COMPARATIVO ENTRE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
VERSUS EXTENSÃO DE REDE, APLICADO EM CASO CONCRETO
DE UMA COMUNIDADE CARENTE E REMOTA
Rafael Pimenta Mesquita
Teófilo Miguel de Souza
André Fava Gastaldi
Centro de Energias Renováveis - Unesp - Guaratinguetá
Av. Ariberto Pereira da Cunha, 333 - Bairro Pedregulho
12516-410 Guaratinguetá - SP
E-mail: teofilo@feg.unesp.br
Resumo
No trabalho considerou uma comunidade rural carente e desprovida de energia elétrica. Foram analisados e comparados dois métodos de levar energia a esta população: energia solar fotovoltaica e extensão das linhas de transmissão da concessionária.
Realizou-se um estudo sobre o sistema fotovoltaico bem como tipos de baterias elétricas, controladores de cargas, painéis fotovoltaicos e inversores. Houve também um levantamento sobre os custos de aquisição, instalação e manutenção do sistema fotovoltaico e do sistema convencional (extensão da rede da concessionária de energia). Por fim comparou os dois sistemas com relação aos custos.
Abstract
In the work observed a lacking rural community and without electric energy. They were analyzed and compared two approaches of lead energy to this population: Photovoltaic energy and stretch of the lines of transmission from the concessionaire.
It carried out himself a study about the photovoltaic system as well as electric kinds of batteries, controllers, panels fotovoltaicos and inversors. Had also a hoist about the costs of acquisition, installation and maintenance of the photovoltaic system and of the conventional system (stretch from the net from the concessionaire of energy). Finally compared the two systems regarding the costs.
1.Energia Solar
Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica. Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, através de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico.
O aproveitamento térmico para aquecimento de ambientes, denominado aquecimento solar passivo, ocorre através da absorção ou penetração da radiação solar nas edificações, reduzindo
as necessidades de aquecimento e iluminação. Melhor aproveitamento térmico da radiação solar pode ser feito com o auxílio de técnicas mais sofisticadas de arquitetura e construção.
O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito através do uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.), para o aquecimento de água. Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor. Neste último caso, pode-se gerar energia mecânica, com o auxílio de uma turbina a vapor, e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador de corrente elétrica.
A conversão direta da energia solar em energia elétrica ocorre através de efeitos da radiação (calor e luz) sobre determinados materiais, particularmente os semicondutores. Entre esses, destacam-se os efeitos termoelétrico e fotovoltaico. O primeiro caracteriza-se pelo surgimento de uma força eletromotriz, provocada pela junção de dois metais, em condições específicas. No segundo, os fótons contidos na luz solar são convertidos em energia elétrica, através do uso de células solares.
Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. No Brasil, o primeiro é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características climáticas, e o segundo, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica.
2.Energia Solar Fotovoltaica
O efeito fotovoltaico decorre da excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz solar (ou formas apropriadas de energia). Entre os materiais mais usados para a conversão da radiação solar em energia elétrica os quais são usualmente chamados de células solares ou fotovoltaicas, destaca-se o silício. A eficiência de conversão das células solares é medida pela proporção da radiação solar incidente na superfície da célula que é convertida em energia elétrica. As melhores células apresentam um índice de eficiência de 25% [Green et al, 2000]3.
A Figura 1 ilustra um sistema completo de geração fotovoltaica de energia elétrica.
O Painel Solar absorve a energia solar e a transforma em tensão elétrica contínua de 12V. O “Controlador de Carga” tem como principal função não deixar que haja danos na bateria por sobrecarga ou descarga profunda. O controlador de carga é usado em sistemas pequenos onde os aparelhos utilizados são de baixa tensão e corrente contínua (CC). A bateria de 12V armazena a eletricidade. O inversor converte a corrente contínua em corrente alternada para ser usada nos eletrodomésticos convencionais.
Fig.1: Sistema Completo de Geração Fotovoltaica de Energia
Para a geração de eletricidade em escala comercial e em áreas onde há energia elétrica o principal obstáculo tem sido o custo das células solares e o seu rendimento. Mas nos últimos anos estes custos têm caído e estudos estão sendo feitos para aumentar o rendimento das células solares de silício.
O desenvolvimento das aplicações da energia solar fotovoltaica teve uma motivação graças à necessidade de levar energia elétrica para as comunidades distantes das redes de distribuição. Já existem no Brasil vários programas de difusão dessa tecnologia, grupos de pesquisa e
desenvolvimento tecnológico. Entre os programas desenvolvidos podemos citar o “Programa Luz Solar” da CEMIG e também merece destaque o ”Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios - PRODEEM”, elaborado e posto em prática pelo Ministério de Minas e Energia. Estima-se que, atualmente, há cerca de 12 MWp instalados no país em sistemas isolados.
No Brasil, a inserção dos sistemas fotovoltaicos ocorreu no meio rural, em geral, através de iniciativas governamentais ou de concessionárias que financiam a instalação de sistemas fotovoltaicos autônomos como os Sistemas Fotovoltaicos Domiciliares e os Sistemas de Bombeamento de Água.
