UNIJUÍ - UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO GRANDE DO SUL
DCEEng - DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS CURSO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA ELÉTRICA
ESTUDO PARA ENCONTRAR PONTO DE EQUILÍBRIO ECONÔMICO NA IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES
RENOVÁVEIS NA ÁREA RURAL
SILVANA ZAUZA
Santa Rosa, RS - Brasil Julho – 2018
SILVANA ZAUZA
ESTUDO PARA ENCONTRAR PONTO DE EQUILÍBRIO ECONÔMICO NA IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES
RENOVÁVEIS NA ÁREA RURAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Eletricista do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul.
Orientador: Prof. Me. Mauro Fonseca Rodrigues
Santa Rosa 2018
SILVANA ZAUZA
ESTUDO PARA ENCONTRAR PONTO DE EQUILÍBRIO ECONÔMICO NA IMPLANTAÇÃO DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA COM FONTES
RENOVÁVEIS NA ÁREA RURAL
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de BACHAREL EM ENGENHARIA ELÉTRICA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Santa Rosa, Julho de 2018
Prof. Mauro Fonseca Rodrigues Mestre pela Universidade Federal de Santa Maria – Orientador
.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Mateus Felzke Schonardie Mestre pela Universidade Federal de Santa Catarina
DEDICATÓRIA
Aos meus familiares, em especial meu esposo, pelo carinho, compreensão, amor e estímulo que me ofereceram, e a todas as pessoas que estiveram do meu lado me incentivando, apoiando e acreditando nos meus sonhos, dedico-lhes essa conquista como gratidão.
AGRADECIMENTOS
A Deus, por ter me dado saúde física e mental, coragem, sabedoria e forças para superar as dificuldades encontradas.
A meu esposo, pelo amor, incentivo, compreensão e principalmente por ter me ajudado em toda esta caminhada acadêmica sem medir esforços.
Ao meu Professor Orientador Me. Mauro Fonseca Rodrigues, pelas suas recomendações, sugestões, apoio, compreensão, pela sua ajuda e dedicação ao trabalho, auxiliando e contribuindo sempre da melhor forma possível com o desenvolvimento deste trabalho.
A todos os meus colegas e amigos do curso de Engenharia Elétrica que fizeram parte desta caminhada, pelas alegrias, companheirismo, angústias compartilhadas ao longo desse período, parceria e principalmente pela amizade que fizemos durante este período de graduação.
Ao curso de Engenharia Elétrica da Unijuí em especial ao campus Santa Rosa, seu corpo docente, coordenação, direção e administração que oportunizam a janela que hoje vislumbro um horizonte superior.
E a todos os amigos e familiares que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação, o meu, muito obrigada.
“O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis.”
José de Alencar
RESUMO
Com a inserção da geração distribuída no contexto do Sistema Interligado Nacional (SIN), a geração de energia elétrica antes longe dos centros de carga passa a contemplar unidades geradoras nos próprios pontos de conexão de unidades consumidoras, fazendo com que esta parcela se concentre nos próprios centros de carga. Como método balizador da pesquisa, foi utilizada a Resolução Normativa 687 Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), 2015 e os métodos apontados pela avaliação econômica dos investimentos, por payback e pela Taxa Interna de Retorno. Este trabalho tem por objetivo encontrar o ponto de equilíbrio financeiro entre a tarifa de energia elétrica rural e o valor necessário para recuperar o investimento realizado, incluindo uma TMA prevista de 5% a.a. dentro da vida útil das fontes analisadas, para implantação de GD nesse meio a partir de geradores fotovoltaicos, eólicos e biogás. A partir do histórico de consumo de energia da unidade consumidora analisada, a qual apresenta um consumo médio de 20.751 kWh por ano, fez-se uma projeção dos investimentos necessários para a instalação dos sistemas analisados. Com base nisso, fez-se a análise da viabilidade da inserção da geração distribuída nos três sistemas analisados. Na simulação realizada pelo método da TIR, obteve-se como resultado os valores das tarifas que viabilizam os sistemas: fotovoltaico, biodigestor e eólico. Com os resultados concluiu-se que o objetivo deste estudo foi alcançado e para tornar possível a inserção da GD na área rural, sugere-se uma alteração na RN 687 de 2015, autorizando a venda da energia elétrica gerada nas propriedades rurais através de fontes renováveis por GD com um valor que compense financeiramente sua implantação, aumentando a renda do produtor rural e criando um cenário diferenciado para esses clientes da rede elétrica de distribuição, visto que já possuem outras vantagens inerentes às suas atividades.
Palavras-chave: Geração Distribuída, Energias Renováveis, Engenharia Econômica, Tarifa de Energia Elétrica.
ABSTRACT
With the insertion of the distributed generation in the context of the National Interconnected System (SIN), the generation of electric energy before far from the centers of load, begins to contemplate generating units in the points of connection of consuming units, making this part to focus on the own load centers. Normative Resolution 687 National Agency of Electric Energy (ANEEL), 2015 and the methods indicated by the economic evaluation of the investments, by payback and by the Internal Rate of Return, were used as a guide for the research. This work aims to find the financial equilibrium point between the rural electricity tariff and the amount needed to recover the investment made, including an expected TMA of 5% pa. within the lifetime of the analyzed sources, for the implementation of GD in this medium from photovoltaic, wind and biogas generators. Based on the energy consumption history of the analyzed consumer unit, which has an average consumption of 20,751 kWh per year, the necessary investments for the installation of the analyzed systems were projected. Based on this, the feasibility analysis of the insertion of the distributed generation in the three analyzed systems was made. In the simulation carried out by the TIR method, we obtained as a result the tariff values that make feasible the systems: photovoltaic, biodigestor and wind power. With the results, it was concluded that the objective of this study was reached and to make possible the insertion of the GD in the rural area, it is suggested a change in the RN 687 of 2015, authorizing the sale of the electric energy generated in the rural properties through renewable sources by GD with a value that financially compensates its implementation, increasing the income of the rural producer and creating a differentiated scenario for these customers of the electric distribution network, since they already have other inherent advantages to their activities.
