Estudos elétricos para avaliação do impacto da geração na rede distribuída e na formação de microrredes

Texto

(1)ESTUDOS ELÉTRICOS PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO E NA FORMAÇÃO DE MICRORREDES. Bruno de Paula da Rocha. Projeto de Graduação apresentado no Curso de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro.. Orientadora: Carmen Lucia Tancredo Borges.. Rio de Janeiro Junho de 2010.

(2) ESTUDOS ELÉTRICOS PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO E NA FORMAÇÃO DE MICRORREDES. Bruno de Paula da Rocha. PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS. PARA A OBTENÇÃO. DO. GRAU. DE. ENGENHEIRO. ELETRICISTA.. Aprovada por: ______________________________________ Profa. Carmen Lucia Tancredo Borges, D. Sc. (Orientadora). ______________________________________ Prof. Glauco Nery Taranto, Ph. D.. ______________________________________ Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D. Sc.. RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL JUNHO DE 2010.

(3) Rocha, Bruno de Paula da Estudos Elétricos para Avaliação do Impacto da Geração Distribuída na Rede de Distribuição e na Formação de Microrredes/ Bruno de Paula da Rocha. – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2010. XIII, 123 p. il.;29,7 cm. Orientadora: Carmen Lucia Tancredo Borges, D. Sc. Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Elétrica, 2010. Referências Bibliográficas: p. 120-123. 1.Geração Distribuída. 2.Microrredes. 3.Sistemas de Potência.. I.. Borges,. Carmen. Universidade. Federal. do. Rio. Lucia de. Tancredo. Janeiro,. Escola. Politécnica, Curso de Engenharia Elétrica. III. Título.. iii. II..

(4) Dedicatória Aos meus pais Carlos e Norma pelo esforço e dedicação em fornecer uma boa educação que serviram de base para meu desenvolvimento intelectual e profissional. À minha noiva Laiza que esteve sempre ao meu lado durante o curso de engenharia elétrica e o desenvolvimento deste trabalho.. iv.

(5) Agradecimentos Agradeço a todos os meus familiares, em especial ao meu pai Carlos e a minha mãe Norma, ao meu irmão Leonardo e a minha noiva Laiza pelo carinho, respeito nas horas de estudo e compreensão pela ausência em diversos momentos. Agradeço também aos profissionais e professores do Departamento de Engenharia Elétrica da UFRJ, em especial à professora Carmen e ao professor Glauco pelas contribuições para a realização deste trabalho, e aos amigos que fiz durante o curso de engenharia elétrica que contribuíram direta ou indiretamente para a minha formação.. v.

(6) Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.. ESTUDOS ELÉTRICOS PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DA GERAÇÃO DISTRIBUÍDA NA REDE DE DISTRIBUIÇÃO E NA FORMAÇÃO DE MICRORREDES. Bruno de Paula da Rocha. Junho/2010. Orientadora: Carmen Lucia Tancredo Borges. Curso: Engenharia Elétrica. Neste trabalho busca-se demonstrar os estudos elétricos exigidos pelas distribuidoras necessários para a avaliação dos impactos da conexão da geração distribuída (GD) nas redes de distribuição de energia elétrica, e também demonstrar a aplicação da GD como suporte a ilhas elétricas (microrredes). Para uma melhor compreensão, foi apresentada uma proposta de definição ao termo Geração Distribuída, as principais fontes e tecnologias aplicadas nesse formato de geração de energia, as vantagens e desvantagens desses sistemas, e também o quadro da geração de energia elétrica no Brasil e no Estado do Rio de Janeiro. A fim de esclarecer as políticas e os procedimentos de acesso às redes das distribuidoras, foi feita uma abordagem geral dos procedimentos de distribuição (PRODIST), definidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), e das normas técnicas elaboradas pelas próprias distribuidoras. Com relação à aplicação da GD como suporte a ilhas elétricas, foi apresentada uma definição do conceito de microrredes e especificadas as necessidades técnicas para esta aplicação. Para alcançar os objetivos deste trabalho, foram efetuadas análises estáticas e dinâmicas em um sistema elétrico de potência com GD, sendo avaliados os impactos da GD nos fluxos de potência, nos níveis de curto-circuito e na estabilidade do sistema. E também uma análise dinâmica da aplicação da GD em uma microrrede formada após a ocorrência de um curto circuito no sistema. vi.

(7) Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of the requirements for the degree of Electrical Engineer.. ELECTRIC STUDIES FOR EVALUATION OF DISTRIBUTED GENERATION IMPACTS IN DISTRIBUTION NETWORKS AND IN MICROGRIDS COMPOSITION. Bruno de Paula da Rocha. June/2010. Advisor: Carmen Lucia Tancredo Borges. Course: Electrical Engineering. This work aims to demonstrate the electric studies required by electricity distributors companies that are necessary for evaluate the impacts of distributed generation (DG) in distribution networks and to demonstrate the DG application in electrical islands (microgrids). For better understanding, a proposal was presented to define the term Distribution Generation, the main sources and technologies applied in this kind of power generation, the advantages and disadvantages of these systems, and also the power generation plant in Brazil and Rio de Janeiro. In order to clarify the policies and procedures for access the distributions grids, a general overview of the distribution procedures (PRODIST), defined by the National Electrical Energy Agency (ANEEL), was made, as well as of the technical standards developed by electricity distributors companies. Regarding the application of the DG in electrical islands, a microgrid definition was presented, as well as the technical requirements for this application. To achieve the objectives of this study, static and dynamic analysis were performed in an electrical power system with DG, considering the impacts of the DG on power flow, short-circuits levels and stability of the distribution grid. And also a dynamic analysis of the DG application in a microgrid resulting from a shortcircuit occurrence in the grid. vii.

(8) Sumário Lista de Figuras ................................................................................................xi Lista de Tabelas ...............................................................................................xii 1.. 2.. Introdução .................................................................................................. 1 1.1.. Estrutura do trabalho ............................................................................. 4. 1.2.. Revisão da literatura ............................................................................. 5. A Geração Distribuída................................................................................ 6 2.1.. Definição .............................................................................................. 6. 2.1.1.. Propósito ....................................................................................... 6. 2.1.2.. Localização.................................................................................... 6. 2.1.3.. Variação de potência ...................................................................... 7. 2.1.4.. Área de fornecimento de potência................................................... 7. 2.1.5.. Tecnologia ..................................................................................... 8. 2.1.6.. Impactos ambientais....................................................................... 8. 2.1.7.. Modo de operação.......................................................................... 8. 2.1.8.. Proprietário.................................................................................... 8. 2.1.9.. Penetração da GD .......................................................................... 8. 2.2.. Fontes e tecnologias aplicadas em geração distribuída ........................... 9. 2.2.1.. Motores de combustão interna ...................................................... 10. 2.2.2.. Turbinas a gás convencionais ....................................................... 10. 2.2.3.. Micro-turbinas a gás .................................................................... 11. 2.2.4.. Células Combustíveis................................................................... 13. 2.2.5.. Pequenas Centrais Hidrelétricas ................................................... 15. 2.2.6.. Energia Eólica ............................................................................. 16. 2.2.7.. Energia solar................................................................................ 18. 2.2.8.. Energia Geotérmica...................................................................... 21. 2.2.9.. Dispositivos de armazenamento.................................................... 22. 2.2.10.. Gás Natural.................................................................................. 23. 2.2.11.. Biomassa ..................................................................................... 24. 2.2.12.. Biogás ......................................................................................... 25. 2.3.. Aplicações .......................................................................................... 25 viii.

