SISTEMA HÍBRIDO FOTOVOLTAICO-CÉLULA A COMBUSTÍVEL: ESTUDO DE CASO NO CENTRO DE PESQUISAS CANGUÇU, TOCANTINS, BRASIL

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1 XIV Congreso Ibérico y 811 IX Congreso Iberoamericano de Energía Solar Vigo, Galicia, España, junio M. Vázquez y J. M. Santos (Editores) SISTEMA HÍBRIDO FOTOVOLTAICO-CÉLULA A COMBUSTÍVEL: ESTUDO DE CASO NO CENTRO DE PESQUISAS CANGUÇU, TOCANTINS, BRASIL Silva, S. B.*,**, Albuquerque, F. L.*, Severino, M.M., Oliveira M.A.G.**, Shayani, R. A.**, Barbieiro, A.*** * GEFRE Eletrotécnica, Escola Técnica Federal, Palmas, Tocantins, Brazil, , fone/fax: , sergio@etfto.gov.br, fabiolima@etfto.gov.br ** GSEP Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília. Brasília, DF, Brazil, , tel: , mauroseverino@ene.unb.br, mago@ene.unb.br *** Universidade Federal do Tocantins. Palmas, Tocantins, Brazil, reitor@uft.edu.br RESUMO A maioria das comunidades isoladas na Região da Amazônia Brasileira não tem acesso à energia elétrica, impondo-lhes sérias restrições quanto às condições de vida e trabalho. É um desafio técnico, econômico e social, implantar nessas comunidades, suprimento elétrico que privilegie fontes de energia locais e sustentáveis. Esse artigo visa apresentar análises e resultados de um projeto-piloto que combina geração fotovoltaica e célula combustível em implantação no Centro de Pesquisa Canguçu - CPC na Amazônia, que objetiva avaliar estratégia de operação e manutenção do sistema sob condições reais de trabalho. PALAVRAS-CHAVE: Sistemas Isolados, Sistema Híbrido, Solar, Hidrogênio ABSTRACT Most of the isolated communities in the Brazilian Amazonian Region doesn't have access to the electric power, imposing them serious limitations of the life conditions and work. It is a challenge technical, economical and social, to implant in those communities, electric supply that privileges local and sustainable sources of energy. That paper seeks to present analyses and results of pilot project that combines PV generation and fuel cell in implantation in Research Center Canguçu - CPC in the Amazonian Region, that aims to evaluate operation strategy and maintenance of the system under real conditions of work. KEYWORDS: Stand-Alone System, Hybrid System, Solar, Hydrogen

2 812 INTRODUÇÃO Segundo dados oficiais, a Amazônia Legal do Brasil representa 61 % do território nacional, mas abriga, atualmente, apenas cerca de 10 % da população brasileira. Infelizmente, cerca de 18,5 % dessa população não têm suprimento de eletricidade, e parte desse percentual constitui a maior população pobre em áreas remotas no país. As dificuldades relacionadas ao suprimento de energia elétrica representam um importante obstáculo ao desenvolvimento econômico e social dessa região (Teixeira, 2006), pois têm implicações severas nas populações isoladas devido à privação de serviços essenciais, tais como educação, saúde, comunicação, entretenimento, e à dificuldade de viabilização de condições razoáveis de trabalho. Atualmente, parte da solução para suprir as necessidades de eletricidade em áreas eletricamente isoladas na Amazônia tem base na geração a diesel, que é subsidiada pelo governo: em 2007, o valor dos subsídios aprovados para o uso de combustíveis fósseis na geração elétrica no Brasil foi de aproximadamente US$ 1,55 bilhão (Canal Energia, 2007). Os diversos problemas dessa atual solução impõem a necessidade de se desenvolverem tecnologias que permitam a auto-suficiência energética local, particularmente aquela baseada em fontes primárias de energia locais e sustentáveis (UFT, 2003). A Amazônia brasileira possui grande potencial energético associado à grande incidência de radiação solar e abundância de água: 68 % das reservas de água potável do país. Aproveitar esse imenso potencial para suprir a demanda por energia elétrica nas comunidades isoladas torna-se um grande desafio tecnológico, econômico e também social, pois a implantação de modelos de operação e manutenção de sistemas energéticos em comunidades isoladas apresenta diversas dificuldades (Teixeira, 2006). Um sistema capaz de tornar isso possível deve utilizar tecnologias modernas, que permitam explorar a radiação solar