Keywords: Distributed Generation, Renewable Energy, Economic Engineering, Electric Energy Tariff.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Montante dos subsídios tarifários totais ... 27
Figura 2 - Junção PN. ... 29
Figura 3 - Célula de silício monocristalino. ... 31
Figura 4 - Célula de silício policristalino. ... 32
Figura 5- Célula de silício amorfo. ... 33
Figura 6 - Conexão de células em série ... 34
Figura 7- Conexão das células em paralelo ... 34
Figura 8 – Representação do biodigestor modelo chinês ... 40
Figura 9 - Representação do biodigestor modelo indiano ... 42
Figura 10 - Representação do biodigestor modelo canadense ... 43
Figura 11 - Representação do biodigestor modelo marinha do Brasil ... 44
Figura 12 - Circulação atmosférica ... 45
Figura 13 – Produção anual (MWh) x velocidade vento (m/s) ... 62
Figura 14 – Gráfico tarifas que viabilizam os sistemas durante a vida útil ... 70
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Comparativo da tarifa das cooperativas da região ... 28
Tabela 2 - Composição básica de gases combustíveis ... 36
Tabela 3 - Matérias primas ... 37
Tabela 4 - Produção de gás por dejetos x animais semiestabulados ... 39
Tabela 5 - Relação de tamanho e potência instalada ... 48
Tabela 6 - Relação de tamanho e área do rotor ... 48
Tabela 7- Investimentos totais Sistema Fotovoltaico ... 51
Tabela 8 - Geração de Energia pelo Sistema Solar Fotovoltaico ... 52
Tabela 9 - Economia do sistema fotovoltaico com tarifa antiga ... 53
Tabela 10 - Economia do sistema fotovoltaico com tarifa atual ... 54
Tabela 11 – Cálculos da produção biogás ... 55
Tabela 12 - Investimento Sistema Geração Biodigestor ... 56
Tabela 13 - Geração de energia pelo sistema de biogás ... 57
Tabela 14 - Economia gerada sistema biodigestor com tarifa antiga ... 58
Tabela 15 - Economia gerada sistema biodigestor com tarifa atual ... 59
Tabela 16 - Custos iniciais de projetos em energia eólica ... 60
Tabela 17 - Investimento total do sistema eólico ... 61
Tabela 18 - Economia gerada pelo sistema eólico com fatura atual ... 62
Tabela 19 – Economias (R$) e créditos (kWh) dos sistemas ... 63
Tabela 20 - Payback simples para sistema fotovoltaico ... 65
Tabela 21 - Payback simples para sistema Biogás ... 65
Tabela 22 - Payback simples para sistema eólico ... 66
Tabela 23 - Taxa Interna de Retorno para o sistema fotovoltaico ... 67
Tabela 24 – Custo das tarifas para os sistemas avaliados ... 70
Tabela 25 - Análise da viabilidade do sistema fotovoltaico ... 71
Tabela 26 - Análise da viabilidade do sistema biodigestores ... 72
LISTA DE SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
AGDI Agência Gaúcha de Desenvolvimento e Promoção do Investimento BOS Balance of the System
CA Corrente Alternada CC Corrente Continua
CDE Conta de Desenvolvimento Energético
DECEENG Departamento de Ciências Exatas e Engenharias EPE Empresa de Pesquisa Energética
FSA Formulário de Solicitação de Acesso GD Geração Distribuída
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
N Cátodo
P Ânodo
PN Junção Ânodo Cátodo
PB Payback
PCHs Pequenas Centrais Hidrelétricas PNE Plano Nacional de Energia
PROINFA Programa de Incentivo as Fontes Alternativas Energia Elétrica PRORET Procedimento de Regulação Tarifária
RN Resolução Normativa
RS Estado do Rio Grande do Sul SC Estado de Santa Catarina
SEP Sistema Elétrico de Potência SIN Sistema Interligado Nacional TIR Taxa Interna de Retorno TMA Taxa Mínima Atrativa VPL Valor Presente Líquido
LISTA DE SÍMBOLOS
Potência gerada pelo sistema fotovoltaico (kWh) Potência total do sistema fotovoltaico (kW)
Número de horas de sol, média diária a intensidade de 1000 W/m² (h) Rendimento do inversor dado em porcentagem (%)
Número de dias no mês Thin-film Células Solares Filme Fino Produção de eletricidade
Potência nominal da planta (kWh)
Disponibilidade mensal da planta (horas/mês)
Rendimento
Tempo de retorno de investimento (payback) dado em anos Investimento total do sistema em reais (R$)
Economia proporcionada pelo sistema durante um ano em reais (R$) Capacidade geração de energia elétrica durante a vida útil do sistema
Energia elétrica produzida pelo sistema durante um ano Tempo de vida útil do sistema analisado
Custo da tarifa
Custo total de implantação do sistema
Soma da economia anual com os créditos gerados pelo sistema Consumo anual de energia elétrica (kWh)
Gás metano Gás carbônico
Gás nitrogênio
Gás hidrogênio
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 16 1.1 OBJETIVO GERAL ... 19 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 19 1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ... 19 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21
2.1 METÓDOS DE AVALIAÇÃO ECONÔMICA... 21
2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA ... 22
2.2.1 Resolução normativa n°687, 2015 da Aneel ... 24
2.3 TARIFA DE ENERGIA ELÉTRICA RURAL... 25
2.4 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 28
2.4.1 Efeito fotovoltaico ... 29
2.4.2 Tipos de células fotovoltaicas ... 30
2.4.2.1 Silício Monocristalino ... 31
2.4.2.2 Silício Policristalino ... 31
2.4.2.3 Filmes finos ... 32
2.4.3 Composição do sistema fotovoltaico ... 33
2.5 BIOGÁS ... 35
2.5.1 Biomassa ... 36
2.5.2 Biodigestores ... 39
2.5.2.1 Modelo Chinês ... 40
2.5.2.2 Modelo Indiano ... 41
2.5.2.3 Modelo Tubular Canadense ... 42
2.5.2.4 Modelo da Marinha Brasileira ... 43
2.6 ENERGIA EÓLICA ... 44
2.6.1 Turbinas eólicas ... 47
3 ANÁLISE DO DIMENSIONAMENTO DAS FONTES RENOVÁVEIS ... 50
3.1 DIMENSIONAMENTO PARA SISTEMA FOTOVOLTAICO ... 50
3.1.1 Dimensionamento dos módulos fotovoltaicos... 50
3.1.2 Dimensionamento do inversor... 51
3.1.3 Dimensionamento bos ... 51
3.1.4 Potência gerada pelo sistema fotovoltaico ... 52
3.2 DIMENSIONAMENTO PARA SISTEMA DE BIODIGESTORES ... 54
3.2.1 Potencial de geração biogás ... 54
3.2.2 Investimento para instalação do biodigestor ... 55
3.2.3 Potência gerada pelo sistema de biogás ... 56
3.3 DIMENSIONAMENTO PARA SISTEMA EÓLICO ... 59
3.3.1 Investimento para instalação do aerogerador ... 61
3.3.2 Potência gerada pelo sistema eólico ... 61
4 MÉTODOS PARA AVALIAÇÃO DOS CUSTOS DOS SISTEMAS... 64
4.1 MÉTODO DE ANÁLISE PAYBACK SIMPLES ... 64
4.2 MÉTODO DE ANÁLISE TAXA INTERNA DE RETORNO (TIR) ... 66
5 VIABILIZANDO OS INVESTIMENTOS EM GD NA ÁREA RURAL ... 69
6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 74 6.1 FOTOVOLTAICO ... 74 6.2 BIODIGESTORES ... 74 6.3 EÓLICA ... 75 6.4 VIABILIDADE ECONÔMICA ... 75 7 CONCLUSÃO ... 77 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 79
1 INTRODUÇÃO
O estudo e o desenvolvimento deste trabalho decorrem na área de geração de energia elétrica através das fontes alternativas renováveis como eólica, fotovoltaica e biogás, baseando-se no estudo da viabilidade econômica das mesmas na área rural. Através do estudo e da revisão bibliográfica do assunto, será aplicado uma abordagem no custo da energia elétrica rural, onde serão utilizados métodos comparativos que demonstre o melhor resultado na avaliação econômica para implantação de fontes renováveis e aplicação de geração distribuída no meio rural. Atualmente não há retorno financeiro para o produtor rural que invista em geração de energia elétrica renovável (SZAMBELAN, 2017).
Dessa forma, é necessário verificar o valor da tarifa que permita ao produtor rural recuperar seu investimento em geração distribuída, viabilizando o aproveitamento do potencial energético nessa área específica, a partir das regras expostas para mini e microgeração de energia elétrica.
A energia elétrica é uma das formas de energia mais utilizadas e desempenha um importante papel no cotidiano das pessoas, tanto nas indústrias, sistemas de telecomunicações, quanto para o atendimento das necessidades básicas, como fornecimento de água e saneamento, dentre outras que compõem a infraestrutura necessária para envolver o ser humano no modelo de desenvolvimento vigente que apresenta constante evolução. (REIS, 2013). Essa evolução, aliada ao crescimento de novas tecnologias, faz com que o consumo de energia seja cada vez maior, fazendo-se necessário o incentivo em pesquisas e investimentos em novas fontes alternativas de energia elétrica para suprir essa demanda crescente.