(9) 2.3.1.. Energia em espera (Stand-by) ....................................................... 25. 2.3.2.. Sistemas rurais e isolados (ilhas elétricas) .................................... 25. 2.3.3.. Geração na ponta ......................................................................... 26. 2.3.4.. Geração na base ........................................................................... 26. 2.3.5.. Co-geração .................................................................................. 26. 2.4.. Vantagens ........................................................................................... 27. 2.5.. Desvantagens ...................................................................................... 27. 2.6.. Geração no Brasil................................................................................ 28. 2.6.1. 3.. Geração no Estado do Rio de Janeiro............................................ 30. Política de Acesso às Redes das Concessionárias ..................................... 36 3.1.. PRODIST ........................................................................................... 36. 3.1.1.. Módulo 1 – Introdução ................................................................. 38. 3.1.2.. Módulo 2 – Planejamento da Expansão do Sistema de Distribuição38. 3.1.3.. Módulo 3 – Acesso ao Sistema de Distribuição ............................. 39. 3.1.4.. Módulo 4 – Procedimentos Operativos dos Sistemas de Distribuição 54. 3.1.5.. Módulo 5 – Sistemas de medição.................................................. 58. 3.1.6.. Módulo 6 – Informações requeridas e Obrigações ......................... 58. 3.1.7.. Módulo 7 – Cálculo de perdas na distribuição............................... 58. 3.1.8.. Módulo 8 – Qualidade da energia elétrica ..................................... 59. 3.2.. 4.. Estudos de solicitação de acesso exigidos pelas distribuidoras ............. 59. 3.2.1.. Análise estática – Fluxo de potência ............................................. 60. 3.2.2.. Estudos de curto-circuito – Níveis de curto-circuito...................... 61. 3.2.3.. Análise dinâmica – Estabilidade transitória .................................. 64. Microrredes .............................................................................................. 65 4.1.. Definição ............................................................................................ 66. 4.1.1. 5.. Necessidades tecnológicas para configuração de uma microrrede .. 67. Simulações ................................................................................................ 72 5.1.. Sistema elétrico de potência ................................................................ 73. 5.1.1.. Considerações para simulação ...................................................... 74. 5.1.2.. Dados elétricos ............................................................................ 75. 5.2.. Simulação dos estudos de solicitação de acesso ................................... 78. 5.2.1.. Análise estática – Fluxo de potência ............................................. 78. 5.2.2.. Estudos de curto-circuito – Níveis de curto-circuito...................... 84 ix.

(10) 5.2.3. 5.3.. Simulação da aplicação da GD na formação de microrredes ................. 99. 5.3.1. 6.. Análise dinâmica – Estabilidade transitória .................................. 88. Resincronização da microrrede................................................... 111. Análise dos resultados e conclusões........................................................ 117 6.1.. Análise dos resultados ....................................................................... 117. 6.2.. Conclusões........................................................................................ 119. 6.3.. Trabalhos futuros .............................................................................. 119. Referências Bibliográficas ............................................................................. 120. x.

(11) Lista de Figuras Figura 2.1: Estrutura Básica de um grupo motor-gerador (Fonte: Indel Indústria). ....................................................................................................... 10 Figura 2.2: Operação de turbinas a gás com ciclo combinado (Fonte: Furnas Centrais Elétricas)............................................................................11 Figura 2.3: Micro-turbina com recuperação de calor. .......................................... 12 Figura 2.4: Diagrama esquemático de uma micro-turbina. .................................. 12 Figura 2.5: Modelo conceitual de uma célula combustível. ................................. 14 Figura 2.6: Célula combustível. ......................................................................... 15 Figura 2.7: Aerogerador. .................................................................................... 17 Figura 2.8: Modelo conceitual de uma célula fotovoltaica (Fonte: CRESESB/CEPEL). ......................................................................... 19 Figura 2.9: Conjunto de painéis fotovoltaicos..................................................... 20 Figura 2.10: Capacidade mundial de sistemas fotovoltaicos entre 1995-2007. ..... 20 Figura 2.11: Esquema conceitual de produção de eletricidade a partir da energia geotérmica....................................................................................... 21 Figura 2.12: Banco de baterias de chumbo-ácido. ............................................... 22 Figura 2.13: Esquema de ligação de um sistema híbrido (eólico, solar e banco de baterias) de geração de energia elétrica conectado à rede de distribuição...................................................................................... 23 Figura 2.14: Capacidade de geração de energia elétrica no Brasil por tipo de usina. ....................................................................................................... 30 Figura 2.15: Capacidade de geração de energia elétrica no Rio de Janeiro por tipo de usina. .......................................................................................... 32 Figura 2.16: Capacidade de geração de energia elétrica no Rio de Janeiro por agentes de geração. .......................................................................... 33 Figura 3.1: Estrutura dos módulos componentes do PRODIST............................ 38 Figura 3.2: Fluxograma das etapas dos procedimentos de acesso. ....................... 39 Figura 3.3: Proteção mínima com dupla alimentação em Média Tensão (MT). .... 63 Figura 4.1: Componentes de uma microrrede. .................................................... 68 Figura 4.2: Diagrama esquemático dos elementos de conexão. ........................... 70 Figura 5.1: Sistema elétrico de potência (SEP). .................................................. 73 Figura 5.2: Caso base obtido no ANAREDE com a GD desconectada. ................ 80 Figura 5.3: Caso base obtido no ANAREDE com a GD conectada. ..................... 83 Figura 5.4: Curto-circuito aplicado na barra 15 do SEP....................................... 84 Figura 5.5: Resultados da simulação de conexão em paralelo da GD no SEP. ...... 93 Figura 5.6: Resultados da simulação de desconexão da GD no SEP..................... 98 Figura 5.7: Curto-circuito aplicado no SEP e destaque para a microrrede formada após o curto. ...................................................................................100 Figura 5.8: Resultados da simulação para a microrrede formada. .......................105 Figura 5.9: Resultados da simulação para o SEP resultante após a formação da microrrede. .....................................................................................110 Figura 5.10: Resultados da simulação para a resincronização da microrrede. .....116 Figura 6.1: Perfil de tensão na rede de distribuição. ..........................................117 Figura 6.2: Níveis de curto-circuito...................................................................118. xi.

