Ana Geddara de Cerqueira Mateus (UFRN) - [email protected] Gabriel Ivan Medina Tapia (UFRN) - [email protected]
Resumo:
Este trabalho refere-se à análise de utilização de um sistema híbrido
eólico/solar de geração de energia distribuída conectados à rede (on grid). O trabalho propõe a utilização de fontes renováveis de energia em uma pequena comunidade de assentamento rural no município potiguar de Touros, com módulos fotovoltaicos e turbina eólica. Tal sistema deverá gerar a maior parte da energia consumida pela população local, tendo a rede pública de energia elétrica apenas como complemento nos momentos em que nenhuma das outras fontes gere energia suficiente. A partir de dados de consumo de energia das famílias no período de um ano e dados climatológicos, o software HOMER Pro analisa e simula diversos cenários admissíveis, retornando o melhor resultado
econômico possível. O arranjo que se mostrou mais eficiente do ponto de vista econômico foi o híbrido, dispondo de módulos fotovoltaicos com capacidade de geração total de 50 kW, uma turbina eólica de 10 kW e 24 metros de altura mínima, além de inversor com capacidade de 40,6 kW e eficiência de 95%, gerando energia suficiente para suprir as necessidades atuais de consumo. Uma vez que a quantidade de energia produzida é maior do que a consumida atualmente pela comunidade em suas residências, torna-se possível suprir um provável aumento de demanda futura.
Palavras-chave: Sistema híbrido, solar-eólico, geração de energia Área temática: Mercado, economia, política e aspectos sociais
Subárea temática: Impactos sociais, econômicos e ambientais de energias renováveis
ANÁLISE DE SISTEMA HÍBRIDO SOLAR-EÓLICO DE GERAÇÃO DE
ENERGIA ON GRID EM ASSENTAMENTO RURAL
Ana Gedara de Cerqueira Mateus – [email protected] Gabriel Ivan Medina Tapia – [email protected]
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Mecânica
Resumo. Este trabalho refere-se a análise de utilização de um sistema híbrido eólico/solar de geração de energia
distribuída conectados à rede (on grid). O trabalho propõe a utilização de fontes renováveis de energia em uma pequena comunidade de assentamento rural no município potiguar de Touros, com módulos fotovoltaicos e turbina eólica. Tal sistema deverá gerar a maior parte da energia consumida pela população local, tendo a rede pública de energia elétrica apenas como complemento nos momentos em que nenhuma das outras fontes gere energia suficiente. A partir de dados de consumo de energia das famílias no período de um ano e dados climatológicos, o software HOMER Pro analisa e simula diversos cenários admissíveis, retornando o melhor resultado econômico possível. O arranjo que se mostrou mais eficiente do ponto de vista econômico foi o híbrido, dispondo de módulos fotovoltaicos com capacidade de geração total de 50 kW, uma turbina eólica de 10 kW e 24 metros de altura mínima, além de inversor com capacidade de 40,6 kW e eficiência de 95%, gerando energia suficiente para suprir as necessidades atuais de consumo. Uma vez que a quantidade de energia produzida é maior do que a consumida atualmente pela comunidade em suas residências, torna-se possível suprir um provável aumento de demanda futura.
Palavras-chave: Sistema Híbrido, Solar-Eólico, Geração de Energia.
1. INTRODUÇÃO
A substituição na matriz energética mundial de fontes tradicionais de energia para fontes limpas e seguras contribui para a redução na emissão de gases nocivos na atmosfera. Como consequência se tem a diminuição do ritmo de elevação da temperatura do planeta causado pelo efeito estufa, grande responsável pelas mudanças climáticas que acontecem em todo o globo.