Farret (2014) salienta que o Brasil é um país que possui grandes diferenças continentais, com populações inteiras isoladas, sem acesso à energia elétrica e aos meios de comunicação. O atendimento dessas necessidades poderia ser a forma mais democrática de melhorar as condições de vida, proporcionando o acesso a técnicas e práticas de geração de energia, incentivando a divulgação e uso das fontes de energia alternativas disponíveis em nosso território, sendo que o emprego de simples técnicas é suficiente para resolver problemas locais ou ainda melhorar as instalações já existentes.
O autor ainda comenta que toda forma de utilização de qualquer uma das fontes de energia encontradas na natureza, como eólica, solar e térmica, passíveis de serem convertidas economicamente em energia elétrica pode ser considerada uma forma de aproveitamento elétrico.
Conforme dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) (2010), ainda existem cerca de 2,2% da população brasileira vivem privados do acesso de energia elétrica, sendo 0,9% na área urbana e 10,3 % no meio rural.
O meio rural, por sua vez, possui um vasto ambiente para fontes renováveis de energia, em virtude da disponibilidade de recursos e das atividades econômicas locais, possuindo grandes áreas, dejetos de animais, fontes de água, etc, (SZAMBELAN, 2017).
Segundo Reis (2013) as fontes renováveis de energia, exceto a hidrelétrica, podem adaptar-se mais facilmente para a geração distribuída do que para a geração centralizada. Desse modo, elas se apresentam como uma tendência crescente nas unidades de geração de energia elétrica. A geração de eletricidade a partir de fontes renováveis contribui tanto do ponto de vista ambiental quanto social, em função do menor consumo de água, geração de empregos e incentivo à atividade econômica local e regional. No entanto, mesmo com benefícios, existe uma desvantagem que é o alto investimento inicial das mesmas. Um ponto essencial para a geração de energia elétrica através de fontes renováveis é identificar a disponibilidade do aproveitamento energético renovável que estiver associado a atividades econômicas locais, como, por exemplo, um sistema de confinamento de animais, que acarreta na geração de resíduos e gases (gás carbônico e metano), os quais, ao não serem aproveitados, afetam ainda mais o aquecimento global, pois são os principais responsáveis pelo efeito estufa, (SZAMBELAN, 2017).
A Resolução Normativa (RN) N° 687 da Aneel define como microgeração distribuída a central geradora de energia elétrica com potência instalada menor ou igual a 75 kW e microgeração distribuída a central geradora de energia elétrica com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da Aneel, ou para as demais fontes renováveis conectadas na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras. A RN Nº 482 da Aneel regulamenta a geração distribuída e com a nº 687 de 2015, houve melhorias nas condições da
geração distribuída, devido à melhor distribuição de prazos, valores e regras para a conexão dos geradores.
Atualmente, muitas pessoas e empresas estão gerando sua própria energia. Isso se deve às melhorias geradas por essa RN da Aneel, que aperfeiçoou o sistema de compensação de energia elétrica. Este sistema permite que a energia ativa injetada pela unidade consumidora seja cedida por meio de empréstimo gratuito para a distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa. É importante ressaltar que o artigo 7° da RN 687 informa que o consumidor que gera sua própria energia continua pagando uma taxa mínima referente à taxa de disponibilidade da rede elétrica, assim as distribuidoras recebem por disponibilizar a rede elétrica, (LEAO, 2017).
O autor ainda salienta que esta forma de geração é muito positiva para a matriz energética brasileira, pois descentraliza e aumenta a oferta de energia elétrica. Com isso, o governo pode diminuir a necessidade de investir na geração de energia elétrica, principalmente de fontes não renováveis, e ainda ter uma segurança maior no abastecimento de energia elétrica para os consumidores finais. Além de reduzir custos com linhas de transmissão de usinas construídas longe dos pontos de consumo, como é o caso das hidrelétricas, que acabam gerando perdas elétricas para o transporte desse volume de energia.
Mesmo com todas essas vantagens o sistema proposto para a ampliação da GD no Brasil não atingiu os consumidores da área rural, principalmente, devido ao custo da energia elétrica ser subsidiado pelo governo para estes clientes. Estudos realizados por Szambelan (2017) apontam que não há viabilidade econômica para este tipo de investimento, embora exista o potencial energético a ser explorado. Assim, essa energia, proveniente de fontes renováveis, está sendo desperdiçada.
Dessa forma, a partir de estudos realizados na área, será buscado o ponto de equilíbrio financeiro da tarifa rural de forma que viabilize a implantação de GD e permita ao consumidor recuperar seu investimento. Com o aumento de GD nesses alimentadores, espera-se conseguir melhorar, paralelamente, a qualidade de energia fornecida e os indicadores de qualidade nesse grupo específico de consumidores de energia elétrica.
1.1 OBJETIVO GERAL
O principal objetivo deste trabalho de conclusão de curso é realizar um estudo sobre o ponto de equilíbrio financeiro entre a tarifa de energia elétrica rural e o valor necessário para recuperar o investimento realizado, dentro da vida útil das fontes analisadas, para implantação de Geração Distribuída nesse meio a partir de geradores fotovoltaicos, eólicos e biogás.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Realizar estudo e revisão bibliográfica referente ao tema do TCC.
- Estudar a resolução da Aneel (Agência Nacional de Energia Elétrica) referente à geração distribuída.
- Realizar estudos sobre a tarifa rural e urbana.
- Estudar os conceitos, requisitos e características das fontes alternativas fotovoltaica, eólica e biogás.
- Elaborar pesquisa e criar um demonstrativo da comparação entre os custos das opções disponíveis no estudo de caso.
- Analisar a viabilidade econômica do investimento para a implantação das fontes alternativas.
- Obter o ponto de equilíbrio financeiro entre venda e compra de energia elétrica, viabilizando o investimento em GD na área rural.
- Relatar sobre os efeitos do aproveitamento do potencial energético na área rural a partir da implantação maciça de GD.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho está dividido em oito capítulos, conforme descritos abaixo:
No primeiro capítulo é apresentada a introdução da origem da pesquisa e objetivos.
No segundo capítulo, apresenta-se a revisão da bibliografia sobre energia solar, biogás e eólica. O qual descreve os sistemas de maneira simplificada assim como todos os componentes envolvidos nesses processos de geração de energia. Também é apontada uma revisão bibliográfica sobre, a tarifa rural de energia
elétrica, a Resolução Normativa 687 que trata sobre geração distribuída e a metodologia de avaliação econômica a Engenharia Econômica e Avaliações, descrevendo as características e o benefício que esta proporciona ao fornecer métodos que permitem tomar decisões de investimentos importantes (de valores significativos) e a metodologia aplicada ao estudo de caso.
No terceiro capítulo, estão detalhados os dimensionamentos das fontes renováveis fotovoltaica, biogás e eólica, o qual se realizou a partir de uma fatura de energia elétrica da edificação rural. Neste é demonstrado e realizado um estudo dos custos de implantações, capacidade de geração de energia elétrica, economia e créditos gerados por cada sistema.
No quarto capítulo estão são realizados análises da viabilidade econômica do estudo de caso sobre o sistema de geração fotovoltaico, eólico e biogás propostas para atender a propriedade em questão.
No quinto capítulo, são apresentadas as tarifas que tornam o sistema viável entre ambos sistemas propostos.
No sexto capítulo, são apresentadas as considerações finais e resultados obtidos durante o estudo.
No sétimo capítulo, são apresentadas as conclusões referentes às análises e resultados das mesmas no estudo de caso.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A revisão bibliográfica é baseada sobre os conceitos julgados necessários para a elaboração do projeto, dentre eles as fontes de energias renováveis: eólica, fotovoltaica e biogás, bem como as informações julgadas importantes e pertinentes ao estudo em questão, como tarifa de energia elétrica urbana e rural e geração distribuída.
