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MAPEAMENTO DO POTENCIAL SOLAR FOTOVOLTAICO
EM TELHADOS DOMICILIARES DE UM MUNICÍPIO
MAPPING OF THE PHOTOVOLTAIC SOLAR POTENTIAL
ON DOMICILIARY ROOFS OF A MUNICIPAL
MAPEAMIENTO DEL POTENCIAL SOLAR
FOTOVOLTAICO EN TELHADOS DOMICILIARES DE UN
MUNICIPIO
Giovanna Silva Magoga1
Patrícia Teixeira Leite Diego Marcochi de Melo
Resumo: Este artigo apresenta um estudo sobre os conceitos de geração distribuída, desenvolvimento sustentável, sistemas de informações geográficas e mapeamento, e atividades práticas, a partir do uso de software livre e aberto, para auxiliar no mapeamento de área de telhados residenciais para que seja possível estimar o potencial de produção de energia elétrica nos telhados considerando variáveis socioeconômicas e demográficas inerentes ao consumo de energia elétrica pela população. Os bons resultados obtidos identificaram as necessidades, o que poderá auxiliar os agentes nas tomadas de decisões por parte dos atores do setor elétrico.
Palavras-chave: Geração Distribuída. Mapeamento. Sistema de Informações Geográficas. Potencial energético. Telhados residenciais.
Abstract: The article presents a study about the concepts of distributed energy resources, sustainable development, georeferenced system and mapping, and practical activities with free and specific QGIS software to map the residential roof area resulting in the potential of electric energy production considering socioeconomic and demographic variables inherent to the consumption of electricity by the population. The results obtained seek to identify needs and justify decision making by the actors in the electricity sector.
Keywords: Distributed energy resources. Mapping. Geographic Information System. Energy potential. Residencial roofs.
Resumen: En este artículo se presenta un estudio sobre los conceptos de generación distribuida, desarrollo sostenible, sistema georreferenciado y mapeo, y actividades prácticas con software libre específico QGIS para auxiliar en el mapeo de la superficie de tejados residenciales para que sea posible estimar el potencial de producción de energía eléctrica considerando variables socioeconómicas y demográficas inherentes al consumo de energía energía eléctrica por la población. Los buenos resultados obtenidos buscan identificar las necesidades, lo que podrá auxiliar los agentes en las tomas de decisiones por parte de los actores del sector eléctrico.
Palabras-clave: Generación distribuida. Mapeo. Sistema de Información Geográfica. Potencial energético. Techos residenciales.
Envio: 25/02/2019 Revisão: 25/02/2019 Aceite: 07/06/2019
1Graduanda em Ciência e Tecnologia e em Engenharia de Energia. Universidade Federal do ABC - UFABC.
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Introdução
Problemas urbanos se intensificam com o crescimento das cidades brasileiras, com destaque para o atendimento da demanda por energia elétrica, tornando-se um dos grandes desafios do planejamento energético nacional.
A produção da energia elétrica do Brasil é realizada predominantemente por hidroelétricas, com complementação de termelétricas, totalizando aproximadamente 85% das instalações (BIG, 2019), porém, fatores como as grandes áreas para inundação, o alto custo das construções, as variações climáticas, e a emissão de poluentes pela queima de fósseis (IPCC, 2017) justificam a necessidade pela busca de novas fontes de energia como eólica e solar, e uma maior diversificação da matriz com mais fontes renováveis.
Além disso, o sistema elétrico brasileiro é centralizado, tendo como consequência o alto custo para a construção e manutenção de sistemas de transmissão, e as perdas técnicas associadas ao sistema. As características apresentadas dão suporte à busca por novas formas de geração de energia, destacando-se a Geração Distribuída – GD, que ganhou espaço na forma de sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição.
Sendo assim, foi realizado um estudo sobre a área dos telhados e o respectivo potencial fotovoltaico pela irradiação solar, considerando dados socioeconômicos, com a finalidade de obter uma análise espacial integrada do conjunto de variáveis que influenciam a possibilidade e viabilidade das instalações, para que a metodologia possa ser aproveitada pelos atores do setor e no incentivo ao desenvolvimento sustentável das regiões analisadas.
Definições
Geração Distribuída
O modelo da Geração Distribuída se contrapõe e complementa o modelo de geração centralizada (Pereira Filho e Azevedo, 2014). No modelo centralizado, usinas com maior geração de energia alimentam grupos maiores de carga, a grandes distâncias. Porém nos últimos anos acompanha-se o crescimento da geração pelo modelo distribuído, onde as instalações são menores, e estão conectadas próximas aos centros de consumo. A combinação dos dois modelos
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forma uma rede bidirecional esquematizada na Figura 1, onde a seta representa o fluxo de energia elétrica.