“Em 1980 o mundo todo consumia cerca de 7.000 TWh (terawatts-hora) (...) de eletricidade. Segundo previsões da Agência Internacional de Energia (IEA), esse número vai subir para quase 20.000 TWh em 2030. (...) Para produzir 30.000 TWh ao ano são necessárias 230 usinas hidrelétricas iguais à de Itaipu. ” (Villalva, 2015)
Para Lopez (2012), a demanda mundial por eletricidade cresce rapidamente, mesmo considerando os impactos negativos que acompanham algumas formas de geração convencional. Este fato levou à necessidade de eletricidade por fonte alternativa, com os recursos renováveis sendo agora considerados para suprir a demanda, sem agregar danos ao ambiente.
Na Fig. 1 é possível observar como é urgente a necessidade de se implementar o desenvolvimento sustentável. Sem ele a tendência é sempre de aumento das emissões de gases nocivos, prejudicando amplamente a vida na Terra. A questão energética é crucial nesse debate, e a inclusão de fontes limpas de energia na matriz energética mundial é mandatória e urgente.
Figura 1 – Emissão de CO2 no mundo no cenário atual / cenário de desenvolvimento sustentável (IEA, 2018). Fontes renováveis de energia são definidas, segundo Villalva (2015), como aquelas consideradas inesgotáveis para os padrões humanos de utilização, podendo ser utilizadas continuamente e nunca acabarem, pois sempre se
participação superior a 30% na demanda global de energia até 2050.
Devido a abundante riqueza de rios dentro de todo o território, a matriz energética brasileira é considerada uma das mais limpas existentes, tendo como principal fonte de produção as hidrelétricas. Apesar de não emitir gases poluidores na atmosfera, a necessidade de se represar rios, inundando vastas áreas de vegetação, povoados, geram danos ao meio ambiente, além de danos sociais as populações locais. Em razão disso, o investimento em novas fontes ambientalmente e socialmente mais responsáveis se justifica em território brasileiro.
O Brasil apresenta um ótimo índice de irradiação solar, principalmente no Nordeste, com valores típicos entre 1752 kWh/m² a 2190 kWh/m² por ano. Para comparação, a França recebe entre 1000 kWh/m² e 1500 kWh/m² e o deserto do Saara aproximadamente 2600 kWh/m² por ano. (LOPEZ, 2012)
Segundo a Fig. 2, a região Nordeste aparece como a de maior potencial de aproveitamento da energia solar, tendo a maioria de território na área de maior insolação do país. Todavia, as outras regiões do país também possuem um bom índice de insolação, principalmente quando comparado com países europeus, por exemplo, que já utilizam largamente a tecnologia fotovoltaica.
Figura 2 – Média anual de insolação diária no Brasil em horas (Atlas Solarimétrico do Brasil, 2000).
“Energia dos ventos é atualmente uma das formas de eletricidade mais baratas em vários mercados. Capacidades instaladas de produção eólica superaram as novas instalações de combustíveis fósseis em diversos mercados maduros e emergentes pela primeira vez. Esses são fundamentos importantes para uma nova forma convencional de fonte de energia. ” (Global Wind Energy Council, 2019)
A Fig. 3 apresenta o potencial eólico brasileiro. Atualmente o Brasil possui 13,4 GW de capacidade instalada em 534 parques eólicos com aproximadamente 6 600 aerogeradores em operação em 12 Estados da federação (ABEEólica, 2018).
Também segundo a ABEEólica (2018), números assim representam 8% de toda geração injetada no Sistema Interligado Nacional, abastecendo cerca de 67 milhões de habitantes. De 2010 a 2017 US$ 32 bilhões de dólares foram investidos no setor, gerando empregos e ajudando o meio ambiente. Apenas em 2017 21 milhões de toneladas de CO2 foram evitadas na atmosfera.
Figura 3 – Potencial eólico brasileiro (Atlas do potencial eólico brasileiro, 2001).
A fim de aproveitar todo o potencial elétrico existente no país provenientes das fontes solar e eólica, a junção dessas duas tecnologias em um sistema híbrido de geração se torna uma alternativa viável. Problemas como a falta de luz solar durante o período da noite, por exemplo, não existe nesse tipo de arranjo. Quando uma fonte falha na geração de eletricidade, a outra rapidamente pode compensar sua produção.