2.1 METÓDOS DE AVALIAÇÃO ECONÔMICA
Ehrlich (2014) explica que a engenharia econômica pertence às ciências das decisões. O embasamento teórico provém da economia e da matemática financeira. É importante salientar que é preciso manter sua especificidade e sempre ter em mente que o objetivo não é uma operação matemática, mas uma decisão, considerando que no contexto simples, no qual o desejado é essencialmente o resultado econômico financeiro. A decisão é baseada no contexto que é específico ás particularidades de cada situação. Nas avaliações de engenharia econômica, nunca se deve confiar em situações gerais, sempre é necessário construir o modelo mais apropriado para cada situação analisada em especifico.
A principal finalidade é apresentar critérios que permitam avaliar projetos de investimentos, comparando as alternativas existentes e auxiliando nas decisões e escolhas das melhores alternativas. A avaliação e seleção de projetos de investimentos esta inserida na Engenharia Econômica que analisa os aspectos econômicos financeiros utilizando critérios quantitativos (EHRLICH, 2014).
Quando o objetivo é comparar alternativas financeiras, é necessário escolher uma referencia comum no tempo, isso ocorre devido à definição que informa que o dinheiro valoriza no tempo. Além da escolha referente ao tempo, são necessários outros métodos que ajudem a analisar as alternativas, se é interessante optar por determinada alternativa ou não. Entre os métodos mais conhecidos, pode-se citar o Payback (PB), conhecido como tempo de recuperação do capital, Valor Presente Líquido (VPL) e a Taxa Interna de Retorno (TIR).
Outro conceito importante para o estudo de avaliação econômica é o que trata sobre a Taxa Mínima Atrativa (TMA). A Taxa Mínima Atrativa é a que fornece a rentabilidade mínima desejada, através do emprego do capital do investidor,
podendo ser considerada igual à oferecida pelo mercado para compensar o custo de oportunidade (LOPES et al, 2017).
O método Payback ou tempo de recuperação de capital é considerado o mais simples dos métodos e por esse motivo é um dos mais utilizados. Este método calcula o investimento total e a economia que o investimento proporcionará por ano. É utilizado para analisar o tempo que o benefício se iguala ao investimento.
O método do Valor Presente Líquido (VPL) determina o valor presente de uma série de pagamentos futuros descontados a uma taxa de juros apropriada, menos o custo de capital estipulada. Isto é, consiste em trazer o VPL, aplicado a TMA, aos demais termos do fluxo de caixa para somá-los ao investimento inicial de cada alternativa e escolher o que apresentar melhor VPL, (LOPES et al, 2017).
Taxa Interna de Retorno (TIR) é a rentabilidade, ou percentual de recurso ganho sobre a aplicação de um investimento. Também pode ser considerado a fórmula que calcula a taxa de desconto que teria um determinado fluxo de caixa para igualar a zero seu VPL, em outras palavras, ela mede a rentabilidade pela qual o capital está sendo remunerado em um determinado período de tempo, ou ainda, quanto maior a TIR, melhor e mais lucrativo será o projeto ou novo negócio. Também é utilizado para valoração de empresas ou análises de retorno de projetos (LOPES et al, 2017).
2.2 GERAÇÃO DISTRIBUÍDA
Atualmente a Geração Distribuída está inserida ao Sistema Elétrico de Potência, e trata-se de um conjunto de instalações e equipamentos destinados à geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica, (ANEEL, 2017).
Segundo Reis (2013) esta é uma tendência associada a pequenos projetos de geração e cogeração. Turbinas a gás, sistemas eólicos e até usinas solares fotovoltaicas são bases para este tipo de geração. Com isso ocorrerá o aumento do uso de geração renovável, entre elas a geração solar, eólica e biomassa. Como a geração estará conectada com o sistema de distribuição já existente, podem-se conduzir análises de planejamento integrado, local e centralizado, de forma que ocorram melhorias no desempenho do sistema como um todo.
O autor ainda salienta que ao ocorrer à integração da geração aos sistemas de distribuição, resulta em melhorias tanto na utilização de energia renovável quanto
no sistema de distribuição. Esses benefícios representam menores investimentos de capital devido ao melhor uso das capacidades das linhas, menor distância das linhas de distribuição, redução de custos devido às perdas no sistema e à contribuição da geração local na melhoria da utilização da geração hidrelétrica centralizada.
O planejamento centralizado da geração em um sistema predominantemente hidrelétrico resulta em centrais de grande e médio porte, que se encontram distantes das cargas alimentadas, ás quais se conectam por meio de linhas de transmissão de alta tensão. Em geral são as centrais geradoras, que do ponto de vista econômico, podem ser mais atrativas que alternativas menores mais próximas aos centros de cargas. Este tipo de planejamento está ligado diretamente a estudos dos sistemas interligados e, ao observar um sistema energético considera-se na grande maioria das vezes que o sistema centralizado leva a construção de grandes obras de transporte. No caso das usinas distantes existe a necessidade de grandes obras de transmissão, (REIS, 2013).
O autor também referencia o planejamento descentralizado da geração, que se refere às centrais de pequeno porte desenvolvidas para atendimento local e regional próximos das cargas, como as Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs), micro e mini-hidrelétricas, sistemas solares fotovoltaicos e sistemas eólicos que exemplificam esse tipo de geração. O planejamento local integrado tem crescido nos últimos tempos devido às perspectivas de crescimento da GD.
A GD caracteriza qualquer forma de geração de energia elétrica, em geral é de pequeno porte e conectada ao sistema de distribuição, localizada próxima ao usuário final. É caracterizada pela proximidade ao cliente consumidor, em geral causa impacto apenas no sistema de distribuição local, o que pode levar à redução dos custos totais de investimentos em geração, em virtude da diminuição dos investimentos em transmissão e distribuição. Essa forma de geração pode aumentar a confiabilidade e a qualidade do suprimento, atender a demanda de ponta, compor esquemas de cogeração ou até atender áreas remotas com baixa densidade de carga, pode gerar autossuficiência para o investidor e oportunidade de venda de excedentes de energia, (REIS, 2013).
Conforme Aneel (2017) cabe ao consumidor à iniciativa de instalação de micro ou minigeração distribuída. A Aneel não estabelece o custo dos geradores e eventuais condições de financiamento. Logo, o consumidor deve analisar a relação custo benefício para instalação dos geradores, com base em diversas variáveis: tipo
da fonte de energia (painéis solares, turbinas eólicas, geradores a biomassa, etc.), tecnologia dos equipamentos, porte da unidade consumidora e da central geradora, localização (rural ou urbana), valor da tarifa à qual a unidade consumidora está submetida, condições de pagamento e ou financiamento do projeto e existência de outras unidades consumidoras que possam usufruir dos créditos do sistema de compensação de energia elétrica.
Então é importante ressaltar que para unidades consumidoras conectadas em baixa tensão (grupo B), ainda que a energia injetada na rede seja superior ao consumo, será devido o pagamento referente ao custo de disponibilidade – valor em reais equivalente a 30 kWh (monofásico), 50 kWh (bifásico) ou 100 kWh (trifásico). Já para os consumidores conectados em alta tensão (grupo A), a parcela de energia da fatura poderá ser zerada (caso a quantidade de energia injetada ao longo do mês seja maior ou igual à quantidade de energia consumida), sendo que a parcela da fatura correspondente à demanda contratada será faturada normalmente, (ANEEL, 2017).
