SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GPT-03 19 a 24 Outubro de 2003 Uberlândia - Minas Gerais
GRUPO II
GRUPO DE ESTUDO DE PRODUÇÃO TÉRMICA E FONTES NÃO CONVENCIONAIS – GPT
SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO - FOTOVOLTAICO - DIESEL PARA A ELETRIFICAÇÃO DA VILA DE SÃO TOMÉ - MUNICÍPIO DE MARACANÃ - PA
João T. Pinho* Luiz A. H. G. de Oliveira Rodrigo G. Araújo Ubiratan H. Bezerra João C. W. A. Costa CENPES/PETROBRAS GEDAE/UFPA NESC/UFPA
RESUMO
Este trabalho apresenta um sistema híbrido eólico-fotovoltaico-diesel piloto, para eletrificação de uma comunidade isolada no estado do Pará, descrevendo seus componentes, apresentando uma estimativa da energia gerada pelas fontes renováveis e o custo evitado com o uso de óleo combustível, e mostrando um novo modelo de gestão a ser implantado, que é o do sistema pré-pago. Também são monitoradas as variáveis meteorológicas de interesse para o acompanhamento do desempenho do sistema. O sistema encontra-se em fase final de implantação, devendo estar em pleno funcionamento no final de abril de 2003.
PALAVRAS-CHAVE
Sistemas híbridos isolados. Energias renováveis. Energia solar fotovoltaica. Energia eólica. Eletrificação rural.
1.0 - INTRODUÇÃO
A nova realidade do mercado brasileiro de energia, iniciada com o processo de privatização do setor elétrico e a criação das agências reguladoras deste mercado aos níveis nacional (ANEEL) e estadual (ARCON), tem criado novas perspectivas de mercado de energia elétrica, sob o enfoque da livre iniciativa, a cargo do setor privado. Para o segmento tradicional do setor elétrico, existe uma caracterização bem definida do perfil do mercado consumidor, representado pelos grandes consumidores industriais e os centros urbanos. Persiste, no entanto, uma considerável parcela da população brasileira que não é assistida
com energia elétrica oriunda da rede das concessionárias. Essas populações habitam regiões remotas do interior, normalmente de acesso difícil, sendo economicamente inviável o seu atendimento pela rede convencional, dado o pequeno consumo que elas representam.
Este panorama é particularmente verdadeiro na Região Amazônica, onde pequenos e médios núcleos urbanos estão hoje desassistidos e sem perspectivas de atendimento em um futuro próximo. No entanto, muitos desses locais apresentam recursos naturais renováveis, apropriados à geração de energia elétrica de pequeno porte, como as energias solar, eólica, hídrica e de biomassa. Um modelo de geração que parece adequado para essas localidades, é o de sistemas híbridos, com a participação de grupos geradores a diesel, de forma a complementar o déficit ocasional de geração das fontes renováveis.
Visando contribuir para a caracterização desse mercado marginalizado pelas concessionárias de energia, e para o estabelecimento de uma política de atendimento a essas populações, o Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas da Universidade Federal do Pará (GEDAE/UFPA), em parceria com o CENPES/PETROBRAS, a ARCON, a REDE/CELPA, e a Prefeitura Municipal de Maracanã, desenvolveu um projeto de geração de eletricidade, com a utilização das energias solar e eólica, formando um sistema híbrido com a geração a diesel, para atender à comunidade de São Tomé, no interior do Pará. A escolha dessa comunidade foi baseada no fato dela poder ser considerada um exemplo de uma situação comum da região, ou seja, uma comunidade não eletrificada em local que apresenta bons índices de velocidade de vento e radiação solar.
* Caixa Postal 8605 - CEP 66.075-900 - Belém - PA - BRASIL Tel.: (091) 211-1299 - Fax: (091) 211-1299 - E-MAIL: jtpinho@ufpa. br
A comunidade possui cerca de 230 habitantes e é composta basicamente por 48 prédios, distribuídos espacialmente de forma irregular e incluindo uma escola, um centro comunitário, um posto de saúde, uma igreja e dois pequenos comércios, e está localizada nas coordenadas geográficas 0º46’03”S e 47º27’12”W.(1)
O sistema foi projetado, com base em dados de velocidade de vento e radiação solar de localidades próximas, com características geográficas semelhantes, para atender às necessidades básicas de eletrificação comuns em localidades desse tipo, que são a iluminação residencial e pública, um sistema de abastecimento de água comunitário e alguns eletrodomésticos mais comuns e de baixo consumo, como televisor, rádio, geladeira, etc.