Em locais mais remotos e afastados, onde a conexão com a rede de energia não é possível de ser feita, sistemas híbridos de geração, munidos de baterias para o armazenamento da eletricidade gerada, produzem perfeitamente a eletricidade necessária, fornecida ao consumidor de maneira contínua e segura.
Quando o consumidor, seja ele residencial, comercial, ou um aglomerado de moradias (vilas, povoados) possuem uma conexão regular com a fornecedora de energia, ainda assim uma geração elétrica autônoma e limpa via sistema solar-eólico é vantajosa.
Segundo matéria do portal de notícias G1 sobre a Pesquisa de Orçamentos Familiares (POF), realizado pelo IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística) em 2018, o maior gasto das famílias brasileiras se dá com habitação (36,6%), sendo o valor pago pela energia elétrica fator incluso nesse quesito. Na edição anterior da pesquisa, realizada entre 2008 e 2009, o percentual era de 35,9%, mostrando um aumento de gastos das famílias brasileiras com moradia.
A utilização de fontes alternativas de energia se tornam opções cada vez mais viáveis a medida que as tarifas energéticas fornecidas pelas concessionárias aumentam e as tecnologias eólica e fotovoltaicas se desenvolvem.
No Brasil, a partir da Norma Regulatória 482/2012 da ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), o consumidor de energia pode produzir sua própria eletricidade. Caso essa geração não seja suficiente para suprir toda sua demanda, ele ainda consome corrente da concessionária local, porém, se sua produção for maior do que a sua necessidade de consumo, essa “sobra” é vendida para a rede, retornando em forma de créditos para as futuras contas de luz do titular.
2. METODOLOGIA
2.1 Seleção do local de estudo
Para a escolha da localidade ideal de elaboração do projeto foi levado em consideração os dados de incidência de vento e irradiação solar, mas principalmente da potencialidade social que o projeto pode representar, diminuindo os custos mensais de famílias carentes e que trabalham por conta própria. A agrovila Santo Antônio (Fig. 4), uma das três comunidades integrante do Assentamento Zabelê, localizado no município de Touros-RN e criada durante o Governo Itamar Franco (1992-1995) foi escolhida. A vila contém 117 lotes de moradia, além de três áreas comunitárias com igrejas, escola e pequenos comércios.
Figura 4 – Mapa do assentamento rural Zabelê (Cerqueira,2019).
2.2 Levantamento de dados
Segundo Cerqueira (2019), em relação ao mobiliário e eletrodoméstico, na maioria dos casos, constam os mesmos existentes nas moradias da cidade: televisão; antena parabólica; fogão a gás; máquina de lavar roupa; aparelhos de telefone celular; dentre outros.
Com base nas informações citadas acima pela autora, e levando em consideração também costumes culturais amplamente disseminados no interior da Região Nordeste no Brasil, foi elaborada uma tabela de demanda elétrica residencial projetada para uma família de quatro pessoas residente na agrovila Santo Antônio do Assentamento Zabelê. Na Tab. 1 também é mostrada a carga total diária para todas as 117 casas da comunidade.
Tabela 1 – Listagem de equipamentos de consumo elétrico residencial
A partir da Tab. 1 é possível elaborar um gráfico representando a curva de carga diária das residências da agrovila (Fig. 5), que será utilizada neste estudo como curva de carga média das habitações da comunidade Santo Antônio.
Figura 5 – Curva de carga projetada de residência do habitat Santo Antônio.
A curva de carga resultante é satisfatória, obtendo forma semelhante a outras provenientes de estudos já realizados sobre o mesmo assunto.
A fim de mensurar o consumo anual médio de uma família de quatro pessoas residentes da agrovila Santo Antônio foi feita uma pesquisa com os moradores do local, onde foram coletados dados de suas contas de energia num período de um ano (julho/2018 até julho/2019). Como resultado desse levantamento tem-se a Fig. 6, mostrando o consumo mensal médio de uma família de quatro pessoas do Assentamento Zabelê. Tal gráfico demonstra que não há na comunidade períodos de pico, havendo uma distribuição uniforme do consumo anual de energia no local.
