ISSN 2318-8014
ENERGIA FOTOVOLTAICA - UM ESTUDO DE CASO EM UM ESTABELECIMENTO COMERCIAL
Jenaê Vieira
a,*; Natália Pinto de Azevedo
a; Andréa Ucker Timm
b; Raquel Finkler
ba) Graduando em Engenharia Civil. Centro Universitário da Serra Gaúcha.
b) Professora do Centro Universitário da Serra Gaúcha.
Informações de Submissão
bandrea.timm@fsg.br Rua Marechal Floriano, 1229 - Caxias do Sul -
RS - CEP: 95020-371
Resumo
O presente artigo apresentará, primeiramente, um pouco da história e do desenvolvimento da energia fotovoltaica. Quais são os problemas da implantação deste “novo” sistema? Até que ponto é viável a instalação em residências e em prédios comerciais? Com base num estudo de caso, será apresentado as vantagens e desvantagens de um sistema de captação de energia solar doméstico. Será realizado também uma análise dos lugares onde há maior número de sistemas instalados.
Deste modo, será mostrada a importância não apenas desse método de energia limpa, mas também a relevância no novo quadro que o mundo está se inserindo. Para concluir, ainda será feito um comparativo entre os gastos do uso da energia elétrica nos moldes atuais com este que está sendo apresentado, apontando os pontos de vista e o resultado final, a curto e longo prazo, se é ou não viável a implantação.
Palavras-chave:
Energia fotovoltaica; Energia sustentável;
Energia limpa; Viabilidade.
1 INTRODUÇÃO
Uma das principais preocupações das grandes nações, crescente nos últimos anos, está
relacionada com a energia: a crise energética que está se instalando e a possível falta de
energia. Até então, as já conhecidas formas de obtenção de energia estavam fazendo o seu
papel relativamente bem, mas dados mais recentes mostram que o quadro está se tornando
preocupante. Isso porque a obtenção de energia dos países chamados industrializados é
baseada quase que completamente em recursos não renováveis e que impactam
demasiadamente no meio ambiente como o petróleo, o gás natural e as reservas de carvão
(SCHONARDIE, 2011). E esse é um dos principais motivos pelo qual a crise energética está
vindo à tona, a escassez desses recursos.
Não é de hoje que o mundo vem sendo alertado sobre o perigo da escassez da principal forma de obtenção de energia, que atualmente são os combustíveis fósseis. Segundo a BP (British Petroleum, 2015), desde 1973 vem ocorrendo gradativos aumentos nos custos da extração do petróleo, e isso envolve não um, mas diversos fatores, como, por exemplo, o político. A industria petrolífera é um setor da economia bastante instável. A crise que se instalou nessa época e em outras datas são fortes exemplos disso. E os anos que seguiram após 1973, até hoje, foram tempos de busca por formas de obtenção de energia limpa e renovável.
O mundo tentou, a partir de então, formar um compromisso para que sua produção energética tomasse outro rumo. Nesse sentido, o Brasil iniciou pesquisas e estudos para que seu mercado deixasse de ser tão dependente dos demais países produtores. A partir desse ponto foram criadas no Brasil mais hidrelétricas, começaram a fazer estudos sobre a extração do petróleo em águas profundas e uma pequena parcela tomou conta de estudar sobre combustíveis renováveis. Segundo a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), em setembro de 2003 existiam 412 usinas em operação no Brasil, com capacidade instalada de cerca de 4.200,00 MW e gerando energia elétrica a partir do óleo diesel, derivado do petróleo (ANEEL, 2016).
Considerando que o petróleo é um recurso não renovável e que o desenvolvimento da sociedade é necessário, é importante estudar formas de obtenção de energia alternativas.
Atualmente, vem sendo desenvolvidas uma série de estudos sobre a implementação de energias limpas como a eólica, maremotriz, entre outras. Neste sentido, o presente trabalho busca um estudo preliminar da viabilidade financeira de implantação de um sistema fotovoltaico para geração de energia em uma residência.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
O planeta Terra é capaz de produzir diariamente quantidades imensuráveis de energia
limpa e gratuita. Entre essas encontra-se a energia fotovoltaica, que nada mais é, do que a
energia elétrica gerada através dos raios solares. O termo “fotovoltaica” é oriundo da junção
de duas palavras, que são: “foto”, proveniente do grego e significa luz; e “voltaica”, que vem
de volt, a unidade usada para medir o potencial elétrico (AMÉRICA DO SOL - NOSSO
PROJETO, 2016).
2.1 Origem e desenvolvimento da energia fotovoltaica
No percurso do desenvolvimento das células de energia fotovoltaica, pode-se destacar os seus primeiros vestígios no ano de 1839, quando Edmond Becquerel verificou que placas metálicas, de platina ou prata, quando submergidas em um eletrólito, produziam uma pequena diferença de potencial ao serem expostas à luz (FLOOD, 1986 apud VALLÊRA e BRITO, 2006).
