Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Banca Examinadora do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFPA para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica na área de Sistemas Elétricos de Potência. A tese de doutorado submetida à banca examinadora aprovada pelo colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará é julgada suficiente para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica na área de Sistemas de Energia Elétrica.
MOTIVAÇÃO
Nela se encontra uma grande diversidade natural que contribui diretamente para estudos e possibilidades positivas de identificação de fontes renováveis de energia. A Agência Pará (2020) apresenta o estado como o segundo maior produtor de energia elétrica do país, devido ao seu alto potencial hidrelétrico;
OBJETIVOS
Objetivo Geral
Objetivos Específicos
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os autores Affonso e Kezunovic (2019) propõem um algoritmo de carregamento inteligente para reduzir os custos de consumo de eletricidade e evitar a sobrecarga do transformador, integrando um sistema de armazenamento de energia em bateria e geração fotovoltaica na estação de carregamento de veículos elétricos. Os resultados obtidos mostram que uma combinação de energias renováveis e um sistema de armazenamento de energia alcança a melhor solução de custo-benefício.
ESTRUTURA DO TRABALHO
Em Domingues-Navarro et al. 2019), os autores propõem o projeto de uma estação de carregamento rápido com geração renovável e um sistema de armazenamento de energia para melhorar a rentabilidade e reduzir a alta demanda de energia da rede. Os autores de Eseye et al. 2019) otimizar o uso de veículos elétricos, geração fotovoltaica e um sistema de bateria para armazenamento de energia na edificação, com o objetivo de maximizar o lucro.
CLASSIFICAÇÃO DOS VEÍCULOS ELÉTRICOS
Apesar de alguns entraves, os VEs representam uma alternativa sustentável para coibir a liberação de poluentes e estimular o melhor aproveitamento dos recursos energéticos. Desta forma, as subseções seguintes apresentam os diferentes tipos de veículos elétricos, as infraestruturas de carregamento necessárias e o panorama destes veículos a nível global e local. EVs mais antigos usavam baterias de chumbo-ácido (NiMH); os mais atuais usam baterias de íon-lítio (Li-ion).
Para diferenciação, a Figura 5 mostra a composição de um veículo com MCI (a) e um BEV (b).
INFRAESTRUTURA DE RECARGA
Portanto, ao projetar estações de carregamento de VEs, é importante considerar transformadores de distribuição que forneçam energia confiável da rede para a estação. A ANEEL (2017 apud SILVA, 2017) faz um ajuste da classificação dos tipos de cobrança no Brasil, o que os autores citados acima confirmam, e é mostrado na Tabela 1. O tipo de cobrança realizada também dependerá da entrada (receptor) no veículo. 2018) apresenta vários padrões internacionais e códigos de cobrança.
Padrões foram definidos para carregar conectores/receptores de nível 1 e 2, mas nenhum padrão ainda foi definido para carregadores rápidos.
PANORAMA MUNDIAL
O EPRI (2019) apresenta o país como o maior mercado de automóveis do mundo, devido às exigências e incentivos aos veículos elétricos. Estima-se que as montadoras globais invistam US$ 300 bilhões em tecnologia de veículos elétricos na próxima década, com metade desse investimento na China. Além disso, 12% dos carregadores globais eram acessíveis ao público, a maioria dos quais carregava lentamente, conforme mostrado na Figura 11.
No mesmo ano, o número de carregadores de acesso público (lento e rápido) aumentou 60% face a 2018, superando o aumento do stock de veículos elétricos já referido.
PANORAMA BRASILEIRO
Programas em andamento
Denota isenção do Imposto sobre Operações Financeiras (IOF) e isenção do Imposto sobre Produtos Industrializados (IPI) na aquisição de veículos híbridos e elétricos fabricados no país, conforme especificado em lei. c) Rede de inovação do setor elétrico - RISE. O RISE é um programa de mobilidade elétrica organizado pela ANEEL, que adere aos seus programas de pesquisa e desenvolvimento e eficiência energética. Seu objetivo é “incentivar e desenvolver projetos de difusão da mobilidade elétrica por meio da introdução de novos produtos, processos e metodologias no mercado de energia elétrica” (RISE, 2020).