Figura 6 – Consumo médio mensal de uma família.
O software utilizado neste trabalho para fazer as simulações, HOMER Pro é capaz de acessar dados climáticos de grande parte do globo terrestre a partir de bibliotecas e bancos de dados fornecidos por diversas entidades ao redor do mundo. Segue na Fig. 7 os dados de irradiação solar e velocidade do vento fornecidos pelo programa e utilizados na análise feita por este trabalho no município de Touros - RN.
de dados meteorológico de superfície e energia solar da NASA, acessado no dia 29/08/2019, a média anual de irradiação solar no município potiguar de Touros é de 5,58 kWh/m²/dia, enquanto a velocidade média do vento na mesma localidade é de 5,50 m/s. Outro dado importante obtido foi a temperatura média anual do local, de 26,09 ºC.
2.3 – Design do sistema
No software HOMER, primeiramente é selecionado o local onde o sistema será implementado. O município de Touros foi definido. Para completar a construção do sistema a ser analisado deve-se incluir a carga elétrica consumida pela comunidade, as fontes de energia solar e eólica, o inversor necessário no sistema e finalmente a conexão com a rede de fornecimento de energia.
O programa fornece diversos modelos dos aparelhos existentes no mercado, com seus respectivos dados. Além disso, é possível adotar modelos genéricos e escolher diversas potências para se realizar as simulações, assim é possível verificar qual potência total de cada subsistema é ideal para o conjunto ser o mais eficiente possível. Para o sistema fotovoltaico diversas potências foram consideradas, já o aerogerador foi escolhido apenas um de capacidade total de 10kW e altura do rotor de 24 metros, devido ao seu valor elevado.
Também como opção para garantir o melhor resultado possível, o programa dispõe da opção de optimização, onde são realizados cálculos com diversas potências, sendo apresentada sempre a potência com melhor eficiência econômica possível. Para o inversor foi adotado a opção de otimização da escolha de sua capacidade. Na Tab. 2 são mostrados os modelos escolhidos de módulo fotovoltaico, aerogerador e inversor, como também suas principais informações de custo e potências de sistemas estudados.
Tabela 2 – Principais informações de equipamentos adotados na simulação
Na inclusão da conexão à rede foi adotada a opção ‘schedual rates’, ou taxa programada, onde é possível definir as taxas cobradas pela concessionária de energia a partir de uma tabela regular. Na opção ‘rate definition’ foi adotado a definição de preços adotada por Carvalho (2016), onde ele separa as taxas cobradas pela COSERN em quatro categorias: Período úmido na ponta e fora da ponta, período seco na ponta e fora da ponta.
Outro fator levado em consideração pelo software para determinar a viabilidade de cada conjunto é o equilíbrio energético, a partir da comparação entre a demanda elétrica e a quantidade de energia fornecida em cada intervalo de tempo. O cálculo do fluxo energético para cada item integrante do sistema é demonstrado a seguir:
Aerogerador: A potência gerada por uma turbina genérica é dada pela Eq. (1):
(1)
Onde: :coeficiente de performance (%); : eficiência do conjunto gerador-transmissão (%); : densidade do ar
(kg/m³); : área do rotor da turbina (m²); : velocidade do vento (m/s)
Módulo fotovoltaico: A potência gerada por uma placa solar é dada pela Eq.(2):
Onde: : potência nominal (kW); : fator de redução (%) utilizado para simular efeitos como sombra e sujeira; : fator de temperatura (%); : irradiação solar incidente (kW/m²); : irradiação incidente sobre o módulo em condições padrão (kW/m²)
Inversor: A potência necessária pelo sistema de inversores é dada pela Eq. (3):
(3)
Onde: : potência de pico do sistema; : eficiência do equipamento.