Posteriormente, W. G. Adams e R. E. Day, em 1877, desenvolveram o primeiro dispositivo sólido de produção de eletricidade por meio da exposição à luz solar. Os inventores norte-americanos, utilizaram um filme de Selênio depositado em um substrato de ferro e com um segundo filme de ouro, semitransparente, que servia de contato frontal. Tal dispositivo, no entanto, não foi capaz de gerar alta eficiência de conversão, sendo de apenas 0,5%. Mesmo assim, no final do século XIX, Werner Siemens, engenheiro alemão, investiu no comércio das células de Selênio, usando-as como fotômetros para máquinas fotográficas (VALLÊRA e BRITO, 2006).
No entanto, foi apenas depois dos relevantes desenvolvimentos científicos da primeira metade do século XX, que de fato nasceu a energia solar elétrica. Vallêra e Brito (2006), relatam detalhadamente a história da primeira célula solar de Silício:
Começou em Março de 1953 quando Calvin Fuller, um químico dos Bell Laboratories (Bell Labs), em Murray Hill, New Jersey, nos Estados Unidos da América, desenvolveu um processo de difusão para introduzir impurezas em cristais de silício, de modo a controlar as suas propriedades elétricas (um processo chamado
“dopagem”). Fuller produziu uma barra de silício dopado com uma pequena concentração de gálio, que o torna condutor, sendo as cargas móveis positivas (e por isso é chamado silício do “tipo p”). Seguindo as instruções de Fuller, o físico Gerald Pearson, seu colega nos Bell Labs, mergulhou esta barra de silício dopado num banho quente de lítio, criando assim na superfície da barra uma zona com excesso de elétrons livres, portadores de carga negativa (e por isso chamado silício do “tipo n”).
Na região onde o silício “tipo n” fica em contato com o silício “tipo p”, a “junção p- n”, surge um campo elétrico permanente. Ao caracterizar eletricamente esta amostra, Pearson verificou que produzia uma corrente elétrica quando a amostra era exposta à luz. (VALLÊRA e BRITO, 2006)
No decorrer do aprimoramento das células, obstáculos foram surgindo, como a dificuldade em soldar contatos elétricos ao material. Calvin Fuller fez testes usando uma difusão de fósforo e só conseguiu obter mais estabilidade. Então, substituiu o Gálio pelo Arsênio (formando um substrato do tipo n), seguido por uma difusão de boro (formando uma zona do tipo p à superfície), fazendo com que as novas células gerassem eficiência recorde de 6% e fossem facilmente soldadas. Na Figura 1 Calvin Fuller, em seu laboratório, está trabalhando em uma célula solar (VALLÊRA e BRITO, 2006).
Figura 1: Calvin Fuller prepara uma amostra de silício dopado com arsénio para a colocar num forno de difusão de modo a criar uma junção p-n.
Fonte: Vallêra e Britto (2006).
2.2 A energia fotovoltaica da atualidade
Atualmente, os módulos fotovoltaicos tiveram um avanço significativo. Existem painéis fabricados de diversos materiais, e o mais conhecido deles e mais comercializado é o de sílica. Os painéis encontrados para comercialização no mercado são os que têm a eficiência energética girando em torno de 16%. Podem ser encontrados, também, desse mesmo material, painéis com eficiência de até 22%. Lembrando que, para que os painéis atinjam a eficiência especificada pelo fabricante, as determinações de instalação do mesmo devem ser seguidas conforme os manuais, respeitando principalmente o ângulo de inclinação dos módulos. Um erro comumente cometido dentre os instaladores pouco informados é a orientação quanto o posicionamento dos módulos.
A seguir, a Figura 2 mostra o índice de radiação solar especificamente do Rio Grande
Sul, a cor amarela indica que a incidência solar nesta região é intermediária (UNEP, 2015).
Figura 2: Incidência de energia fotovoltaica na região Sul do Brasil.
Fonte: UNEP (2015).
Segundo a UNEP (2015), o estado do Rio Grande do Sul está em uma região onde a radiação solar varia entre 4,5 e 5,5 kW/m²/dia. A área onde a cidade de Caxias do sul está inserida tem uma radiação que fica entre 4,5 e 5,0 kW/m²/dia.
Em termos globais os três principais mercados de tecnologia em energia fotovoltaica é o chinês, seguido pelo Japão e Estados Unidos, já Alemanha, Itália e Bélgica são os países líderes em tecnologia fotovoltaica por habitante. O mercado alemão é o maior produtor mundial desse tipo de energia, gerando uma contribuição de quase 6% (seis por cento) da sua demanda de eletricidade (ENERGIA SOLAR, 2016). A Alemanha apresenta bons resultados de suas políticas direcionadas ao uso de fontes renováveis de energia, uma vez que possui uma das regulamentações mais rígidas da União Européia, o país tem apresentado um mercado solar marcado pela qualidade de serviço e pela competitividade (CABRAL et al., 2013).