e abundância de água na região, e assegurar modelos de gestão adaptados à realidade local. Um projeto-piloto que utiliza um sistema híbrido, combinando geração fotovoltaica e célula a combustível (CaC), está em implantação no Centro de Pesquisas Canguçu (CPC) administrado pela Universidade Federal do Tocantins (UFT) e localizado em área de proteção ambiental, no estado do Tocantins, Brasil. Esse projeto tem como principal objetivo desenvolver novas formas de gestão, operação e manutenção de um sistema de geração distribuída de energia elétrica sob condições reais de utilização em local isolado da região e conta com o apoio financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e do Ministério de Minas e Energia (MME). O fator de maior relevância nesse projeto é se dispor, quando da validação da solução desenvolvida, de um sistema compacto de geração distribuída desconectada de rede elétrica, não-poluente, econômico e mantido para suprir as necessidades de energia elétrica de comunidades isoladas, incorporando metodologias de promoção de energia autogerenciada e de incremento de geração local de riqueza (UFT, 2003). Este artigo apresenta as primeiras análises relativas a esse projeto-piloto, com foco nos resultados iniciais na forma de gestão, operação e manutenção do sistema, bem como uma avaliação inicial de desempenho e eficiência.

3 813 O PROJETO-PILOTO NO CENTRO DE PESQUISAS CANGUÇU O CPC, localizado na latitude 09 58'41''S e na longitude 50 02'12''O, em área de proteção ambiental de difícil acesso, é base de suporte para pesquisadores de instituições nacionais e internacionais, cujo principal interesse está relacionado a estudos da influência das mudanças climáticas nessa região da Amazônia e a estudo de quelônios. A implantação desse projeto-piloto permitirá a substituição definitiva do grupo motorgerador a diesel do CPC por uma tecnologia limpa e apropriada, permitindo a análise da operação do sistema em condições reais de trabalho e incrementando a atividade econômica por meio do ecoturismo. Uma premissa importante desse projeto-piloto é considerar que o CPC é eletricamente equivalente a uma pequena vila com dez famílias residentes em local isolado da região amazônica. Todavia, a instalação desse sistema híbrido no CPC, além de contar com a participação dos residentes no local, possibilitará o estudo do sistema de modo a simplificar ao máximo a sua operação, com conseqüente redução das necessidades de manutenção e dos custos envolvidos. Assim, futuras implantações de sistemas similares em comunidades isoladas da Amazônia serão otimizadas. De modo coerente, as atividades de suporte no CPC estão sendo projetadas para testar modelos de administração de sistemas de energias renováveis que possam ser reproduzidos em outras comunidades isoladas da região. DESCRIÇÃO DO SISTEMA HÍBRIDO PROPOSTO Uma síntese da especificação técnica dos principais componentes do sistema é mostrada a seguir. Todos os componentes foram especificados considerando-se a exigência de operabilidade na faixa de 5 C a 45 C com até 100 % de umidade relativa do ar. Sistema fotovoltaico (SFV): Os módulos são de filme fino flexível de células solares de silício amorfo assentados sobre chapas de galvalume. A capacidade do sistema é de cerca de 19 kwp, com 154 módulos de 124 Wp cada um, conectados em arranjo série-paralelo. Eletrolisador: Esse equipamento de 6 kw, 230 Vca, 60 Hz, é de tecnologia proton exchange membrane (PEM), tem capacidade máxima para produzir 1 Nm 3 /h de hidrogênio a 99,95 % de pureza, com pressão máxima de saída de hidrogênio igual a 250 psia, e consome, no mínimo, 1 slpm de água em condições ASTM Tipo I. Sistema de armazenamento de hidrogênio: O sistema utiliza recipientes padronizados de hidrogênio a psi, com capacidade máxima para seis recipientes. Célula a combustível: Esse equipamento de 5 kw, 48 Vcc, é de tecnologia PEM modular, com 25 módulos de 200 W cada um, a 48 Vcc, e consome 0,9 m 3 de hidrogênio com pureza de 99,95 % para cada quilowatt-hora produzido. Inversores: O sistema utiliza quatro inversores CC/CA de 6 kw cada, 230 Vca, 60 Hz e quatro inversores CC/CA de 4,2 kw cada, em modo seguidor de máxima potência.