2.4 Parâmetros econômicos
O programa utiliza dois parâmetros econômicos principais para realizar a classificação dos sistemas propostos. O principal deles é o NPC (Net Present Cost) ou custo líquido total, que engloba todos os custos referentes ao sistema durante todo o período de vida útil menos a receita total gerada por ele. O software leva em consideração também a depreciação sofrida pelos equipamentos por meio da taxa real de desconto (%), calculada em função da taxa de desconto nominal e taxa de inflação esperada , mostrada na Eq. (4):
(4) O segundo parâmetro é o COE (Cost of Energy) ou custo nivelado de energia. Segundo Rodrigues (2019), é amplamente utilizado para comparar diferentes modelos energéticos a partir da Eq. (5).
(5)
Onde é a energia útil entregue pelo sistema anualmente (kWh/ano) e corresponde ao custo total anual do
sistema, dado pela Eq. (6):
(6)
Onde , correspondente à 25 anos, representa o tempo de vida total do sistema proposto.
Por sua vez, o CRF (fator de recuperação de capital), que representa o valor atual do montante após N anos, é obtido através da Eq. (7).
(7)
3. RESULTADOS
A partir de todos os dados previamente apresentados serem dispostos no programa, centenas de simulações foram realizadas. O software utiliza como parâmetro para escolha do sistema mais eficiente o índice NPC. O custo Líquido Atual é descrito como o valor presente de todos os custos de instalação e operação durante a vida útil do projeto menos o valor das manutenções e melhorias.
Baseado nos resultados obtidos, o sistema proposto que se mostrou com maior rentabilidade econômica foi o sistema híbrido descrito na Tab. 3. Ele apresentou maior eficiência comparado com sistemas apenas solar on grid, apenas eólico on grid ou convencional, somente conectado à rede fornecedora.
convencional, fornecendo 16,4% da eletricidade consumida. Por último o sistema eólico é responsável por 10,5% da geração.
Figura 8 – Produção elétrica mensal (MWh).
Nota-se que a produção de energia eólica tem maior relevância exatamente durante a época da chamada safra dos ventos, período do ano notório de maior produção devido as velocidades maiores. Tal aumento faz com que a energia necessária proveniente da concessionária seja menor. A quantidade de energia produzida pelos módulos fotovoltaicos também acompanha a variação de irradiação solar, gerando mais nos meses de maior irradiação e menos energia nos meses mais amenos.
A Tab. 4 mostra os números absolutos de produção energética solar e eólico, além da parcela que foi comprada da concessionária.
Tabela 4 – Produção total anual por fonte
De toda essa energia produzida, 40,4% ou 44 969,6 kWh/ano é consumido localmente pelos moradores da agrovila Santo Antônio. Os outros 59,6% (66 341,4 kWh/ano) são injetados na rede de distribuição, gerando créditos para consumo futuro local ou para outras localidades.
4. CONCLUSÕES
O sistema híbrido de geração de energia proposto para instalação na agrovila Santo Antônio, comunidade integrante do assentamento Zabelê em Touros-RN se mostrou atrativo do ponto de vista econômico, gerando energia suficiente para suprir as necessidades de todas as habitações.
O sistema gera uma grande quantidade extra de eletricidade que atualmente é injetado novamente no sistema. Tal fato abre a possibilidade para que a comunidade possa adquirir mais equipamentos elétricos e melhore suas condições de moradia e trabalho, já que o sistema será capaz de produzir energia suficiente para suprir um futuro aumento de demanda.
Outra opção também possível seria a expansão de ligações do sistema para suprir a necessidade das áreas comunitárias, sendo espaços utilizados por todos e de grande importância para a vida em comunidade, como escolas e igrejas.
O custo inicial do sistema híbrido de geração é elevado em comparação aos outros arranjos, porém rapidamente esse valor é compensado na economia futura do pagamento das faturas de energia elétrica.
Outro fator relevante é o fator ambiental. Assentados rurais trabalham em sua maioria com agricultura familiar, gerando renda em áreas que não seriam ocupadas ou cultivadas. A preocupação ambiental é matéria relevante em tais comunidades, por se tratarem quase sempre de manejos orgânicos e em convívio pacífico com a natureza. O fato do
consumo elétrico de tais famílias impactar minimamente o ambiente e não gerar poluentes gera valor agregado a seus produtos, além de aumentar a consciência ambiental da comunidade.