No final de 2014, mais de 178 GW foram instalados mundialmente, demonstrando um relevante crescimento. Neste ano, observou-se ainda um perfeito equilíbrio de mercado, em que instalações de grande porte, como por exemplo, usinas solares, e a geração distribuída, caracterizada pelas instalações em telhados residenciais e empresarias, supriram demandas de diferentes necessidades, de forma limpa e renovável (ENERGIA SOLAR, 2016).
No Brasil, por sua vez, os investimentos em energia solar são significativamente menores, muito embora, o potencial solar brasileiro seja muito maior do que nos países Europeus. Enquanto que a Europa possui instalados 88 GW de energia fotovoltaica, o Brasil ainda está com menos de 1 GW. O mapa da Figura 3 (LABSOL, 2015) mostra as diferenças nos índices de insolação entre o Brasil e os países Europeus.
Segundo Flanagan e Cunha (2002), para que fosse amenizada a falta de acesso à
energia elétrica em várias regiões brasileiras, iniciativas envolvendo sistemas fotovoltaicos
para o sistema elétrico rural foram desenvolvidas em parceria com concessionárias de energia
e instituições. Destacam-se entre elas o Programa Luz Solar, desenvolvido em Minas Gerais;
o Programa Luz do Sol, na Região Nordeste; e o Programa Luz no Campo, de abrangência nacional.
No entanto, o primeiro projeto que de fato veio à uso em âmbito nacional foi o Programa de Desenvolvimento Energético de Estados e Municípios (PRODEEM), sendo considerado um dos maiores programas de eletrificação rural utilizando sistemas fotovoltaicos nos países em desenvolvimento (VARELLA et al., 2008).
Figura 3: Comparação dos índices de incidência solar no Brasil e na Europa.
Fonte: LabSol (2015).
2.3 Funcionamento do sistema de energia solar fotovoltaico
Para facilitar o entendimento a respeito do funcionamento da energia solar obtida através de painéis ou células fotovoltaicas, diz-se que o processo que ocorre nas mesmas, nada mais é do que a movimentação dos elétrons presentes no material semicondutor, assim que a luz solar incide sobre a célula, fazendo com que ocorra a geração de energia elétrica.
Um detalhe a ser salientado, e que acaba por ser a dúvida de algumas pessoas que manifestam interesse em instalar este sistema em suas residências ou ambientes comerciais, é que células de energia fotovoltaica funcionam também em dias nublados, logo não pode-se associar o mau tempo a um possível mau funcionamento de tais.
2.3.1 Passo a passo do funcionamento fotovoltaico
sobre uma célula fotovoltaica, fazendo com que essa reaja e produza energia elétrica. As placas solares geram corrente elétrica contínua. Os painéis solares são conectados uns aos outros e então conectados ao inversor solar. Ressalta-se que cada distribuidora de energia possui normas e exigências para a conexão e o funcionamento do sistema fotovoltaico na rede elétrica. Observe o ponto de número 1 na Figura 4 (ENERGIA SOLAR, 2016).
Em um segundo momento, o inversor converte a corrente contínua em corrente alternada e, desse modo, faz o sincronismo da rede da concessionárias com a energia do inversor, tornando um só sistema para uso doméstico, empresarial, ou para os fins desejáveis.
O relógio de medição de energia é substituído por um medidor novo que mede a entrada e a saída de energia, logo tem função bidirecional. O ponto de número 2 na Figura 4 (ENERGIA SOLAR, 2016) representa o relógio bidirecional.
Em terceiro momento, tem-se a distribuição dessa energia. Logo, a energia que é liberada pelo inversor vai para o quadro de luz, sendo distribuída conforme a necessidade de utilização daquele determinado espaço. A energia que não for utilizada gera “créditos” que podem ser consumidos à noite ou em meses seguintes. Para cada kWh gerado em excesso, tem-se 1,0 crédito de kWh para ser utilizado. A regulamentação de tais créditos de energia é realizada pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica). Veja o ponto de número 3 na Figura 4 (ENERGIA SOLAR, 2016).
E por fim, tem-se a utilização da energia, conforme mostra a Figura 4 (ENERGIA
SOLAR, 2016). No ponto de número 4 é exemplificando uma utilização residencial, ou seja,
em aparelhos elétricos de uso doméstico.
Figura 4: Passo a passo do funcionamento da energia solar fotovoltaica.
Fonte: ENERGIA SOLAR (2016).
