SISTEMA HÍBRIDO EÓLICO-FOTOVOLTAICO-DIESEL PARA ELETRIFICAÇÃO DA COMUNIDADE DE SÃO TOMÉ - MUNICÍPIO DE MARACANÃ - PARÁ
João Tavares Pinho1 Marcos André Barros Galhardo1 Rodrigo Guido Araújo2
1. GEDAE/UFPA – Grupo de Estudos e Desenvolvimento de Alternativas Energéticas/Universidade Federal do Pará
Caixa Postal: 8605 - CEP: 66075-900 - Belém - Pará - Brasil Tel./Fax: (91) 3183-1977 / 3183-1299
2. CENPES/PETROBRAS
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RESUMO
Este trabalho trata de um sistema híbrido piloto eólico-fotovoltaico-diesel para eletrificação de uma comunidade isolada no estado do Pará, descrevendo seus componentes, apresentando uma estimativa da energia gerada pelas fontes renováveis e os custos evitados com o uso de combustível. Ele apresenta ainda o sistema de medição remota usado para monitorar as variáveis elétricas e meteorológicas de interesse, e um novo modelo de gestão e de tarifação implementado usando um sistema pré-pago. O sistema iniciou sua operação no início de setembro de 2003 e está em sua fase inicial de monitoração e testes, estando já prevista a expansão da geração com fontes renováveis para atender a crescente demanda de energia.
Palavras-chave: Sistema Híbrido, Eletrificação Rural, Sistemas Isolados, Energia Solar, Energia Eólica.
1. INTRODUÇÃO
A nova realidade do mercado brasileiro de energia, que se iniciou com o processo de privatização do setor elétrico e a criação das agências reguladoras para esse mercado, trouxe novas perspectivas ao mercado de energia elétrica, envolvendo o setor privado. Para o segmento tradicional do setor elétrico há uma caracterização bem definida do perfil do consumidor representado pelas grandes indústrias e centros urbanos. Existe, contudo, uma considerável parte da população brasileira que não é atendida pela energia elétrica das redes de distribuição das concessionárias. Essas pessoas vivem em regiões remotas, geralmente de acesso difícil, e representam pequenas cargas, o que torna sua conexão à rede convencional economicamente inviável. Este cenário é particularmente verdadeiro na Região Amazônica, onde pequenos e médios núcleos urbanos não são atendidos e não têm perspectiva de o serem por meio de extensão de rede em um futuro próximo. Contudo, vários desses locais dispõem de fontes naturais renováveis de energia, apropriadas para a geração de energia elétrica em pequena escala, tais como a solar, a eólica, a hidráulica, e a biomassa. Um modelo de geração elétrica que parece adequado para essas localidades é aquele de sistemas híbridos, que utilizem geradores a diesel para suprir os déficits ocasionais das fontes renováveis.
De forma a contribuir para a caracterização desse mercado e também 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 a
ARCON1, a REDE/CELPA2 a Prefeitura Municipal de Maracanã e contando com recursos paritários
da FINEP3 e da PETROBRAS4, desenvolveu um projeto de geração de eletricidade, usando as
energias solar e eólica como base de um sistema híbrido com um gerador diesel, para atender a comunidade de São Tomé, no interior do estado do Pará. A escolha dessa comunidade foi baseada no
1 Agência Estadual de Regulação de Serviços Públicos 2 Concessionária local
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Financiadora de Estudos e Projetos
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fato dela poder ser considerada um exemplo de uma situação comum na região, ou seja, uma localidade não atendida, com bons índices de radiação solar e velocidades de vento.
A comunidade tem cerca de 230 habitantes e é basicamente composta por 66 prédios, espacialmente distribuídos de forma irregular, incluindo uma escola, um centro comunitário, duas igrejas (católica e evangélica) e três pequenos comércios, e está localizada nas coordenadas geográficas 0º46’03”S e 47º27’12”O.[1]
O sistema foi projetado com base em dados de radiação solar e velocidades de vento de localidades próximas, com características geográficas similares, de forma a atender as necessidades básicas de eletrificação comuns a esse tipo de localidade, tais como iluminação pública e residencial, sistema comunitário de bombeamento de água, e alguns eletrodomésticos de baixo consumo, como televisores, rádios, refrigeradores, etc.
