POTENCIAL ENERGÉTICO E VIABILIDADE ECONÔMICA NA CONVERSÃO DE ENERGIA DAS ONDAS E SOLAR EM ENERGIA ELÉTRICA EM UMA
PLATAFORMA DE PESCA
Raffaela Zandomenego1, Carla de Abreu D’Aquino2 1
Universidade Federal de Sant Catarina/raffaela.zan@hotmail.com
2,
Universidade Federal de Santa Catarina/Carla.daquino@ufsc.br
Resumo: As energias renováveis estão cada vez mais em foco tornando-se mais atrativas economicamente e auxiliando na diversificação da matriz energética brasileira. A proposta deste trabalho foi utilizar o software HOMER Energy para fazer uma comparação de viabilidade econômica entre duas tecnologias renováveis, a oceânica e a solar, que apresentam diferentes estágios de maturidade, aplicadas em uma plataforma de pesca. O programa permitiu a realização de uma simulação para a demanda de energia elétrica da Plataforma Entremares, localizada em Balneário Arroio do Silva (SC), projetada como um sistema isolado de microgeração de energia. Os resultados indicaram que, considerando o valor presente liquído (VPL), nenhuma alternativa se mostrou viável economicamente. Já considerando a geração de energia, as melhores configurações foram as realizadas com a coluna de água oscilante (CAO). A CAO demonstrou potencial para atender as duas cargas (plataforma e restaurante) e utilizou um número menor de baterias, além de gerar um excedente de energia. Como uma solução para tornar o projeto atrativo economicamente, o trabalho propõe a conexão à rede elétrica, conforme o sistema de crédito para a injeção de energia (Resolução Normativa 087/15). Isso representaria uma diminuição no número de baterias, no excesso de energia gerado, diminuindo assim, os custos do projeto e gerando receita. A proposta para instalação de uma CAO e de painéis fotovoltaicos na plataforma de pesca, além de ser uma alternativa em pequena escala, auxilia reduzindo a demanda por sistemas não renováveis que apresentam maiores impactos ambientais, a diversificar a matriz energética e evitar ou minimizar os efeitos de uma nova crise hídrica no país.
Palavras-Chave: Energia oceânica, energia solar, software Homer, simulação computacional, sistema isolado.
1 INTRODUÇÃO
A energia hídrica no Brasil representa atualmente 66% da capacidade de geração total, seguido por 28 % de térmica, de 4,5% a partir do vento e de 1,5% a partir de outras fontes (ANEEL, 2015); Essa predominancia no uso de fontes renováveis é uma grande vantagem brasileira, porém faz-se necessária a diversificação da matriz energética brasileira para garantir a segurança no fornecimento. No ano de 2014 ocorreu uma grave seca no sudeste do país que resultou em uma crise hídrica. Foi necessário recorrer às termoelétricas para garantir o fornecimento de energia elétrica, aumentando a demanda por carvão e o preço da energia final utilizada pelo consumidor. Com isso, o investindo em outras fontes de energia renovável se tornou mais interessante (BICUDO et al, 2014; WWF, 2015) e necessário. Diante deste cenário, este artigo procurou investigar uma alternativa em pequena escala para geração de energia. Com objetivo principal de estimar o potencial e a viabilidade econômica na conversão de energia oceânica e solar em uma plataforma de pesca de pesca no litoral de Balneário Arroio do Silva (SC).
2 METODOLOGIA
A plataforma de Pesca Entremares, Balneário Arroio do Silva - SC representa um local propicio para pesquisa e implantação de conversores de ondas e solar em
energia elétrica de pequena escala. No local a demanda de energia elétrica é composta pela carga da plataforma e pela carga do restaurante que fica na plataforma. Os dados de ondas utilizados neste trabalho foram apresentados por Zandomennego et al. (2015).
