SELSO RABELO
METODOLOGIA PARA OBTER A MELHOR SOLUÇÃO EM GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA CONSIDERANDO A CURVA DE CARGA DO
CONSUMIDOR
Ijuí 2018
METODOLOGIA PARA OBTER A MELHOR SOLUÇÃO EM GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA CONSIDERANDO A CURVA DE CARGA DO
CONSUMIDOR
Trabalho apresentado à graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI, como requisito final para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
ORIENTADOR: Me. ENG. SANDRO ALBERTO BOCK
Ijuí 2018
METODOLOGIA PARA OBTER A MELHOR SOLUÇÃO EM GERAÇÃO
DISTRIBUÍDA CONSIDERANDO A CURVA DE CARGA DO
CONSUMIDOR
Este Trabalho de Graduação foi julgado adequado para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista e aprovado em sua forma final pela Comissão Examinadora e pelo Colegiado do Curso de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUI.
Banca Examinadora:
__________________________________________________ Me. Eng. Sandro Alberto Bock – Orientador – DCEEng / Unijuí
__________________________________________________ Me. Eng. – Taciana Paula Enderle – DCEEng / Unijuí
Dedico esse trabalho à minha mãe, Brasília Rabelo, que amorosamente, é a maior responsável por tudo o que sou e tudo o que conquistei nessa vida.
À minha mãe, por sempre ter me ensinado o caminho que um homem correto deve trilhar; À minha amada esposa Daniele Rabelo que suportou minhas ausências e sempre me motivou a continuar nessa caminhada;
Ao meu amoroso filho, Eduardo Rabelo, que também teve que crescer fisicamente e mentalmente com minhas ausências;
Aos meus amados irmãos, especialmente a Nelson Rabelo, Isaías Rabelo e Sônia Rabelo que sempre estiveram ao meu lado, me apoiando em todos os momentos;
Ao meu querido e estimado sobrinho José Maurício Carvalho, pela valorosa ajuda e apoio; Aos valorosos professores da UNIJUI pelos ensinamentos repassados, especialmente aos inestimáveis Manuel Martin Perez Reimbold (Manollo) e Mário Noronha Agert que sempre nos ensinaram muito mais que Engenharia;
Ao valoroso Maurício Gasparim, responsável pelos laboratórios da Engenharia Elétrica que nunca mediu esforços para nos apoiar, auxiliar e ajudar;
À nossa estimada secretária, hoje na pessoa da Rosane Voigt que sempre esteve muito solícita e competente à todas os pedidos que fizemos e à toda ajuda que precisamos.
À todos os servidores da UNIJUI que sempre me atenderam com muita presteza, solicitude e competência.
A essa grande UNIJUI que pela 2ª vez me proporciona uma formação que é responsável por todas as minhas conquistas profissionais, e que transformaram a minha vida para melhor.
Ao meu compreensivo e competente Orientador desse trabalho, professor Sandro Alberto Bock, que me deixou à vontade para trabalhar, sempre sendo muito solícito quando precisei.
Se não há solução para um problema, então não perca tempo preocupando-se com isso. Se houver uma solução para o problema, então não perca tempo preocupando-se com isso.
GERAÇÃO DISTRIBUÍDA CONSIDERANDO A CURVA DE CARGA DO CONSUMIDOR. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
A geração e a distribuição de energia elétrica sempre foram um grande desafio para o homem. Há muitos anos, países desenvolvidos têm buscado soluções para geração de energia elétrica que tenham baixo impacto na natureza, sejam fáceis de implantar, tenham baixo custo e sejam eficientes. Uma dessas soluções é a Geração Distribuída, que consiste na geração de energia elétrica em micro ou minicentrais, de forma que esteja cada vez mais perto do consumidor. O sistema atende às características de eficiência e baixo custo, principalmente, por ser conectado à rede de distribuição da concessionária local (on-grid), o que é uma vantagem, pois quando a energia produzida não está sendo consumida localmente, está sendo distribuída a outros consumidores da mesma região. Dentre as muitas formas alternativas de geração de energia elétrica, como biomassa, a diesel, a carvão, a geotérmica, a fotovoltaica e a eólica, este trabalho se propõe a fazer um estudo da melhor forma de produzir energia elétrica em micro ou miniescala, utilizando fontes que melhor se adaptem à localidade geográfica onde o estudo é realizado. Assim, o trabalho mostra soluções alternativas para consumidores de diferentes classes, utilizando a geração eólica e a fotovoltaica, sob forma de micro e minigeração, baseados no perfil da curva de carga de cada um. Ao final, são apresentados os resultados, através de software específico, que sugerem o melhor sistema em GD a ser implantado para aquele caso específico.
Palavras-chave: Distribuição. Energia. Microgeração. Minigeração.
DISTRIBUTED GENERATION CONSIDERING THE CONSUMER LOAD CURVE. 2018. Course Completion Work. Course o f Electrical Engineering, Regional University of the Northwest of the State of Rio Grande do Sul - UNIJUÍ, Ijuí, 2018.
The generation and distribution of electricity has always been a great challenge for man. For many years now, developed countries have been looking for solutions for electric power generation that have low impact on nature, are easy to deploy, are low in cost, and are efficient. One such solution is Distributed Generation, which consists of the generation of electric energy in micro or mini-plants, so that it is increasingly closer to the consumer. The system meets the efficiency and low cost characteristics, mainly because it is connected to the local grid distribution network (on-grid), which is an advantage, because when the energy produced is not being consumed locally, the system is being distributed to other consumers in the same region. Among the many alternative forms of electric power generation, such as biomass, diesel, coal, geothermal, photovoltaic and wind power, this work proposes to study the best way of producing electric energy in micro or mini-scale, using sources that best fit the geographic location where the study is performed. Thus, the work shows alternative solutions for consumers of different classes, using wind and photovoltaic generation, in the form of micro and minigeration, based on the profile of the load curve of each one. At the end, the results are presented, through specific software, that suggest the best GD system to be implemented for that particular case.