2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO
O sistema de geração é composto por três fontes primárias distintas: eólica, fotovoltaica e diesel. A geração eólica é feita com uma turbina de 10 kW, instalada em uma torre treliçada estaiada, de 30 metros de altura. A geração é feita em velocidade variável, em corrente alternada trifásica, que passa através de um retificador, armazenamento em banco de baterias e inversor, para ser entregue à rede de distribuição em 127/220 V e 60 Hz. A geração fotovoltaica é composta por um arranjo de 40 módulos de 80 Wp cada, totalizando uma capacidade de 3.2 kWp. Ela usa o mesmo banco de baterias que o subsistema eólico, bem como o mesmo sistema de conversão DC/AC do banco de baterias para a rede de distribuição.
A geração diesel, composta por um gerador trifásico de 20 kVA, em 127/220 V e 60 Hz, é utilizada somente durante os períodos em que as gerações solar e eólica não sejam suficientes para alimentas a carga. A opção pela geração diesel é fundamental para garantir a continuidade do fornecimento aos consumidores.
O banco de baterias é composto por 40 baterias de chumbo-ácido de 12 V/150 Ah cada, perfazendo uma capacidade total de 72 kWh, dos quais apenas 30 % são usados como energia útil, pelo fato da limitação da profundidade de descarga aumentar a vida útil das baterias. Essa energia corresponde a 21,6 kWh, que são suficientes para atender o consumo médio previsto por pelo menos quatro horas.
A distribuição é feita por uma rede de baixa tensão trifásica (127/220 V) de pequena extensão, para atender aos consumidores.
A figura 1 mostra o diagrama esquemático com a configuração básica do sistema, onde são indicados também os parâmetros monitorados e seus pontos de medição.
Figura 1 - Diagrama esquemático do sistema híbrido. O sistema iniciou sua operação no início de setembro de 2003.
3. DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE MONITORAÇÃO REMOTA
As variáveis de interesse para a monitoração remota da operação do sistema híbrido são divididas em duas categorias: meteorológicas e elétricas. Os pontos de medição dessas variáveis no sistema de geração são indicadas na figura 1, e o esquema de monitoração é mostrado na figura 2.
Figura 2 - Diagrama esquemático do sistema de monitoração remota.
As variáveis meteorológicas de interesse são as velocidades do vento a 10 e 30 metros, sua direção, a radiação solar global no plano horizontal e a temperatura. Esses dados são coletados em intervalos de 1 segundo, integrados a cada 10 minutos, e armazenados em uma unidade de aquisição de dados conectada ao sistema central de monitoração por meio de um cabo serial. Os dados podem ser acessados pela unidade central de acordo com a programação estabelecida.
Em relação às variáveis elétricas, todas as tensões e correntes DC e AC são monitoradas, além da freqüência de saída do inversor.
Por meio de uma conexão via telefonia celular, todos os dados são enviados, em intervalos pré-determinados para o laboratório do GEDAE/UFPA, de onde o sistema pode também ser acessado quando desejado.
Um programa computacional foi desenvolvido especialmente para acessar os dados, coleta-los e processa-los de acordo com suas características físicas. O programa permite o ajuste dos intervalos de amostragem e integração, além de oferecer diversas opções para o processamento dos dados.
4. GERAÇÃO E CONSUMO
O consumo da comunidade foi inicialmente estimado com base em levantamento preliminar, no qual foram verificados os eletrodomésticos e lâmpadas que eram disponíveis nas residências (usando baterias), aqueles que eles teriam condições de adquirir, e também com base em experiências prévias com sistemas similares, onde se observou que as cargas instaladas eram raramente superiores a 300 W por residência.[2-4]
Com base nesse levantamento, a carga total instalada foi estimada em cerca de 15 kW, com a carga média em torno de 1/3 desse valor, ou seja, 5 kW. A energia média diária foi estimada em 120 kWh e a média mensal em 3.600 kWh. Não foi possível determinar a sazonalidade do consumo. Após o início de funcionamento do sistema, observou-se que a carga média era de apenas cerca de 1/6 da potencia total instalada estimada, ou 2,5 kW. A energia média diária é então 60 kWh e a média mensal 1.800 kWh. Isso se deve ao baixo poder aquisitivo da população local, mas espera-se um aumento na carga.