2.2.1 Resolução normativa n°687, 2015 da Aneel
A regulamentação que rege a GD atualmente é a Resolução Normativa n°687, de 24 de novembro de 2015 da ANEEL. O artigo segundo da referida norma define:
Microgeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW, e que utilize cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras.
Minigeração distribuída: central geradora de energia elétrica, com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou para as demais fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades consumidoras (ANEEL, 2015, p. 01).
A mesma ainda informa que o sistema de compensação de energia elétrica é o sistema no qual a energia ativa injetada por unidade consumidora com microgeração ou minigeração distribuída é cedida, por meio de empréstimo gratuito à distribuidora local e posteriormente compensada com o consumo de energia elétrica ativa. Para fins de compensação, a energia ativa injetada no sistema pela unidade consumidora passa a ter um crédito em quantidade de energia ativa a ser consumida em um prazo de 60 meses. Se os créditos de energia ativa expirarem o
prazo de 60 meses após a data de faturamento, serão revertidos em prol da modicidade tarifária sem que o consumidor faça jus a qualquer forma de compensação após esse prazo.
Para realizar a solicitação de acesso para microgeração e minigeração distribuída deve-se preencher um Formulário de Solicitação de Acesso (FSA), que se encontra disponível na página de internet da distribuidora, onde contém a relação de informações que o acessante deve apresentar na solicitação de acesso.
O artigo quinto inciso primeiro, informa que eventuais custos com melhorias ou reforços no sistema de distribuição em função exclusivamente da conexão de microgeração distribuída não devem fazer parte do cálculo da participação financeira do consumidor, sendo integralmente arcados pela distribuidora, exceto no caso de geração compartilhada. Já o inciso segundo diz que os custos de eventuais melhorias ou reforços no sistema de distribuição em função exclusivamente de minigeração distribuída devem fazer parte do cálculo da participação financeira do consumidor.
2.3 TARIFA DE ENERGIA ELÉTRICA RURAL
A energia elétrica é essencial para sociedade de modo geral, tanto nas residências urbanas e rurais quanto em diversos segmentos econômicos. Para que possa ser feito o uso da energia elétrica, é necessária a aplicação de tarifas que remuneram o serviço de forma que viabilize a estrutura e mantenha a prestação deste serviço com qualidade.
É através da tarifa que os prestadores de serviços garantem receita suficiente para cobrir custos operacionais e remunerar investimentos para expandir a capacidade garantindo assim um atendimento de qualidade aos consumidores. Os custos e investimentos repassados às tarifas são calculados pelo órgão regulador. Os Procedimentos de Regulação Tarifária (PRORET) possuem caráter normativo e vigoram a regulamentação que se refere aos processos tarifários, sendo que a estrutura do PRORET é aprovada pela RN n° 435/2011.
A Resolução Normativa n°414 de 2010, define as classes de consumo aplicadas a cada tipo de consumidor. O artigo quarto desta resolução trata sobre a classe rural que é o objetivo deste estudo, sendo que, caracteriza-se pelo
fornecimento à unidade consumidora que desenvolva atividades de agricultura, pecuária ou aquicultura, considerando as seguintes subclasses:
- Agropecuária rural: localizada na área rural, onde seja desenvolvida atividade relativa à agropecuária, inclusive o beneficiamento ou conservação de produtos agrícolas oriundos da mesma propriedade e o fornecimento para:
a) Instalações elétricas de poços de captação de água, para atender finalidades de que se trata este inciso, desde que não haja comercialização da água; e
b) Serviços de bombeamento de água destinados à irrigação.
- Agropecuária urbana: localizada na área urbana, onde sejam desenvolvidas as atividades do inciso I, observando os seguintes requisitos: a) A carga instalada na unidade consumidora deve ser predominantemente destinada a atividade de agropecuária, exceto para casos de agricultura de subsistência;
b) O titular da unidade consumidora deve possuir registro de produtor rural expedido por órgão público ou outro documento hábil que comprove o exercício da atividade agropecuária;
- Residencial rural: localizada em área rural, com fim residencial, utilizado por trabalhador rural ou aposentado nesta condição;
- Cooperativa de eletrificação rural: localizada na área rural, que detenha a propriedade e opere instalações de energia elétrica de uso privativo de seus associados, cujas cargas se destinem ao desenvolvimento de atividade classificada como rural nos termos deste parágrafo, observada a legislação e regulamentos aplicáveis;
- Agroindustrial: independente de sua localização, que se dedicar as atividades agroindustriais, em que sejam promovidos a transformação ou beneficiamento de produtos advindos diretamente da agropecuária, mesmo que oriundos de outras propriedades, desde que a potência disponibilizada seja de até 112,5 kWA;
- Serviço público de irrigação rural: Localizada na área rural em que seja desenvolvida a atividade de irrigação e explorado por entidade pertencente ou vinculada a Administração Direta, Indireta ou Fundações de Direito Publico da União, dos Estados, Distrito Federal ou dos Municípios;
- Escola agrotécnica: Estabelecimento de ensino direcionado à agropecuária, localizado na área rural sem fins lucrativos e explorada por entidade pertencente ou vinculada a Administração Direta, Indireta ou Fundações de Direito Publico da União, dos Estados, Distrito Federal ou dos Municípios;
- Aquicultura: independente de sua localização, onde seja desenvolvida atividade de cultivo de organismos cujo ciclo de vida em condições naturais se dá total ou parcialmente em meio aquático, sendo que o titular da unidade consumidora deve possuir o registro de produtor rural expedido por órgão público, registro ou licença de aquicultor, exceto para aquicultura com fins de subsistência (ANEEL, 2017, p. 19 e 20).
Segundo a matéria publicada no site Aneel (2017), todos os descontos tarifários, fora o cedido ao consumidor residencial de baixa renda, eram por conta dos próprios consumidores das concessionárias, caracterizando como um subsídio cruzado. As concessionárias tinham suas tarifas aumentadas para compensar os descontos concedidos, apenas em sua própria concessão, com isso o impacto tarifário dependia do tamanho dos mercados subsidiados e subsidiantes, isso até o inicio da vigência da lei n° 12.783 de 2013.
A partir desse período, com a inclusão da finalidade da Conta Desenvolvimento Energético (CDE), cuja arrecadação é utilizada para promover a competitividade da energia elétrica produzida por usinas que utilizam fontes alternativas: eólicas, pequenas centrais hidrelétricas, biomassa, etc. Todos os consumidores do SIN passaram a contribuir com a divisão dos subsídios tarifários, independente do mercado subsidiado da área de concessão onde o consumidor está localizado. Além do consumidor residencial de baixa renda, a subvenção CDE é destinada a compensar as distribuidoras pela perda de receita decorrente da concessão de descontos tarifários aos seguintes usuários do serviço: gerador e consumidor de fonte incentiva; atividade de irrigação e aquicultura em horário especial; agente de distribuição com mercado próprio inferior a 500 GWh/ano; serviço público de água, esgoto e saneamento; classe rural; subclasse cooperativa de eletrificação rural; e subclasse de serviço público de irrigação.
A Figura 1 mostra os montantes em reais dos subsídios tarifários totais e a participação de cada tipo no valor total. São mostrados os valores a partir dos processos tarifários de 2014.
Figura 1 - Montante dos subsídios tarifários totais
Fonte: ANEEL, 2017
Conforme Pacheco (2013) foi realizada uma comparação entre as tarifas de energia elétrica em uma cooperativa de eletrificação rural de Içara/SC, chegando a uma diferença na tarifa entre as classes rural e residencial de quase quarenta por
cento. A grande diferença do custo entre uma unidade consumidora rural e residencial é a própria tarifa, enquanto o custo do kWh residencial chega a R$ 0,31187 o valor da classe rural é de R$ 0,18531.