2.0 - DESCRIÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO
O sistema de geração é composto por três fontes primárias distintas, a saber: a eólica, a solar fotovoltaica (PV), e a diesel-elétrica.
A geração eólica é composta de um aerogerador de 10 kW, instalado em torre treliçada estaiada com 30 m de altura. A geração é feita com velocidade variável, em corrente alternada trifásica, que passa por um sistema de retificação, armazenamento em banco de baterias e posterior inversão, para ser entregue à rede de distribuição em 127/220 V e 60 Hz.
A geração solar fotovoltaica é composta por um conjunto de 40 módulos fotovoltaicos de 80 Wp cada, totalizando uma capacidade de geração de 3,2 kW. Esse sistema de geração alimenta, através de um controlador de carga, o mesmo banco de baterias utilizado pelo sistema eólico, de onde a energia é levada à rede elétrica após passar pelo inversor, com entrada em 120 Vdc e saída trifásica em 127/220 V com frequência de 60 Hz.
A geração diesel-elétrica, composta por um grupo gerador de 20 kVA trifásico, em 127/220 V e 60 Hz, é prevista para ser utilizada somente nos períodos de indisponibilidade de geração eólica e solar. A opção pela geração a diesel é fundamental para garantir a continuidade do atendimento aos consumidores. O banco de baterias é composto por 40 baterias de chumbo-ácido, de 12 V e 150 Ah cada, fornecendo uma capacidade total de 72 kWh, dos quais apenas 30 % serão utilizados como energia útil, devido ao fato de limitar-se a profundidade de descarga das baterias, para aumentar o seu tempo de vida útil. Essa energia corresponde a 21,6 kWh, o que é suficiente para atender ao consumo médio previsto para a comunidade durante cerca de 4 h.
O sistema de distribuição é formado por uma rede trifásica em baixa tensão (127/220 V), de estrutura radial e pequena extensão, para atender aos consumidores, que são basicamente 42 residências, 2 pequenos comércios, centro comunitário; igreja; escola, posto de saúde, e iluminação pública.
A Figura 1 mostra um diagrama esquemático com a configuração básica do sistema, onde são indicados também os parâmetros a serem monitorados e seus respectivos pontos de medição.
O sistema encontra-se em fase final de implantação e de testes, devendo entrar em funcionamento até o final de abril de 2003.
3.0 - DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAÇÃO REMOTA
As variáveis de interesse para a monitoração remota da operação do sistema híbrido são divididas em 3 categorias: meteorológicas; elétricas; e mecânicas. Os pontos de coleta dessas variáveis no sistema de geração estão indicados na figura 1 e o esquema de monitoração é mostrado na figura 2.
As variáveis meteorológicas de interesse são as velocidades do vento a 10 e 30 m de altura, a sua direção, a radiação solar global no plano horizontal e a temperatura (ver Figura 3). Esses dados são coletados em intervalos de 1 s e integrados a cada 10 minutos, sendo armazenados por uma unidade de aquisição de dados (data logger), que é conectada ao sistema central de aquisição por meio de um cabo serial. Os dados podem ser solicitados pela unidade central, de acordo com a programação estabelecida.
Como variáveis mecânicas, monitoram-se a rotação do rotor do aerogerador e o consumo do grupo gerador a diesel.
Em relação às variáveis elétricas, são monitoradas todas as grandezas de tensão e corrente, dc e ac, além da freqüência na saída do inversor.
Através de uma conexão por telefonia celular, todos os dados são enviados, em intervalos pré-determinados, para o laboratório do GEDAE/UFPA, de onde se pode também acessar o sistema sempre que desejado.
Um programa computacional foi desenvolvido especialmente para acessar os dados coletados e tratá-los de acordo com suas características físicas. O programa permite que sejam ajustados os tempos de amostragem e de integração, além de oferecer diversas opções para o tratamento dos dados.
As Figuras 4 e 5 apresentam alguns dados coletados pela estação meteorológica e tratados pelo programa desenvolvido.