Em relação à geração, os valores da energia fornecida pelas fontes renováveis também foram estimados, devido a não se dispor de dados precisos de seus potenciais anteriormente à execução do projeto, uma vez que a estação meteorológica iniciou sua operação somente no final de novembro de 2002. Para fazer essa estimativa, os dados de radiação solar de Belém (menos de 100 km em linha reta da vila) foram utilizados, e os de velocidade de vento foram tirados de extrapolações a partir de dados de localidades próximas com características geográficas semelhantes.[5-6]
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 desta tabela, bem como os de velocidade de vento, juntamente com a curva de potência da turbina escolhida [7], foram usados para determinar as energias geradas por cada subsistema com fontes renováveis (eólico e fotovoltaico). Observou-se através das medições feitas pela estação meteorológica que os valores reais são um pouco menores do que os previstos, resultando em menos energia gerada. Para a radiação solar, os valores medidos estão próximos dos previstos.
A tabela 2 mostra a energia gerada calculada a partir dos dados medidos e utilizando o programa das referências [8] e [9].
Tabela 2 - Geração eólica, fotovoltaica (PV) e total (em kWh e % da carga). Mês Eólica % PV % Total % Jan 818,18 45,5 299,56 16,6 1.117,74 62,1 Fev 327,85 18,2 225,81 12,5 553,66 30,8 Mar 439,95 24,4 295,39 16,4 735,34 40,9 Abr 319,61 17,8 302,72 16,8 622,33 34,6 Mai 326,99 18,2 350,18 19,5 677,17 37,6 Jun 238,52 13,3 358,74 19,9 597,26 33,2 Jul 336,66 18,7 391,60 21,8 728,26 40,5 Ago 488,78 27,2 446,22 24,8 935,00 51,9 Set 744,60 41,4 453,04 25,2 1.197,64 66,5 Out 792,75 44,0 422,60 23,5 1.215,35 67,5 Nov 732,89 40,7 427,24 23,7 1.160,13 64,5 Dez 805,62 44,8 360,42 20,0 1.166,04 64,8 Total 6.372,40 29,5 4.333,52 20,1 10.705,92 49,6
Como pode ser observado desta tabela, durante o período de setembro a janeiro cerca de 65 % do consumo é atendido pelas fontes renováveis, economizando uma quantidade significativa de combustível.
Os meses mais críticos são de fevereiro a junho, quando a geração eólica é baixa, sendo algumas vezes menor que a fotovoltaica, e somente cerca de um terço do consumo é atendido pelas fontes renováveis. Isso se deve às freqüentes chuvas na região, que reduzem não somente a intensidade da radiação solar, mas também as velocidades de vento na localidade. Durante esses meses, a geração diesel é muito importante para garantir a confiabilidade do sistema.
Se não houvesse as fontes renováveis, o consumo de diesel para atender a carga média da comunidade, nos períodos diários de 4 e 24 horas, foi estimado, através da curva de consumo da figura 3, como sendo respectivamente: Diário: 8 L e 48 L; Mensal: 240 L e 1.440 L; Anual: 2.920 L e 17.520 L.
Figura 3 - Curva de consumo do gerador a diesel.
O período de 4 horas entre 18:00 e 22:00 h é normalmente usado na região para tornar a operação e a manutenção do gerador a diesel economicamente viável.
Considerando esses períodos e os dados da tabela 2, pode-se mostrar que 2.920 L e 8.690 L de diesel seriam economizados anualmente, respectivamente para os períodos de operação de 4 e 24 horas, comparando-se a operação do gerador diesel com e sem as fontes renováveis.
Isto representaria, ao custo atual do diesel na região (1 L diesel = US$ 0,50), economias anuais de US$ 1.460,00 e US$ 4.345,00, respectivamente.