Com o objetivo de obter uma informação atualizada referente à tarifa de energia elétrica regional, se fez necessário a realização de uma pesquisa referente ao custo do kW/h efetuado pelas cooperativas de eletrificação rural da região noroeste do estado, comparando o custo do kW/h das classes de energia residencial urbana e rural, conforme Tabela 1.
Tabela 1 - Comparativo da tarifa das cooperativas da região COOPERATIVA DE ELETRIFICAÇÃO RURAL CUSTO kW/h RESIDENCIAL URBANO (R$) CUSTO kW/h RESIDENCIAL RURAL (R$) A 0,5692 0,495 B 0,7526 0,35494 C 0,41572 0,29101 D 0,49732 0,34813
Fonte: AUTORIA PRÓPRIA
Com a pesquisa pode-se observar a variação entre as tarifas e chegar à conclusão que existe uma grande diferença nos valores kW/h aplicados na área rural, quando comparados com a urbana, respeitando o subsídio exigido pela legislação.
2.4 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
O Brasil é privilegiado no seu potencial energético solar e seu potencial é maior que a maioria dos países do primeiro mundo e são amplas as possibilidades de aproveitamento energético do sol, destacando-se o térmico e o fotovoltaico (FARRET, 2014).
Segundo Farret (2014) sobre o ponto de vista do aproveitamento energético, o sol é considerado uma fonte silenciosa, gratuita e não poluente, além de ser responsável por todas as formas de vida no planeta. A principal tecnologia existente para conversão da energia do sol em eletricidade, está relacionada com a transformação da luz solar diretamente em eletricidade, que é realizado por meio de células que compõem os módulos fotovoltaicos. A inexistência de partes móveis, a
lentidão da degradação das células fotovoltaicas seladas, a flexibilidade na formação e associação dos módulos, a simplicidade no uso e na manutenção tornam os painéis fotovoltaicos mais atrativos.
2.4.1 Efeito fotovoltaico
Os materiais semicondutores apresentam no seu espectro de energia eletrônica, faixas de energia que são identificados como faixas de energia permitida e proibida. Dentro da faixa permitida se encontram as faixas de valência e de condução que são separadas por um hiato energético. Os elétrons ocupam a faixa de valência e podem ser excitados para uma faixa de condução devido à energia térmica ou pela absorção dos fótons com energia maior que o hiato energético, (FARRET,2014).
O mesmo autor explica que quando um elétron se movimenta de uma faixa para outra, ele deixa no seu lugar uma lacuna, que é considera uma carga positiva. Se um semicondutor carregado se unir com um semicondutor com excesso de carga negativa, ocorrerá uma junção PN, conforme Figura 2.
Figura 2 - Junção PN.
Fonte: (FARRET, 2014)
Nas células fotovoltaicas feitas de silício cristalino, o campo elétrico tem sua origem por um processo de contaminação controlada e selecionada do material semicondutor. Os elétrons e suas lacunas contribuirão para a geração de corrente elétrica proporcional à iluminação, devido à presença do campo elétrico assim formado, as partículas se movimentam em sentido contrário umas das outras.
Quando a luz incide sobre uma célula fotovoltaica, os fótons que a integram se chocam contra os elétrons presentes nas estruturas de silício, fornecendo-lhes energia. Devido ao campo elétrico gerado no interior de cada célula, os elétrons são forçados a fluir da camada P para a camada N, gerando-se assim um fluxo de elétrons. (MILKE, RODRIGUES, 2016).
O autor ainda explana que os sistemas fotovoltaicos têm a capacidade de captar diretamente a luz solar e produzir corrente elétrica. Essa corrente é coletada e processada por dispositivos controladores e conversores, que pode ser armazenada em baterias ou utilizada diretamente em sistemas conectados a rede elétrica.
Gazoli (2012) diz que as placas fotovoltaicas podem ser usadas em telhados, fachadas de residências e edifícios para suprir a necessidade local de energia elétrica, ou podem ser empregadas na construção de usinas geradoras de eletricidade.
A célula fotovoltaica basicamente é composta pela junção de duas placas de material semicondutor, sendo uma tipo P e outra tipo N. Há junções de mais placas, gerando mais energia, mas são mais caras e não são tão utilizadas. A placa do material N possui excedente de elétrons, enquanto que a placa de material P apresenta falta deles. Como a placa é fina o suficiente, a energia do sol descarregada sobre os elétrons facilita a troca dos elétrons entre as camadas, causando uma corrente elétrica, responsável por criar uma barreira de potencial entre as camadas (GAZOLI, 2012).
O mesmo autor ainda cita que a corrente elétrica gerada por uma única placa é pequena, mas ligando várias células em série, fornece grande quantidade de energia elétrica, bem como uma tensão mais elevada.
2.4.2 Tipos de células fotovoltaicas
Gazoli (2012) classifica as células fotovoltaicas em 03 tipos: Silício monocristalino, silício policristalino e filmes finos.
O mesmo autor ainda lembra que o silício usado nas células fotovoltaicas é extraído do quartzo, sendo que Brasil é um dos principais produtores mundiais desse minério, mas que a purificação do silício e a fabricação das células não é feita no país.
2.4.2.1 Silício Monocristalino
Gazoli (2012) explana que para fabricação do silício monocristalino, necessita-se aquecer em altas temperaturas os blocos de silício ultrapuro objetivando fabricar um lingote. Após o lingote, formado por uma estrutura cristalina única e organização molecular homogênea estar pronto, é serrado e fatiado em camadas finas, onde é possível, através de reações químicas, agregar impurezas em ambas as faces, formando as camadas semicondutoras de silício P e N, conforme se pode observar na Figura 3.
Figura 3 - Célula de silício monocristalino.
Fonte: (AQUINO, 2016)
O mesmo autor comenta que após a fabricação da célula semiacabada, é fixada uma película metálica de um lado e uma grade metálica do outro. Na face que receberá o sol, é aplicada uma camada de material antirreflexivo.
2.4.2.2 Silício Policristalino
Gazoli (2012) explica que o silício policristalino é fabricado através de um processo mais barato, com estrutura molecular policristalino e apresenta aparência heterogênea. A Figura 4 mostra uma célula de silício policristalino.
Figura 4 - Célula de silício policristalino.
Fonte: (AQUINO, 2016)
O mesmo autor ainda comenta que a fabricação das células é igual às de silício monocristalino. Da mesma forma que o silício monocristalino, as células fabricadas são rígidas e quebradiças, sendo necessário montar em módulos visando adquirir resistência mecânica.
2.4.2.3 Filmes finos
Gazoli (2012) cita que a fabricação dos filmes finos é uma tecnologia recente e mais econômica, por empregar menores quantidades de matéria prima, além do fato de não ter desperdícios com a serragem de lingotes, como os processos anteriores. A fabricação das células é feita através da deposição de silício, que pode ser vapor ou outro método, diretamente na base rígida ou flexível.
As células solares de Filme Fino (Thin-film) possui baixo custo no processo de produção. Se comparadas com as células de silício cristalino, necessitam de uma área maior para chegar à mesma potência de conversão. São fabricadas através de material semicondutor e depositadas em substratos de vidro, lâmina de aço, alumínio, plástico entre outros. Geralmente este tipo de tecnologia é encontrado em aparelhos eletrônicos portáteis como calculadoras, relógios, rádios e carregadores de pilhas (SILVA, 2006).
Existem vários tipos de células que utilizam a tecnologia de filme fino, como, silício amorfo, disseleneto de cobre e índio, disseleneto de cobre, índio e gálio e telureto de cádmio. Na Figura 5 está ilustrado um módulo utilizando a célula com silício amorfo.
Figura 5- Célula de silício amorfo.