V eloc idades M édias Diárias - 30 m
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Dia m/ s Média = 4,93 m /s
FIGURA 4 - MÉDIAS DIÁRIAS DA VELOCIDADE DO VENTO (DEZEMBRO/02)
Radiações M édias Diárias
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Dia W/ m 2 Média = 378,38 W/m2
FIGURA 5 - MÉDIAS DIÁRIAS DA RADIAÇÃO SOLAR GLOBAL (DEZEMBRO/02)
4.0 - CONSUMO E GERAÇÃO
O consumo da comunidade foi estimado com base em levantamentos preliminares realizados, onde foi verificado quais os aparelhos eletro-eletrônicos e lâmpadas que já eram disponíveis pelos moradores (utilizando pilhas ou baterias recarregáveis), quais aqueles que eles teriam condições de adquirir, e também com base em experiências de sistemas similares anteriores, onde observa-se que as cargas instaladas por residência raramente ultrapassam os 300 W.(2-4)
Com isso, estimou-se a carga total instalada na comunidade como sendo da ordem de 15 kW, com carga média de cerca de 1/3 desse valor, ou seja, 5 kW. A energia média diária utilizada foi estimada em 120 kWh e a mensal em 3.600 kWh, não sendo possível a priori determinar a sazonalidade desse consumo.
Em relação à geração, os valores das energias fornecidas pelas fontes renováveis também são estimados, em virtude de não se dispor de levantamentos precisos de seus potenciais na fase anterior ao projeto, uma vez que a estação meteorológica só entrou em funcionamento no final de novembro de 2002.
Para tanto, foram utilizados dados de radiação solar da cidade de Belém, distante menos de 100 km em linha reta, e de velocidades de vento extrapoladas a partir de
dados medidos em localidades próximas e com características geográficas semelhantes.(5-6) Essa extrapolação mostrou-se efetiva para os meses de dezembro e janeiro, já medidos pela estação instalada. A radiação solar adotada para os cálculos é mostrada na Tabela 1.
TABELA 1: RADIAÇÃO GLOBAL MÉDIA Mês kWh/m2.dia Jan 4,46 Fev 4,32 Mar 4,41 Abr 4,60 Mai 5,22 Jun 5,61 Jul 5,78 Ago 5,85 Set 5,82 Out 5,85 Nov 5,75 Dez 4,45
Os valores dessa tabela, bem como os dados de velocidade de vento, em conjunto com a curva de potência da turbina escolhida (ver Figura 6)(7), foram utilizados para determinar as energias geradas por cada subsistema com fonte renovável (eólico e fotovoltaico), conforme apresentado na Tabela 2.(8-9) Apesar das velocidades de vento medidas em dezembro e janeiro estarem próximas das extrapoladas, elas apresentam valores um pouco maiores do que estas, o que leva a supor que para os outros meses também haja um aumento dos valores, fazendo com que a energia gerada venha a ser maior do que aquela aqui predita. O mesmo espera-se que venha a ocorrer com a radiação solar.
FIGURA 6 - CURVA DE POTÊNCIA DA TURBINA UTILIZADA
TABELA 2: GERAÇÃO EÓLICA, FOTOVOLTAICA (PV) E TOTAL (em kWh e % da carga)
Mês Eólica % PV % Total % Jan 1.402,44 39,0 442,43 12,3 1.844,87 51,2 Fev 631,68 17,5 387,07 10,8 1.018,75 28,3 Mar 349,68 9,7 437,47 12,2 787,15 21,9 Abr 338,4 9,4 441,6 12,3 780,00 21,7 Mai 349,68 9,7 517,82 14,4 867,50 24,1 Jun 1.015,20 28,2 538,56 15,0 1.553,76 43,2 Jul 1.402,44 39,0 573,38 15,9 1.975,82 54,9 Ago 2.098,08 58,3 580,32 16,1 2.678,40 74,4 Set 3.384,00 94,0 558,72 15,5 3.942,72 109,5 Out 3.496,80 97,1 580,32 16,1 4.077,12 113,3 Nov 1.638,60 45,5 552 15,3 2.190,60 60,9 Dez 1.404,30 39,0 450,37 12,5 1.854,67 51,5 Total 17.511,30 40,5 6.060,06 14,0 23,571,36 54,6 Como se pode observar da Tabela 2, durante os meses de setembro e outubro, toda o consumo poderá ser atendido pelas fontes renováveis, não sendo necessária a utilização de diesel e podendo ser o eventual excedente utilizado para outras finalidades. Os meses mais críticos são os de fevereiro a maio, onde a geração eólica chega até a ser inferior à fotovoltaica, e menos de um terço do consumo é atendido pelas fontes renováveis. Isso se deve às constantes chuvas na região, que reduzem não somente a intensidade da radiação solar, mas também a velocidades dos ventos no local.
Nos demais meses, quase sempre mais da metade do consumo será atendido pelas fontes renováveis, cabendo ao grupo gerador fazer o seu papel de reserva (back up), para garantir a confiabilidade do sistema.