(12) Lista de Tabelas Tabela 2.1: Tabela 2.2: Tabela 2.3: Tabela 2.4: Tabela 2.5: Tabela 2.6:. Categorias de GD quanto a máxima variação de potência. .................. 7 Classificação das tecnologias de emprego comum em GD. ................. 9 Capacidade de geração de energia elétrica no Brasil até Dez/2009. .. 28 Empreendimentos em construção no Brasil. ..................................... 29 Empreendimentos outorgados entre 1998 e 2009 - Brasil. ................. 29 Capacidade de geração de energia elétrica no Rio de janeiro até Dez/2009. ........................................................................................ 30 Tabela 2.7: Empreendimentos em construção no RJ............................................ 31 Tabela 2.8: Empreendimentos Outorgados entre 1998 e 2004 - RJ. ..................... 31 Tabela 2.9: Geração de energia elétrica por agentes de geração - RJ. .................. 32 Tabela 2.10: Autoprodutores em paralelo com a rede da LIGHT no RJ................ 34 Tabela 3.1: Etapas dos Procedimentos de Acesso por tipo de acessante. .............. 40 Tabela 3.2: Informações preliminares para a consulta de acesso.......................... 41 Tabela 3.3: Informações técnicas para a consulta de acesso de centrais geradoras. ....................................................................................................... 41 Tabela 3.4: Informação de acesso....................................................................... 43 Tabela 3.5: Parecer de acesso............................................................................. 45 Tabela 3.6: Variações de freqüência conforme condições de operação................. 47 Tabela 3.7: Tensões nominais de conexão........................................................... 48 Tabela 3.8: Níveis de tensão considerados para conexão de centrais geradoras.... 48 Tabela 3.9: Fator de potência operacional nos pontos de conexão de unidades produtoras de energia....................................................................... 49 Tabela 3.10: Proteçãoes mínimas em função da potência instalada...................... 50 Tabela 3.11: Funções de proteção mínimas para o ponto de conexão com a rede da Light. .............................................................................................. 62 Tabela 5.1: Parâmetros ajustados no SIMULIGHT, referentes aos modelos dos geradores, reguladores de tensão e reguladores de velocidade disponíveis no programa. ................................................................. 75 Tabela 5.2: Dados de entrada para simulação: dados das barras do SEP............... 76 Tabela 5.3: Dados de entrada para simulação: dados dos ramos do SEP. ............. 77 Tabela 5.4: Estado operativo das barras após a simulação com a GD desconectada. ....................................................................................................... 78 Tabela 5.5: Fluxo de potência nos ramos com a GD desconectada. ..................... 79 Tabela 5.6: Estado operativo das barras após a simulação com a GD conectada. . 81 Tabela 5.7: Fluxo de potência nos ramos com a GD conectada............................ 82 Tabela 5.8: Tensões e correntes de curto-circuito com a GD desconectada. ......... 85 Tabela 5.9: Tensões e correntes de contribuição com a GD desconectada. ........... 86 Tabela 5.10: Níveis de curto-circuito com a GD desconectada. ........................... 86 Tabela 5.11: Tensões e correntes de curto-circuito com a GD conectada. ............ 87 Tabela 5.12: Tensões e correntes de contribuição com a GD conectada. .............. 87 Tabela 5.13: Níveis de curto-circuito com a GD conectada. ................................ 88 Tabela 5.14: Disjuntores inseridos no SIMULIGHT para conexão/desconexão da GD. ................................................................................................. 89 Tabela 5.15: Eventos configurados no SIMULIGHT para a conexão da GD. ....... 89 Tabela 5.16: Eventos configurados no SIMULIGHT para a desconexão da GD. .. 94. xii.

(13) Tabela 5.17: Disjuntores inseridos no SIMULIGHT para a simulação da aplicação da GD na formação de microrredes. ................................................. 99 Tabela 5.18: Eventos configurados no SIMULIGHT para a simulação da aplicação da GD na formação de microrredes. ................................................101 Tabela 5.19: Relatório de eventos ocorridos no SIMULIGHT para a formação da microrrede. .....................................................................................101 Tabela 5.20: Eventos adicionados no SIMULIGHT para a simulação de resincronização da microrrede......................................................... 111 Tabela 5.21: Relatório de eventos do SIMULIGHT para a etapa de resincronização. ...................................................................................................... 111. xiii.

(14) 1. Introdução No final do século passado, o modelo do setor elétrico brasileiro passou por grandes transformações. Até meados da década de 90, as empresas operadoras do setor eram controladas pelo Estado, tinham a maioria de suas atividades regulamentadas e apresentavam-se em uma estrutura verticalizada (cadeia de geração, transmissão e distribuição eram propriedades de um único “empresário”, o Estado). Com o movimento de liberalização em diversos setores da economia, inclusive no setor elétrico, as empresas operadoras foram privatizadas e divididas em companhias geradoras, transmissoras e distribuidoras. As atividades de distribuição e de transmissão, consideradas monopólios naturais, continuaram totalmente regulamentadas. Porém, a produção das geradoras passou a ser comercializada no mercado livre através de contratos bilaterais entre as partes compradora e vendedora. Esse processo de desverticalização comercial do mercado de energia deu origem a um novo ambiente institucional do setor de energia elétrica. O Ministério de Minas e Energia (MME) constituiu: a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), o Operador do Sistema Interligado (ONS) e o Mercado Atacadista de Energia (MAE). A Aneel é o agente regulador do setor elétrico que, através de regulamentação e fiscalização, visa garantir a operação de todos os agentes em um ambiente de equilíbrio, permitindo lucros às companhias e modicidade tarifária aos consumidores. O ONS coordena a operação das usinas e redes de transmissão do Sistema Interligado Nacional (SIN). Já o MAE foi constituído com a criação do mercado livre de energia. Em 2004, por meio das leis nº 10.847/2004 e nº 10.848/2004, foi implementado o Novo Modelo do Setor Elétrico, cujos objetivos principais eram: garantir a segurança do suprimento, promover a modicidade tarifária e promover a inserção social através dos programas de universalização. Este novo modelo manteve a estrutura política anterior, representada pelo Ministério de Minas e Energia (MME), pelo Conselho Nacional de Política Energética (CNPE) e pelo Congresso Nacional, e ficou marcado por retornar a responsabilidade pelo planejamento do. 1.

(15) setor de energia elétrica para o Estado com a criação da Empresa de Pesquisa Energética (EPE), que tem como objetivo elaborar os estudos necessários ao planejamento da expansão do setor. O novo modelo instituiu dois ambientes para a compra e venda de energia: o Ambiente de Contratação Regulada (ACR), exclusivo para geradoras e distribuidoras, e o Ambiente de Contratação livre (ACL), no qual participam geradoras, comercializadoras, importadores, exportadores e consumidores livres. Como conseqüência constituiu a Câmara de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE) que passou a ser responsável por intermediar a negociação da energia nesses ambientes, em substituição ao MAE. Simultaneamente a liberalização do mercado de energia, a conscientização ambiental também foi um fator determinante para o desenvolvimento do setor elétrico. O aquecimento global ocasionado pela grande emissão de gases causadores do efeito estufa, como o dióxido de carbono (CO2) que é emitido através da queima de combustíveis fósseis para a produção de energia, e também a possível escassez das reservas desses combustíveis, fizeram surgir a necessidade de um desenvolvimento sustentável nas atividades de produção de energia. Assim, a maioria dos países do mundo, especialmente os mais desenvolvidos, maiores consumidores de combustíveis fósseis, passou a investir na diversificação da matriz energética. Esses investimentos possibilitaram avanços tecnológicos e aumentos significativos na eficiência de processos de produção de energia a partir de fontes renováveis (sol, vento, biomassa, maré, entre outras), reduzindo os custos e viabilizando a implantação em escala comercial destas tecnologias. No Brasil o incentivo à produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis veio através do PROINFA, Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica, com base na lei nº 10.438/2002. Este programa foi dividido em duas fases: a primeira promoverá a instalação de 3300 MW de potência distribuídas entre Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH), Usinas Eólicas e Usinas à Biomassa, enquanto que a segunda tem como objetivo elevar a produção de energia elétrica a partir dessas três fontes renováveis escolhidas a fim de alcançar 10% de participação na matriz energética nacional até o término previsto do programa, em 2022 [1].. 2.