4 814 ESTRATÉGIA OPERACIONAL PROPOSTA A estratégia de despacho energético prevista para o sistema, que teve como premissas principais a simplicidade operativa e o baixo custo, é descrita a seguir e pode ser verificada com o auxílio do diagrama de blocos funcional simplificado do sistema, mostrado na Fig. 1. Em operação normal, com incidência solar suficiente, o SFV alimenta a carga do CPC, e o excedente energético alimenta o eletrolisador, produzindo hidrogênio que é armazenado nos cilindros, e carrega o banco de baterias, permanecendo a CAC em modo standby. Na situação em que o SFV não está apto a suprir toda a energia requerida pela carga, o eletrolisador é desligado, e a CAC inicia imediatamente a operação para gerar energia elétrica a partir do hidrogênio armazenado, parando de funcionar quando o SFV recupera a sua capacidade de suprimento ou acaba o estoque de hidrogênio. Fig. 1: Diagrama de blocos funcional simplificado do sistema híbrido Haja vista que os terminais elétricos da CAC estão conectados à mesma barra CC conectada aos terminais do banco de baterias, quando a CAC opera gerando energia elétrica, três situações podem ocorrer: a célula e as baterias compartilham a alimentação da carga; a célula alimenta integralmente a carga e mantendo as baterias em modulo de flutuação, se as baterias estiverem com carga máxima. No caso em que o SFV não está apto a suprir toda a energia requerida pela carga e não mais há hidrogênio armazenado, a carga é suprida pelo banco de baterias, enquanto houver energia suficiente para isso, apesar de, nesse sistema, a função principal das baterias ser a de gerar sinal de referência para os inversores a elas conectados e para a CAC. ESTADO ATUAL DO PROJETO-PILOTO Etapas concluídas da implantação O sistema está em operação parcial desde janeiro de 2007, quando o SFV começou a suprir energia suficiente para substituir, na maior parte do tempo, a geração a diesel. Nos meses

5 815 posteriores, houve: a aquisição e a instalação da CAC e reservatórios para armazenamento do hidrogênio; o comissionamento da CAC e do sistema de armazenamento; os testes iniciais de operação da CAC; a aquisição e a instalação do sistema de suprimento de água para o eletrolisador; a aquisição do eletrolisador. Durante as etapas de especificação e após a instalação do SFV, diversos encontros e discussões presenciais e à distância realizados por pesquisadores de instituições parceiras neste projeto UFT, Escola Técnica Federal de Palmas (ETF), Universidade de Brasília (UnB) e Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) permitiram ajustes e adequações fundamentais à consolidação do projeto-piloto na sua forma atual. Nesse mesmo período, eventos de treinamento foram desenvolvidos no CPC pelos fornecedores com o objetivo de capacitar os pesquisadores da UFT, da ETF e da UnB quanto à operação e à manutenção dos componentes do sistema. Sendo assim, no atual momento, a carga elétrica do CPC é suprida quase que exclusivamente pelo SFV, sem, até o momento, necessidade de nenhum procedimento de manutenção, mesmo com operação ocorrendo em ambiente com temperatura de cerca de 40 C e umidade relativa do ar de até 95 %. A operação do sistema está sob a responsabilidade do administrador do CPC, que reside no local e não tem formação técnica na área de eletricidade. Todavia, ela apenas exige do operador: observação da existência de suprimento elétrico; desligamento e re-ligamento do SFV em caso de problema, segundo procedimento simples repassado a ele pelos pesquisadores; operação do grupo motorgerador a diesel, em caso de indisponibilidade do SFV; e comunicação das ocorrências aos pesquisadores. Em avaliação preliminar (Severino, 2007), o SFV poderá disponibilizar para consumo a média anual de 87,99 kwh/dia, considerando rendimento elétrico global de 90 %, após a geração nos painéis fotovoltaicos. Com rendimento global estimado de 60 %, o sistema de hidrogênio, que engloba o eletrolisador, o sistema de armazenamento de hidrogênio e a