Mais recentemente, os sistemas fotovoltaicos vêm sendo utilizados integrados em telhados e fachadas de edificações. Nesse caso, temos que, além de consumidoras de energia, essas edificações passam a produzir energia, podendo, em algumas situações, verter o excedente à rede de distribuição de eletricidade. A edificação poderá consumir energia da rede ou do sistema fotovoltaico. No caso em que o consumo de energia for menor do que o proporcionado pelo sistema fotovoltaico, o excedente pode ser injetado à rede de distribuição.
O principal aporte dos sistemas fotovoltaicos para a sociedade é a geração de energia elétrica com níveis mínimos de emissões poluentes ao meio ambiente, e por se tratar de uma fonte inesgotável de energia.
Tecnicamente, esses sistemas se apresentam como concorrentes dos geradores elétricos convencionais; no entanto, essa concorrência ocorre em condições desfavoráveis para os sistemas fotovoltaicos porque a formação de preços não atribui nenhum valor à redução das emissões e a origem renovável.
É importante lembrar que a busca desses mecanismos de incentivo torna-se particularmente importante quando vemos que muitas das vantagens que os energéticos renováveis e não convencionais apresentam não produzem um retorno financeiro ao investidor propriamente dito, trazendo sim grandes benefícios à comunidade, a sociedade e ao meio ambiente. Como a energia solar fotovoltaica ainda possui custos elevados, para que possa continuar desenvolvendo-se é necessário estabelecer mecanismos capazes de viabiliza-la.
3.Energia Hidráulica
As características físicas do Brasil, em especial a existência de rios caudalosos, e as dimensões relativamente reduzidas das reservas de petróleo e carvão mineral, foram determinantes para a implantação de um parque gerador de energia elétrica de base predominantemente hidráulica. Segundo a ANEEL1, em 1999, o sistema elétrico brasileiro atingiu a marca de 64.700 MW de capacidade geradora instalada, incluindo metade da potência de Itaipu pertencente ao país. As hidrelétricas somavam 58.500 MW, correspondentes a uma participação percentual de 90%. As termelétricas convencionais, alimentadas com óleo combustível, óleo diesel e carvão, contribuíam com boa parte do restante.
O sistema elétrico brasileiro era composto até recentemente por dois grandes sistemas interligados, desconectados entre si, e por uma série de pequenos sistemas isolados, situados sobretudo na região Norte. As principais empresas das regiões Sul, Sudeste e Centro-Oeste formavam o sistema interligado de maior porte, atendendo cerca de 80% do mercado brasileiro de energia elétrica. O outro sistema interligado abrangia toda a região Nordeste e parte da região Norte, localizada no estado do Pará.
Em dezembro de 1998, os dois sistemas interligados foram conectados do ponto de vista elétrico com a entrada em operação da primeira etapa da interligação Norte-Sul: linha de transmissão em 500 kV, com pontos terminais nas subestações de Imperatriz, no Maranhão, e de Samambaia, no Distrito Federal. Além disso, já havia uma ligação energética entre os dois sistemas através do rio São Francisco.
No plano institucional, o sistema elétrico brasileiro vem passando por importantes transformações, em conformidade com uma política mais ampla de redução da presença empresarial do Estado na economia e de estímulo à competição em atividades virtualmente monopolizadas por empresas públicas.
As reformas do setor ganharam impulso com as privatizações das concessionárias federais e estaduais, a separação das atividades de geração, transmissão e distribuição, a licitação das concessões para expansão do sistema e a reformulação das entidades especializadas nas funções de regulação, planejamento da expansão, operação dos sistemas interligados e financiamento do setor.
4.Levando Energia à População Carente
Foi considerada uma população carente sem energia elétrica e longe das linhas de transmissão convencionais. Uma estimativa de consumo foi feita e através dela dimensionado os gastos desta família.
Em cada casa foram consideradas as seguintes cargas AC/120V: Três lâmpadas fluorescentes compactas de 9W
Um televisor 14” de 15W Um rádio de 5W
Assim foram analisados os dois sistemas fotovoltaico e convencional
4.1.ELETRIFICAÇÃO UTILIZANDO O SISTEMA FOTOVOLTAICO DOMICILIAR
A partir destes dados foram dimensionados os elementos do sistema fotovoltaico (Módulo Solar, Baterias, Inversores e Controladores).
Considerando que as 3 lâmpadas fluorescentes eram usadas 3 horas por dia em 7 dias da semana, a televisão 3 horas por dia em 7 dias da semana e o rádio 6 horas por dia em 5 dias da semana foram escolhidos dois painéis solares ligados em série com 50W de potência nominal cada um, duas baterias ligadas em paralelo com capacidade de carga de 150 Ah cada uma, um controlador de carga de 10 A/12V e um inversor de 120W - 12VDC/ 120VAC.
