Perspectiva Sobre Redes Isoladas e a Inserção de
Células a Combustível de Óxido Sólido
Matheus Barbosa de Oliveira e Silva e Jussara Farias Fardin
Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) – Av. Fernando Ferrari, 514, Goiabeiras. Vitória – ES – CEP: 29075-910
Lucas Frizera Encarnação
Universidade Federal do Espírito Santo (UFES) – Av. Fernando Ferrari, 514, Goiabeiras. Vitória – ES – CEP: 29075-910
Resumo Em todo o mundo, há comunidades remotas que não estão conectadas a um sistema elétrico estável e de grande porte, como as comunidades da Região Amazônica. É comum nessas regiões isoladas a geração de energia ser feita por meio de grupos motores-geradores a diesel. Apesar de possuírem custo capital atrativo, estes apresentam alto custo de operação e manutenção, principalmente devido ao baixo rendimento e aos custos de transporte do combustível. Somado a isso, essa fonte não renovável é fóssil e emite gases de efeito estufa, causando problemas ambientais. Este artigo realiza uma revisão a respeito de estudos de inserção de células a combustível e sistemas de armazenamento em redes isoladas.
Palavras-chaves Comunidades isoladas, fontes alternativas, células a combustível, qualidade de energia elétrica, geradores a diesel.
I.INTRODUÇÃO
Garantir o direito à energia elétrica em comunidades remotas não é uma tarefa fácil. O difícil acesso e a demanda relativamente pequena se mostram como fatores desestimulantes para as concessionárias, tornando a conexão à rede convencional economicamente inviável. No Brasil, estima-se que 10% da população rural não possua energia elétrica em seus lares [1]. Na Amazônia Legal, cerca de 300 mil famílias ainda não dispõem do acesso à energia elétrica [2]. Sem energia, os residentes destas localidades são privados de serviços essenciais, tais como saúde, educação e comunicação.
Nestas regiões, as formas de energia mais comuns são geradores a diesel, baterias e, para iluminação, são usadas até mesmo velas e lamparinas. Essas fontes, além de apresentarem baixa eficiência energética, apresentam elevado custo se comparado ao fornecimento de energia em grandes centros. Por isso, a aquisição de combustível fóssil para algumas dessas regiões depende fortemente de subsídios governamentais [3].
Células a combustível, em particular as de óxido sólido, SOFC, apresentam bom desempenho na geração estacionária [4]. Além disso, não emitem gases de efeito estufa e podem atingir maior eficiência energética quando associada à cogeração, chegando a aproximadamente 70% [4]-[5].
M.B.O. Silva, matheus.b.silva@aluno.ufes.br, J.F. Fardin, jussara@ele.ufes.br, Tel. +55-27-4009-2644; L.F. Encarnação, lucas@ele.ufes.br, Tel. +55-27-3357-9500, ramal 5051
Este trabalho foi parcialmente financiado pela CAPES – Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior.
Em contrapartida, um sistema que armazene energia se faz necessário para auxílio na manutenção da tensão durante a dinâmica do sistema carga e fonte. Em alguns períodos, a energia proveniente da fonte renovável pode ser menor do que o demandado.
Este artigo está direcionado aos problemas encontrados em comunidades isoladas e discute acerca da hibridização destes sistemas por meio da inserção de células a combustível. Por fim, é proposta uma estratégia para adequar a demanda às possibilidades de geração.
II.FONTES DE ENERGIA ELÉTRICA A. Geradores a diesel
Geradores a diesel são compostos por motor a combustão interna, acoplado a um gerador de corrente alternada (GMG) [1]-[6]. Esse grupamento é muito utilizado em locais onde é difícil o acesso da rede convencional.
Dentre as vantagens desse tipo de geração, destacam-se a maior durabilidade em relação ao motor à gasolina, o menor consumo em relação a outros grupos geradores e o fato de estar disponível em diversos tamanhos, havendo até mesmo geradores portáteis [6]-[7]-[9]. Entretanto, o diesel produz mais fumaça que outros combustíveis, além de liberar gases nocivos durante a exaustão. Cabe ressaltar que, algumas características como a disponibilidade e o preço relativamente baixo do diesel caem por terra quando a aplicação é para comunidades isoladas. Isso pode ser explicado pelo fato de que, nessas regiões, não há postos para abastecimento como nos grandes centros, além dos custos de transporte do combustível serem elevados [1]-[5].