Fonte: (BLUESOL , 2014)
Sendo que existem vantagens e desvantagens nesta tecnologia, se pode citar como vantagens a fabricação de células de grandes áreas e com baixo custo de produção e comercialização, outra vantagem se deve a essa tecnologia ser depositada em diversos tipos de substratos, possibilitando uma maior versatilidade para sua aplicação. Como desvantagens pode-se citar a baixa eficiência se comparada com o silício monocristalino e policristalino e também o fato dessas células sofrerem degradação já nos primeiros meses de operação, reduzindo a eficiência ao longo da sua vida útil (CARVALHO, 2012).
2.4.3 Composição do sistema fotovoltaico
São vários os componentes utilizados para a instalação de um sistema fotovoltaico conectado a rede elétrica, os componentes necessários em um sistema fotovoltaico completo varia dependendo da aplicação e das características das cargas a serem alimentadas.
Em geral um sistema fotovoltaico de energia é composto por um ou mais módulos fotovoltaicos e por um conjunto de equipamentos, como baterias, controladores de carga, inversores e outros equipamentos de proteção (BRAGA, 2008).
Segundo Farret (2014) os módulos fotovoltaicos são dispositivos que transformam energia solar em elétrica de corrente continua. O tipo mais conhecido comercialmente é o composto por células de silício monocristalino, este é protegido por vidro temperado e antirreflexo e por um material sintético especial. O autor
informa que o número de módulos a serem utilizados em um sistema é determinado pelas necessidades de consumo de energia elétrica.
As células fotovoltaicas podem ser agrupadas em série ou paralelo. Na Figura 6 pode-se observar a conexão de células em série.
Figura 6 - Conexão de células em série
Fonte: (BRAGA, 2008)
As células associadas em série apresentam o terminal positivo de um módulo ligado ao terminal negativo do outro. Neste caso a tensão será o resultado do somatório das tensões de cada módulo e a corrente é igual às correntes individuais.
Já na associação em paralelo apresentam os terminais do mesmo tipo ligados a um ponto em comum conforme pode ser observada na Figura 7.
Figura 7- Conexão das células em paralelo
Fonte: (BRAGA, 2008)
Assim os terminais negativos são todos ligados a um mesmo ponto, enquanto os terminais positivos ligam-se a outro ponto. Neste caso a corrente total é a soma das correntes individuais de cada célula embora a tensão permaneça a mesma.
Braga (2008) explana que os inversores também conhecidos como conversores são os equipamentos que realizam conversão da energia elétrica de corrente continua (CC) para corrente alternada (CA), podem ser utilizados para
alimentar cargas isoladas e também para interligar um gerador fotovoltaico a rede elétrica.
2.5 BIOGÁS
O biogás é considerado uma mistura gasosa combustível, produzida através da digestão anaeróbia, por um processo fermentativo tendo como finalidade à remoção de matéria orgânica, para a formação de biogás e a produção de biofertilizantes ricos em nutrientes. A digestão anaeróbia é realizada em biodigestores específicos, sendo que a mistura gasosa produzida pode ser usada como combustível que possui alto poder calorífico, e ainda pode-se ser utilizado como biofertilizante (PRATI, 2010).
A utilização da biomassa para obter energia representa uma fonte alternativa tanto na área urbana quanto na área rural. Na área urbana podem ser utilizados como fontes de energia, o lixo orgânico, efluentes líquidos e resíduos industriais, podendo ser transformados em combustíveis industriais ou automotivos. Já na área rural, o uso da biomassa e de biodigestores apresentam uma grande vantagem, podendo ser gerado biofertilizante através de sobras de resíduos culturais e dejetos de animais. O biofertilizante é o material orgânico processado no biodigestor e pode ser utilizado como adubo nas lavouras. Além disso, pode gerar energia elétrica para o consumo próprio e até se tornar um micro ou minigerador de energia elétrica, (FARRET, 2014).
O biogás formado pelo resultado de uma mistura de gases, é um combustível de grande poder calorifico decorrente da fermentação anaeróbica de matérias orgânicas, também chamada de biomassa. O gás gerado tem sua composição básica, que varia de acordo com o tipo de material orgânico utilizado. Na Tabela 2 pode-se observar a provável composição dos gases combustíveis.
Tabela 2 - Composição básica de gases combustíveis Gás componente Percentagem Metano (CH4) 60 a 70 % Carbônico (CO2) 30 a 40 % Nitrogênio (N) Traços Hidrogênio (H) Traços Sulfídrico (H2S) Traços Fonte: (FARRET, 2014)
O mesmo autor ainda salienta que o gás metano é o principal componente do biogás, sendo incolor, sem cheiro e altamente combustível. Quando esse gás entra em combustão apresenta uma chama azul com traços lilás e pequenas manchas avermelhadas, não deixa fuligem ou resíduos diminuindo assim a poluição. Seu poder calorifico depende da quantidade de metano presente na sua composição, podendo chegar a uma variação de 5.000 a 6.000 Kcal/m³.
2.5.1 Biomassa
São considerados como biomassa todos os materiais que tem características e propriedades de decomposição pela ação de bactérias, também chamado de efeito biológico. A decomposição das biomassas ocorre através das bactérias metanogênicas que produzem o biogás, sendo que estas dependem de fatores como a temperatura, o pH, a relação carbono nitrogênio e a qualidade de cada uma, (FARRET, 2014).
Na Tabela 3 observam-se as matérias orgânicas mais viáveis e acessíveis segundo o autor.
Tabela 3 - Matérias primas Matérias orgânicas Dejetos de animais Restos culturais Resíduos industriais Lixos urbanos Aguapé Algas marinhas Fonte: (FARRET, 2014)
Para a instalação de um biodigestor é necessário determinar a sua capacidade, levando em consideração a disponibilidade local da biomassa, sendo que para realizar este cálculo, deve-se levar em consideração a quantidade aproximada de produção diária de esterco, para obter o resultado deve-se multiplicar a o peso de um animal vivo por 0,019, (FARRET, 2014).
O mesmo autor também comenta que, os restos culturais produzem cerca de sete vezes mais biogás se comparado com dejetos de animais, e que não oferecem praticidade em relação à coleta, abastecimento e descarregamento em biodigestores. Os restos culturais não se misturam com água devido ao fato de serem mais leves e só afundam após o inicio do processo de decomposição e a produção do biogás.
Já Prati (2010) comenta que resíduos altamente fibrosos, como bagaço de cana e casca de arroz, considerados como restos culturais, apresentam um menor potencial para a produção do biogás. Já matérias ricas em amidos, proteínas, celulose e carboidratos, como grãos, restos de abatedouros e fezes, apresentam grande potencial de produção de biogás.
Os materiais orgânicos de dejetos de animais são facilmente disponíveis entre os criadores, são de uso prático e existe a facilidade de sua mistura com água. A formação biológica do biogás através do esterco de animais é uma das biomassas encontrada com facilidade, em quantidades razoáveis e de forma continua para produção de biogás em propriedades rurais. A formação anaeróbia da biomassa ocorre a partir da mistura do esterco animal com água e resíduos orgânicos que passam por três etapas que são:
Na primeira etapa, as substâncias como, carboidratos, lipídios e proteínas são atacadas pelas bactérias fermentativas comuns na produção de ácidos graxos, glicose e aminoácidos, está etapa é considerada como etapa sólida.
Na segunda etapa, as substâncias formadas pelo primeiro processo, são atacadas pela propion-bactéria, que são bactérias acetogênicas e acidogênicas, formando então ácidos orgânicos como, propiônico e o acético, o dióxido de carbono, os acetatos e o H2, etapa conhecida como líquida.
Na terceira e ultima etapa, as bactérias metanogênicas atuam sobre os ácidos orgânicos para produzir o metano CH4 e o dióxido de carbono, CO2 biogás, etapa conhecida como gasosa.