Figura 1: Capacidade instalada e geração das usinas eólicas do Nordeste ... 18
Figura 2: Capacidade Instalada e Geração das Usinas Eólicas do Sul ... 19
Figura 3: Matriz da Produção Energética Brasileira – Janeiro de 2018 ... 20
Figura 4: Evolução da potência eólica instalada no mundo ... 21
Figura 5: Mapa das potencialidades eólicas do Brasil ... 22
Figura 6: Expansão indicativa de referência... 23
Figura 7: Expansão indicativa - Mercado Alternativo ... 24
Figura 8: Espalhamento dos raios solares em diferentes superfícies... 28
Figura 9: Efeito da inclinação dos raios solares na radiação recebida por unidade de área ... 28
Figura 10: Irradiação solar X Latitude ... 29
Figura 11: Sistemas de seguimento solar de um eixo (a, b), e dois eixos (c) ... 30
Figura 12: Irradiância solar em um dia típico de verão ... 30
Figura 13: Mapa da irradiação solar global no plano inclinado ... 31
Figura 14: Efeito fotovoltaico em uma célula ... 33
Figura 15: Camadas de uma placa fotovoltaica típica ... 33
Figura 16: Principais componentes de cada tipologia de sistema fotovoltaico ... 34
Figura 17: Redução da Demanda na Hora de Ponta do Subsistema Sul ... 38
Figura 18: Curva de carga de consumidor residencial típico - Brasil ... 40
Figura 19: Curva de carga de consumidor residencial típico – Região Sul ... 40
Figura 20: Curva de carga típica de consumidor residencial... 46
Figura 21: Curva de carga típica de um consumidor comercial ... 46
Figura 22: Curva de carga de consumidor Industrial ... 47
Figura 23: Curva de Demandas Genérica ... 47
Figura 24: Gráfico de consumidor residencial (1) - faixa 4 ... 54
Figura 25: Resultados simulados para consumidor residencial (1) - faixa 4 ... 55
Figura 26: Gráfico de consumidor residencial (2) – faixa 4 ... 56
Figura 30: Resultados simulados para consumidor comercial (1) - faixa 3 ... 60
Figura 31: Média mensal de energia produzida ... 61
Figura 32: Gráfico de consumidor comercial (1) – faixa 3 ... 63
Figura 33: Resultados simulados para consumidor comercial (2) - faixa 3 ... 63
Figura 34: Média mensal de energia produzida ... 64
Figura 35: Gráfico de consumidor de média tensão ... 66
Tabela 2: Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso – Residencial – 2005... 39
Tabela 3: Percentual de composição da aponta instantânea no Brasil. ... 41
Tabela 4: estrato de consumidores de baixa tensão ... 45
Tabela 5: Retorno financeiro para consumidor residencial 2 ... 58
Tabela 6: Retorno financeiro para consumidor comercial 1... 61
GC Geração Centralizada
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica INEE Instituto Nacional de Eficiência Energética SIN Sistema Interligado Nacional
PRODIST Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica do Sistema Elétrico Nacional
PROINFA Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica MME Ministério de Minas e Energia
CGH Centrais de Geração Hidrelétrica EUA Estados Unidos da América GWC Global Wind Energy Council
PE Pernambuco
CBEE Centro Brasileiro de Energia Eólica PDE Plano Decenal de Expansão de Energia EPE Empresa de Pesquisa Energética EVA Etil Vinil Acetato
CC Corrente Contínua CA Corrente Alternada HV Horário de Verão
REN Resolução Normativa RN Resolução Normativa
CNAE Conselho Nacional de Atividades Econômicas NREL The National Renewable Energy laboratory
MW Mega Watt
SRE Superintendência de Regulação Econômica
SRD Superintendência de Regulação dos Serviços de Distribuição
kW Quilowatt
kWh Quilowatt-hora
kV Quilovolt
ICMS Imposto sobre Circulação de Mercadorias e Serviços PASEP Programa de Formação do Patrimônio do Servidor Público
1 INTRODUÇÃO ... 12
1.1 A SITUAÇÃO ENERGÉTICA NO BRASIL ... 12
1.2 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA ... 14 1.2.1 Objetivo Geral ... 15 1.2.2 Objetivos Específicos ... 15 1.2.3 Tema ... 15 1.2.4 Delimitação do Tema ... 15 1.3 CONCEITOS DE GD ... 15 1.4 TECNOLOGIAS POTENCIAIS EM GD ... 17 1.4.1 Geração Eólica ... 21 1.4.2 Geração Fotovoltaica ... 26 1.4.2.1 Inversores ... 35 2 CURVAS DE CARGA ... 37
2.1 TIPICIDADE DE CURVA DE CARGA POR CONSUMIDOR ... 42
2.1.1 Consumidor Residencial ... 45
2.1.2 Consumidor Comercial ... 46
2.1.3 Consumidor Industrial ... 47
3 O SOFTWARE HOMER ... 49
3.1 O QUE É O HOMER? ... 49
3.2 Como o HOMER é utilizado? ... 49
3.3 Como o HOMER funciona? ... 50
3.4 Resumo das facilidades do HOMER ... 50
3.5 O HOMER na internet ... 51
4.1.2 Consumidor Residencial 2 ... 56
4.2 CONSUMDOR COMERCIAL ... 59
4.2.1 Consumidor Comercial 1 ... 59
4.2.2 Consumidor Comercial 2 ... 62
4.3 CONSUMIDOR DE MÉDIA TENSÃO ... 65
5 CONCLUSÕES ... 68
REFERÊNCIAS ... 70
ANEXO A: MÉDIA DE CONSUMO - RESIDENCIAL 1 ... 72
ANEXO B: MÉDIA DE CONSUMO - RESIDENCIAL 2 ... 73
ANEXO C: MÉDIA DE CONSUMO - COMERCIAL 1 ... 74
ANEXO D: MÉDIA DE CONSUMO - COMERCIAL 2 ... 75
ANEXO E: MÉDIA DE CONSUMO – MÉDIA TENSÃO ... 76
ANEXO F: GERADOR EÓLICO - CARACTERÍSTICAS ... 77
ANEXO G: INVERSOR - CARACTERÍSTICAS ... 78
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo é realizada uma abordagem geral sobre Geração Distribuída, seus conceitos e suas principais formas, abordando suas principais tecnologias, as tendências de mercado em relação a esse tipo de geração e também os impactos que essa tecnologia pode vir a causar, tanto no sistema de distribuição quanto no aspecto econômico. Também são ressaltadas as contribuições do trabalho, seus objetivos, motivação, além de uma breve revisão sobre o estado-da-arte no assunto, mostrando as principais evoluções em GD.
1.1 A SITUAÇÃO ENERGÉTICA NO BRASIL
A partir do momento que um País resolve se desenvolver e crescer, fica evidente que há setores estratégicos para esse crescimento e, entre eles, o fornecimento de energia suficiente para que o desenvolvimento aconteça em sua plenitude. O crescimento de uma Nação passa pelo seu desenvolvimento científico e tecnológico e, com isso sua capacidade de produção. Para que esse desenvolvimento aconteça, precisa-se de uma constante e regular matriz energética, o que passa pela eficiência na produção e no fornecimento de energia.
No ano de 2001 o Brasil pode presenciar uma grande crise energética, denominada popularmente de “apagão”. A crise refletiu a falta de planejamento no setor e, principalmente a falta de investimentos no setor de produção e distribuição de energia, pois o governo da época buscava privatizar muitas estatais para um consequente enxugamento da máquina pública, no intuito de controlar os gastos públicos.
Segundo PINTO (2017), um dos maiores problemas, na época, é que mais de 90% da energia produzida, vinha de hidrelétricas de Geração Centralizada (GC), e devido à falta de investimentos em linhas de transmissão, era impossível desviar a transmissão de locais onde, eventualmente, havia sobras de energia para os locais onde havia falta. Com isso, grande parte da população foi forçada a reduzir seu consumo sob a ameaça de ficar sem energia, ou até mesmo ser penalizado, na forma da lei, se não economizasse o suficiente, de acordo com sua faixa de consumo.
Nesse ponto, a Geração Distribuída (GD) passou a ser vista como uma solução complementar para auxiliar na solução do problema energético no país. A GD que, culturalmente podia ser vista
como uma ameaça às grandes empresas geradoras de energia, pois competia com a mesma enquanto a demanda não era muito grande, passou a ser objeto de interesse dos órgãos responsáveis pelo setor energético no Brasil. Nesse sentido, houve a necessidade de buscar novas soluções, ampliando o estudo na área da geração distribuída. Os órgãos reguladores brasileiros, como a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) e institutos como o Instituto Nacional de Eficiência Energética (INEE) passaram a realizar, coordenar e incentivar os estudos na área, principalmente a nível acadêmico, no intuito de buscar soluções viáveis e eficientes para atender a demanda energética e melhorar matriz energética do País em um tempo relativamente pequeno. A GD surgiu como uma solução que pode atender de maneira eficiente, diferentes localidades do País de acordo com sua especificidade regional, aliando confiabilidade e eficiência.
Segundo a publicação do INEE “Geração Distribuída: Um negócio e um complemento à Geração Centralizada” de Abril/2004, as vantagens na GD são muitas, a começar pela produção próxima do consumidor, o que torna vantajoso economicamente, porque diminui custos de transmissão, diminui perdas nos segmentos de transmissão e distribuição, aumenta a reserva de potência próximas às cargas, e aumenta a confiabilidade do sistema local reduzindo os riscos de instabilidade. Tudo isso, aliado ao desenvolvimento econômico local.
A GD é então, uma geração aditiva à GC, ou seja, ela pode passar a complementar o sistema atual, contribuindo numa melhora significativa no fornecimento de energia ao sistema atual.
Há um bom tempo, a GD vem sendo objeto de estudo em todo o mundo, que procura soluções aos problemas envolvendo demanda, produção e distribuição de energia. Um dos grandes problemas na distribuição de energia reside na curva de carga de cada consumidor e, à medida que se aumenta o consumo, os efeitos dessa curva refletem em todo o sistema de geração e distribuição, somativamente.
Os estudos em todos os níveis e modalidades vêm demonstrando que as melhoras são significativas nessas curvas de carga, quando a GD é inserida no sistema, pois auxilia na estabilidade do mesmo. Ao ser inserida no sistema, a GD pode atuar significativamente na demanda, diminuindo as diferenças entre os patamares de ponta. Isso quer dizer que a GD pode atuar diretamente no sistema, fornecendo energia justamente no horário que mais se necessita dela
e assim, manter a estabilidade com o fornecimento regular e constante de energia, preservando a confiabilidade do Sistema.
