particular chinês, na tomada de fora de fase. A Gamesa tem um protótipo de turbina eólica de 5 MW e máquinas Areva de 5 a 8 MW , incluindo 126 unidades instaladas no final de 2014, ou 630 MW , e 2,8 GW no portfólio de projetos. Aproveitando o melhor de cada tecnologia, a joint venture pretende acabar com uma plataforma única de 5 MW .
Em 2010, as participações no mercado global dos principais fabricantes de turbinas eólicas, de acordo com a Make Consulting, eram as seguintes:
Os principais fabricantes de aerogeradores constroem máquinas com capacidade em torno de 1 a 6 MW . Existem muitos, muitos outros fabricantes de turbinas eólicas, às vezes muito pequenos para aplicações individuais ou de nicho.
Os principais fabricantes de turbinas eólicas eram inicialmente principalmente da Dinamarca e da Alemanha, países que investiram desde muito cedo neste setor. Em 2010, alguns países estão aumentando seus investimentos para recuperar o atraso, como os Estados Unidos com a GE Wind, que quase dobrou sua participação de mercado em cinco anos, ou a França com a Areva , que até 2007 detinha 70% do capital. 12 º no ranking de 2010). O mercado foi marcado em 2010 pelo surgimento de players asiáticos (8 dos 15 primeiros), que conseguiram conquistar mercados no Ocidente.
Lista não exaustiva de fabricantes:
Dentro janeiro de 2009De acordo com a Renewable Energies Union (SER), o setor de energia eólica criou uma média de 33 novos empregos por dia na Europa durante os cinco anos anteriores.
Um método usado para explorar e armazenar a produção excedente de turbinas eólicas consiste em acoplá-los a instalações de armazenamento bombeado dentro de usinas hidrelétricas : um parque eólico gera eletricidade usando turbinas eólicas. Parte dessa eletricidade é enviada para a rede elétrica para abastecer os consumidores, o excedente é utilizado para bombear água para um reservatório de altitude. Durante os períodos de vento fraco, a água do reservatório é turbinada em uma usina hidrelétrica e armazenada em um reservatório baixo; a eletricidade assim obtida é enviada para a rede.
Um projeto deste tipo está em operação nas Ilhas Canárias, na ilha de El Hierro, desde 2014. Este sistema de 11,5 MW evita o transporte anual de 6.000 toneladas de óleo combustível por navios-tanque e a emissão de 18.000 toneladas de CO 2. No primeiro semestre de operação, este sistema cobriu em média 30,7% da procura de electricidade da ilha, de acordo com dados em tempo real divulgados pelo operador da rede Red Eléctrica de España (REE).
A Eole Water é uma empresa francesa da área de sistemas de produção de água por condensação a ar. Desenvolveu capacidades de produção de água potável a partir da energia eólica ou solar.
No final de sua vida ou quando se tornar obsoleta, uma turbina eólica pode ser substituída por um modelo mais eficiente. Em seguida, é revendido no mercado internacional de segunda mão ou desmontado.
Se a reciclagem do aço que compõe o mastro, cobre e equipamentos eletrônicos for dominada, o tratamento das lâminas representa um problema. Composto por uma mistura de fibra de vidro e fibra de carbono ligada com resina de poliéster, sua combustão gera micropartículas que entopem os filtros dos incineradores.
Algumas empresas (cuja subsidiária Remondis Olpe grupo alemão Remondis (de) ) que se especializam na reciclagem e no tratamento complexo de lâminas (incluindo o material compósito é próximo ao dos cascos das embarcações de recreio ). As lâminas grandes são cortadas in situ em fragmentos de 13 metros ou menos, depois levadas para uma fábrica de processamento (há três na Renânia do Norte-Vestfália ). Os metais são reciclados e os compostos são triturados e revendidos como combustível para a planta de cimento, a sílica na fibra de vidro também fornecendo um ingrediente útil no cimento. Os componentes elétricos e eletrônicos são reciclados por setor especializado. Assim, no primeiro semestre de 2015, 158 aerogeradores foram desmontados na Alemanha e o mercado de médio prazo está saturado (24.800 aerogeradores estão ativos na Alemanha).
As fundações do aerogerador são niveladas apenas até 1 m de profundidade, permitindo a retomada da atividade agrícola, mas deixando grandes rodapés de concreto armado enterrados na cave.
Na França, a instalação de uma turbina eólica doméstica é regulamentada; as regras aplicáveis variam dependendo do tamanho da turbina eólica. O site Service-public.fr especifica as regras a observar para uma turbina eólica com altura máxima de 12 metros sem licença de construção, cujo incumprimento expõe o infrator a uma multa de € 1.200. Acima dos 12 metros de altura, o pedido de licença de construção é obrigatório. Nem todas as áreas provavelmente receberão uma instalação de turbina eólica doméstica; quatro áreas principais estão fora dos limites. Outras regras devem ser levadas em consideração. Por exemplo, é necessário solicitar autorização de desmatamento se o terreno onde será instalada a turbina eólica tiver destinação florestal. Para uma turbina eólica inferior a 50 metros, deve-se respeitar uma distância de pelo menos três metros em relação à linha divisória do bairro. Os vizinhos devem ser informados com antecedência sobre a instalação de uma turbina eólica. A norma EN 50 308 : “Gerador eólico, medidas de proteção, requisitos para projeto, operação e manutenção” se aplica à energia eólica.
No que diz respeito à acústica de usinas eólicas, o decreto ICPE de 26 de agosto de 2011, aplicável desde 1 ° de janeiro de 2012, regula esta área. Este decreto diz respeito a todos os parques de obras públicos e privados franceses, ou “obras relativas a edifícios e seu equipamento sujeitas a um procedimento de declaração ou autorização”. Certas circunstâncias caracterizam a interferência na tranquilidade do bairro ou os agravos à saúde, tais como "o não cumprimento das condições estabelecidas pelos órgãos competentes no que diz respeito à execução das obras, bem como ao uso ou operação de materiais ou equipamentos" , “A insuficiência das precauções adequadas para limitar este ruído”, ou mesmo “comportamento anormalmente ruidoso”.
A fim de verificar o ruído proveniente das turbinas eólicas, são realizados estudos de desenvolvimento em futuros parques eólicos, sendo estas medições efetuadas ao nível das zonas de emergência reguladas (ZER) durante uma a várias semanas. O objetivo é então determinar o ruído ambiente do local em que as turbinas eólicas serão colocadas, primeiro modelando o ruído das futuras turbinas eólicas.
Novas medições são realizadas após a construção das turbinas eólicas, essas medições são feitas alternando as fases de desligamento e as fases de operação das turbinas eólicas. Se durante essas medições houver um overshoot de 3 a 5 dB acima de 35 dB, um programa de fixação da máquina deve ser calculado para reduzir o ruído.
O regulamento do ICPE permite ao Prefeito, em caso de reclamação de moradores, solicitar perícia sobre o local. Se isso mostrar que os regulamentos de ruído não foram respeitados, o parque pode ser interrompido. Porém, na prática, nunca ocorreu o encerramento de um parque por incumprimento das normas acústicas.