Do projeto RISE, Edital de P&D da ANEEL n. 22/2018, que recebeu projetos relacionados a soluções em mobilidade elétrica, para apoiar o desenvolvimento e operação de veículos elétricos ou híbridos plug-in (ANEEL, 2019a).
Incentivos fiscais
Infraestrutura
O Artigo 10 proíbe a injeção de eletricidade na rede de VEs, que não participam do sistema de compensação de eletricidade (BRASIL, 2018d). b) Instalação de centrais eléctricas. Além disso, a CELESC prevê uma segunda fase do projeto, que envolverá a instalação de novos postos de recarga no estado (ANEEL, 2019b). É necessário verificar a fonte de energia elétrica utilizada para a recarga, considerando se é verde ou provém de fontes de energia não renováveis.
Nesse sentido, este capítulo propõe uma metodologia probabilística que visa avaliar a integração de um sistema fotovoltaico com quatro estações de carregamento de veículos elétricos plug-in em um prédio universitário.
CARACTERIZAÇÃO DO CAMPUS E DA EDIFICAÇÃO
O campus Guamá possui um sistema de gerenciamento de energia elétrica (SISGEE) que instalou medidores de carga em diversos prédios da UFPA, inclusive no Prédio da Biblioteca Central (MONTEIRO et al., 2019). Esses instrumentos de medição de energia elétrica caracterizam os hábitos de consumo dessas instalações e registram o consumo, a demanda, o fator de potência e outras grandezas elétricas relacionadas à qualidade da energia. Este sistema está atualmente operacional e fornece dados de eletricidade de forma integrada e acessível através de uma rede local.
O consumo de energia é afetado por diversos fatores, como períodos de atividades regulares, férias, paradas e períodos de férias.
ANÁLISE DA CURVA DE CARGA DA EDIFICAÇÃO
A Figura 15a ilustra o medidor instalado na Biblioteca Central e a Figura 15b mostra a carga máxima mensal registrada em 2018. Observe que o consumo de energia no período de férias é significativamente menor do que no período letivo, exceto em julho de 2018, pois este ano as aulas foram ampliadas até dia 17. Note-se que o consumo de energia observado é maior entre as 9h e as 22h durante a semana e muito menor aos fins-de-semana.
Com base nestes dados, o perfil de carga do dia 24 de outubro de 2018 foi aceite como carga base para a realização de todas as análises, uma vez que ultrapassa a carga média de pico durante o período escolar, cujo valor de procura é de 125,32 kW, o que às 13h46.
MODELAGEM PROBABILÍSTICA
Demanda de eletricidade do prédio da Biblioteca Central
Com base no perfil de carga média para o período escolar, a demanda do edifício é projetada 10 anos à frente, de 2019 a 2028, conforme ilustrado na Figura 18. Para dar conta disso, a demanda de eletricidade é modelada por uma função de densidade da probabilidade normal para um período de 24 horas, cuja média é igual à demanda prevista naquela hora e o desvio padrão é igual a 2% (DING; WU, 2012; SEDIGHIZADEH; . ESMAILI; MOHAMMADKHANI, 2018).
Demanda dos Veículos Elétricos Plug-in
A energia necessária ( ) para carregar totalmente o VE é dada em kWh por (3), adotando uma eficiência de carregamento igual a 0,8. A demanda agregada de veículos elétricos plug-in ( ) pode ser obtida considerando cada demanda PEVj no tempo t ( ), conforme equação (5). Este estudo pressupõe a utilização de estações de carregamento de nível 2 (6,6 kW), que são adequadas para edifícios públicos, de acordo com SAE International (2010) e Muratori (2018).
Além disso, nas simulações, são considerados dois modelos de veículos elétricos: Nissan Leaf e Chevrolet Bolt, ambos BEVs, cujos parâmetros técnicos se supõem listados na Tabela 2, retirada de Nissan (2018) e Chevrolet (2018).
Geração Fotovoltaica
A potência de saída deste gerador deve, portanto, ser determinada, levando em consideração algumas variáveis, como radiação, temperatura e número de módulos utilizados. Segundo Sedighizadeh, Esmaili e Mohammadkhani (2018), a distribuição de probabilidade da radiação solar para cada hora é ajustada por uma distribuição bimodal, podendo ser modelada por uma combinação linear de duas distribuições unimodais. Neste trabalho, dados de temperatura ambiente e radiação solar da cidade de Belém (1° 501′ S, 48° 449′ W), estado do Pará, Brasil, disponíveis no site do Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL, 2019 ) são usados.