(16) Todas as transformações ocorridas na década de 90 - o movimento de liberalização da economia, a conscientização ambiental, os avanços tecnológicos e os incentivos políticos - favoreceram o interesse e a disseminação de sistemas com geração distribuída (GD). Isto se deve ao fato deste tipo de geração ser composta por usinas de pequeno porte que utilizam fontes locais e esparsas de energia como, por exemplo, PCH, usinas eólicas, usinas à biomassa, entre outras fontes renováveis e não-renováveis. Basicamente, o SIN é composto de grandes centrais geradoras interligadas às subestações distribuidoras através de grandes linhas de transmissão. Além de apresentarem custos elevados, o tempo e o impacto ambiental ocasionado pelos grandes empreendimentos de construção de usinas hidrelétricas e de linhas de transmissão, são muito altos. Por outro lado, as unidades de GD, caracterizadas por serem conectadas à rede de distribuição e, por isso, estão localizadas próximas aos centros de carga, são usinas que apresentam menores impactos ambientais e menor tempo de implantação, já que são usinas de pequeno porte. Sistemas com GD são extremamente importantes para o desenvolvimento sustentável do setor elétrico. Por isso, neste trabalho foram abordados os principais aspectos da geração distribuída com o objetivo de apresentar os estudos elétricos exigidos pelas distribuidoras, avaliando os impactos da conexão da GD nas redes de distribuição através de simulações em programas computacionais consolidados, como o ANAREDE e o SAPRE/ANAFAS, do CEPEL. Outro objetivo deste trabalho é apresentar e analisar a aplicação da GD na formação de microrredes (ilhas elétricas) através de simulações de análise dinâmica utilizando o programa SIMULIGHT [2][3], fruto da parceria de pesquisa e desenvolvimento entre a empresa LIGHT e a instituição de ensino e pesquisa COPPE/UFRJ.. 3.

(17) 1.1. Estrutura do trabalho Este trabalho está divido em 6 capítulos com a seguinte distribuição: O capítulo 2 apresenta uma proposta de definição ao termo geração distribuída, as principais fontes e tecnologias aplicadas em unidades de GD, as vantagens e desvantagens desses sistemas, e também o quadro de geração de energia elétrica no Brasil e no Estado do Rio de Janeiro. O capítulo 3, trata das políticas e dos procedimentos de acesso às redes das distribuidoras. São apresentados neste capítulo os estudos elétricos exigidos pelas concessionárias para acesso às suas redes de distribuição. O capítulo 4 apresenta uma definição do conceito de microrredes e as necessidades técnicas para a aplicação da GD como suporte a estes sistemas. No capítulo 5, são demonstradas os resultados das simulações dos estudos elétricos exigidos pelas distribuidoras em um sistema elétrico de potência com GD para análises dos impactos da conexão desta usina na rede de distribuição. Além disso, também estão demonstrados neste capítulo os resultados da simulação para análise da aplicação da GD em uma microrrede. Por fim, no capítulo 5.3.1 estão as conclusões obtidas com base nos resultados apresentados nas simulações e uma proposta para trabalhos futuros.. 4.

(18) 1.2. Revisão da literatura São diversos os trabalhos desenvolvidos a cerca do tema geração distribuída (GD). Em [4] há uma proposta de definição bastante aceita para este tipo de geração que até então não possuía uma definição consistente. Em [5], [6] e [7] são apontados os diferentes tipos de tecnologia aplicadas em GD sob os pontos de vista construtivo e tecnológicos. Em [5], também são apresentadas as principais aplicações da GD de acordo com a tecnologia empregada. A vantagem econômica apresentada em sistemas com GD aumentou o interesse pelo uso destes sistemas na expansão da capacidade das redes de distribuição. Como conseqüência, surgiram a necessidade de estudar a fundo o planejamento da distribuição [8], bem como estudar o melhor posicionamento para a inserção das GDs [9] e analisar os conflitos operacionais ocasionados pela inserção desses sistemas nas redes de distribuição[10]. A fim de padronizar o acesso das unidades de GD às diversas distribuidoras do país, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) elaborou um documento com normas e padrões para as atividades técnicas relacionadas ao funcionamento e desempenho dos sistemas de distribuição, denominado Procedimentos de Distribuição (PRODIST), [11]. Como as redes de distribuição no país são distintas, cada distribuidora disponibiliza um documento, baseado no PRODIST, contendo as normas técnicas relativas ao acesso de unidades geradoras em suas redes, conforme em [12], [13], [14], [15] e [16]. Uma das principais vantagens do uso de sistemas com GD é a flexibilidade que este tipo de geração introduz nas redes de distribuição, em especial na possibilidade de formar microrredes [17], do inglês “Microgrid”, que são sistemas compostos por diversas tecnologias, incluindo a GD, capazes de permitir a operação ilhada das redes de distribuição caso ocorra problemas no fornecimento de energia pelo sistema central, aumentando a continuidade e a eficiência da energia.. 5.

(19) 2. A Geração Distribuída A geração distribuída (GD) é uma tendência mundial no setor elétrico conseqüente do processo de abertura do mercado de energia, da preocupação ambiental, dos avanços tecnológicos e dos incentivos políticos. Por ser uma tecnologia emergente e indefinida, diferentes termos são usados para se referir à GD em determinadas regiões do mundo: na América do Norte usase o termo Geração Dispersa; na América do Sul, Geração Embutida; na Europa e alguns países da Ásia, usa-se o termo Geração Descentralizada. Entretanto, há na literatura uma proposta de definição onde o termo Geração Distribuída é consolidado[4].. 2.1. Definição A proposta de definição estabelecida em [4] diz que: “Geração Distribuída é uma fonte de energia elétrica conectada diretamente na rede de distribuição ou conectada à rede pelo lado do consumidor”. Na proposta dada em [4] diversos fatores são levados em consideração na definição de GD: o propósito, a localização, a variação de potência, a área onde a potência é fornecida, a tecnologia, o impacto ambiental, o modo de operação, o proprietário e a penetração da GD. Vejamos:. 2.1.1. Propósito O propósito da GD é, usualmente, suprir parte ou toda a demanda de potência ativa dos consumidores. Porém há casos em que a GD contribui na regulação de tensão como fonte de potência reativa.. 2.1.2. Localização Quanto à localização, a GD é definida como sendo a geração de energia elétrica que está conectada diretamente na rede de distribuição ou conectada à rede pelo lado do consumidor. Por exemplo, um sistema de co-geração de energia à biomassa instalado em uma indústria que está conectada diretamente no sistema de transmissão é 6.