A curva de carga de um consumidor é dependente do tipo de consumo do mesmo, pois as características são diferentes para consumidores residenciais, que têm seu pico de consumo em horários noturnos; para consumidores comerciais, que têm seu horário de pico no meio do dia, dependendo da atividade afim; e para o consumidor industrial, que tem seu horário de ponta bastante diversificado, também definido de acordo com o tipo de produção que está envolvido. Um dos grandes desafios de um sistema de distribuição de energia é atender a todas essas diferentes demandas.
A GD pode atuar diretamente sobre essas curvas de carga, injetando energia nos horários de pico em que a demanda é alta e a tarifa é significativamente maior (modalidade tarifária horária), de forma a diminuir as distorções na rede e também diminuir os custos. A instalação de um gerador descentralizado repercute diretamente na distribuição de energia do local em que ele está instalado, já que ele deve atuar de acordo com a demanda daquela localidade. Neste contexto, um gerador local pode estabilizar a curva de consumo local, fazer uma ancoragem de energia à rede próxima, aumentando a confiabilidade na regularidade do fornecimento, reduzir a quantidade de energia adquirida da geração centralizada e prestar serviços ancilares.
1.2 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA
Os estudos sobre a Geração Distribuída (GD) vêm crescendo de maneira bastante significativa em escala mundial. No Brasil não tem sido diferente, e com a inclusão da GD como uma das possíveis fontes de energia, mencionada pela lei 10.848/04 e, posteriormente detalhada pelo decreto 5.163/04, os estudos, principalmente a nível acadêmico, têm avançado paulatinamente. Com os estudos bastante avançados na forma de mini e micro geração, principalmente após as Resoluções 482/2012 e 687/2015, o que nos resta é responder a pergunta: Qual a melhor forma de implantar a Geração Distribuída para um consumidor? Independentemente se é residencial ou comercial? Para responder a essa questão, far-se-á um estudo da curva de carga dos diferentes tipos de consumidores para levantar seu perfil de consumo, de acordo com a curva de carga de cada um.
1.2.1 Objetivo Geral
Buscar soluções para o problema de fornecimento e distribuição de energia no Brasil através da Geração Distribuída, analisando a especificidade de cada consumidor para que se obtenha, através de software específico, o melhor tipo de geração.
1.2.2 Objetivos Específicos
Localizar a região na qual o consumidor está inserido;
Analisar as condições e potencialidades regionais de fornecimento de energia; Analisar a curva de carga de cada consumidor;
Oferecer, através de software específico, a melhor solução em GD considerando aspectos econômicos.
1.2.3 Tema
Metodologia para a obtenção da melhor solução em Geração Distribuída (GD). 1.2.4 Delimitação do Tema
Metodologia para se obter a melhor solução em GD de acordo com a curva de carga do consumidor.
1.3 CONCEITOS DE GD
O conceito de Geração Distribuída é cunhado de diferentes formas em vários países. No Brasil, surge pela primeira vez, de maneira oficial, com o decreto 5.163 de 30 de Julho de 2004, com o seguinte texto:
“Art. 14. Para os fins deste Decreto, considera-se geração distribuída a produção de energia elétrica proveniente de empreendimentos de agentes concessionários, permissionários ou autorizados, incluindo aqueles tratados pelo art. 8o da Lei no 9.074,
de 1995, conectados diretamente no sistema elétrico de distribuição do comprador, exceto aquela proveniente de empreendimento:
II - termelétrico, inclusive de cogeração, com eficiência energética inferior a setenta e cinco por cento, conforme regulação da ANEEL, a ser estabelecida até dezembro de 2004.
Parágrafo único. Os empreendimentos termelétricos que utilizem biomassa ou resíduos de processo como combustível não estarão limitados ao percentual de eficiência energética prevista no inciso II do caput.”
Segundo Kagan, Nelson et al., (2013 p.58), Geração Distribuída é a geração de energia elétrica próxima ao consumidor ou na própria instalação consumidora, independentemente da fonte de energia e da tecnologia utilizada. É uma nova alternativa para a geração da energia que visa postergar investimentos em transmissão, reduzir perdas no sistema e melhorar a qualidade do serviço de energia.
Sabendo que a GD é a energia produzida próxima ao local onde é consumida, pode-se dizer que ela não é originária de uma fonte primária de energia, ou seja, pode advir de diversas e diferentes fontes e/ou tecnologias. A GD também não implica em propriedade, por parte do consumidor, do equipamento de geração, ou gerador. O consumidor pode ou não ser proprietário do gerador. A gestão da energia produzida, por exemplo, não é de responsabilidade do próprio produtor de energia, pode ser a própria concessionária a responsável pela operação e gestão da energia produzida. Outra grande vantagem da GD é que não há um mínimo ou um máximo de energia a ser produzida, podendo ser de poucos, a centenas de kW.
Embora venha sendo discutida há vários anos, desde a crise do petróleo de 1990, a questão da GD, ainda não é unanimidade. Os conceitos ainda são bastante esparsos devido à falta de um conceito unificado, principalmente no que diz respeito aos benefícios da mesma. Nesse sentido, o que interessa ao SIN, é a potência instalada e colocada à disposição do sistema.
A resolução normativa da ANEEL Nº 482 de 17 de Abril de 2012 estabelece condições gerais de acesso a microgeração e minigeração distribuída aos sistemas de energia elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica. De acordo com a norma, as distribuidoras deverão adequar seus sistemas comerciais e elaborar ou revisar normas técnicas para tratar do referido acesso, utilizando como referência os Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica do Sistema Elétrico Nacional – PRODIST.
Já a Resolução Normativa 687 de 24 de Novembro de 2015 veio para alterar a redação da RN 482 e, entre outros, redefinindo alguns conceitos como microgeração, minigeração, sistema de compensação de energia elétrica, melhoria, reforço, empreendimento com múltiplas unidades consumidoras, geração compartilhada e autoconsumo remoto.
A microgeração distribuída é caracterizada pela potência instalada menor ou igual a 75 kW, a minigeração distribuída tem potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídrica ou menor ou igual a 5 MW para fontes renováveis. O Sistema de Compensação de Energia, define que o produtor passa seus excedentes à rede e quando necessitar, pode fazer seu uso, compensando do valor injetado na rede. No caso da geração compartilhada, o que a caracteriza é a reunião de consumidores, dentro da mesma área de permissão ou concessão, por meio de consórcio ou cooperativa, composta por pessoa física ou jurídica.
A energia gerada e não consumida, que foi injetada na rede, fica como créditos ao consumidor, válidos por 60 meses, que podem ser usados por qualquer unidade consumidora do mesmo titular, mesmo que em locais diferentes, desde que da mesma distribuidora. É o “autoconsumo remoto”.
1.4 TECNOLOGIAS POTENCIAIS EM GD
Segundo o Portal Brasil, o país possui a matriz energética mais renovável do mundo industrializado, com 45,3% de sua produção, proveniente de recursos hídricos e de outras fontes como a biomassa, o etanol, a eólica e a solar. Nesse contexto, 75% da energia elétrica do país é proveniente de usinas hidrelétricas. A nível mundial, apenas 13% da matriz energética provém dessas fontes em países industrializados, caindo para 6% para nações em desenvolvimento.
Em 2002, o Brasil criou Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) com o objetivo de desenvolver fontes alternativas e renováveis de energia para a produção de eletricidade, levando em conta as características e potencialidades regionais e locais e, nesse contexto é que pretende-se desenvolver esse projeto, pois cada região tem sua potencialidade particular em termos da exploração de recursos naturais.
Inicialmente, a ideia do programa governamental era de explorar igualmente as fontes: eólica, de biomassa e de pequenas centrais hidrelétricas, perfazendo um total produtivo de 3.300 MW, divididos igualmente entre as mesmas.
Segundo o Boletim Mensal de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro, em publicação do Ministério de Minas e Energia (MME) de Fevereiro de 2018, o número de usinas eólicas alcançou 564, sendo 510 não GD e 54 GD, que representam um crescimento de 19% e 1,3%, respectivamente, em relação a Fevereiro de 2017. O montante instalado totalizou 12.510 MW de potência. No entanto, potência instalada não quer dizer potência produzida, pois segundo o mesmo boletim, a produção de fevereiro de 2018 foi de 4.803,8 MW, sendo 4.033,6 MW médios gerados pela região Nordeste e 770,2 MW médios gerados pela região Sul. O fator capacidade média de produção, atingiu 43,5% para o primeiro caso e 34,8% para o segundo, o que significa que estamos bastante aquém da capacidade média de produção para esse tipo de geração.