Caso não houvessem as fontes renováveis, o consumo de óleo diesel para atender ao consumo médio da comunidade, nos períodos de 4 e 24 h diárias, foi estimado, através da curva de consumo da Figura 7, respectivamente em:(10) Diário: 10 L e 60 L; Mensal: 300 L e 1.800 L; Anual: 3.650 L e 21.900 L. 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 Potência (kW) Litros/h
FIGURA 7 - CURVA DE CONSUMO DO GRUPO GERADOR UTILIZADO
O período de 4 h, entre as 18 e as 22 h, é tipicamente utilizado na região, para que se possa ser viável arcar com as despesas de operação e manutenção do grupo diesel.
Considerando-se esses períodos e os dados da Tabela 2, pode-se mostrar que seriam economizados 3.650 L e 11.957 L, respectivamente para 4 e 24 h, comparando-se o funcionamento do diesel sem e com o uso das fontes renováveis.
Isso representaria, aos preços atuais do diesel praticados na região (1 L diesel = US$ 0,50), uma economia anual de US$ 1.825,00 e US$ 5.978,50, respectivamente.
Considerando a estimativa mostrada na Tabela 3 para os custos de implantação do sistema (US$), incluindo instalação de todos os componentes e do sistema de monitoração, pode-se verificar que apenas o valor economizado em relação a um sistema somente a diesel seria suficiente para cobrir os custos de implantação do sistema híbrido em cerca de 15 anos, considerando-se o regime de 24 h de operação. TABELA 3: ESTIMATIVA DE CUSTOS DO SISTEMA HÍBRIDO
Componente Preço (US$) Sistema eólico 35.000,00 Sistema fotovoltaico 23.000,00 Banco de baterias 3.500,00 Gerador diesel 4.500,00 Controle e supervisão 14.000,00 Acessórios 5.000,00 Rede de distribuição 7.000,00 Total 92.000,00 Total/habitante 400,00 Total/UC 1.917,00 Com operação e manutenção adequadas, a maioria
dos componentes do sistema poderá ter vida útil bem maior do que esse tempo, sendo o banco de baterias o componente que exigirá um maior aporte de recursos, pois necessitará ser trocado a cada 3 ou 4 anos. Esta é uma análise simplista e que precisaria ser melhor considerada para fins de comparações econômicas. Entretanto, ela serve como um simples instrumento para dar a indicação de que os sistemas híbridos, incluindo outras eventuais fontes renováveis locais, podem vir a ser de vital importância no processo da universalização dos serviços de eletricidade que ora se procura implantar no Brasil, especialmente no que se refere às regiões mais isoladas, como é o caso da Amazônia.
5.0 - MODELO DE GESTÃO
Um dos maiores problemas que têm sido encontrados no Brasil e em outros países em desenvolvimento pelo mundo afora é a sustentabilidade dos sistemas de eletrificação de áreas isoladas. Isso se deve a vários fatores, dentre os quais podem-se citar a pobreza local, a falta de instrução, a falta de políticas públicas ou a sua má utilização, etc.
Os sistemas de gestão e tarifação implementados têm sido em geral falhos, contribuindo para o insucesso dos sistemas implantados, após algum tempo de utilização exitosa. Isso reforça o fato de que a tecnologia é suficientemente madura, mas necessita de uma correta operação e manutenção para funcionar de forma adequada durante longos períodos.
Entende-se que o sistema aqui descrito deva ser economicamente viável, i.e., devem ser estabelecidas políticas de tarifação da energia consumida, de forma a captar os recursos necessários para manter o sistema, dentro dos padrões de confiabilidade e segurança recomendados pelos técnicos. Para tanto, prevê-se a utilização de um sistema de tarifação do tipo pré-pago, que parece melhor se adequar às caractericas de renda sazonal da população local.
A escolha desse sistema deve-se ao fato de ser hoje o método utilizado pelos habitantes locais para adquirir todos os seus energéticos, ou seja, óleo diesel, gasolina, querosene, velas, pilhas, recarga de baterias, etc.
O sistema é formado pelos componentes mostrados na Figura 8.(11) A central de processamento, onde são mantidos todos os registros dos usuários e do sistema de tarifação, situa-se em local pré-determinado e funciona como a concessionária. O posto de venda fica localizado na comunidade, processando a venda de cartões novos e a recarga dos créditos de energia dos cartões já utilizados. Os medidores de energia (kWh) e os gerenciadores de cartão são instalados nas unidades consumidoras (UCs), sendo os gerenciadores colocados em local de fácil acesso aos usuários.
