Sistemas de Geração Distribuída de Energia

Conforme citado, as fontes distribuídas de energia podem ser de origem renovável, como as gerações eólica e fotovoltaica, ou também de origem não renovável. A seguir, serão citados os diversos tipos de geração distribuídas utilizados em microrredes, dando mais destaque para os sistemas eólicos e fotovoltaicos.

• Grupo Motor-Gerador à Diesel

Para este tipo de geração, motores à diesel de combustão interna são conectados a geradores elétricos. Estes geradores podem ser síncronos ou também de indução. Este tipo de geração possui eficiência aproximada variando de 30% a 40% e normalmente é utilizado em sistemas de cogeração para indústrias, hospitais e centros comerciais [1,17].

• Célula Combustível

Este tipo de geração produz energia elétrica a partir da energia química. Como o hidrogênio é o principal combustível utilizado e este método não possui etapas térmicas intermediárias, o mesmo é pouco poluente e possuiu uma eficiência energética de aproximadamente 50%. As células de combustível, por ser uma tecnologia relativamente nova, possuem um custo de produção ainda elevado. São utilizadas principalmente em áreas onde não tem atendimento da rede elétrica convencional, em sistemas de emergência e também em veículos elétricos e equipamentos portáteis. [1,17]

• Turbinas à Gás

Este tipo de geração normalmente é utilizado em usinas termelétricas e podem ser de ciclo simples ou combinado. Nas usinas de ciclo simples é utilizada a energia térmica do vapor de água ou proveniente de outros gases quentes. O gás em alta pressão aciona uma turbina acoplada mecanicamente a um gerador que produz energia elétrica. No caso das usinas de ciclo combinado, também é utilizada a energia térmica proveniente dos gases de exaustão recuperados das turbinas a gás para acionamento da turbina a vapor, que está acoplada ao gerador de energia elétrica. Este tipo de geração possui eficiência aproximada variando entre 42% e 58% [1,18].

• Geração Geotérmica

Este tipo de geração utiliza gases subterrâneos provenientes de áreas vulcânicas e gêiseres para acionamento de usinas termelétricas. A eficiência deste método de produção de energia é baixa, ficando entre 10% e 23%. Isto se deve ao fato de que o vapor geotérmico possuiu temperatura inferior a dos vapores gerados nas usinas termelétricas convencionais [1,5].

• Biomassa

Este tipo de geração utiliza matéria orgânica não fóssil para produção de calor e posterior utilização térmica. A matéria orgânica pode ser origem vegetal ou animal. A eficiência deste método de produção de energia está entre 7% e 27% e o mesmo é muito utilizado em sistema de cogeração e aplicações em áreas remotas, onde não tem atendimento da rede elétrica convencional [1,5].

• Pequena Central Hidrelétrica (PCH)

São usinas hidrelétricas de porte reduzido que não necessitam de grandes reservatórios de água. Normalmente estas usinas ficam localizadas mais próximas dos centros urbanos (cargas) do que as grandes usinas convencionais. A eficiência deste tipo de geração está entre 70% e 90%. Estas usinas possuem faixas de classificação de acordo com a capacidade de geração, conforme a Tabela 2.4 [1,19]:

Tabela 2.4 – Classificação por Faixa de Geração de Usinas Hidrelétricas [19]. Tipo de Geração Hidrelétrica Faixa Pico 0 kW – 5 kW Micro 5 kW – 100 kW Mini 100 kW – 1 MW Pequena 1 MW – 10 MW Média 10 MW – 100 MW Grande 100 MW +

No Brasil, conforme o Centro Nacional de Referência em Pequenas Centrais Hidrelétricas - CERPCH, são consideradas PCHs as usinas que trabalham na faixa de geração entre 1 MW a 30 MW e que possuam reservatórios de água de área inferior a 3 km2 [20].

• Geração Eólica

Para este tipo de geração são utilizadas turbinas eólicas ou aerogeradores, que absorvem a energia cinética do vento através de um rotor aerodinâmico e convertem a potência mecânica em potência elétrica. Cada modelo de turbina eólica possuiu sua curva de eficiência. Esta pode variar conforme a velocidade do vento, mas de forma geral, o valor médio não ultrapassa 60% [1].