As Figuras 1 e 2 demonstram a evolução desses dados dos últimos 2 anos para as duas maiores regiões em termos dessa geração para o Brasil.
Figura 1: Capacidade instalada e geração das usinas eólicas do Nordeste
Observa-se que, para a região Sul, o fator capacidade é menor que o apresentado pela região Nordeste, deido à menor incidência dos ventos.
Figura 2: Capacidade Instalada e Geração das Usinas Eólicas do Sul
Fonte: Boletim Mensal de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro de Fevereiro/2018
A geração Solar, com 23.673 usinas instaladas, sendo 87 não GD e 23.586 GDs, com capacidade de gerar 1.234 MW de energia, responde por 0,8% da matriz energética do país. No período de 12 meses, fevereiro de 2017 a fevereiro de 2018, as usinas fotovoltaicas aumentaram sua capacidade instalada em impressionantes 1.278,1%. A produção, no entanto, fica abaixo deste percentual, mas já consegue responder por 0,8 % da capacidade total, da produção de energia no país.
Embora tenha a biomassa em seu rol, a geração térmica é responsável por significativa parte da geração elétrica no Brasil, principalmente em época de crise hídrica. Com uma capacidade instalada de 27,5%, em fevereiro de 2018, essa geração correspondeu a 12,4% da produção total de energia elétrica no país, incluindo a biomassa. Dentre as fontes térmicas, o maior destaque fica para a geração a gás (5,8%), seguida da nuclear (2,5%), do carvão (1,8%) e do petróleo (1,5%).
Ainda, segundo o Boletim Mensal de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro, edição de Fevereiro/2018, a capacidade instalada total de geração elétrica no Brasil atingiu 158.682 MW, incluindo as informações referentes a GD. A Geração Distribuída, objeto de nosso estudo, atingiu valores próximos de 290 MW nesta data, sendo composta por 43 MW de CGH, 24 MW de térmica, 10 MW de eólica e 212 MW de solar.
A Figura 3 ilustra os percentuais da produção de energia elétrica no país, divulgados pelo MME em fevereiro de 2018.
Figura 3: Matriz da Produção Energética Brasileira – Janeiro de 2018
Fonte: Boletim Mensal de Monitoramento do Sistema Elétrico Brasileiro – Março/2018
Outro programa criado pelo governo brasileiro em 1991, é o Programa Nacional da Racionalização do Uso dos Derivados do petróleo e do Gás Natural, com a finalidade de incentivar o uso eficiente dessas fontes não-renováveis de energia, nos transportes, nas residências, no comércio, na indústria e na agropecuária. O programa previa atingir uma meta de 25% em ganho de eficiência energética, sem afetar o nível das atividades dos diversos setores da economia nacional. Tal programa com previsão de recursos fornecidos pela Petrobrás, é outro que veio de encontro à instalação de novas formas de geração, incluindo a GD.
1.4.1 Geração Eólica
O aproveitamento do potencial eólico como recurso deve ter se dado pela descoberta de seu aproveitamento como energia, em moinhos de vento, para a moagem de grãos, ou até mesmo pelo movimento de barcos a vela. O uso do vento para fins elétricos é relativamente recente e data de finais do século XIX na Dinamarca e nos EUA, com a utilização de máquinas que geravam eletricidade a partir do vento, ou aerogeradores (TESTER et al.,2005).
O aproveitamento da energia eólica para geração elétrica tem crescido exponencialmente no mundo nos últimos anos, como ilustrado pela Figura 4. A maior parte dos parques eólicos está instalada em terra (onshore), porém vários parques têm sido implantados no mar (offshore), devido à diminuição de locais apropriados em terra para novos empreendimentos (notadamente na Europa) e pelo bom potencial, apesar de apresentarem maiores custos.
Figura 4: Evolução da potência eólica instalada no mundo
Fonte: GWEC, 2015
Mesmo com o expressivo crescimento desse tipos de geração, em 2014 representava apenas 3% de toda energia elétrica gerada mundialmente (GWEC, 2015).
A geração eólica vem sendo estudada e usada no Brasil desde os anos 1990, quando foram instalados os primeiros anemógrafos computadorizados e sensores, no Ceará e em Fernando de Noronha (PE). Desde então, tem sido feito um grande esforço na identificação de locais com
potenciais apropriados a esse tipo de instalação. Como as PCHs, as usinas eólicas podem desempenhar um importante papel na GD, se integradas a outras soluções, para garantir a continuidade e a eficiência no fornecimento de energia. É importante que a geração eólica esteja integrada a outras fontes pelo fato de que, quando há calmaria dos ventos o fornecimento pode ficar comprometido.
O potencial eólico brasileiro é estimado em modelos de previsão de tempo e estudos climáticos por região, visto que cada região tem sua especificidade de clima e relevo, apresentando potenciais diferentes. Para que a energia eólica seja tecnicamente aproveitável, é necessário que sua densidade seja igual ou maior que 500W/m2, a uma altura de 50 metros, o que requer uma
velocidade mínima do vento de 7 m/s a 8 m/s (GRUBB; MEYER,1993). Apenas 13% da superfície terrestre apresenta esse valor para a velocidade do vento, a 50 m de altura, segundo a Organização Mundial de Meteorologia. O mapa da Figura 5 mostra os potenciais de ventos distribuídos ao longo do território brasileiro.
Figura 5: Mapa das potencialidades eólicas do Brasil
Percebe-se claramente pelo mapa, o motivo pelo qual a região Nordeste é a que é vista com um dos maiores potenciais de desenvolvimento eólico do país.
Em publicação de 15.01.2016, do Portal Brasil (brasil.gov.br), o levantamento “Energia Eólica no Brasil e no Mundo” do Ministério de Minas e Energia (MME), apontava o país em 4º colocado no ranking mundial de expansão de energia eólica em 2014. A estimativa era de que a capacidade instalada eólica chegasse a 24 mil megawatts (PDE 2024) e, destes, 21 mil gerados no Nordeste, devido ao seu potencial de ventos. Já, segundo o PDE 2026, a expansão eólica se amplia no período de 2021 a 2026, passando de 1.800 MW/ano a 3.100 MW/ano na expansão de referência, com o cenário de Mercado alternativo. Os gráficos das Figuras 6 e 7 mostram esse comparativo.
Figura 6: Expansão indicativa de referência
Fonte: PDE 2026
A Empresa de Pesquisa Energética (EPE), separando as medições de três grandes bacias, através das medições de mais de 450 anemômetros instalados, em 2016, mostra, através da Tabela 1 as principais características do recurso eólico brasileiro.
Figura 7: Expansão indicativa - Mercado Alternativo
Fonte: PDE 2026
A Tabela 1 resume a qualidade dos ventos brasileiros nos locais já explorados, confirmando a potencialidade do recurso eólico para fins elétricos.
Tabela 1: Características do recurso eólico nas principais bacias nacionais
FONTE: Elaboração EPE
O objetivo deste trabalho, no entanto, é discutir a viabilidade de implantação de mini ou micro geração de energia elétrica através da geração distribuída. Neste caso, não é viável que um consumidor comum, seja ele residencial, comercial ou industrial, construa um parque eólico para atender sua demanda de consumo. A partir disto, percebe-se que para que a geração eólica se torne viável em pequena escala, tem-se que partir de pequenos geradores eólicos, os quais podem ser instalados a custo relativamente baixo e, neste caso, pode-se fazer um comparativo entre estes e outras fontes alternativas de geração, como a fotovoltaica.
Sistemas geradores eólicos de pequeno porte estão instalados mais próximos do solo, se comparados aos aerogeradores de grande porte, como os existentes em parques de grande geração. Por isso, a definição do local também é de fundamental importância, porque deve estar desprovida de obstáculos tais como prédios e árvores, que dificultem a circulação livre do vento. Todos os micro e mini geradores eólicos possuem um rotor que pode ser composto de duas ou mais pás. As principais tecnologias de aerogeradores de pequeno porte são de eixo horizontal e de eixo vertical, sendo os primeiros de maior eficiência e mais comuns no mercado. Os de eixo vertical, no entanto, se integram melhor às edificações e têm a vantagem de ser mais silenciosos. A escolha de um mini ou micro gerador eólico deve, obviamente, levar em conta a mínima velocidade do vento no local a ser instalado e, por isso deve ser feito um estudo anterior à sua aquisição, desse quesito.