B. Célula a combustível de óxido sólido (SOFC)
Uma célula a combustível de óxido sólido (SOFC) é uma célula cuja temperatura de operação varia entre 800ºC e 1000ºC [14]. Com a possibilidade de aumentar sua eficiência por meio da cogeração, o uso do calor residual (waste heat) da célula em sistemas de aquecimento de residências no inverno é um grande atrativo. Essa medida ainda desestimularia o uso de eletricidade proveniente de combustíveis fósseis para propósitos de aquecimento, tornando desnecessário o aumento do preço da energia durante o inverno [10]-[14].
A SOFC apresenta boa resposta frente às solicitações de demanda. Na Fig. 1, é mostrada a potência fornecida por uma célula de 400 kW.
Fig. 1. Potência fornecida por uma SOFC de 400 kW.
Na Fig. 1, nota-se que a SOFC é capaz de fornecer de forma constante a potência solicitada, atendendo as mudanças na demanda até sua potência máxima. Apesar de sua dinâmica ser relativamente lenta, quando a SOFC é conectada ao sistema por meio da eletrônica de potência (conversor CC/CC e inversor CC/CA), o conjunto melhora em aproximadamente 98% sua constante de tempo [4]. Assim, essa fonte poderia ser a fonte primária em uma rede isolada, sendo que o gerador a diesel poderia ter sua participação minimizada, aumentando seu papel na geração no caso de a SOFC e o sistema de armazenamento de energia não serem capazes de suprir a demanda dos usuários.
Uma vantagem do uso de células a combustível em relação a outras fontes renováveis reside no fato de que, ao contrário das fontes solares e eólicas, a geração da célula não é prejudicada em dias nublados ou quando há poucos ventos. Sua produção de energia está condicionada à reserva de hidrogênio.
III.COMUNIDADES ISOLADAS
Inerentemente à forma de alimentação de energia em sistemas isolados, é árdua a tarefa de equilibrar a geração elétrica e a demanda. Esse desequilíbrio entre geração e consumo acarreta em sérios problemas de natureza elétrica, como flutuações de tensão e frequência. Além disso, essas flutuações são agravadas quando há Geração Distribuída (GD) de grande porte, devido à capacidade de “plug-and-play” destes dispositivos [8].
No Canadá, estima-se que haja 280 comunidades isoladas, totalizando 200.000 habitantes [9]. A maioria delas depende de combustíveis fosseis, como o diesel e o gás natural, para o suprimento de energia. A Fig. 2 [10] mostra as comunidades remotas do Canadá e suas capacidades de geração.
As comunidades mostradas na Fig. 2 apresentam capacidade instalada entre 100 kW e 150 MW, totalizando 615 MW. Do total, estima-se que 330 MW sejam gerados por grupos GMG. Isso corresponde a aproximadamente 54% da matriz elétrica dessas comunidades. Somado a isso, outros 12% são provenientes de demais combustíveis fosseis, como o gás natural. O consumo anual de combustível no Canadá é perto de 215 milhões de litros, o que corresponde a 600 kt de equivalente [9]-[10]. Por isso, o país vem investindo maciçamente em sistemas que façam uso de fontes renováveis, como a célula a combustível. Assim, esperam também reduzir as emissões de gases de efeito estufa.
Fig. 2. Comunidades remotas do Canadá.
Na cidade de Boston Bar, também no Canadá, moradores da área rural vivenciam blecautes com duração de doze a vinte horas, três vezes ao ano. Com intuito de mitigar esses problemas no fornecimento de energia, a concessionária BC Hydro já estuda a construção de uma rede isolada baseada em fontes renováveis. Com isso, espera-se que os investimentos relacionados à expansão do sistema principal sejam consideravelmente reduzidos [11].