(20) considerado GD, pois o sistema de geração está conectado na rede pelo lado do consumidor (a indústria). Por outro lado, um parque eólico de geração de energia elétrica que está conectado diretamente no sistema de transmissão, porque o sistema de distribuição não tem capacidade suficiente de suportá-lo, não é considerado GD. Por isso, é importante que a distinção entre os sistemas de distribuição e de transmissão seja clara. Para tanto, as próprias definições legais estabelecidas no país para esses sistemas já impõem os limites de cada um.. 2.1.3. Variação de potência Apesar de a máxima variação de potência ser usada freqüentemente na definição de GD, em [4] não é considerado relevante para sua proposta de definição a máxima variação de potência da GD, uma vez que isto depende da capacidade do sistema de distribuição e, conseqüentemente, do nível de tensão do sistema de distribuição onde a GD será conectada. Entretanto, são sugeridas categorias para a distinção da GD quanto à máxima variação de potência, conforme a Tabela 2.1.. Tabela 2.1: Categorias de GD quanto a máxima variação de potência. Categoria Micro Pequena Média Grande. Geração Distribuída Máxima variação de potência 1 W < 5 kW 5 kW < 5 MW 5 MW < 50 MW 50 MW <~150 MW. Fonte: [4]. 2.1.4. Área de fornecimento de potência Quanto à área de fornecimento de potência, alguns autores definem que toda a potência produzida pela GD é consumida na própria rede de distribuição, mas há situações em que o sistema de distribuição não demanda toda a potência produzida pela GD e o excedente é exportado através do sistema de transmissão. Por isso, esse fator não é relevante na proposta de definição de GD.. 7.

(21) 2.1.5. Tecnologia A tecnologia usada em GD também não é considerada relevante para a proposta de definição, pois são diversas as tecnologias empregadas em GD, mesmo que a maioria faça uso de fontes renováveis de energia.. 2.1.6. Impactos ambientais Como a maioria das tecnologias empregadas em GD faz uso de fontes renováveis de energia, a GD é considerada como sendo de mais baixo impacto ambiental que as gerações centralizadas. Entretanto, isto não é relevante para a proposta de definição, pois não são levados em consideração os processos de fabricação dos equipamentos utilizados na conversão de energia elétrica a partir de fontes renováveis. Tais processos geram impactos ambientais significativos.. 2.1.7. Modo de operação O modo de operação também não é determinante para a proposta de definição, devido a grande variação que existe na regulamentação da operação do sistema elétrico a nível internacional.. 2.1.8. Proprietário Os empreendimentos de GD são, geralmente, propriedades de Produtores Independentes de Energia (PIE) ou Autoprodutores de Energia (APE). Entretanto vem crescendo o interesse das grandes centrais geradoras pela GD. Logo, a propriedade da GD não é relevante para a proposta de definição.. 2.1.9. Penetração da GD A penetração da GD não é fundamental para a proposta de definição, porque depende da área onde a GD é inserida nos sistemas de distribuição, que variam de acordo com a região.. 8.

(22) 2.2. Fontes e tecnologias aplicadas em geração distribuída Conforme visto no item 2.1.5, a geração distribuída não está associada a uma tecnologia em si, isto porque as unidades de geração distribuída (GD) apresentam diferentes tipos de fontes combustíveis e tecnologias que devem ser estudadas e comparadas para que se escolha a tecnologia mais adequada para determinadas aplicações [5][6][7]. As tecnologias aplicadas em GD se diferem, principalmente, pela fonte de combustível, pelo tipo de conexão e pela capacidade de geração, conforme pode ser visto na Tabela 2.2.. Tabela 2.2: Classificação das tecnologias de emprego comum em GD. Tecnologia. Fonte de Combustível. Interface Pequeno Intermediário Grande <100kW 100kW-1MW >1MW. Motores recíprocos com Combustível geradores síncronos ou de fóssil e biogás indução Combustível Pequenas turbinas a gás fóssil e biogás Combustível Micro-turbinas fóssil Combustível Células Combustíveis fóssil e renovável Geotérmico. Renovável. PCH. Renovável. Eólica Fotovoltaico. Renovável Renovável. Solar térmico. Renovável. Armazenamento em baterias Armazenamento em capacitores Armazenamento em volantes Armazenamento em supercondutores. Conexão direta. X. X. Conexão direta. X X. Inversor. X. X. Inversor. X. X. X. X. X. X. X. X X. X X. X X. X. X. X X. Conexão direta Conexão direta Inversor Inversor Conexão direta. Rede elétrica. Inversor. X. X. Rede elétrica. Inversor. X. X. Rede elétrica. Inversor. X. X. Rede elétrica. Inversor. X. X. Fonte: [7]. As principais características das tecnologias apresentadas na Tabela 2.2 estão explicitadas nos itens a seguir. As fontes de combustível utilizadas na geração distribuída como o gás natural, a biomassa e o biogás também estão explicitados a seguir.. 9.

(23) 2.2.1. Motores de combustão interna Os motores de combustão interna são associados mecanicamente com geradores síncronos ou de indução, formando um grupo motor-gerador que utilizam combustíveis fósseis, geralmente o diesel. A estrutura básica de um grupo motorgerador está ilustrada na Figura 2.1. Este tipo de tecnologia apresenta níveis de eficiência entre 30 e 40% [7]. Estão disponíveis comercialmente e são amplamente utilizados na geração distribuída por serem confiáveis e econômicos no suprimento de energia em sistemas de co-geração, indústrias, aeroportos, hospitais, hotéis, shopping centers, regiões remotas, etc.. Figura. 2.1: Estrutura Básica de um grupo motor-gerador (Fonte: Indel Indústria).. 2.2.2. Turbinas a gás convencionais As turbinas a gás convencionais são utilizadas na geração distribuída, geralmente, em usinas termelétricas e em sistemas de co-geração, utilizando gás natural ou biogás como combustível. O conceito básico da geração de energia elétrica através de turbinas a gás consiste na queima do combustível, transformando a água em vapor que, em alta pressão, gira a turbina e o gerador acoplado a ela mecanicamente, produzindo energia elétrica. Este tipo de tecnologia apresenta capacidade de geração variando de 1 a 30 MW de potência e eficiências entre 24 e 35% [7]. A capacidade de geração e a eficiência das usinas que utilizam turbinas a gás podem ser incrementadas se operando em ciclo combinado. Este tipo de operação consiste no aproveitamento dos gases de escape da turbina a gás em temperatura. 10.

(24) elevada para a transformação de água em vapor que aciona uma turbina a vapor de modo semelhante ao processo anterior, conforme ilustrado na Figura 2.2.. Figura 2.2: Operação de turbinas a gás com ciclo combinado (Fonte: Furnas Centrais Elétricas).. 2.2.3. Micro-turbinas a gás As micro-turbinas correspondem a uma nova tecnologia aplicada na geração distribuída compondo sistemas de co-geração ou sistemas modulares compactos de geração termelétrica conectados à carga ou à rede através de modernos sistemas de eletrônica de potência que permitem sua operação isolada ou em paralelo com a rede. A Figura 2.3 [17] apresenta um tipo de micro-turbina com recuperação de calor.. 11.

(25) Figura 2.3: Micro-turbina com recuperação de calor.. As micro-turbinas operam da mesma forma que as turbinas a gás convencionais, a diferença é que são turbinas de pequena capacidade compostas basicamente de um compressor, um combustor, um recuperador, uma pequena turbina e um gerador elétrico, conforme diagrama esquemático da Figura 2.4 [18]. Em alguns casos, o compressor e o gerador são conectados por um único eixo sem a necessidade de engrenagens, possuindo apenas uma parte móvel, o que reduz ruídos e custos com manutenção. Outras vantagens são as baixas emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), o tamanho e o peso reduzidos [6].. Figura 2.4: Diagrama esquemático de uma micro-turbina.. 12.