O software Homer Energy é um modelo computacional proposto pelo Laboratório Nacional de Energias Renováveis americano (National Renewabre Laboratory - NREL). O programa atua tanto na simulação quanto na otimização, a fim de minimizar o custo total presente líquido. A Figura 1 apresenta algumas combinações utilizadas no programa para cada componente do projeto. Os dados utilizados para a usina solar e de ondas com suas respectivas referências estão sumariados na Tabela 1.
A Tabela 2 mostra os dados utilizados para a turbina Wells, segundo o trabalho de Dalla Vecchia, et al (2016). Para atender a carga da plataforma e do restaurante foram testadas de 10, 15, 20, 30 e 40 kW. Os valores dos custos estão em dólares. A eficiência utilizada foi de 70,9% disponível em DIAS (2013). Para as cargas atendidas pelo sistema (plataforma de pesca e restaurante), foi utilizado um comportamento padrão oferecido pelo software Homer, sendo apenas ajustada a escala da carga total atendida para a realidade local conforme o trabalho de Antunes & Pfitscher (2016). Os valores utilizados para o restaurante, baseados nos valores de consumo mensal do local, como a média diária de 27,09 kWh/d, potência média de 1,13 kW, pico de 3,89 kW e fator de carga de 0,29. E para a plataforma, foram: média diária de 17,49 kWh/d, potência média de 0,73 kW, pico de 3,25 kW e fator de carga de 0,22.
Figura 1 - Esquemas de simulação no software Homer: a) energia das ondas e solar, b) somente solar, c) energia solar considerando a carga da plataforma, d) utilizando apenas a energia das ondas.
Fonte: do autor
Tabela 1- Dados utilizados usina de ondas e solar.
Solar Referência utilizada CAO Referência utilizada Capital Inicial ($) 5300 NEOSOLAR, 2016 50000 SILVA, et al. 2014
Reposição ($) 5300 NEOSOLAR, 2016 40000 SILVA, et al. 2014 O&M 1% ao ano NAKABAYASHI, 2015 $2500 SILVA, et al. 2014 Vida útil 25 anos NEOSOLAR, 2016 21 anos SILVA, et al. 2014 Capacidade 1,5 kW NEOSOLAR, 2016 11,4 kW SILVA, et al. 2014
Tabela 2- Dados da Turbina Wells. TURBINA WELLS
Available head (m) 3 Altura de queda disponível Design flow rate (L/s) 437,0 Vazão nominal da turbina Minimun flow ratio (%) 0 Vazão mínima
Maximum flow radio (%) 110 Vazão máxima permitida antes do desligamento Efficiency (%) 70,99 Eficiência total do conjunto turbina-gerador Power nomination (W) 73,67 Potência nominal
Pipe head loss (%) 21,47 Perda de atrito na tubulação expressa como uma porcentagem da altura de queda Fonte: DALLA VECCHIA, 2016.
Segundo Antunes & Pfitscher (2016), a quantidade de baterias (12V) necessárias para atender a plataforma seria de 10 baterias com profundidade de descarga de 80% podendo ter autonomia de 24 horas, com uma capacidade de 150 Ah. Mas, como no calculo do autor não levou em consideração a carga do restaurante foi necessário aumentar a quantidade de baterias. Os dados de radiação solar foram conseguidos por meio do próprio software que obtém os valores da NASA, de acordo com a longitude e latitude do local. Para entrada dos dados de ondas, foi necessário adaptar para que os valores de altura significativa fossem transformados em valores de vazão, uma vez que o software só apresenta um modulo para energia hídrica (ZANDOMENEGO, 2016).
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figuras 2 mostra os valores de saída de potência solar, os picos de potência apresentam-se bem espaçados no tempo, chegando a alcançar o valor de 8 kW. Na Figura 3, estão os dados de potência de saída da turbina hidráulica baseada nos valores de vazão. Observam-se variações entre 1 kW e 6 kW, com máximos que não ultrapassam os 9 kW, refletindo as perdas do sistema, bem como as adaptações feitas para o projeto com relação à equação de potencial de ondas para vazão. Conforme o trabalho de Zandomennego, et al. (2015) os picos de potência com base na altura significativa estão entre 1 kW a 8 kW, com máximas chegando até 18 kW.