Na Amazônia, a alternativa encontrada pelas prefeituras para atender às comunidades isoladas é a distribuição de quotas mensais de óleo diesel entre os residentes. Nesse sistema, quando a quota é ultrapassada, os custos adicionais são assumidos pelos moradores, o que eleva o custo médio para acima da tarifa média praticada pelas concessionárias de energia. Esse sistema é usado quando não há subsídios para as concessionárias atenderem a essas comunidades [3]-[12]-[13].
Em todos os casos citados, é um desafio prover energia de forma eficiente, economicamente viável e sustentável.
IV.ARMAZENAMENTO DE ENERGIA
Devido aos desequilíbrios entre a geração e a demanda, mecanismos de armazenamento de energia se fazem necessários. Como exemplos, podem-se citar bancos de baterias [15], volantes inerciais (flywheels) [16] e supercapacitores [17]. Dentre eles, este artigo discute apenas a respeito dos bancos de baterias, pois são os mais comuns. Um sistema de armazenamento baseado em bancos de baterias em uma rede isolada pode desempenhar o papel de fornecer ou absorver energia, dependendo do que é necessário para equilibrar o balanço de potência. Elencando os benefícios de alguns sistemas, destacam-se a suavização da potência gerada pelas fontes, a absorção da energia gerada em períodos fora-ponta, a correção de desvios de frequência e o suporte ao perfil de tensão por meio do controle de reativos. Os bancos de baterias também podem aumentar a eficiência dos geradores a diesel. É sabido que o GMG apresenta um mau desempenho frente a variações de carga. Os bancos podem absorver tais mudanças bruscas, deixando o gerador em um ponto de operação estável, ótimo [15]-[18].
A Fig. 3 [18] mostra como um banco de baterias é capaz de suavizar a variação de potência gerada no sistema.
Fig. 3. Potência suavizada com banco de baterias UBer™ Ademais dos mecanismos de armazenamento citados, outro meio tem sido objeto de estudo nos últimos anos em sistemas híbridos: o armazenamento por meio do hidrogênio. Nele, todo o excedente de energia do sistema é usado para a produção de hidrogênio, por meio da eletrólise da água de rios e poços regionais [1]-[19]. Contudo, essa técnica ainda é incipiente, pois carece de estudos aprofundados, principalmente no que diz respeito às perdas desse processo.
V.INSERÇÃO DE CÉLULAS A COMBUSTÍVEL EM SISTEMAS ISOLADOS
A inserção de células a combustível em comunidades remotas já é alvo de estudos. Numa análise técnico-econômica realizada pela Ballard® [1]-[5], foi estudada a hibridização de um sistema isolado suprido por dois geradores a diesel, de potências 160 kW e 325 kW. Neste sistema, avaliou-se a inserção de uma célula a combustível de 200 kW e de uma turbina eólica de 1000 kW. A Fig. 4 [5] mostra o sistema em questão.
Fig. 4. Sistema renovável para comunidade isolada
Na Fig. 4, é possível observar ainda que o armazenamento de energia é feito na forma de hidrogênio: o excedente gerado pela fonte eólica é direcionado ao eletrolisador, de forma a gerar o hidrogênio, que é encaminhado a um tanque com capacidade para 1000 kg. Este hidrogênio é o combustível para o funcionamento da célula. Nos períodos em que não há ventos suficientes para a geração eólica, a célula a combustível assume o papel de gerar energia. Nesse estudo de caso, a hibridização do sistema acarretou na diminuição significativa da emissão de poluentes. Dentre eles, destacam-se as reduções de emissão de monóxido e dióxido de carbono, 76% e 82%, respectivamente. Além disso, cabe citar que os custos operacionais anuais do sistema reduziram aproximadamente 70% [5].
No Brasil, alguns estudos já foram feitos. Na Universidade de Campinas (UNICAMP), realizou-se um estudo teórico comparativo entre um sistema fotovoltaico com baterias (FV-Bat) e um sistema fotovoltaico com célula a combustível (FV-CaC) para uma comunidade na Região Amazônica [1]. Neste último caso, o armazenamento de energia se daria por meio do hidrogênio. Foi constatado que, caso o conjunto eletrolisador-tanque-célula sofra uma redução de 35% em seu custo, o sistema FV-CaC se torna técnica e economicamente melhor do que o sistema FV-Bat. Além disso, essa diferença tende a ser ainda mais favorável ao sistema FV-CaC se for considerada a influência do preço do diesel praticado naquela região [1]-[20]-[21].