Considerando a estimativa mostrada na tabela 3 para os custos de implantação do sistema, pode-se verificar que somente o custo evitado com combustível, em relação à opção de usar somente o gerador a diesel, seria suficiente para cobrir os custos de implantação do sistema híbrido em cerca de 21 anos, considerando o modo de operação de 24 horas.
Tabela 3 - Estimativa de custos do sistema híbrido.
Componente Preço (US$)
Subsistema eólico 35.000,00 Subsistema fotovoltaico 23.000,00 Banco de baterias 3.500,00 Gerador a 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
Com a operação e manutenção adequadas, a maior parte dos componentes pode ter tempo de vida útil superior a esse período, com exceção do banco de baterias, que deve ser substituído a cada 3 ou 4 anos.
Esta é uma análise simplista que deve ser melhor considerada para fins de comparações econômicas. Contudo, ela serve como um instrumento simples para indicar que os sistemas híbridos, eventualmente incluindo outras fontes renováveis localmente disponíveis, podem ser de importância vital no processo de universalização dos serviços de eletricidade que se encontra em fase de implantação no Brasil, especialmente no caso de regiões mais isoladas tais como a Amazônica.
5. MODELO DE GESTÃO
Um dos maiores problemas que têm sido encontrados no Brasil e em outros países em desenvolvimento é a sustentabilidade dos sistemas de eletrificação em área isoladas. Isso se deve a vários fatores, dentre os quais a pobreza, a falta de instrução e de políticas públicas, etc.
Os sistemas de gestão e tarifação até agora implementados não têm, em geral, sido bem sucedidos, contribuindo para a falha da maioria dos sistemas implantados após algum tempo de operação exitosa. Isso reforça o fato de que a tecnologia é suficientemente madura, mas necessita de operação e manutenção corretas para funcionar de forma apropriada durante longos períodos.
Espera-se que o sistema aqui apresentado seja economicamente viável, isto é, que uma política de tarifação de energia seja estabelecida, de forma a coletar os fundos necessários para manter o sistema operando dentro dos padrões recomendados de confiabilidade e segurança.
Por essa razão, o projeto usa, pela primeira vez no Brasil, um sistema pré-pago, que parece ser adequado às características de renda sazonal da população local.
A escolha desse sistema deve-se ao fato de ele ser similar ao já utilizado pelos moradores locais para adquirirem seus energéticos, ou seja, diesel, gasolina, querosene, velas, pilhas, recarga de baterias, etc.
O sistema é composto pelos componentes mostrados na figura 4.[10] A central de processamento, onde os cartões são carregados com os créditos de energia situa-se em um local previamente escolhido e funciona como a concessionária. O posto de vendas está localizado na vila, vendendo cartões novos e recolhendo os já utilizados, para enviá-los para recarga na central de processamento. Os medidores de energia (kWh) e os leitores de cartão são instalados nas residências dos consumidores.
Quando o consumidor insere o cartão no leitor, este registra os créditos de energia correspondentes e os apaga do cartão. Uma vez que os créditos são reconhecidos pelo leitor, eles são enviados ao medidor, que permite e monitora a passagem de energia. Esse processo é repetido cada vez que o consumidor insere um novo cartão no leitor, sem a necessidade de ter utilizado os créditos antigos. Assim, o usuário pode acumular tantos créditos quantos necessitar para seu uso. Ele também pode monitorar esse consumo através das indicações do medidor e controlá-lo de forma a adaptar-se ao seu orçamento.
Figura 4 - Diagrama esquemático do sistema pré-pago de tarifação. 6. EXPANSÃO DA GERAÇÃO
O sistema híbrido eólico-fotovoltaico-diesel de São Tomé iniciou sua operação atendendo a 44 unidades consumidoras. Porém, já houve um aumento significativo do número de unidades consumidoras e da carga instalada em algumas delas, resultando no aumento da carga total instalada.
Além disso, tem-se observado que a quantidade de energia gerada a partir das fontes renováveis tem sido inferior ao esperado originalmente, pelo fato do sistema de geração ter sido dimensionado com base em dados meteorológicos estimados a partir de medições obtidas em localidades com características semelhantes, como já mecionado.