As Figuras 2.3 e 2.4 apresentam respectivamente um diagrama esquemático e uma perspectiva em 3D de turbinas eólicas, indicando seus componentes:

Figura 2.3 – Diagrama Esquemático de uma Turbina Eólica [21].

As turbinas eólicas são divididas em 3 partes: 1 - Rotor, onde são acopladas as pás ou hélices; 2 - Torre de suporte, que podem ultrapassar 100 metros de altura; 3 - Nacele, onde se instalam o gerador e seus principais dispositivos.

Além destes componentes, as turbinas eólicas possuem um sensor de direção, que tem como objetivo girar as hélices no sentido de captar melhor o vento, e um grupo de engrenagens, denominadas multiplicador de velocidade, que faz a interligação mecânica entre o conjunto de giro das hélices e o gerador elétrico. Também existe um sistema de freio, que é utilizado para controlar o giro das hélices de forma que elas não girem numa velocidade acima do limite de segurança especificado, o que pode ocorrer no caso de uma tempestade.

Figura 2.4 – Perspectiva em 3D de uma Turbina Eólica [22].

Assim como na geração fotovoltaica, a geração eólica depende das condições climáticas, no caso a velocidade do vento, para geração de energia. Esta variação do vento resulta em uma das principais dificuldades de integração das turbinas com os sistemas das concessionárias de energia, pois causa variações de tensão e frequência na energia elétrica gerada. Entretanto, os avanços tecnológicos nos inversores de frequência que fazem a interface com o sistema elétrico praticamente eliminaram estes impactos [1].

Atualmente, no Brasil e em diversos outros países, existe uma forte expansão na instalação de torres com turbinas formando parques eólicos. A Figura 2.5 apresenta o parque eólico de Osório, instalado no Rio Grande do Sul.

Figura 2.5 – Parque Eólico de Osório [23].

Existem também aerogeradores de pequeno porte que podem ser utilizados em aplicações residenciais, centros comerciais, indústrias e atividades rurais. A Figura 2.6 apresenta um modelo de aerogerador de pequeno porte.

• Geração Fotovoltaica

Para este tipo de geração, a energia elétrica é obtida através do efeito fotovoltaico, que gera corrente elétrica a partir da radiação solar incidente nos painéis. As células fotovoltaicas que compõe os painéis são fabricadas de material semicondutor, normalmente silício, e dopadas positivamente (P) e negativamente (N) formando uma junção PN. Quando a radiação solar incide nas células, ocorre a geração de corrente contínua, que passa por inversores de frequência realizando assim a conversão para corrente alternada [1,25].

A Figura 2.7 apresenta um painel fotovoltaico e seus componentes.

Figura 2.7 – Composição de Painéis Fotovoltaicos [26].

Nos últimos anos, ocorreu um expressivo crescimento na instalação de gerações distribuídas utilizando painéis fotovoltaicos. Os mesmos têm sido amplamente utilizados para aplicações residenciais, incluindo condomínios, complexos indústrias, centros comerciais, universidades e inclusive estádios de futebol. A Figura 2.8 apresenta um exemplo de aplicação residencial e indicando seus principais componentes, sendo eles: 1 - Painéis Fotovoltaicos; 2 - Inversor de Frequência; 3 - Quadro de Energia; 4 – Cargas; 5 - Medidor Bidirecional de Energia Elétrica. Este medidor bidirecional mede a energia proveniente da concessionária consumida pela residência e também a energia que a geração distribuída injeta na rede elétrica principal [27].

Figura 2.8 – Aplicação Residencial de Painéis Fotovoltaicos [27].

A Figura 2.9 apresenta a aplicação de painéis fotovoltaicos no estádio do Mineirão, localizando em Belo Horizonte (MG).

As Figuras 2.10 e 2.11 apresentam respectivamente uma aplicação industrial de painéis fotovoltaicos em Gelsenkirchen na Alemanha e no Centro Universitário da Univates, em Lajeado (RS).

Figura 2.10 – Aplicação Industrial de Painéis Fotovoltaicos [29].