A geração distribuída de energia elétrica também traz diversos benefícios para o sistema nacional, como o aumento de sua parcela de geração renovável, diminuição das emissões de CO2, redução de perdas e prorrogação de necessidade de investimentos em distribuição e transmissão.
Entretanto, todas as vantagens de se investir na geração distribuída de energia limpa estão ameaçadas. Segundo a ABGD (Associação Brasileira de Geração Distribuída), a revisão da Resolução Normativa 482/2012 pela ANEEL pode incluir a taxação da energia injetada na rede por quem faz geração distribuída em percentuais que vão desde 28% a 45% para remunerar o uso da rede.
Para a ABGD a proposta de taxação dessa energia é injusta, já que o mercado de geração fotovoltaica no país ainda não é desenvolvido. Tal proposta acabaria desincentivando o setor e findando os diversos benefícios que a micro e minigeração produzem para o sistema nacional.
Agradecimentos
O primeiro autor agradece ao Laboratório de sistemas térmicos e energias alternativas – LSTEA pelo apoio e conhecimento compartilhado, bem como a Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) pelo apoio à pesquisa.
REFERÊNCIAS
ABEEólica, 2018.Eólica: energia para um future inovador. [online] Available at: http://abeeolica.org.br/energia-eolica-o-setor/_ [Acesso em 30 de Agosto 2019].
Amarante, O. A. C., Zach, M. B. J, Sá, A. L., 2001. Potencial Eólico Brasileiro. Atlas Solarimétrico do Brasil, 2000. Ed. Universitária da UFPE.
Carvalho, D. D., 2016. Proposta de um Modelo Para Implantação de Sistemas Híbridos de Geração Distribuída Eólico-Fotovoltaicos, Tese de Mestrado, PPGEP, UFRN, Natal.
Cerqueira, M. C. T., 2019. Reconstituindo o Desenho do Habitat de Reforma Agrária: Legado e Possibilidades Para o Estado. Tese de Doutorado, PPGAU, UFRN, Natal.
Global Wind Energy Council, 2018. Global Wind Report 2018, Bruxelas.
G1, 2019. Peso do transporte no orçamento familiar ultrapassa o da alimentação pela primeira vez, aponta IBGE.
[Online] Available at:
http://g1.globo.com/economia/noticia/2019/10/04/peso-do-transporte-no-orcamento-familiar-ultrapassa-o-da-alimentacao-pela-primeira-vez-aponta-ibge.ghtml [Acesso em 08 de Outubro 2019]. IEA, 2018. World Energy Outlook.
Lopez, R. A., 2012. Energia Solar Para Produção de Eletricidade, Artliber.
Rodrigues, M. I., 2019. Análise Técnica e Econômica da Implementação de um Sistema Híbrido Eólico-Solar Autônomo na Região do Rio Grande do Norte.
GRID-CONNECTED SOLAR-WIND HYBRID POWER GENERATION SYSTEM ANALYSIS IN RURAL SETTLEMENT
Abstract. The present report refers to the study of the use of a grid-connected wind/solar hybrid distributed power
generation system. The paper proposes the use of renewable energy sources in a small rural settlement community located in the Potiguar city of Touros, with photovoltaic modules and wind turbine. Such a system should generate most of the energy consumed by the local population, with the public electricity grid only as a complement when none of the other sources generates sufficient energy. From household energy consumption data and weather data, HOMER Pro software analyses and simulates various permissible scenarios, returning the best possible result. The most economically efficient arrangement was the hybrid one, featuring a total of 50 kW generation capacity photovoltaic modules, a 10 kW wind turbine with 24 meters high and a 40,6 kW and 95% efficient inverter, generating more than enough power to meet current consumption conditions. Since de amount of energy used is greater than the current consumption in the community in their homes, It is possible to supply a likely increase in future demand.