De uma maneira geral, um mini gerador deve ser instalado, no mínimo, a 10 m de altura da parte superior das edificações e ainda a 150 m, na horizontal, de outros obstáculos tais como árvores, que possam atrapalhar a livre circulação do vento. A melhor alternativa de instalação deve ser obtida a partir de um estudo técnico, feito inicialmente, a partir das condições mínimas da velocidade de vento no local. Para se ter uma ideia da possibilidade, pode ser consultado o mapa de potencialidades eólicas da Figura 4, a partir da região onde reside. A grande vantagem dos mini e micro geradores, é que eles podem ser acionados a partir de ventos de 3 m/s, ou 10,8 km/h. Há de se prestar atenção também, ao adquirir o aerogerador, se o mesmo tem especificação técnica para ser conectado à rede (on-grid) ou não (off-grid), de acordo com o projeto inicial do consumidor, já que as vantagens são bem maiores no sistema conectado à rede. No anexo F será apresentado o gerador eólico utilizado neste estudo, bem como suas especificações técnicas.
1.4.2 Geração Fotovoltaica
Embora sempre tenha estado à disposição de todos, iniciou-se o uso representativo da energia proveniente do Sol em meados do século passado. Esse aproveitamento tem sido realizado, basicamente, de duas formas: a fotovoltaica que consiste na geração de eletricidade a partir da luz, e a térmica que consiste no aquecimento de um fluido, normalmente água, para produção de vapor. A rápida expansão da capacidade instalada, e a significativa redução de custos relativos à esse tipo de geração, além de não emitir poluentes, fez com que o mundo voltasse sua atenção à energia fotovoltaica como uma grande alternativa para melhorar o suprimento elétrico global.
Historicamente, segundo Tolmasquim (2016), a trajetória dessa tecnologia pode ser dividida em 4 fases: a primeira foi caracterizada pelo uso de placas fotovoltaicas em aplicações espaciais; a segunda tinha o intuito de viabilizar economicamente áreas terrestres isoladas com o auxílio de baterias; a terceira veio no final da década de 1990 com o apoio de programas governamentais de estímulo à geração fotovoltaica conectada à rede elétrica. Era o prelúdio da geração distribuída. A quarta e atual fase, tem se materializado com a energia fotovoltaica se tornando competitiva com fontes convencionais de geração centralizada.
A inserção da geração fotovoltaica no sistema elétrico, principalmente na forma conectada à rede (on-grid), no sistema de geração distribuída, acaba por introduzir novos desafios no sistema elétrico. Embora conte com tecnologia de alta robustez com sistemas de operação por mais de 35 anos (HEINEMANN et al., 2011) e, devido ao sistema ter a necessidade de estar sempre o mais próximo possível do equilíbrio entre oferta e demanda, o operador deve ter o necessário conhecimento tecnológico para lidar com as súbitas variações das fontes intermitentes. Isso significa que o sistema elétrico precisa de uma rápida e eficiente modernização e aprimoramentos em regulação, através de investimento e serviços ancilares.
O Brasil, como um todo, está em uma região do globo terrestre que conta com uma incidência bastante vertical dos raios solares, ou seja, o país é bastante favorecido pela incidência de irradiação solar. Principalmente nas proximidades da Linha do Equador, onde praticamente não há variação dessa incidência, o que significa que mesmo no inverno há bons níveis de radiação incidente.
A geração solar representou apenas 1% da energia elétrica total produzida mundialmente em 2014 (SOLARPOWER EUROPE, 2015), no entanto, experimentou um crescimento anual de 47% entre os anos de 2004 a 2014 (REN21, 2015), passando de uma produção de 3,7 GWp para 177 GWp. No Brasil com a inserção e normatização da GD através da RN 482/2012, principalmente em sistemas conectados à rede (on-grid), ao final de 2015 haviam 1675 sistemas operando nesse regime, totalizando 13,4 MW (ANEEL, 2016). Ainda em 2015 com a publicação da RN 687, foram ampliados os conceitos de potência para micro e minigeração, melhorando os mecanismos que, eventualmente, poderiam estar travando o desenvolvimento desse tipo de geração de energia elétrica.
Para se ter uma ideia da evolução da geração fotovoltaica, segundo o Boletim de Monitoramento do Sistema Elétrico em edição de Fevereiro/2018, o número de usinas solares não GD cresceu 4.203% no período de Fevereiro/2017 a Fevereiro/2018 evoluindo de 24 MW a 1022 MW de potência instalada. As solares GDs, no entanto, tiveram uma evolução percentual de 222% com 66 MW instalados em Fevereiro/2017 a 212 MW instalados em Fevereiro/2018.
Para fins didáticos, a energia vinda do Sol, ou radiação solar, pode ser decomposta em mais de um plano. No caso da geração fotovoltaica o plano que que interessa é o horizontal, que quantifica a radiação recebida por uma superfície plana horizontal, composta pela irradiação difusa e a irradiação direta. A irradiação direta é a que nos dá um maior aproveitamento, mas a difusa nos fornece energia mesmo em dias nublados. A radiação solar não atinge a superfície da Terra de maneira igual, em diferentes épocas do ano. Isto se deve aos diferentes movimentos astronômicos do planeta, principalmente os de rotação e translação.
Respeitadas as proporções entre Terra e Sol, é possível afirmar que os raios solares atingem a Terra paralelamente, com intensidade praticamente constante numa superfície imaginária (A) perpendicular aos raios do Sol, como mostra a Figura 8. No entanto, a Terra não é paralela a essa superfície, devido ao seu formato aproximadamente esférico e, nesse caso, a incidência solar é inclinada, o que diminui a insolação nesse ponto, como mostra a superfície B, paralela ao solo.
Figura 8: Espalhamento dos raios solares em diferentes superfícies
Fonte: (TOLMASQUIM, 2016)
O efeito cosseno (STINE; GEYER, 2001) faz com que aumente a distância entre os raios incidentes na superfície determinada pelo solo, o que explica a diminuição da irradiância (intensidade por unidade de área ou W/m2) local, como exemplificado na Figura 9.
Figura 9: Efeito da inclinação dos raios solares na radiação recebida por unidade de área
Dessa forma, devido à relativa esfericidade da Terra, a incidência solar depende da Latitude de cada local específico. Na Figura 10 tem-se a representatividade de irradiação solar, de acordo com a Latitude, de forma simplificada.
Figura 10: Irradiação solar X Latitude
Fonte: (SENTELHAS; ANGELOCCI, 2009)
Nota: QO indica a irradiância solar extraterrestre disponível em um dia em dada latitude,
sem considerar os efeitos atenuantes da atmosfera. Dados para o plano horizontal.
Para otimizar o aproveitamento solar, em níveis de radiância, pode-se orientar os painéis coletores com determinada inclinação. Embora não seja regra absoluta, mas geral, a inclinação normalmente utilizada corresponde ao ângulo equivalente à Latitude do local da instalação, orientado para o Norte, no hemisfério Sul, de forma que a superfície receptora esteja perpendicular aos raios incidentes, na média anual. Outra maneira de maximizar a irradiação solar sobre a superfície fotovoltaica consiste em utilizar mecanismos ou estruturas de seguimento, de um ou dois eixos, representados na Figura 11. Essas estruturas são comumente usadas em centrais fotovoltaicas instaladas sobre o solo.
Figura 11: Sistemas de seguimento solar de um eixo (a, b), e dois eixos (c)
Fonte: (TOLMASQUIM, 2016)
De acordo com Faricelli (2008), em relação ao sistema fixo, o ganho pode ser de 20% a 50% com a utilização do sistema por seguimento. O gráfico da Figura 12 ilustra claramente essa diferença.
Figura 12: Irradiância solar em um dia típico de verão
Fonte: (BAZYARI et al., 2011)
O fato de o Brasil estar próximo às linhas delimitadas pelos Trópicos de Capricórnio e de Câncer, favorece a incidência mais vertical dos raios solares, conferindo ao país condições
vantajosas para o aproveitamento da energia solar. A Figura 13 mostra os dados da irradiação global sobre o território brasileiro, em um plano inclinado de inclinação igual ao da latitude local.