Figura 1: Funcionamento do sistema distribuído.
Fonte: Pacto energia.
As instalações devem seguir as regulamentações e a Resolução Normativa Nº482 de 2012 (ANEEL REN 482, 2012) que representa um avanço significativo para o consumidor, ou seja, uma alternativa para melhorar a qualidade serviço prestado aos consumidores (Santos e Santos, 2008).
A vantagem principal deste sistema é o uso de fontes limpas, renováveis e disponíveis próximas da carga, aumentando o uso consciente de energia limpa entre os cidadãos que aderem ao sistema e educando-os para um consumo controlado de energia. Por outro lado, uma das desvantagens dos sistemas distribuídos, que vem sendo reduzida a cada dia, diz respeito ao alto custo das instalações, que ainda não se encaixam no orçamento de qualquer residência (Aneel, 2015).
Potencial Energético
A geração de energia no Brasil é majoritariamente por fonte renovável, hidráulica, e não renovável, térmica a gás, carvão, nuclear, entre outras, pelo seu despacho rápido e estável, obtendo maior controle do atendimento à demanda e garantindo segurança energética ao país. Porém o Brasil possui potencial para utilização de outras fontes renováveis, como eólica e solar,
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e as mesmas veem sendo exploradas devido ao desenvolvimento tecnológico que torna viável a entrada dessas fontes na matriz elétrica no Brasil.
É importante frisar que as instalações híbridas tornam a intermitência das fontes quase irrelevante, como em sistemas onde a energia eólica é usada para bombear água de volta para o reservatório de uma hidrelétrica, ou instalando painéis fotovoltaicos junto as torres eólicas.
Quanto à energia solar fotovoltaica, o Brasil se destaca pelo seu grande potencial de geração, por estar localizado em sua maioria na região tropical, assim, o país apresenta boa uniformidade na distribuição espacial da média anual de irradiação solar, obtendo valores considerados altos que vão de 2,5 até 6,25 kWh/m²·dia (Atlas Brasileiro de Energia Solar, 2017).
Além disso, estudos de viabilidade financeira e um planejamento mais complexo são necessários para conhecer o real potencial, pois ele se dá em função de muitos fatores, tais como a localização geográfica do ponto de instalação, a área útil a instalar os módulos fotovoltaicos, a tecnologia dos módulos, ângulo e orientação da instalação, a renda da população local, e ainda, as perdas por sombreamento de grandes edifícios (Rampinelli e Scardueli, 2016).
Em Wiginton et al. (2010), há um detalhamento dos fatores que influenciam na definição da área aproveitável do telhado, encontrando que em sua região de estudo 62,5% da área do telhado está inclinada para o lado que recebe maior irradiação, e dessa área 30% pode receber painéis para geração, portanto 19% do total do telhado seria aproveitável.
O trabalho também apresentou a definição de áreas aproveitáveis realizada por outros estudos para o mundo todo, como mostrado no Quadro I.
Quadro I: Área aproveitável por telhado no mundo.
Local Construções analisadas Área aproveitável (%) Espanha Construções em áreas urbanas 34
Alemanha Construções apropriados para produção fotovoltaica 90 Suíça Construções em 3 áreas urbanas escolhidas 49, 73 e 95
Índia Residências, hospitais e hotéis 30 Nova
Zelândia 5 quadras residenciais 22, 23, 30, e 47 Fonte: [editado] -Wiginton et al., 2010.
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Geoprocessamento e SIG
A utilização do geoprocessamento e do Sistema de Informação Geográfica - SIG (ou GIS) se dá na necessidade do tratamento e análise das informações geográficas, através do uso de técnicas matemáticas e computacionais (Câmara et al, 2001), inclusive quanto as informações que tem pouca relação entre si, porém atuam simultaneamente no problema.
O Brasil tem um aproveitamento baixo de fontes renováveis e limpas para geração de energia e potencial gigantesco a ser explorado, portanto, os Sistemas de Informação Geográfica são um meio para obter o conhecimento sobre os recursos disponíveis em cada local e as limitações do ambiente para um planejamento energético mais eficiente e sustentável (Farina et al., 2017).
O uso destas ferramentas se destaca em estudos com técnicas de análise espacial em variadas aplicações, como em Villavicencio (2016), onde é apresentada uma metodologia que estuda potencial energético e viabilidade econômica e a preferência dos consumidores utilizando técnicas específicas de análise espacial.
Processamento de Dados
Definição dos dados
Para a aplicação das técnicas de mapeamento de telhados aptos para instalação de painéis fotovoltaicos utilizou-se bases de dados, imagens de satélite e fotografias aéreas, adicionando-os à plataforma QGIS.