Um projeto na Universidade Federal do Pará (UFPA) estudou a inserção de uma célula a combustível em um sistema híbrido na região Norte. O objetivo principal do estudo era avaliar a viabilidade técnico-econômica do armazenamento de energia na forma de hidrogênio em comunidades isoladas na Amazônia. No projeto em questão, foi proposto o aproveitamento da biomassa da região para a produção de hidrogênio, por meio de um gaseificador. Todavia, esse sistema ainda não foi implementado, visto que essa solução energética requer maiores informações sobre dimensionamento, instalação e operação [1]-[22].
Um estudo da Universidade de Brasília (UnB) avaliou diferentes topologias para a otimização do suprimento de energia para uma comunidade isolada no Tocantins. A otimização levava em conta o menor custo da energia (R$/kWh). Considerou-se um sistema formado por um arranjo fotovoltaico e por um banco de baterias (FV-Bat) e um sistema com a inserção de uma célula a combustível (FV-Bat-CaC). A análise mostrou que, no sistema FV-Bat-CaC, o custo da energia era de R$2,83/kWh, 16% maior em relação ao sistema sem a célula. Esse aumento estava associado principalmente ao custo do eletrolisador e do reservatório de hidrogênio em si [1]. Juntos, estes somavam 14% do custo total do projeto. Caso o custo desse conjunto se reduza a 6% do custo total, seu valor se equipara ao da bateria, viabilizando o armazenamento de energia na forma de hidrogênio. A Fig. 5 [1] mostra a influência de cada componente no custo do sistema.
Fig. 5. Custo percentual dos componentes do sistema
Os estudos de inserção de células a combustível em comunidades remotas ainda são embrionários, principalmente no que diz respeito à parte experimental, mas os resultados apontam para a viabilidade desta fonte de energia. Essa viabilidade se dará uma vez que se reduza o custo do eletrolisador e do reservatório de hidrogênio.
VI.ESTRATÉGIA DE RESPOSTA À DEMANDA (ERD) Nos sistemas de potência tradicionais, o planejamento do sistema consiste em realizar previsões de demanda e dimensionar a geração de modo a se adequar a essas previsões. Entretanto, este modelo ignora as possibilidades de eficientização energética e diferenciação dos consumidores em termos de quantidade e qualidade de energia elétrica. No conceito de ERD, em vez de se atender as necessidades dos consumidores indiscriminadamente, é a demanda que deve se adaptar aos máximos recursos de geração, sem comprometer atividades críticas, como o funcionamento de centros de saúde [23]. Dessa forma, os usuários da rede podem ser diferenciados de acordo com suas necessidades energéticas. Essa divisão pode se dar por meio de diferentes níveis de qualidade de energia elétrica.
Inúmeras são as possibilidades de diferenciação de consumidores. A mais comum, no entanto, é a de consumidor crítico e não crítico. Um usuário crítico é aquele cujo fornecimento de energia não deve ser interrompido, pois é primordial. Como exemplos, cabe citar instituições de saúde, prédios públicos e toda a infraestrutura de comunicação. Os consumidores não críticos são aqueles cujo perfil de demanda apresenta atividades que podem ser remanejadas para outros períodos. Além disso, o gerenciamento da demanda de consumidores não críticos pode ser definido em contratos de serviço entre os consumidores e o operador da rede [1]-[23]. Uma das estratégias do tipo ERD consiste em suavizar os picos de demanda. Por meio de ações específicas, algumas atividades podem ser executadas em outros horários, deslocando-se do horário de pico [24]-[26]. A Fig. 6 mostra uma curva de demanda antes e após a adoção de uma estratégia ERD.