O número máximo de módulos fotovoltaicos em série ( ) em um string é calculado por (11), enquanto o número máximo de strings ( ) conectados ao inversor é dado por (12), de acordo com a German Solar Energy Association (2017).
MODELO DE ANÁLISE TÉCNICA, ECONÔMICA E AMBIENTAL
Modelo Técnico
O primeiro caso refere-se ao sistema fotovoltaico projetado para suprir 100% da demanda elétrica dos VEs. Para o caso 1 são necessários 105 módulos e 1 inversor, sendo que o arranjo fotovoltaico proposto é composto por 21 painéis conectados em série, distribuídos em 5 strings, com potência de pico total de 35,17 kW e área total de 201 m2. O caso 2 requer 156 módulos e 2 inversores, dos quais o painel fotovoltaico tem uma potência de pico total de 52,26 kW.
Desta forma, a configuração do Caso 1 pode ser salva para 1 inversor, enquanto o outro pode conter os 51 módulos restantes, divididos em 17 painéis conectados em série, distribuídos em 3 strings, devido à faixa de tensão PMP, ocupam uma área total . de 299 m2.
Modelo Econômico
Este indicador é calculado considerando um fluxo de caixa descontado, que traz um fluxo de caixa futuro a valor presente, por meio de uma taxa de desconto relativa a um ativo. É a taxa de desconto que torna o VPL de todos os fluxos de caixa igual a zero, conforme mostrado em (15). É calculado acumulando o fluxo de caixa líquido até que se torne um número positivo; é assim que é.
O cálculo anual é seguido pelo fluxo de caixa anual ( ), que é o resultado da relação entre economia anual de energia ( ) e investimentos ( ), apresentado em (19).
Modelo Ambiental
A análise realizada neste estudo limita-se à avaliação das emissões de CO2 durante a fase de utilização, considerando a instalação de 4 postos de carregamento PEV e um SFV no parque de estacionamento da Biblioteca Central. Os veículos elétricos podem ser totalmente alimentados por eletricidade da rede ou por eletricidade produzida pelo sistema fotovoltaico. Neste último caso, é importante considerar situações em que o PV não atenderá totalmente a demanda de PEVs, que serão complementados pela energia da rede.
As simulações realizadas consideram um horizonte de estudo de 10 anos para avaliar os potenciais impactos na carga e tensão do transformador de distribuição da Biblioteca Central e nas emissões de carbono evitadas.
ANÁLISE TÉCNICA
Conexão de Estações de Recarga de Veículos Elétricos Plug-in
A Figura 27 ilustra o box plot da demanda de potência aparente no transformador durante o dia estudado, projetada para o ano 10. Os resultados indicam que na maioria dos casos entre 11:00 e 16:00 a carga do transformador está em sua capacidade nominal (225 kVA ) excede. sobrecarregado por 5 horas, conforme Figura 28. Esta limitação pode limitar a instalação de estações de carregamento de PEV neste edifício se não forem tomadas medidas adicionais, como a substituição do transformador por um transformador de maior capacidade ou a instalação de um sistema de geração fotovoltaica.
O efeito da demanda EV no perfil de tensão é invisível, pois este barramento está eletricamente próximo ao ponto de fornecimento de energia.
Conexão de Estações de Recarga de Veículos Elétricos Plug-in
A Figura 32 ilustra a função de distribuição cumulativa da carga máxima do transformador ao longo de 24 horas para ambos os casos. No caso 1, o transformador opera por 2 horas de sobrecarga na maioria dos cenários, enquanto no caso 2, o tempo de sobrecarga é de 1 hora, conforme a Tabela 5. Embora ambos os casos apresentem um bom nível de tensão, alguns cenários apresentam sobrecarga.
A instalação de um sistema a partir de 52,26 kW seria mais adequada, o que ajuda a reduzir a ocorrência de sobrecarga do transformador e ainda cobrir totalmente a demanda dos carros elétricos e do prédio, não apenas uma parte.
ANÁLISE ECONÔMICA
ANÁLISE AMBIENTAL
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