A última etapa é considerada a mais importante, devido aos cuidados especiais que as bactérias precisam, por serem responsáveis pela velocidade da cadeia de reações. Isso ocorre devido à formação de microbolhas de metano e dióxido de carbono em torno da bactéria metanogênicas, fazendo que ocorra a isolação com a mistura em digestão. Também é importante ressaltar que necessitam de temperatura e acidez adequadas para a reprodução das mesmas, (FARRET, 2014).
Prati (2010) comenta que a fermentação metanogênica é considerada um processo biológico muito sensível, pois envolve muitos micro-organismos, como, as bactérias metanogênicas termofílicas que se reproduzem a uma temperatura entre 45 e 50 °C e as bactérias metanogênicas mesofílicas, em que sua reprodução se dá a uma temperatura de 20 e 45°C.
Farret (2014) lembra que o tempo de retenção do substrato no biodigestor é tempo em que acorre a entrada e saída do digestor, também chamado de tempo de digestão. Durante o processo pode ocorrer à produção de algumas substâncias tóxicas. Como o biogás é um produto em decomposição de resíduos orgânicos não esterilizados, se deve preparar uma mistura de água não clorada e deve-se ter cuidado com a presença de desinfetantes e rações para animais que contenham excesso de antibióticos e cobre, pois estes podem eliminar com as bactérias responsáveis pela produção do gás.
Existe uma temperatura ideal para cada bactéria metanogênica, sendo que para as bactérias psicrofílicas a temperatura ideal para o crescimento é de 20°C, para as mesofílicas é de 35°C e para as termofílicas é de 55°C. De modo geral a
temperatura adequada para a biomassa dentro do digestor deve estar aproximadamente em 35°C.
Para melhor aproveitamento do potencial de determinados animais, alguns produtores rurais estão investindo no confinamento total ou parcial da criação, especialmente os produtores que possuem as áreas de terra mais limitadas. Com este sistema acorre o aumento da obtenção do esterco para a utilização como matéria-prima para o biogás. (SANTOS, 2013). A produção de gás por dejetos de animais semiestabulados pode ser observado na Tabela 4.
Tabela 4 - Produção de gás por dejetos x animais semiestabulados Material (esterco) Kg de dejetos/dia m³ de gás/Kg de dejetos m³ de gás/animal/dia Aves 0,09 0,055 0,0049 Bovinos 10,00 0,040 0,4000 Equinos 6,50 0,048 0,3100 Ovinos 0,77 0,070 0,0500 Suínos 2,25 0,064 0,1400 Fonte: (FARRET, 2014) 2.5.2 Biodigestores
Existem no mercado vário tipos e modelos de biodigestores, segundo Farret (2014) no Brasil o modelo tipo indiano tem sido utilizado na maioria das instalações. A indicação para o tipo de biodigestor depende do tipo de resíduo e da disponibilidade de uso do biogás, e é através da fermentação de resíduos orgânicos que ocorre o processo para obter o gás metano, (FERRAZ, 1980)
Segundo Santos (2013) a classificação dos biodigestores ocorre devido ao tipo de abastecimento que podem ser classificados como, continuo e intermitente. A alimentação continua ocorre de forma frequente e contínua, já o abastecimento intermitente, também conhecido como batelada, a alimentação se dá de forma periódica. (FERRAZ, MARRIEL,1980).
Fonseca et al (2009) informa que o modelo de abastecimento intermitente é mais indicado para utilização de materiais orgânicos que possuem processo de decomposição lenta e com longo período de produção, como por exemplo, a palha ou forragem misturada a dejetos animais.
No Brasil os modelos mais utilizados são: O biodigestor com cúpula fixa, também conhecido como modelo chinês; O biodigestor com campânula flutuante, também conhecido como modelo indiano; O tubular, também conhecido como modelo canadense e modelo da Marinha Brasileira.
2.5.2.1 Modelo Chinês
De acordo com Fonseca et al (2009) o modelo chinês tem características positivas como, menor custo de implantação, possui maior durabilidade, ocupa pouco espaço na superfície do solo, apresenta-se fixo e não possui partes metálicas, por outro lado acorrem oscilações de pressão no gasômetro (local de armazenamento do gás) que provocam vazamentos tornando o manejo complicado.
Este modelo de biodigestor possui o formato cilíndrico, é feito de alvenaria com teto impermeável, destinado ao armazenamento de biogás. Devido ao fato dele dispensar o uso de gasômetro em chapa de aço, podem ocorrer problemas com vazamento do biogás, com isso, a estrutura deve ser bem vedada e impermeabilizada, evitando assim vazamentos.
No processo de funcionamento, uma parte do gás formado na caixa de saída é liberada para a atmosfera, reduzindo parte da pressão interna do gás, por esse motivo as construções de biodigestor tipo chinês não são utilizadas para grandes instalações. Na Figura 8 pode-se observar o modelo de biodigestor chinês.
Figura 8 – Representação do biodigestor modelo chinês
Neste modelo o substrato deverá ser fornecido continuamente, com a concentração de sólidos totais aproximadamente a 8%, para evitar entupimentos do sistema de entrada e para facilitar a circulação do mesmo, (DEGANUTTI et al, 2002).
2.5.2.2 Modelo Indiano
Segundo Farret (2014) o modelo tipo indiano possui o reservatório do biodigestor feito de alvenaria, construído abaixo do nível do solo, sendo que no centro do biodigestor possui uma parede que divide o cilindro em duas partes semicilíndricas que tem como finalidade reter e dar circulação à biomassa carregada do processo de biofertilização. A comunicação da caixa de entrada ocorre através de um cano de vai até a parte inferior do tanque e o carregamento do mesmo acorre através desta mesma entrada. Já a saída do biofertilizante é feita por outro cano que se encontra em um nível que faz o controle da quantidade de biomassa que entra e que saí como biofertilizante.
Também faz parte do sistema um gasômetro, que tem a função de vedar o armazenamento do biogás e dar uma pressão equivalente ao seu peso. O transporte do gás é feito através de uma manga de uma polegada.
A pressão de operação do mesmo é constante, à medida que o volume de gás produzido não for consumido, o gasômetro desloca-se verticalmente, mantendo a pressão no interior constante. O resíduo utilizado para alimentar o modelo não deverá apresentar uma concentração de sólidos totais superior a 8 %, facilitando assim a circulação do resíduo no interior da mesma e evitando assim possíveis entupimentos dos canos de entrada e saída do material. O seu abastecimento deverá ser contínuo assim como no modelo chinês, (DEGANUTTI et al, 2002). Na Figura 9 pode-se observar a representação de um modelo de biodigestor indiano.
Figura 9 - Representação do biodigestor modelo indiano
Fonte: (DEGANUTTI, 2002)
O autor ainda salienta que o modelo apresenta fácil construção, sendo que o gasômetro de metal pode aumentar o custo da implantação do sistema, a distância também é um item que pode encarecer o sistema, pois quanto mais distante da propriedade estiver, maior será o custo devido ao transporte, podendo até tornar o sistema inviável financeiramente.
2.5.2.3 Modelo Tubular Canadense
O biodigestor modelo tipo canadense é do tipo horizontal, com sentido de fluxo tubular, o mesmo possui característica retangular, feito de alvenaria, sendo sua largura maior que a profundidade. Essa característica favorece a produção de biogás, devido a sua largura ser maior, tem uma grande área de exposição ao sol. Este modelo é o mais indicado para grandes volumes de dejetos, pois se torna mais viável financeiramente, (OLIVEIRA, 2012). Na Figura 10 pode-se observar a representação do biodigestor modelo canadense.