A potência média de saída no software é de 2,42 kW, o que representa 73,3% da potência calculada com base na altura significativa (3,30 kW). Já a capacidade nominal de 9,13 kW do sistema projetado no software representa 93,07% da capacidade nominal mostrada por Silva, et al. (2014), que foi de 9,81 kW, mostrando que os valores que foram utilizados para a turbina estão corretos. A Tabela 3 apresenta os resultados de seis simulações. Para melhor representar o custo do ciclo de vida de um projeto e analisar qual o sistema com melhor custo-benefício, o software Homer Energy se baseia no custo
presente líquido total (NPC – Net Present Cost). O NPC total condensa todos os custos e receitas que ocorrem dentro do tempo de vida do projeto em um único montante fixo, usando a taxa de desconto. Quanto menor o NPC melhor é o investimento no projeto. O valor de custo presente líquido difere do valor presente liquido (VPL) apenas pelo sinal. Quando o VPL é igual à zero, o projeto se torna indiferente, se for maior que zero o projeto é viável e se for menor que zero o projeto não é atrativo economicamente (HOMER ENERGY, 2016).
Os casos C1 e C4 foram insuficientes não atendendo as duas cargas (plataforma e restaurante). No caso C2, com apenas a carga da plataforma, verificou-se que a coluna de água oscilante gera potência suficiente para atender a plataforma, utilizando apenas 16 baterias com uma autonomia de 13 horas. Em seguida, o caso C3, acrescentando painéis fotovoltaicos e atendendo a plataforma e o restaurante. Obteve-se melhor resultado para um módulo de 10 kW, porém com 80 baterias. Embora a autonomia apresentada seja maior (31 horas), o custo-benefício de US$ 485918,00 aponta inviabilidade para o projeto. Em seguida, o caso C3, acrescentando painéis fotovoltaicos e atendendo a plataforma e o restaurante. Obteve-se melhor resultado para um módulo de 10 kW, porém com 80 baterias. Embora a autonomia apresentada seja maior (31 horas), o custo-benefício de US$ 485918 aponta inviabilidade para o projeto.
Figura 2 - Gráfico da potência de saída do módulo.
Fonte: do autor
Figura 3 - Gráfico da potência de saída da CAO.
Tabela 3 - Configurações encontradas. Caso CAO (kW) Módulo Solar (kW)
Bateria (Quantidade) Conversor
(kW) CARGA NPC (U$) Excesso
C1 9.139 - - 15 Plataforma+restaurante Insuficiente C2 9.139 - 16 (autonomia: 13 horas) 15 Plataforma 403882,00 69,3% C3 9.139 10 80 (autonomia: 31 horas) 15 Plataforma+restaurante 485918,00 41,6% C4 - 10 - 15 Plataforma+restaurante Insuficiente C5 - 40 80 (autonomia: 66 horas) 15 Plataforma 228147,00 43,7% C6 2 x
9.139 - 40 (autonomia: 15 horas) 15 Plataforma+restaurante 419682,00 64,1% Fonte: do autor.
A simulação C5 envolveu um módulo fotovoltaico, atendendo apenas a plataforma. Foi necessário 40 kW e 80 baterias, com autonomia de 66 horas, porém observou-se o menor custo-benefício. Esta simulação se comparada com a C3, apesar do mesmo número de baterias possibilitou uma autonomia maior. Como os sistemas isolados apresentam limitações quanto ao mínimo de geração, isso pode acarretar na diminuição da eficiência (EPE, 2014) e por isso o dimensionamento no caso do módulo C5 foi maior do que o dimensionado no caso C3. O ultimo caso apresentado C6, objetivou atender a plataforma e o restaurante, considerando então a implantação de duas CAO. Essa simulação mostrou resultado satisfatório, com 40 baterias e autonomia de 15 horas. Em termos de VPL, todas as simulações resultaram em valores negativos, ou seja, não sendo atrativos economicamente no momento. O melhor projeto em termos de VPL foi a simulação C5, com somente o módulo fotovoltaico e a carga da plataforma.