O custo estimado para a instalação do Sistema Fotovoltaico está apresentado na Tabela 1 abaixo:
Descrição Número de Unidades Custo
Módulo Solar Isofoton - I50 2 R$ 1.190,00
Bateria Moura 150 Ah 2 R$ 280,00
Controlador Morningstar SS10 1 R$ 280,00
Inversor 12VDC/110AC modelo150 1 R$ 360,00
Tabela 1:Custos relativos ao investimento inicial
A tabela confirma um custo total de R$3.930,00. Este valor a princípio parece alto, mas se levar em consideração que a garantia dos mesmos são de 20 anos isto se resume a R$196,50 por ano, o que daria R$16,38 por mês. Já existem concessionárias de Energia Elétrica implantando o sistema de energia elétrica e cobrando dos moradores uma quantia equivalente à tarifa cobrada para consumidores de baixa renda como, por exemplo, o projeto Luz Solar da CEMIG.
Os moradores foram treinados para uma eventual troca de baterias, limpeza dos módulos e algumas eventualidades.
Como o sistema instalado não suportava o uso de chuveiros elétricos foi proposto o uso de aquecedores solares populares que tem um custo total menor que R$300,00.
4.2. ELETRIFICAÇÃO ATRAVÉS DA EXTENSÃO DA REDE CONVENCIONAL
As linhas de distribuição no meio rural podem ser trifásicas ou monofásicas dependendo da carga a ser alimentada e das perspectivas de expansão do sistema mas como as necessidades energéticas do consumidor rural de baixa renda são pequenas e, por haver pouca ou nenhuma perspectiva de aumento da demanda de energia elétrica devido aos fatores sócio-econômicos, o modelo mais utilizado para as linhas de distribuição é a linha Monofásica com Retorno por Terra (MRT- Alumínio). Os critérios utilizados pela Companhia Energética são que o comprimento máximo utilizando o transformador de 5 kVA é de 32 km para MRT-Alumínio.
Como a comunidade situava-se longe das linhas de transmissões existentes, foi feito um levantamento do custo das torres ou postes para a transmissão, transformadores e os cabos. Os valores utilizados para o cálculo dos custos de extensão da rede estão colocados na Tabela 2, que indica uma média de preços obtidos.
Descrição Custo (R$)
LD MRT, alumínio/Km
BT/km , monofásica - Fase-Neutro BT - 1vão + 1 poste (monofásica) SE (subestação) +5 kVA Monofásica
10.392,64 16.417,78 857,66 3.259,61 Tabela 2. Valores médios oferecidos pelas cooperativas de eletrificação rural
Para obter o custo domiciliar pela extensão da rede, utilizam-se os critérios técnicos definidos pela companhia energética para a elaboração de projetos de eletrificação rural. Estes critérios indicam que são 8 o número de propriedades por km, 0,5KVA por domicílio doméstico, 5 consumidores por transformador e 20 postes por km BT.
Assim foram considerados comunidades com 50 domicílios atendidos numa distância de 1km, 5km e 10km da rede elétrica. Os resultados encontram-se na Tabela 3.
Número de domicílios Distância da rede elétrica Custo Total por Domicílio
50 1km 1.717,45
50 5km 2.548,90
50 10km 3.588,16
Tabela 3: Custo domiciliar da eletrificação rural convencional
Além destes custos consideramos também que com este sistema os moradores teriam que pagar uma quantia equivalente à conta de luz cujo valor está em torno de R$20,00.
4.3.Comparativo Entre Energia Solar Fotovoltaica Versus Extensão de Rede
Como foi mencionado, a maior limitação na utilização da energia fotovoltaica consiste no custo de aquisição e instalação de tais sistemas. Sendo assim, os módulos fotovoltaicos, por serem ainda muito caros, são recomendados apenas para baixos níveis de consumo. Por isso, a grande aplicação da energia solar fotovoltaica está, ainda, restrita ao atendimento de locais remotos ou áreas de difícil acesso, distantes da rede elétrica. Nestes casos, o alto custo associado à extensão da rede convencional justifica o investimento inicial nesta fonte de energia.Em locais que já possuam atendimento via rede elétrica, certamente será bem mais vantajoso economicamente continuar utilizando a rede, uma vez que a energia solar fotovoltaica apresenta custos muitas vezes mais elevados do que a energia convencional. Caso a localidade não tenha atendimento via rede elétrica, será necessário ainda conhecer as condições do recurso solar da região para verificar a viabilidade do projeto.
Agradecimentos:
Os autores agradecem as Baterias Delphi, a AVANT, a PROTEC e WB
Eletro-Eletrônica pelas doações. Também a PROEX-UNESP pela Bolsa PAE.
Referências:
[1] AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL; Atlas de energia elétrica do
Brasil; ANEEL; Brasília; 2002.
[2] CENTRO DA MEMÓRIA DA ELETRICIDADE NO BRASIL; Panorama do setor de energia
elétrica no Brasil; Rio de Janeiro; 1988.
[3] GREEN, M. A.; K. EMERY; D. L. KING; S. IGARI; W. WARTA; Solar Cell Efficiency Tables
(Version 16).Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 8, p. 377-384, 2000.
[4] CENTRO DE REFERÊNCIA PARA A ENERGIA SOLAR E EÓLICA SÉRGIO DE SALVO BRITO (CRESESB); Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos; Rio de Janeiro: Centro de Pesquisas em Energia Elétrica – CEPEL; novembro de 1999.