Fig. 6. Curvas de demanda antes e depois da ERD (produção própria) Em São Francisco, EUA, a companhia de energia Pacific Gas and Electric (PG&E), por meio de programas de compensação, incentiva seus clientes a voluntariamente reduzir o consumo de energia nos horários de ponta. Com isso, espera-se que a confiabilidade total do sistema aumente e que se evitem expansões demasiadas na planta. Dentre algumas medidas sugeridas pelo programa, cabe destacar [24]-[26]:
Alterar a escala de trabalho em fábricas, deslocando os momentos de maior produção para horários fora-ponta;
Desligar toda a iluminação de caráter não essencial; Pré-resfriar ambientes antes do horário comercial
para reduzir o consumo dos aparelhos de ar condicionado;
Desligar o sistema de aquecimento de piscinas em dias mais quentes;
Carregar baterias e equipamentos movidos à bateria antes dos horários de pico.
Em comunidades isoladas, a ERD seria uma estratégia benéfica, uma vez que os recursos energéticos não estão disponíveis à revelia. Ademais, essa adequação envolveria diretamente a comunidade, uma vez que, para ser exitosa, requer mudanças de hábito e um forte compromisso por parte dos consumidores. Células a combustível SOFC, por serem fontes bem controláveis e responderem bem a mudanças de carga na geração estacionária, podem apresentar bons resultados em um programa ERD. Isso traria benefícios relativos à confiabilidade da rede e aos aspectos de qualidade de energia elétrica, como a continuidade de fornecimento. Outro benefício da ERD está associado à otimização do dimensionamento da GD e do sistema de armazenamento para essas localidades. Seguindo esta estratégia, a capacidade da GD deve obedecer à seguinte relação [23]-[24]:
∑ ∑ ∑ . (1) Em (1), está explícito que toda a potência da geração distribuída no instante t (∑ deve se igualar à potência demandada pela rede (∑ ) subtraída da demanda que pode ser reduzida por meio da estratégia ERD (∑ ). Além disso, em condições normais de operação:
∑ ∑ ∑ , (2)
Em que ∑ é a energia da GD no intervalo (t,t+T), ∑ é energia demandada no mesmo intervalo (incluindo as perdas) e ∑ é a capacidade do sistema de armazenamento. Em outras palavras, (2) explicita que o mecanismo de armazenamento de energia deve, no mínimo, ter capacidade de absorver as diferenças entre demanda e geração [1]-[23]-[24].
As expressões mostradas em (1) e (2) estão baseadas no algoritmo de otimização MOEA (Multi-objective evolutionary algorith). Com este algoritmo é possível, inclusive, estabelecer a localização ótima da GD e do sistema de armazenamento, de forma a minimizar os custos e as perdas técnicas [23]-[25].
VII.CONCLUSÕES
O fornecimento de energia para as comunidades isoladas é, além de um problema técnico e econômico, uma questão social e ambiental. Investir em formas alternativas de geração de energia é uma solução para o aprovisionamento em locais isolados sem a necessidade de expansão do sistema convencional. Os modelos atuais, baseados principalmente em geradores a diesel e outros combustíveis fósseis, além de serem pouco eficientes e apresentarem baixa qualidade de energia elétrica, são contrários à sustentabilidade, pois são extremamente poluentes e precisam ser repensados.
No Brasil e em outros países, investimentos estão sendo feitos em estudos com fontes renováveis para essas comunidades. A célula a combustível SOFC, uma dessas fontes, apresenta um bom desempenho para demandas diversificas, ainda mais com sua eletrônica de potência acoplada. Do ponto de vista da qualidade de energia elétrica, essa fonte seria uma boa escolha.
Os mecanismos de armazenamento de energia se fazem necessários em situações emergenciais e para equilibrar os montantes de geração e demanda. Dentro de alguns anos, espera-se que, no nicho do mercado de energia de comunidades isoladas, sistemas mais modernos, como o armazenamento em forma de hidrogênio se tornem mais atrativos.
Além das fontes alternativas e sistemas armazenadores, práticas como a ERD podem ser extremamente benéficas para o bom funcionamento de uma rede isolada. Elas priorizam consumidores críticos e, de certa forma, educam e envolvem os outros consumidores no sentido do uso consciente da energia.
Para o avanço e modernização desses sistemas situados em localidades remotas, são necessárias, ainda, políticas governamentais que impulsionem a pesquisa e o uso de fontes renováveis, bem como incentivos econômicos para a substituição das fontes fósseis tradicionais.
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