Quando o consumidor insere o cartão em seu gerenciador, este credita o valor de créditos correspondente e zera o cartão. Uma vez reconhecidos os créditos, estes são repassados para o medidor, que permitirá e monitorará a passagem da energia registrada. Esse processo se repete a cada vez que o consumidor inserir um novo cartão de créditos no gerenciador, sem que haja necessidade de se esgotarem os créditos anteriores. Assim, o usuário poderá acumular quanta energia necessitar para seu uso. Ele também poderá monitorar seu consumo através das indicações do medidor e controlá-lo de forma adequada ao seu orçamento.
FIGURA 8 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SISTEMA PRÉ-PAGO DE TARIFAÇÃO
6.0 - CONCLUSÃO
O projeto piloto apresentado neste trabalho tem por finalidades principais:
1. Proporcionar o fornecimento de energia elétrica à Vila de São Tomé, visando o atendimento de suas necessidades básicas, de forma contínua e auto-sustentável;
2. Apresentar soluções com razoáveis custos de operação, reduzindo o uso e transporte de combustível, diversificação das fontes de energia, aumentando sua disponibilidade e proporcionando independência energética, e redução dos níveis de emissões de poluentes atmosféricos;
3. Monitorar a operação do sistema híbrido de geração, através da implantação de sistema de supervisão, que permita que as variáveis elétricas, meteorológicas e mecânicas de interesse para a operação, sejam supervisionadas automaticamente, tanto em modo local, como à distância;
4. Fazer a avaliação sócio-econômica para quantificar e qualificar os impactos que esse sistema provocará no modo de vida da população envolvida, realçando-se aspectos de renda, saúde, educação, informação, lazer e organização social;
5. Servir de subsídio para implantações posteriores de sistemas similares.
A partir destas premissas, o sistema foi projetado e encontra-se em fase final de implantação e testes, devendo já a partir de abril de 2003 atender às necessidades da comunidade.
A monitoração dos parâmetros meteorológicos e do sistema de geração será feita de forma continuada e também serão monitoradas as condições sócio-econômicas das famílias residentes na localidade. Crê-se que o projeto deva trazer bons resultados de caráter tanto demonstrativo quanto prático, capazes de estimular o efeito de replicabilidade para outras regiões com características similares.
7.0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Ribeiro, A. H. C., Barbosa, C. F. O., Cruz, D. P. Caracterização Sócio-Econômica da Comunidade de São Tomé (Maracanã/PA). Relatório Técnico No 1. GEDAE/UFPA. Belém, agosto 2002;
(2) Bezerra, U. H., Pinho, J. T. Experiências com a Implantação de Sistemas Híbridos de Geração para a Eletrificação de Localidades Isoladas na Amazônia. XVII CONFERÊNCIA LATINO-AMERICANA DE ELETRIFICAÇÃO RURAL. Recife. 1999;
(3) Bezerra, U. H., Pinho, J. T., Cunha, D. C. Proposal of a Wind-Diesel Generating System for the
Algodoal Island, Brazil. WINDPOWER 98. Bakersfield, CA, USA. 1998;
(4) Pinho, J. T., Bezerra, U. H. A Concept of Wind-Diesel Hybrid Systems for the Electrification of Small Rural Communities in Brazil. WINDPOWER 98. Austin, TX, USA. 1997;
(5) Frade, L. C. S., Pinho, J. T. Wind Potential on the Coast of the State of Pará/Brazil. IEEE-PES T&D 2002 LATIN AMERICA. São Paulo;
(6) Frade, L. C. S. Estudo da Potencialidade de Energia Eólica no Litoral do Estado do Pará. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Pará. 2000;
(7) Bergey Windpower. Bergey Excel Wind Turbine Handbook. 2002;
(8) Macedo, W. N., Pinho, J. T. ASES: Programa para Análise de Sistemas Eólicos e Solares Fotovoltaicos. AGRENER 2002 - 4º ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL. Campinas/SP; (9) Macedo, W. N. Estudo de Sistemas de Geração de
Eletricidade Utilizando as Energias Solar, Fotovoltaica e Eólica. 2002. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Pará. 2002;
(10) Hunter, R., Elliot, G. Wind-Diesel Systems. A Guide to the Technology and its Implementation. Cambridge University Press. 1994;
(11) DIEBOLD/PROCOMP. Sistema de Pré-Pagamento de Energia Elétrica. Proposta Técnica. 05/07/02.
FIGURA 1 - DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO SISTEMA HÍBRIDO