3 METODOLOGIA
Este trabalho foi desenvolvido a partir da necessidade de explicar e esclarecer essa tecnologia em ascensão que é a energia fotovoltaica. Para tanto, foi considerado um estudo de caso, a partir de um estabelecimento comercial, sendo este um mini mercado localizado na região da Serra Gaúcha, cidade de Caxias do Sul. O município de Caxias do Sul está localizado na região nordeste do estado do Rio Grande do Sul, entre as coordenadas UTM Zona 22S 479000, 6716000 e 521700, 6753000, abrangendo uma área de aproximadamente 1588 km² (CAXIAS DO SUL, 2006). Segundo Cargnelutti Filho et al. (2010) a insolação mínima é 4,72 horas.dia
-1para o mês de junho, enquanto a máxima é obtida no mês de dezembro e igual a 7,20 horas.dia
-1.
O estabelecimento considerado neste estudo possui, entre outros equipamentos, sete
refrigeradores, máquinas registradoras, balanças, etc. A empresa responsável pelo
fornecimento de energia elétrica é a Rio Grande Energia (RGE) e o consumo médio mensal
do estabelecimento é de 1700 kW. Além disso, o estabelecimento conta com uma área de
aproximadamente 291 m² de telhado, para possível instalação do sistema de energia
fotovoltaica, e a posição do mesmo é norte.
informações gerais sobre a energia fotovoltaica. Bibliografias também auxiliaram, de maneira geral, a dar embasamento teórico ao trabalho. Entrevistas com instaladores desse sistema deram maior comunicabilidade entre o trabalho e até mesmo o público leigo no assunto.
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Segundo estudos, para a capacidade citada anteriormente (média de 1700 kW por mês), os painéis fotovoltaicos com o melhor custo-benefício encontrados no mercado são os de 250 W de potência. Este não é um valor absoluto, ou seja, ele não corresponde à verdadeira capacidade de absorção de energia, como o explicado nos tópicos anteriores.
Pensando no estudo do caso, o que importa agora são as contas, ou seja, a demanda de energia elétrica. As placas fotovoltaicas de 250 W de potência têm, em média 85% de eficiência, especificada pelo fabricante. Sendo assim, no final de um mês, considerando uma média de insolação de 6 horas.dia
-1, para a cidade de Caxias do Sul, tem-se o equivalente à aproximadamente 38 kW por mês. Esse valor pode variar de acordo com os meses do ano.
Apenas com esses dados, poderíamos concluir que seria necessário ter um sistema com potência instalada de aproximadamente 10 kW, o que significa que usaríamos cerca de 43 painéis fotovoltaicos.
Para a análise dos custos, será considerado o valor do dólar em média R$ 3,90, pois essa tecnologia é toda importada. Sendo o custo de cada painel de R$ 1.200,00, o custo total será de cerca de R$ 52.000,00 para os 43 módulos. Após a realização desse cálculo, o sistema ainda precisa dos inversores, que têm a função de fazer com que a energia captada possa ser utilizada. Para que tenha um bom desempenho, será usado três inversores de 5000 W cada.
Eles custam, em média, R$ 6.000,00, totalizando um montante de R$ 18.000,00. Os gastos com os suportes do sistema, nesse caso, não somam um valor considerável, tendo em vista que a construção que o receberá já possui uma estrutura reforçada para isso; e a mão de obra também não foi contabilizada, já que dependerá da empresa que o contratante preferir e se trata de uma análise prévia de viabilidade.
Enfim, chega-se ao valor final dos custos. Para que o sistema atenda 100% da
demanda de energia gasta ao longo do mês, o proprietário do estabelecimento terá de
desembolsar, apenas em equipamentos, aproximadamente R$ 70.000,00. Na Tabela 1, abaixo,
são apresentados os gastos dos equipamentos necessários para a instalação do sistema.
Considerando o investimento que precisará ser realizado, o comerciante levará em torno de 7 anos para começar a apresentar retornos financeiros, considerando a atual quantia paga para a empresa fornecedora de energia elétrica e condições climáticas.
O comerciante, ainda, poderá contar com as novas regras do governo do estado do Rio Grande do Sul, estabelecida a partir do dia 01 de junho de 2016, de incentivo à utilização de energias limpas. O Decreto Estadual nº 52.964 estabelece a isenção do ICMS sobre a mini e microgeração de energias limpas, entre elas a solar, . A unidade microgeradora poderá ter uma potência instalada de até 100 kW, enquanto a mini poderá ter capacidade para produzir até 1 MW. Além de não haver mais a incidência da alíquota de 30% do imposto sobre a energia produzida em uma residência e/ou estabelecimentos comerciais, esse abatimento também valerá para eventuais sobras de energia que seja colocada na rede elétrica, o que permite ao cliente que está gerando obter créditos para serem gastos durante um determinado prazo, estabelecido pela sua distribuidora (AMBIENTE ENERGIA, 2016).
Tabela 1 – Tabela resumida dos gastos e equipamentos.