(26) Os principais tipos de micro-turbinas são: •. Turbinas de ciclo simples;. •. Turbinas de ciclo recuperado;. •. Turbinas de ciclo combinado.. Sob o ponto de vista técnico, as micro-turbinas se diferem das turbinas a gás por operarem em altas rotações, até 100 mil rpm (rotações por minuto) e por utilizarem uma moderna eletrônica de potência como interface com a carga ou com a rede, para aumentar sua flexibilidade e controle mais eficiente. Podem utilizar como combustível o gás natural, biogás, GLP e diesel. Possuem capacidade de geração entre 30 e 300kW com eficiências variando entre 20 e 30%, mas com os incentivos em pesquisa e desenvolvimento, espera-se que alcancem 40% de eficiência [7].. 2.2.4. Células Combustíveis As células a combustíveis são equipamentos utilizados na geração de energia elétrica a partir da energia química, através de processos eletroquímicos, e que tem como subproduto a geração de energia térmica (calor). O principal combustível utilizado é o hidrogênio que pode ser produzido a partir de diversas fontes (combustível fóssil ou renovável). O resíduo principal do processo eletroquímico é a água. Basicamente, as células combustíveis são compostas por dois eletrodos separados por uma membrana eletrolítica. Por um dos eletrodos, o catodo, flui oxigênio (oxidante) advindo do ar e pelo outro eletrodo, o anodo, flui o hidrogênio (redutor) produzido a partir da fonte de combustível. A energia elétrica é produzida a partir da reação eletroquímica entre o oxigênio e o hidrogênio [5], conforme ilustrado na Figura 2.5 [18].. 13.

(27) Figura 2.5: Modelo conceitual de uma célula combustível.. Como não há combustão envolvida, as células combustíveis são mais vantajosas que as outras tecnologias vistas anteriormente, pois apresentam baixíssimas emissões de gases causadores do efeito estufa (óxidos de nitrogênio NOx e gás carbônico - CO2) e podem ser até duas vezes mais eficientes que as tecnologias que utilizam combustão, chegando a apresentar cerca de 60% de eficiência [5]. Os principais tipos de células combustíveis são: •. Células com membrana eletrolítica de polímero;. •. Células alcalinas;. •. Células de ácido fosfórico;. •. Células de carbonato fundido;. •. Células de óxido sólido.. As três primeiras são ditas de baixa temperatura, enquanto que as restantes são de altas temperaturas [6][18]. As células a combustíveis podem ser utilizadas em unidades residências ou comerciais, em indústrias e em sistemas de co-geração de energia, pois além de produzir eletricidade tem como subproduto o calor, no caso das células combustíveis de carbonato fundido e de óxido sólido. A Figura 2.6 [17] apresenta um modelo de célula combustível.. 14.

(28) Figura 2.6: Célula combustível. A flexibilidade e compatibilidade dessa tecnologia com outras que também possuem sistemas modulares, os altos níveis de eficiência e qualidade da energia fazem com que esta tecnologia de geração distribuída seja a mais promissora. Entretanto, os altos custos de capital dificultam a aceitação desta tecnologia no mercado. Sob o ponto de vista elétrico, as células combustíveis necessitam de uma interface em eletrônica de potência para a regulação da tensão de saída e aumento da sua flexibilidade, que acabam elevando ainda mais os custos de implantação desta tecnologia.. 2.2.5. Pequenas Centrais Hidrelétricas A Agência Nacional de energia Elétrica (ANEEL), adota três classificações quanto à potência instalada das usinas hidrelétricas [1]: •. Centrais Geradoras Hidrelétricas (CGH): até 1 MW de potência instalada;. •. Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCH): entre 1,1 MW e 30 MW;. •. Usina Hidrelétrica de Energia (UHE): mais de 30 MW.. As pequenas centrais hidrelétricas (PCH) são usinas hidrelétricas de pequeno porte que operam a fio d’água, sem a necessidade de grandes reservatórios. Geralmente estão localizadas próximas a centros de carga e são consideradas como geração distribuída quando conectadas no sistema elétrico da distribuidora local, podendo ser operadas de forma a atender as necessidades desta distribuidora.. 15.

(29) Como o país domina inteiramente a tecnologia de produção de energia elétrica por usinas hidrelétricas, as PCH apresentam vantagens como tecnologia acessível com custos mais baixos. Além disso, por não necessitar de grandes reservatórios, apresentam menores impactos ambientais o que agiliza ainda mais sua implantação. De acordo com a Aneel [1], em novembro de 2008 haviam 1.768 empreendimentos em operação com potência total outorgada de 104.815 MW. Destas 320 são PCHs com potência total outorgada de 2.399 MW, o que corresponde a 2,29% da matriz elétrica nacional. As PCHs aumentarão ainda mais sua participação na matriz elétrica nacional, pois dos 130 empreendimentos em construção com potência total outorgada de 7.400 MW, 67 são PCHs com potência total outorgada de 1.090 MW, o que corresponde a 14,73% do total em construção e dos 469 empreendimentos outorgados com potência total outorgada de 26.464 MW, 166 são PCHs com potência total outorgada de 2.432 MW, o que corresponde a 9,19% do total em outorga.. 2.2.6. Energia Eólica A energia eólica é a energia obtida a partir do movimento das massas de ar, ou seja, a partir do vento. Este tipo de energia é utilizado há muitos anos, principalmente na movimentação de barcos e no bombeamento de água. A geração eólica ocorre pelo contato do vento com as pás da turbina que giram e dão origem à energia mecânica que aciona o rotor do aerogerador, apresentado na Figura 2.7 [1], produzindo energia elétrica. A quantidade de energia mecânica convertida em potência elétrica é diretamente proporcional a densidade do ar, a área coberta pela rotação das pás e a velocidade do vento, conforme a equação 2.1 [19]. P=. C P (λ , β ) ρ v 3 A 2. (2.1). onde: P: Potência elétrica [W]; ρ : Densidade do ar [Kg/m3]; A: Área varrida pelo rotor [m2]; v: Velocidade do vento [m/s];. CP : Coeficiente de potência; λ : Relação entre velocidade das pás e do vento[19]; β : Ângulo de passo [19].. 16.

(30) As turbinas dos aerogeradores são formadas por um conjunto de pás (2 ou 3 pás) que, devido a ação do vento, são submetidas a forças aerodinâmicas que a colocam em um movimento de rotação. As principais componentes de força que caracterizam o funcionamento de uma turbina eólica são: a força de arrasto, na direção do vento, e a força de sustentação, perpendicular a direção do vento. As turbinas vêm sofrendo evoluções tecnológicas que visam à obtenção de equipamentos mais eficientes. As turbinas mais modernas são de eixo horizontal, com perfis aerodinâmicos eficientes e são impulsionadas predominantemente por forças de sustentação, acionando geradores de velocidade variável (máquina de indução). Atualmente, existem turbinas de 100m de diâmetro que podem gerar até 5 mil kW [1].. Figura 2.7: Aerogerador. A fonte de energia da geração eólica é o vento, que tem custo zero, porém o custo das turbinas, apesar de ser decrescente, ainda é muito elevado. Mesmo assim, a produção de energia elétrica a partir da energia eólica vem crescendo no mundo, principalmente nos países desenvolvidos. De acordo com a Aneel, em 2007 o total de energia elétrica produzida a partir da energia eólica foi de 93.849 MW, um crescimento de 26,6% em relação a 2006, e os maiores parques eólicos encontravam-se na Alemanha (23,7% do total), nos Estados Unidos (17,9%) e na. 17.