Figura 13: Mapa da irradiação solar global no plano inclinado
Fonte: (EPE, 2016)
Para a geração de eletricidade, a energia solar é então aproveitada através do efeito fotovoltaico. O efeito fotovoltaico, que consiste na conversão de luz em eletricidade, observado originalmente por Alexandre Edmond Becquerel em 1839, consiste no aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de um material semicondutor, produzida pela
absorção da luz. Semicondutores são conhecidos pela presença de bandas de energia onde é permitida a presença de elétrons (bandas de valência e bandas de condução) e de outra totalmente vazia (banda proibida ou gap). No zero absoluto, a banda de valência do semicondutor é totalmente preenchida, enquanto a banda de condução está totalmente vazia. Já à temperatura ambiente, há energia suficiente para que alguns elétrons atravessem o gap e passem para a banda de condução. Entretanto, essa quantidade de elétrons é pequena, sendo necessário realizar o processo conhecido como dopagem do semicondutor para que ele possa ser usado, com eficiência, na produção de energia elétrica.
Por ser bastante abundante na crosta terrestre, o semicondutor mais usado é o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons que se ligam aos vizinhos, formando uma rede cristalina. Ao se adicionar átomos de fósforo que possui 5 elétrons, não haverá o emparelhamento e restará um elétron, que ficará fracamente ligado ao seu átomo de origem. Assim, com pouca energia esse elétron poderá ser liberado, se deslocando para a banda de condução. Nesse caso, o fósforo é um dopante doador de elétrons, e denomina-se dopante n ou de impureza n (TOLMASQUIM, 2016).
O processo de dopagem também pode ser feito de maneira contrária, ou seja, adicionando um elemento, ao silício, que possua somente 3 elétrons. É o caso do boro. Assim, fica “buraco”, pois fica faltando um elétron para satisfazer as ligações. A tendência é que essa rede cristalina receba um elétron da vizinhança para preencher o “buraco” e, diz-se que o boro é um “aceitador” de elétrons ou um dopante p.
Se partindo do silício puro, forem feitos ambos os processos, adicionando fósforo à uma metade e boro à outra, será formado o que se chama de junção pn. Isso faz com que os elétrons em excesso em uma metade se desloquem para preencher o espaço vazio da outra e, esse processo permanece até que ocorra o equilíbrio elétrico, estabelecido por um campo elétrico que passa a impedir a passagem dos elétrons. Se essa junção for exposta à luz, a mesma estará recebendo fótons com energia maior que a do gap e, na região onde existe o campo elétrico, os elétrons serão acelerados através da junção pn, formando uma corrente elétrica e estabelecendo uma diferença de potencial, a qual é chamada de efeito fotovoltaico (TOLMASQUIM, 2016). A Figura 14 ilustra o efeito fotovoltaico em uma célula.
Figura 14: Efeito fotovoltaico em uma célula
Fonte: Adaptado de (ZILLES et al., 2012)
Para a geração fotovoltaica, o principal elemento é a célula demonstrada, porém as células são agrupadas com outros elementos que vêm a constituir a placa fotovoltaica, como mostra a figura 15.
Figura 15: Camadas de uma placa fotovoltaica típica
Fonte: Adaptado de http://www.riteksolar.com.tw/eng/p2-solar_modules.asp. Cada uma das camadas é descrita a seguir:
Moldura: parte externa estruturante do módulo, geralmente de alumínio. É através dela que é feita a fixação do módulo.
Selante: composto adesivo usado para unir as camadas internas do módulo com a moldura. Deve impedir a entrada de gases e umidade, além de proteger o interior de vibrações e choques mecânicos.
Vidro: camada rígida externa que protege as células e condutores do ambiente, ao mesmo tempo em que permite a entrada de luz para ser convertida em eletricidade. É um vidro especial, com baixo teor de ferro, com uma camada anti-reflexiva, e com superfície texturizada, que evitam a reflexão da luz que atinge o vidro.
Encapsulante: filme que envolve as células, protegendo-as da umidade e dos materiais externos, além de otimizar a condução elétrica. O encapsulante mais utilizado é o EVA (Etil Vinil Acetato).
Células Fotovoltaicas: componente eletrônico responsável pela conversão direta da energia eletromagnética em energia elétrica.
Backsheet: parte inferior do módulo que previne a entrada de umidade e protege as células de elementos externos. Além disso, oferece isolamento elétrico adicional. O Tedlar® é o material base mais utilizado para confecção do backsheet.
Figura 16: Principais componentes de cada tipologia de sistema fotovoltaico
Os módulos são, então, associados em série ou em paralelo de forma a se obter a tensão desejada. A corrente de saída é em corrente contínua (CC), por isso existe a necessidade do uso de inversores para termos corrente alternada (CA) de uso normal, principalmente para sistemas conectados à rede convencional (on-grid). Se o sistema de geração não for conectado à rede (off-grid), a energia gerada é armazenada em baterias. A Figura 16 ilustra ambos os sistemas.
1.4.2.1 Inversores
Os inversores são equipamentos responsáveis por converter corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA). São equipamentos que possuem alto rendimento, até 98% (PINHO; GALDINO, 2014)). Podem ser classificados, basicamente em 3 tipos:
Inversores centrais: são inversores de grande porte, com potência da ordem de centenas de kW até MW, utilizados majoritariamente em usinas fotovoltaicas. Nele são conectados vários arranjos de módulos fotovoltaicos.
Inversores String: são os mais utilizados em instalações residenciais e comerciais, congregando um grupo de módulos em cada inversor de pequeno porte, podendo ser monofásicos ou trifásicos.
Os Microinversores; são inversores individuais, projetados para serem acoplados a cada módulo fotovoltaico de uma instalação. Ao trabalhar com esses dispositivos, a produção de cada módulo é maximizada. Adicionalmente, os efeitos de sombreamento ou defeitos nos módulos são isolados utilizando os microinversores, sem prejudicar a produção de todo o arranjo, como ocorreria se fosse utilizado um inversor convencional. Como os microinversores não são submetidos a potências e temperaturas de operação tão elevadas como em inversores centrais, costumam também ter garantias mais longas (20-25 anos). Ultimamente, o uso de microinversores simplifica o design da planta e reduz o uso de cabos. Como desvantagem, destaca-se o maior investimento inicial (em US$/W), as maiores despesas com O&M, e a menor eficiência desses equipamentos, em relação a inversores maiores. Uma alternativa disponível no mercado são módulos com microinversores integrados. Dessa maneira, os terminais dos módulos já fornecem tensão em C.A.
Para o estudo de caso deste trabalho, será usado nas simulações do HOMER, o inversor descrito no anexo G, de 1,5 kW de potência, da marca CanadianSolar, fornecido no Brasil pela empresa Portal Solar.
2
CURVAS DE CARGA
No sistema elétrico, uma curva de carga representa claramente a forma como a energia é utilizada pelos consumidores, sejam eles residenciais, comerciais ou mesmo da indústria. Conhecer a curva de carga do sistema, ou de um grupo específico de consumidores pode dar todas as condições necessárias para uma concessionária ou distribuidora de energia, modelar uma previsão de consumo, de maneira muito próxima do real, para um atendimento eficiente dos consumidores, reduzindo, inclusive, custos na distribuição. A carga de um sistema de distribuição pode sofrer a influência de muitos fatores, passando por condições meteorológicas, de sazonalidade, climática ou econômica, ou ainda tarifária. O que importa saber é que a carga/curva de carga pode variar com o tempo.
Fazer um estudo sistemático das curvas de cargas de seu sistema de distribuição, pode dar à concessionária de energia um ganho importante, principalmente no setor financeiro, pois a partir dela, pode se fazer estimativas muito aproximadas de consumo, de acordo com a época do ano ou da sazonalidade, o que reflete em todo o planejamento da empresa distribuidora.