Para o estudo de caso deste artigo foi escolhido o município de Presidente Prudente, localizado na região oeste do estado de São Paulo.
No Quadro II são apresentadas as informações principais utilizadas neste projeto, bem como suas fontes.
Quadro II: Bases de dados utilizadas. Dado Fonte Mapa Municípios IBGE – Município, 2016 Mapa Setores Censitários IBGE – Setores, 2016
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Mapa irradiação direta normal Atlas Brasileiro de Energia Solar, 2017 Dados Sociais do Censo IBGE – Censo, 2016
Fonte: Autoral.
Processamento dos dados
Inicialmente foi obtido a base de dados de municípios do estado de São Paulo, e a base de dados dos setores censitários dos municípios. Posteriormente foram excluídos os municípios e os setores que não pertenciam a área de interesse do estudo (setores urbanos), tais como, setores do tipo rural por serem extensos e com poucos telhados; setores com domicílios improvisados pela impossibilidade da instalação; setores sem dados, e setores com considerável número de apartamentos, pela área de telhado não ser interessante, e por tratar-se de um setor com alto sombreamento, restando 221 setores ilustrados na Figura 2. Atribuiu-se então a cada setor a informação de Irradiação Direta Normal.
Figura 2: Setores escolhidos - Pontos.
Fonte: Autoral.
Classificação por renda
Usando as informações do censo, foram atribuídos os valores de renda aos setores e criada uma classificação do setor pelo valor de renda mais significativo dele. Os nomes das
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classes foram definidos com base em classificações já existentes (Critério Brasil, 2018; PNAD, 2013).
Quadro III: Classificação dos setores. Classificação Rendimento mensal domiciliar
per capita (salários mínimos) A Acima de 10 A2 Entre 5 e 10 B Entre 3 e 5 C Entre 2 e 3 D Entre 1 e 2 D2 Entre 0,5 e 1 Fonte: Autoral.
Área de telhado disponível para instalação de painéis fotovoltaicos
Foram escolhidas amostras dentre os setores e então mapeados os telhados do setor para obter a área média de telhado, a partir das ferramentas de edição e criação de camadas do software QGIS e tendo o mapa base como referência.
Figura 3: Telhados de algumas das amostras.
Fonte: Autoral.
Após a criação dos polígonos de todos os telhados, foi possível identificar sua extensão, e utilizando a calculadora de campo do software, criou-se uma coluna com a informação de
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área dos telhados de cada setor amostrado. Unindo as informações de área de telhados e a quantidade de domicílios por setor, calculou-se a área média por telhado por classe, conforme os resultados exibidos no quadro IV. Para isso foi considerado que setores com a mesma classificação de renda possuem valor de área construída muito próximo, pois se enquadram dentro do mesmo nível de poder aquisitivo.
Quadro IV: Área média do telhado por classe. Classe Área total (m²) Domicílios Área média (m²)
A 73462,55 199 369,16 A2 379314,6 1031 367,91 B 213843,6 907 235,77 C 53127,05 238 223,22 D 594838,83 3939 151,01 D2 404843,67 4042 100,16 Fonte: Autoral.
Não há definições sobre a área útil para instalação de painéis, mas pode-se seguir alguns valores de pesquisas como os 31,5% calculado em Villavicencio (2016) para a mesma cidade do estudo de caso, que não está distante dos 19% de Wiginton et al. (2010), entre outros. Será adotado aqui o valor de 30%, muito próximo de Villavicencio (2016) por seu estudo ter sido sobre o mesmo município e pela proximidade com valores de outros estudos. Os resultados estão no quadro V.
Quadro V: Área aproveitável do telhado. Classe Área média (m²) Área aproveitável (m²)
A 369,16 110,75 A2 367,91 110,37 B 235,77 70,73 C 223,22 66,97 D 151,01 45,30 D2 100,16 30,05 Fonte: Autoral.
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Informações sociais
Além da utilização das informações sobre área aproveitável para estimar o potencial de geração de energia, tornou-se importante incluir nas análises questões de dimensões sociais, e assim, fomentar o incentivo do governo sobre a implantação do sistema visando a sustentabilidade.
Para então, analisar as diferentes características dos setores de Presidente Prudente, foram adicionadas informações de escolaridade às camadas. A informação utilizada foi a de pessoas acima de 5 anos alfabetizadas, e ao comparar essa informação com o total de pessoas residentes do setor encontra-se o percentual de alfabetização nesta faixa etária. Com essa informação pôde-se classificar os setores e assim criar ações que aumentem o Índice de Desenvolvimento Humano – IDH – da região.