Para um sistema conectado a rede, segundo Duizit (2015), o valor presente líquido seria de R$ 20558 ao longo de 25 anos, o que corresponde a US$5873 (cotação dólar 3,50). Muito diferente do que o encontrado no projeto, o que se atribui a proposta de um sistema isolado. Um fator importante que tornou o investimento não atrativo e não lucrativo foi a quantidade de baterias para armazenamento de energia.
Já em termos de geração de energia, o melhor resultado encontrado foram as simulações C2 e C6, as quais atendem as duas cargas (plataforma e restaurante). E geraram maior excedente de energia, utilizando um número menor de baterias. Nestes casos, se os sistemas fossem conectados a rede, poderia se obter bônus conforme Resolução Normativa 087/15 da ANEEL. O que é uma alternativa viável para o caso estudado, permitindo assim investir em um sistema que consiga atender as duas cargas (plataforma e restaurante).Segundo Assis, et al. (2013), os projetos utilizando a coluna de água oscilante, sendo um dispositivo ainda em fase inicial de desenvolvimento, só seriam rentáveis se os custos de investimento não ultrapassarem US$ 4030 por kW instalado. O que nos casos C2 e C6 se mostrou verdadeiro, uma vez que o VPL indicou a não
rentabilidade. O maior componente responsável pela inviabilidade do projeto foi a coluna de água oscilante, que embora tenha uma boa produção de energia, exige alto custo de instalação e operação, estando de acordo com o verificado por Assis, et al. (op cite).
4 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Para realizar a comparação dos sistemas de geração de energia solar e de ondas foram simuladas uma série de combinações visando atender a carga da plataforma de pesca Entremares como um sistema isolado. As simulações feitas com a coluna de água oscilante (CAO) mostraram que a mesma tem capacidade suficiente para atender a demanda das cargas utilizando um número menor de baterias. No entanto, apresentaram os VPL’s mais negativos. A potência de saída da turbina encontrada pelo software foi de 2,4 kW contra 3,3 kW encontrados pelo calculo de potência em função da altura significativa. A potência encontrada pelo software representa 73,3% da potência encontrada em função da vazão, o que se explica pelas perdas do sistema que chegam a 21,4% como também pelas adaptações feitas no projeto. O melhor cenário, considerando o VPL, foi o módulo solar fotovoltaico atendendo somente a plataforma de pesca, mas utilizando um número muito grande de baterias. Esse ponto negativo, porém, apresenta uma solução viável através da conexão do sistema à rede elétrica. O sistema de crédito para a injeção de energia na rede elétrica é assegurado pela ANEEL com a resolução normativa 087/15, e possibilitaria uma diminuição do número de baterias, reduzindo também o custo de instalação do projeto. Desta forma, uma alternativa em pequena escala para o uso de energia fotovoltaica apresenta-se real e vem a favorecer o incentivo ao uso de energias renováveis, as quais estão em acordo com a diminuição dos impactos ambientais associados à geração de energia elétrica e favorecem a diversificação da matriz energética. O software Homer energy se mostrou eficiente ao simular o sistema de energia das ondas através de uma adaptação de equações, uma vez que ele não é projetado para tal finalidade. O uso da CAO mostrou bom potencial de geração de energia incentivando as soluções em pequena escala, seja em sistemas isolados ou conectados a rede, indicando a necessidade das distribuidoras de energia em se adequar as novas possibilidades do mercado.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos ao professor Elírio E. Toldo Junior o qual cedeu gentilmente os dados de onda utilizados. A plataforma de pesca Entremares pelas informações e pela colaboração com o projeto. E ao colega de pesquisa Leonardo C. Dalla Vecchia.
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