(31) Espanha (16,1%), enquanto que o parque eólico brasileiro correspondia a apenas 0,3% do total [1]. No Brasil, o potencial de geração de energia eólica é de 143 mil MW. A região com maior potencial medido é o Nordeste (75GW), principalmente no litoral. Porém, a capacidade instalada das usinas eólicas em operação no Brasil em novembro 2008 era de 273 MW, cerca de 0,2% do potencial brasileiro [1]. As principais características que dificultam o uso da energia eólica como fonte regular de energia elétrica são: a ocorrência irregular dos ventos e a variação de velocidade dos ventos ao longo do ano. Como a potência gerada pela energia eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento, dimensionar e escolher um local para instalação de um parque eólico é muito difícil, limitando-se a locais em que a ocorrência de vento é constante ou varia muito pouco e com velocidades de vento altas. A energia eólica é uma fonte de energia aplicada na geração distribuída. Existem no mundo sistemas eólicos de grande porte interligados à rede de distribuição que são bastante viáveis, apresentando custos comparativos ao das hidrelétricas. Os sistemas eólicos também são aplicados em conjunto com grupo motor-gerador, com sistemas fotovoltaicos e com sistemas de armazenamento no suprimento de energia elétrica de regiões isoladas. A implantação de sistemas eólicos em conjunto com sistemas de armazenamento é complexa e onerosa, pois devem possuir equipamentos que compensem a variação de velocidade e de ocorrência dos ventos ao longo do ano, sendo esta aplicação limitada a pequenos sistemas de armazenamento em baterias que servem para o fornecimento de energia elétrica em regiões remotas, onde o benefício e conforto compensam o alto custo de implantação.. 2.2.7. Energia solar A energia solar pode ser aproveitada para a produção de calor e para a produção de energia elétrica. No primeiro caso, a energia solar é transformada em calor se for utilizada uma superfície escura para sua captação, enquanto que no segundo caso, a energia solar é transformada em energia elétrica utilizando-se células fotovoltaicas. A energia solar também pode ser transformada em energia elétrica utilizando-se sistemas heliotérmicos que captam a irradiação solar e a convertem em calor que é. 18.

(32) utilizado em termelétricas para a produção de eletricidade. Porém, é necessário um local com alta incidência de irradiação solar direta. As células fotovoltaicas são formadas por placas de material semicondutor, geralmente o silício, uma dopada positivamente (P) e a outra dopada negativamente (N), formando uma junção PN. Quando a luz do sol incide sobre esta junção, o campo elétrico entre as duas placas permite o fluxo eletrônico (partículas positivas e negativas) sob a forma de corrente contínua, caracterizando o efeito fotovoltaico, conforme ilustrado na Figura 2.8.. Figura. 2.8:. Modelo. conceitual. de. uma. célula. fotovoltaica. (Fonte:. CRESESB/CEPEL). Cada célula fotovoltaica pode fornecer de 2 a 4A com de tensão de saída de, aproximadamente, 0,5V [5],[18]. Para elevar os níveis de tensão e corrente, elas são associadas em série e em paralelo, respectivamente, formando módulos ou painéis fotovoltaicos que fornecem tensão e corrente de saída mais adequadas. Para aumentar a capacidade de geração de energia, os módulos ou painéis fotovoltaicos também são associados em série e/ou paralelo, formando um conjunto de painéis fotovoltaicos que é capaz de gerar potências elevadas. Um exemplo de um conjunto de painéis fotovoltaicos está ilustrado na Figura 2.9 [17].. 19.

(33) Figura 2.9: Conjunto de painéis fotovoltaicos. Como a saída dos painéis fotovoltaicos é fornecida em corrente contínua, a energia gerada é utilizada em equipamentos de corrente contínua ou é armazenada em um banco de baterias. Para situações em que se deseja a conexão com a rede é necessário o uso de conversores de corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA), denominados conversores CC/CA ou inversores. A geração de eletricidade através de sistemas fotovoltaicos apresenta custos elevados. Além do painel fotovoltaico, os inversores e o banco de baterias apresentam custos bastante altos. Mesmo assim, os sistemas fotovoltaicos conectados à rede foram, entre 2006 e 2007, a tecnologia de geração com maior crescimento no mundo [1]. Boa parte das unidades tem sido conectada à rede de distribuição de energia elétrica, caracterizando-se como geração distribuída, conforme a Figura 2.10 [1].. Figura 2.10: Capacidade mundial de sistemas fotovoltaicos entre 1995-2007.. 20.

(34) 2.2.8. Energia Geotérmica A energia geotérmica é produzida através dos gêiseres, que são fontes de vapor no interior da Terra que apresentam erupções periódicas, e do aproveitamento do calor existente no interior das rochas para o aquecimento da água e produção de vapor que é aproveitado em termelétricas, conforme a Figura 2.11 [1].. Figura 2.11: Esquema conceitual de produção de eletricidade a partir da energia geotérmica. Esta forma de produção de energia elétrica apresenta-se em pequeno número e em poucos países. No Brasil não há unidades em operação, porém, a potência instalada ao redor do mundo é bastante significativa. De acordo com [1], em 2007 a capacidade mundial instalada era de 9.720 MW, sendo os Estados unidos (2.936 MW), Filipinas (1.978 MW) e México (959 MW) os maiores produtores, com cerca de 60% da capacidade total instalada. Mesmo sendo uma energia limpa e renovável, a energia geotérmica não teve a mesma evolução que a eólica e a solar, por exemplo, ficando praticamente estagnada entre 2006 e 2007 [1].. 21.

(35) 2.2.9. Dispositivos de armazenamento Dispositivos de armazenamento consistem em baterias, super capacitores, volantes mecânicos. (“Flywheels”),. armazenadores. pneumáticos/hidráulicos. e. supercondutores magnéticos [7]. As baterias são os dispositivos de armazenamento mais comuns em uso mesmo com os altos custos de implantação e de manutenção desses dispositivos que, além disso, ainda podem causar sérios problemas ao meio ambiente quando descartadas. Um exemplo de banco de baterias de chumbo-ácido pode ser visualizado na Figura 2.12 [17]. As demais tecnologias de armazenamento de energia apresentadas estão avançando. tecnologicamente. e. se. tornando. comercialmente. viáveis.. Os. supercapacitores são dispositivos de armazenamento de alta densidade de potência com capacidade de ciclo elevada. Os volantes mecânicos são sistemas que vêm sendo considerados recentemente como um meio viável de suportar cargas críticas durante interrupções no sistema elétrico por apresentarem resposta mais rápida que os sistemas de armazenamento eletroquímicos, [17]. Na operação do sistema elétrico, normalmente esses dispositivos são carregados durante o período de baixa demanda de energia e geralmente são utilizados em conjunto com outros tipos de geração distribuída para atendimento nos horários de pico de demanda de energia a fim de evitar variações de freqüência e tensão na rede, bem como evitar interrupções no fornecimento de energia.. Figura 2.12: Banco de baterias de chumbo-ácido.. 22.