CAC, teria a capacidade para fornecer a média anual de 20,00 kwh/dia para a carga. Com rendimento estimado de 60 %, o banco de baterias teria a capacidade para fornecer a média anual de 10,00 kwh/dia para a carga. Desse modo, conclui-se que o sistema híbrido teria a capacidade de geração média anual de ,45 kwh/ano e de suprir uma carga constante de 5 kw durante 11,60 h/dia, em média, sendo 4 h/dia pela CAC e 2 h/dia pelas baterias. Nesse caso, o rendimento global do sistema seria de cerca de 69,54 %, contados a partir da conversão fotovoltaica. Etapas da implantação a serem concluídas Os últimos ajustes técnicos necessários para a completa integração do sistema híbrido, que estão sendo planejados e serão realizados em breve, são os seguintes: comissionamento do eletrolisador; testes iniciais de operação do eletrolisador; testes iniciais do sistema híbrido completo. Com isso, a fase final do projeto poderá ser iniciada: o acompanhamento da operação normal do sistema híbrido. Durante os primeiros meses imediatamente após a finalização da instalação do sistema, será imprescindível o comparecimento dos pesquisadores da ETF, da UnB e da UFSC para a realização dos primeiros testes de operação com o sistema híbrido completo para: a medição e a obtenção de dados reais de desempenho; possíveis ajustes no sistema; a

6 816 determinação dos custos reais de instalação e dos custos reais de produção da energia gerada; o acompanhamento e o registro das ocorrências de manutenção e de operação. Após esse período de investigação e a consolidação do conhecimento acerca do comportamento de fontes alternativas em sistema híbrido para a alimentação de comunidades isoladas na região Norte do Brasil, as instituições envolvidas concluirão o projeto: por meio da apresentação de proposta de inserção de sistema híbrido de geração de energia elétrica em outras comunidades isoladas nessa área da Amazônia que considere o correto redimensionamento do sistema híbrido e as necessárias adaptações à cultura e às condições locais da área; e por meio da elaboração de manuais e da realização de treinamento adequado e suficiente para que os moradores do local possam operar o sistema. CONCLUSÕES No Centro de Pesquisas Canguçu (CPC) administrado pela Universidade Federal do Tocantins (UFT), Brasil, está em implantação um projeto-piloto de um sistema híbrido de suprimento de energia elétrica para comunidade isolada na Amazônia que combina geração fotovoltaica, célula a combustível e armazenamento de energia na forma de hidrogênio. Esse projeto prioriza a grande incidência solar e a abundância de água na região e tem como principal objetivo desenvolver novas formas de operação e manutenção de sistema híbrido de geração de energia elétrica sob condições reais de utilização em local isolado da região. Este artigo descreveu o sistema híbrido proposto, a estratégia operacional proposta para ele e o estado atual do projeto-piloto, com indicação das etapas a serem concluídas, e apresentou as primeiras análises relativas aos resultados iniciais na forma de gestão do sistema e de desempenho técnico, que apontam para a viabilidade técnica do sistema. REFERÊNCIAS Canal Energia. (2007). CCC pode não ser extinta como querem agentes do setor. acesso em 21/11/2007. Severino, M. M. (2007). Avaliação técnico-econômica de um sistema híbrido de geração distribuída para atendimento a comunidades isoladas da Amazônia f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade de Brasília, Brasília, Documento apresentado na defesa de Exame de Qualificação de Doutorado em julho de Teixeira, A. F. e Cavaliero, C. K. N. (2006). A geração de energia elétrica em um modelo de desenvolvimento endógeno: possíveis soluções para as comunidades isoladas do interior do estado do Amazonas. AGRENER GD, Campinas, São Paulo. UFT Universidade Federal do Tocantins. (2003). Gestão energética para o desenvolvimento sustentável Centro de Pesquisas Canguçu. Palmas: UFT, Projeto aprovado no Edital CT Energ MME/CNPq 03/2003.