As condições meteorológicas, por exemplo, tais como umidade do ar, luminosidade e temperatura, influenciam diretamente na curva de carga, pois o uso de condicionadores de ar e/ou aquecedores resulta num consequente aumento do consumo. Isso quer dizer que de posse de dados meteorológicos, por exemplo, pode ser feito uma ótima estimativa do consumo de qualquer uma das classes de consumidores. Embora a condição de crescimento econômico de uma região ou do país seja bastante relevante para estimativa do consumo de energia, devido ao crescimento de sua indústria, e consequentemente na mudança do comportamento de sua curva de carga, estima-se que as condições climáticas são as maiores responsáveis pelas mudanças na carga do sistema e, logicamente, refletindo na curva de carga do consumidor. Devido ao fato de as condições climáticas influenciarem grandemente no comportamento de carga, muitos sistemas que fazem a previsão de carga acabam incluindo variáveis climáticas em sua descrição, o que acaba por aumentar sua complexidade, e dificultando sua modelagem (MACIEL, 2012)
O Horário de Verão (HV), por exemplo, instituído no Brasil pelo Decreto Lei nº 4.295, de 13 de Maio de 1942, e regulamentado pelo Decreto da Presidência da República nº 6.558, de 08 de Setembro de 2008 tem o objetivo principal de reduzir a demanda máxima do Sistema Interligado
Nacional (SIN) no período de ponta. Esse fato é possível porque a parcela da carga referente à iluminação é acionada mais tarde do que normalmente seria. O efeito provocado é o de não haver coincidência da carga referente à entrada da iluminação com o consumo existente ao longo do dia do comércio e da indústria.
A Figura 17 ilustra a curva de carga que representa a demanda de energia no subsistema Sul para as primeiras 48 horas do horário de verão 2016/2017.
Figura 17: Redução da Demanda na Hora de Ponta do Subsistema Sul
Fonte: Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS)
A curva de carga nos mostra claramente a redução de 4,8% de variação na demanda da hora de ponta, o que torna indiscutível a utilidade desse recurso para análise de um sistema e sua previsão de consumo. Percebe-se, nesse caso, que do ponto de vista da segurança operacional do sistema, o HV representa ganhos em termos energéticos, econômicos, confiabilidade da operação elétrica e, ainda, ganhos em investimento evitado. Para o consumidor final, o benefício, além dos ganhos de lazer, turismo e segurança, pode ser traduzido no não aumento de tarifa, que seria gerado pelo alto consumo do horário de ponta.
Pode-se analisar cada classe de consumidores separadamente, no entanto, far-se-á uma breve análise da curva de carga de consumidores residenciais no Brasil, baseados em Nota Técnica Nº 362/2010-SRE-SRD/ANEEL publicada em 06 de Dezembro de 2010. Os consumidores residenciais representam a parcela mais significativa do mercado de baixa tensão. A Tabela 1 apresenta a participação dos equipamentos no consumo de energia elétrica no Brasil, nas diferentes regiões. Os dados foram obtidos de posse de equipamentos e hábitos de uso, tomado o ano de 2005 como ano base, e realizada pela PROCEL/Eletrobrás.
Tabela 2: Pesquisa de Posse de Equipamentos e Hábitos de Uso – Residencial – 2005 Equipamento Brasil Norte Nordeste Centro Oeste Sudeste Sul
Geladeira/freezer 27% 2% 6% 2% 13% 5% Chuveiro 24% 0% 2% 2% 13% 5% Condicionamento Ambiental 20% 2% 5% 1% 5% 6% Iluminação 14% 1% 2% 1% 9% 2% TV 9% 1% 2% 1% 5% 1% Som 3% 0% 1% 0% 1% 1% Ferro 3% 0% 1% 0% 1% 0% Lava roupas 0% 0% 0% 0% 0% 0% Total 100% 6% 19% 7% 48% 20%
Fonte: Nota técnica nº 362/2010-SRE-SRD-ANEEL
Uma das principais observações que pode-se fazer é do uso de determinado equipamento de acordo com a região no qual o mesmo está inserido. O chuveiro, por exemplo, tem grande significância de uso na região Sudeste e Sul. A Figura 18 ilustra a curva de carga dos equipamentos remanescentes no consumo residencial, com horários de consumo gerenciáveis. No entanto, a curva deixa claro que o chuveiro elétrico é o responsável pela formação da ponta do sistema de distribuição.
Figura 18: Curva de carga de consumidor residencial típico – Brasil
Fonte: Nota técnica nº 362/2010-SRE-SRD-ANEEL A Figura 19 mostra a curva de carga da região Sul, em particular:
Figura 19: Curva de carga de consumidor residencial típico – Região Sul
Observa-se que a maior parte do consumo de baixa tensão é representada pelos refrigeradores e geladeiras, sendo de 27% no Brasil, seguido de 24% para o chuveiro e 20% do ar condicionado. Geladeiras e refrigeradores possuem uma curva de consumo bastante plana demonstrando que, mesmo que os preços de tarifa se alterem, não tendem a mudar o hábito de consumo.
Outros equipamentos, entretanto, tendem a ter uma participação diversa na chamada “ponta” do sistema. O chuveiro, por exemplo, contribui com 43% da formação dessa ponta. A Tabela 3 representa a formação do horário de ponta no Brasil.
Tabela 3: Percentual de composição da aponta instantânea no Brasil.
Fonte: Nota técnica nº 362/2010-SRE-SRD-ANEEL
Apesar das políticas de eficiência energética do país, os dados ilustrados deixam clara a necessidade da adoção de práticas de consumo com o objetivo de incentivar o uso mais eficiente da energia produzida e transportada no país.
Com isso, analisar a tipologia de cada curva de carga é de fundamental importância no planejamento estratégico para a produção e distribuição de energia elétrica em todas as diferentes localidades, pois cada uma pode ter sua característica específica de acordo com a posição geográfica na qual está inserida. Essa análise tipológica, acaba por incentivar o uso de programas e/ou algoritmos específicos na modelagem de cada perfil de consumidor, mais especificamente, residencial, comercial ou da indústria. Essa análise pode fornecer uma modelagem mais específica, de modo a fornecer um diagnóstico mais próximo da realidade de cada unidade consumidora.
Equipamento Percentual de composição da ponta
Chuveiro 43% Iluminação 17% Geladeira/Freezer 14% Televisor 13% Ar condicionado 7% Som 2% Ferro 2% Micro-ondas 1% Lava roupa 5%
Nesse caso, isso é possível através do monitoramento específico daquela unidade através de medidores inteligentes (do inglês smart meter), onde é registrado o consumo em pequenos intervalos de tempo (5 minutos) e, com isso, fornecer dados tanto ao administrador da rede quanto ao gestor da unidade consumidora, a fim de monitorar os horários em que o consumo seja maior. Com esse recurso, o próprio gestor da unidade de consumo pode intervir, implantando medidas de eficiência energética que possam controlar o limite de demanda contratada, evitando eventuais prejuízos.
Para modelar uma curva de carga é necessário o registro do consumo, em kWh, sua demanda máxima, em kW, e seu fator de carga, em %, da unidade consumidora que se deseja monitorar. Se essa medição não for viável, pode se fazer uma estimativa da mesma através dos hábitos de consumo local.
Conhecer a curva de carga de um consumidor, ou de cada classe de consumidores, permite uma maior eficiência na distribuição de energia, um melhor enquadramento de cada unidade consumidora e melhora no gerenciamento da demanda, minimizando possíveis margens de erro e, consequentemente, reduzindo custos tarifários.
Por fim, analisar a tipologia de carga de cada consumidor, seja ele residencial, comercial ou da indústria, nos dá uma descrição completa e detalhada, se a fizermos pela sua curva de consumo ou curva de carga. A partir dessa análise pode ser definida a melhor política de fornecimento, com eficiência para esse consumidor.
Em termos de Geração Distribuída, a curva de carga ajuda a definir a melhor solução para geração de energia para aquela região ou localidade, e com o uso de estudo específico, aumentar o rendimento, diminuir os custos e aumentar a satisfação do consumidor com fornecimento eficiente de energia com qualidade, já que a GD proporciona esses fatores devido aos ganhos que apresenta em relação à tradicional GC.
2.1 TIPICIDADE DE CURVA DE CARGA POR CONSUMIDOR
O que diferencia cada tipo de consumidor, basicamente, são os horários de maior consumo (demanda) de energia, seu tipo de conexão com a rede, finalidade e sua tensão de alimentação.
Dessa forma é necessário que a análise de cada tipologia seja feita separadamente pelo segmento que cada unidade consumidora se encaixa. Assim, segundo classificação da ANEEL, através da Resolução Normativa Nº 414 de 9 de Setembro de 2010, e redação dada pela REN 418/2010, os grupos consumidores são classificados em:
GRUPO A: grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão igual ou superior a 2,3 kV, ou atendidas a partir de sistema subterrâneo de distribuição em tensão secundária, caracterizado pela tarifa binômia1 e subdividido nos seguintes subgrupos:
a) subgrupo A1 – tensão de fornecimento igual ou superior a 230 kV; b) subgrupo A2 – tensão de fornecimento de 88 kV a 138 kV; c) subgrupo A3 – tensão de fornecimento de 69 kV;
d) subgrupo A3a – tensão de fornecimento de 30 kV a 44 kV; e) subgrupo A4 – tensão de fornecimento de 2,3 kV a 25 kV;
f) subgrupo AS – tensão de fornecimento inferior a 2,3 kV, a partir de sistema subterrâneo de distribuição.