Essa informação sobre escolaridade é um ponto social importante, apontado e utilizado em outros estudos que abordam a sustentabilidade como em Cardoso de Lima (2015).
Resultados
Após a realização de todas as etapas metodológicas, foram gerados mapas e tabelas, que auxiliam na comparação entre setores censitários. Como resultado, temos na Figura 4 o mapa dos setores classificados por potencial, com valores em kWh/dia. Setores com maior potencial de produção de energia, possuem muita área de telhados disponível e/ou estão em uma região com maior irradiação solar.
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Figura 4: Classificação dos setores por potencial.
Fonte: Autoral.
Quadro VI: Os 10 setores com maior potencial energético. Identificação do Setor Potencial (MWh/dia)
248 141,098 250 137,752 249 123,252 268 121,356 129 109,259 079 96,407 161 92,831 048 86,443 080 84,938 110 84,698 Fonte: Autoral.
Os quadros considerando escolaridade encontram-se abaixo. Neles observa-se que em setores com menor renda a população alfabetizada é menor chegando a apenas 78%, e o potencial desses setores não é pequeno, alcançando valores próximos a 70MW/dia, muito próximos dos valores da tabela VI. Isso mostra a necessidade e viabilidade de investimento nessas áreas.
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Quadro VII: Os 10 setores da classe D com a menor porcentagem de alfabetizados e o respectivo potencial de geração.
Identificação do Setor Alfabetização (%) Potencial (MWh/dia) 194 85,199 40,515 299 86,051 44,071 280 86,466 21,576 225 86,875 49,671 292 87,144 64,729 288 87,196 66,565 197 87,260 69,128 151 87,267 58,991 273 87,404 48,069 132 87,514 63,352 Fonte: Autoral.
Quadro VIII: Os 10 setores da classe D2 com a menor porcentagem de alfabetizados e o respectivo potencial de geração.
Identificação do Setor Alfabetização (%) Potencial (MWh/dia) 172 78,844 35,325 216 80,000 37,657 294 80,650 28,321 164 80,846 41,608 168 81,250 26,629 128 82,271 28,321 297 82,735 20,099 285 82,849 17,310 298 83,103 27,537 098 83,780 34,620 Fonte: Autoral.
Estes e outros mapas podem ser gerados, dependendo dos objetivos de quem manipula os dados. Este processo mostra a importância da ferramenta em si, e de saber como usá-la e quais bases de dados são necessárias para conseguir analisar sua área de interesse.
Quanto aos números apresentados, encontra-se um enorme potencial de geração nessa região. Há muitos domicílios, e a irradiação média anual é alta em comparação com o restante
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do país. Por dia, os setores analisados somam 10.847.841,8 kWh de energia gerada, são 47.383,37 GWh por ano.
Para fim de comparação, em uma publicação do Governo do estado de São Paulo, no ano de 2016 o município de Presidente Prudente obteve um consumo de energia elétrica de 566,7 GWh (Anuário Estatístico, 2017).
Conclusão
Para o crescimento de forma sustentável do setor energético, na determinação da melhor forma de realizar o aproveitamento dos recursos energéticos disponíveis e do atendimento da demanda, se faz a cada dia, mais necessário o uso das ferramentas computacionais. E, para mapear as áreas gerando pontos de interesse, o processo se dá de forma mais acertada com uso das ferramentas de SIG, pois com elas pode-se representar, sem simplificação, as informações essências de todas as variáveis do entorno, onde é empregada a tecnologia.
Baseado neste contexto foi analisado o potencial de geração, a riqueza do local, e outras condições sociais como por exemplo o índice de escolaridade da localidade/município. Para um estudo com intenção de subsidiar a instalação, pode-se analisar também a intenção dos consumidores em instalar. Para cada objetivo deve ser considerado tudo o que se entenda como fator integrado ao problema.
Ao final do estudo, obteve-se um alto potencial de geração de energia para os setores escolhidos, sendo isto um incentivo para novas políticas governamentais em subsidiar a aquisição de painéis, fornecer capacitação sobre a instalação, investir em tecnologia para gerar painéis mais eficientes, entre outros. Toda ação tomada poderá ser embasada no alto potencial de geração, no crescimento da participação da GD no setor, e visando desenvolvimento e bem-estar social, como apresentado neste trabalho.
Agradecimentos
Este trabalho foi financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq e faz parte do Projeto Universal do CNPq – Processo 432423/2016-8. Os autores também agradecem a CAPES, ao Laboratório de Cartografia e Geoprocessamento – LCG/CLD e ao Laboratório de Tecnologias e Soluções Bioinspiradas – LabBITS.
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Referências
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