(36) Um exemplo de um sistema híbrido de geração distribuída contendo sistemas fotovoltaicos, eólico e dispositivos de armazenamentos pode ser visualizado na Figura 2.13 [20]. Pode-se observar que estes sistemas necessitam de diversas interfaces em eletrônica de potência: um retificador (RT-1), dois controladores de carga (CH-A e CH-B), um conversor DC-DC e um conversor DC-AC (inversor). Todos esses equipamentos fazem com que esse sistema apresente altos custos, sendo aplicado apenas em regiões remotas e isoladas.. Figura 2.13: Esquema de ligação de um sistema híbrido (eólico, solar e banco de baterias) de geração de energia elétrica conectado à rede de distribuição.. 2.2.10. Gás Natural O gás natural, assim como o petróleo, é um hidrocarboneto resultante da decomposição da matéria orgânica durante milhões de anos. Tem como elemento predominante o gás metano e por este motivo é uma fonte de energia mais limpa que outros combustíveis fósseis. Para se ter uma idéia o gás natural utilizado em termelétricas pode emitir até 23% menos CO2 que o óleo combustível e até 50% menos CO2 que o carvão [1]. O gás natural pode ser utilizado tanto na produção exclusiva de energia elétrica quanto na co-geração, aproveitando o calor e o vapor, dissipados na produção de eletricidade, em processos industriais. Ele é muito utilizado em usinas termelétricas com turbinas a gás ou micro turbinas, onde o gás é misturado com ar. 23.

(37) comprimido para se obter a combustão, emitindo gases em altas temperaturas que provocam o movimento das turbinas. Estas, por sua vez, estão conectadas a geradores que transformam a energia mecânica em energia elétrica. A participação das termelétricas a gás natural na produção de energia elétrica no Brasil era, em novembro de 2008, de 11 mil MW, ou pouco mais de 10% da potência total instalada no país, de 103 mil MW. De acordo com o Plano Nacional de Energia 2030, produzido pela EPE, a participação das termelétricas a gás natural irá aumentar ainda mais no curto e médio prazos [1].. 2.2.11. Biomassa Qualquer matéria orgânica que possa ser transformada em energia elétrica, térmica e orgânica é classificada como biomassa. Ela pode ser de origem: •. Florestal: madeira, principalmente;. •. Agrícola: cana de açúcar, soja, arroz, beterraba, entre outras.. •. Rejeitos urbanos e industriais: sólidos ou líquidos, como o lixo.. A biomassa é muito utilizada em processos de co-geração industrial, na produção de energia elétrica e biocombustíveis. No Brasil é cada vez maior o uso da biomassa como fonte de energia elétrica. Para se ter uma idéia, em 2007 a participação da biomassa na matriz elétrica nacional foi de 3,7% da oferta total de energia elétrica, ficando atrás apenas da hidreletricidade, com participação de 85,4% [1]. A potência total instalada no país das usinas termelétricas movidas à biomassa, em novembro de 2008, era de 5,7 mil MW, distribuídos entre 302 termelétricas. A maioria das usinas, 252, utilizam a cana de açúcar como fonte de biomassa, com 4 mil MW de potência instalada [1]. As termelétricas à biomassa são caracterizadas por serem empreendimentos de pequeno porte que favorecem sua instalação nas proximidades dos centros de carga, sendo uma tecnologia aplicável na geração distribuída. Além disso, contribuem para a diversificação e “limpeza” da matriz elétrica nacional, já que emitem quantidades bem inferiores de gases causadores do efeito estufa quando comparadas às que utilizam combustíveis fósseis.. 24.

(38) 2.2.12. Biogás O biogás é obtido da biomassa contida em rejeitos urbanos e industriais. Mais precisamente, o biogás advém da decomposição natural da matéria orgânica por microorganismos, passando-a do estado sólido para o gasoso. Ele é utilizado na produção de energia elétrica como combustível em usinas termelétricas. No Brasil, em novembro de 2008, existiam três usinas termelétricas de pequeno porte movidas a biogás em operação, todas localizadas em São Paulo, totalizando 44,63 MW de capacidade instalada. Ainda há por vir mais sete empreendimentos, já outorgados, totalizando 109 MW de potência instalada, distribuídas pelos estados de São Paulo, Rio de Janeiro, Bahia, Pernambuco e Santa Catarina [1].. 2.3. Aplicações Como foi visto nos itens anteriores, são diversas as fontes e tecnologias utilizadas na geração distribuída (GD). Elas geralmente são compactas e de fácil mobilização, por isso são denominadas tecnologias modulares. Estas diferentes tecnologias preenchem os requisitos de uma variada gama de aplicações, nas quais o tipo de tecnologia empregada varia de acordo com os requerimentos de carga. As aplicações da GD estão apresentadas nos itens a seguir.. 2.3.1. Energia em espera (Stand-by) A geração distribuída pode ser aplicada como um suprimento de energia em casos de defeito de energia ou de necessidades específicas, permanecendo à disposição da carga. Esta forma de aplicação da GD é empregada principalmente em industrias e hospitais. Os motores de combustão interna são a principal tecnologia utilizada.. 2.3.2. Sistemas rurais e isolados (ilhas elétricas) Usualmente, áreas isoladas utilizam a geração distribuída como fornecedor de eletricidade da região ao invés de utilizar a rede do sistema interligado. Isto acontece por estarem localizadas em regiões geográficas que apresentam obstáculos naturais ou que estão muito distantes, dificultando a passagem de linhas de transmissão para conexão com o sistema interligado, o que torna esta alternativa muito onerosa. As principais tecnologias utilizadas nesta forma de aplicação da GD. 25.

(39) são os motores a combustão, a energia eólica e a energia solar fotovoltaica associadas com sistemas de armazenamento de energia, geralmente baterias. Estas tecnologias ainda podem ser utilizadas em conjunto formando sistemas híbridos de geração de energia elétrica, conforme a Figura 2.13 [20].. 2.3.3. Geração na ponta Como o custo da potência elétrica varia de acordo com a curva de demanda de carga e a correspondente disponibilidade de energia elétrica, a aplicação de unidades de geração distribuída no suprimento de cargas nos períodos de pico de demanda implicaria na redução dos custos com energia elétrica para diversos clientes industriais que contratam energia por demanda. As principais tecnologias utilizadas nesta forma de aplicação da GD são os motores de combustão interna, as turbinas a gás e micro turbinas.. 2.3.4. Geração na base A geração distribuída pode ser aplicada como uma forma de geração na base para fornecer parte da principal potência requerida pela carga e ao mesmo tempo servir de suporte para a rede na melhoria do perfil de tensão do sistema, reduzindo perdas e aumentando a qualidade da energia. As principais tecnologias utilizadas nesta forma de aplicação da GD são os motores de combustão interna, as turbinas a gás e micro turbinas.. 2.3.5. Co-geração A co-geração é uma forma de aplicação da geração distribuída muito eficiente. Nela o calor dissipado no processo de conversão do combustível em eletricidade é reaproveitado sob diversas formas em processos industriais como, por exemplo, na produção de eletricidade novamente, aquecimento ou resfriamento. As principais tecnologias utilizadas nesta forma de aplicação da GD são os motores de combustão interna, as turbinas a gás, micro turbinas e as células a combustíveis.. 26.