Grupo B: grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento em tensão inferior a 2,3 kV, caracterizado pela tarifa monômia e subdividido nos seguintes subgrupos:
a) subgrupo B1 – residencial; b) subgrupo B2 – rural;
c) subgrupo B3 – demais classes; e d) subgrupo B4 – Iluminação Pública.
Com o intuito de retificar a REN 414/210, a REN nº 800 de 19 de Dezembro de 2017, definiu as classes de consumidores (e subclasses) como:
Residencial: Enquadram-se as unidades consumidoras com o fim residencial, com exceção prevista pela RN 800/2017, inciso III do artigo 53-J. Consumidor pertencente
1 Tarifa binômia é a tarifa com preços aplicáveis ao consumo de energia elétrica ativa (kWh) e à demanda
ao grupo B, que é classificado como grupamento composto de unidades consumidoras com fornecimento de tensão inferior a 2,3 kV e caracterizado pela tarifa monômia.2
Industrial: Enquadram-se as unidades consumidoras que sejam desenvolvidas atividades industriais, conforme definido pela Classificação Nacional de Atividades Econômicas – CNAE. Aplicam-se as tarifas homologadas pela ANEEL para o grupo A e, para o subgrupo B3.
Comercial, Serviços e outras atividades: Enquadram-se as unidades consumidoras onde sejam desenvolvidas atividades de prestação de serviços e demais atividades não previstas nas outras classes. Aplicam-se as tarifas homologadas pela ANEEL para o grupo A e, para o subgrupo B3.
Rural: Enquadram-se as atividades referentes a atividades com fundamento na Lei 10.438/2002, Decreto nº 62.724/1968 e Decreto nº 7.891/2013. Aplicam-se as tarifas do grupo A e subgrupo B1.
Poder público: Enquadram-se as unidades consumidoras de responsabilidade de consumidor que seja pessoa jurídica de direito público, independentemente da atividade desenvolvida. Aplicam-se as tarifas do grupo A e B. Dentre elas, temos:
- Iluminação pública: Enquadram-se as unidades consumidoras destinadas exclusivamente à prestação do serviço de iluminação pública, de responsabilidade do poder público municipal ou distrital. Aplicam-se as tarifas do subgrupo B4.
- Serviço público: Enquadram-se as unidades consumidoras que se destinem, exclusivamente, ao fornecimento para motores, máquinas e cargas essenciais à operação de serviços públicos de água, esgoto, saneamento e tração elétrica urbana ou ferroviária. Aplicam-se as tarifas para o grupo A e subgrupo B3.
- Consumo próprio: Enquadram-se as unidades consumidoras de titularidade das distribuidoras, devendo ser aplicadas as tarifas do grupo A e subgrupo B3.
O objetivo do presente trabalho, é fazer a análise das curvas de carga de dois consumidores residenciais típicos, de dois consumidores comerciais com fornecimento em baixa tensão (BT) e de um consumidor comercial com fornecimento em média tensão (MT). Para isso, estão
2 Tarifa monômia é a tarifa com preços aplicáveis somente a consumo de energia elétrica ativa (kWh), e
representadas a seguir as curvas típicas desses tipos de consumidores e, ainda uma breve análise da curva de carga de cada um.
A Tabela 4 mostra a classificação de cada grupo, por faixa de consumo, segundo classificação do módulo 2 do PRODIST da ANEEL.
Tabela 4: estrato de consumidores de baixa tensão
CONSUMIDOR FAIXA Residencial 1- 0 a 100 kWh 2- 101 a 220 kWh 3- 201 a 500 kWh 4- 501 a 1000 kWh 5- Maior que 1000 kWh Comercial 1- 0 a 500 kWh 2- 501 a 2000 kWh 3- 2001 a 5000 kWh 4- Maior que 5000 kWh Indústria 1- 0 a 1000 kWh 2- 1001 a 3000 kWh 3- 3001 a 7000 kWh 4- 5001 a 10000 kWh 5- Maior que 10000 kWh Rural 1- 0 a 300 kWh 2- 301 a 1000 kWh 3- 1001 a 5000 kWh 4- Maior que 5000 kWh Fonte: Módulo 2 do PRODIST da ANEEL.
2.1.1 Consumidor Residencial
A principal característica de um consumidor residencial é a de manter uma carga com crescimento constante, sensível às condições meteorológicas, as mudanças econômicas e tarifárias. O comportamento de consumo, no entanto, é bastante característico por apresentar baixo consumo
durante o dia e alto consumo nos períodos noturnos. A Figura 20 representa esse tipo de consumidor.
Figura 20: Curva de carga típica de consumidor residencial
Fonte: Francisquini, 2006; Tese de Mestrado 2.1.2 Consumidor Comercial
A curva de carga de um consumidor pode depender de vários fatores. Dentre eles está o tipo de comércio, a sazonalidade como em datas comemorativas, às condições meteorológicas e a mudanças econômicas. A Figura 21 representa um típico consumidor comercial.
Figura 21: Curva de carga típica de um consumidor comercial
2.1.3 Consumidor Industrial
A curva de carga de uma indústria é bem específica e voltada à atividade fim da mesma. Definida pelo número de turnos de operação útil, indicando pouca variabilidade sazonal, e mesmo horária para consumidores de grande porte. Na Figura 22 estão representados vários tipos de cargas industriais, classificadas por ramo de atividade e por localização.
Figura 22: Curva de carga de consumidor Industrial
Fonte: Francisquini, 2006; Tese de Mestrado
Figura 23: Curva de Demandas Genérica
Independentemente do tipo de consumidor, todas as curvas de carga têm um patamar, ao qual denominamos de demanda máxima. A área sob a curva, está representando a energia consumida. A Figura 23 é a representação característica de uma curva genérica.
3 O SOFTWARE HOMER
Para a realização deste trabalho, e estudo de caso, foi utilizada a versão beta 2.68 do software HOMER. O software é um Modelo para Otimização de Micro Centrais de Energia, e pode ser encontrado em www.homerenergy.com.
3.1 O QUE É O HOMER?
O HOMER é um modelo de otimização de micro centrais de energia. Este modelo simplifica a tarefa de avaliação de projetos de sistemas de energia (conectados e não conectados à rede) para uma variedade de aplicações. Quando se projeta um sistema de energia, deve-se tomar muitas decisões sobre a configuração do sistema: Quais os componentes que devem ser incluídos no projeto do sistema? Quantos e qual o tamanho de cada componente que deve ser adotado? O grande número de opções de tecnologia, e a variação nos custos das tecnologias e na disponibilidade de recursos energéticos, tornam estas decisões difíceis. Os algoritmos de análise de otimização e de sensibilidade do HOMER tornam mais fácil a avaliação das muitas e possíveis configurações de sistema.
3.2 COMO O HOMER É UTILIZADO?
Para usar o HOMER, alimenta-se o modelo com dados de entrada, os quais descrevem as opções de tecnologia, os custos de componentes e a disponibilidade de recursos. O HOMER usa estas entradas para simular diferentes configurações de sistema, ou combinações de componentes, e gera resultados que você pode visualizar através de uma lista de possíveis configurações, as quais são ordenadas pelo custo presente líquido. O HOMER também exibe os resultados de simulação em uma grande variedade de tabelas e gráficos que o ajudam a comparar
configurações e avaliá-las quanto aos seus aspectos econômicos e técnicos. Pode-se também exportar as tabelas e gráficos para uso em relatórios e apresentações.
Quando se quer explorar o efeito que mudanças em fatores como disponibilidade de recursos e condições econômicas poderiam ter sobre o custo-benefício de diferentes configurações de sistema, você pode usar o modelo para realizar análises de sensibilidade. Para realizar uma análise de sensibilidade, basta fornecer ao HOMER valores de sensibilidade que descrevem uma série de disponibilidade de recursos e de custos de componentes. O HOMER simula cada