Atualmente, com os resultados da monitoração dos parâmetros meteorológicos desde final de novembro de 2002 e das análises realizadas com os dados obtidos da geração e do consumo desde setembro de 2003, dispõe-se de condições mais precisas para um melhor dimensionamento do sistema híbrido, equacionando de forma mais adequada as capacidades das fontes individuais de geração.
Com o intuito de expandir os sistemas de geração e distribuição de energia elétrica da Vila de São Tomé, pretende-se expandir a geração renovável, com a aquisição de um aerogerador de 10 kW e mais 1,8 kWp de módulos fotovoltaicos, totalizando uma potência instalada de 20 kW de geração eólica e 5 kWp de geração solar fotovoltaica.
Com o aumento da demanda, totalizando 66 unidades consumidoras atendidas, tendo um consumo diário de 90 kWh e 2.700 kWh/mês (considerando 24 horas de atendimento à carga), a contribuição do sistema renovável suprirá a demanda mensal conforme o gráfico da figura 5, economizando-se anualmente 11.965 litros (economia equivalente a US$ 5.982,50).
Atendimento do Sistema Renovável 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
Meses
%
Eólico FV Total
Figura 5 - Atendimento do sistema renovável para uma demanda mensal de 2.700 kWh. 7. CONCLUSÕES
O projeto piloto apresentado neste trabalho tem como principais objetivos:
1. Fornecer energia elétrica à vila de São Tomé para atender suas necessidades básicas de forma contínua e sustentável;
2. Apresentar soluções com custos de implantação e operação razoáveis, reduzindo o uso e o transporte de combustível, diversificando as fontes de energia, aumentando a disponibilidade de energia, permitindo a independência energética e reduzindo os níveis de emissão de poluentes;
3. Monitorar a operação do sistema híbrido através da implantação de um sistema de supervisão, que permita que as variáveis elétricas e meteorológicas de interesse sejam automaticamente obtidas, tanto localmente quanto através da internet;
4. Fazer uma avaliação sócio-econômica para quantificar os impactos que o sistema causará no modo de vida da população envolvida, enfatizando os aspectos de renda, saúde, educação, informação, lazer e organização social;
5. Servir de modelo para futuras implantações de sistemas similares.
Com base nessas premissas, o sistema foi projetado e encontra-se em operação desde setembro de 2003, estando atualmente em fase de testes e atendendo às necessidades da comunidade. Devido ao
crescimento da comunidade, tanto em número de consumidores quanto em carga instalada, está sendo estudada a expansão da contribuição das fontes renováveis no sistema de geração.
Espera-se que o projeto traga bons resultados, tanto de caráter prático quanto demonstrativo, capazes de estimular sua replicação para outras regiões com características similares.
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] A. H. C. Ribeiro, C. F. O. Barbosa e D. P. Cruz, “Caracterização Sócio-Econômica da Comunidade
de São Tomé - Maracanã - PA”, Relatório Técnico No 1, GEDAE/UFPA, 2002.
[2] U. H. Bezerra e J. T. Pinho, “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] U. H. Bezerra, J. T. Pinho e D. C. Cunha, “Proposal of a Wind-Diesel Generating System for the Algodoal Island, Brazil”, WINDPOWER 98, Bakersfield, USA, 1998.
[4] J. T. Pinho e U. H. Bezerra, “A Concept of Wind-Diesel Hybrid Systems for the Electrification of Small Rural Communities in Brazil”, WINDPOWER 98, Austin, USA, 1997.
[5] L. C. S. Frade e J. T. Pinho, “Wind Potential on the Coast of the State of Pará/Brazil”, IEEE-PES T&D 2002 LATIN AMERICA, São Paulo, 2002.
[6] L. C. S. Frade, “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] W. N. Macedo e J. T. Pinho, “ASES: Programa para Análise de Sistemas Eólicos e Solares Fotovoltaicos”, AGRENER 2002 - 4º Encontro de Energia no Meio Rural, Campinas, 2002. [9] W. N. Macedo, “Estudo de Sistemas de Geração de Eletricidade Utilizando as Energias Solar,
Fotovoltaica e Eólica”, Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Pará, 2002.
[10] DIEBOLD/PROCOMP, “Sistema de Pré-Pagamento de Energia Elétrica”, Notas Técnicas, 2002.
