Escolha multicritério de uma opção de geração distribuída

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1 Escolha multicritério de uma opção de geração distribuída João Carlos Correia Baptista Soares de Mello (UFF) Thiago Rossi Fialho (UFF) Eliane Gonçalves Gomes (UFRJ) Resumo Este trabalho analisa algumas das opções de geração distribuída disponíveis para um proprietário rural. As propriedades da energia eólica, células fotovoltaicas, geração diesel e geração hidráulica são apresentadas e avaliadas qualitativamente. A avaliação qualitativa é transformada em quantitativa pelo método MACBETH. Este mesmo método, que é brevemente descrito, é usado para efetuar uma ordenação multicritério das alternativa, como um passo importante no auxilio à decisão de escolha de uma delas. Palavras chave: Energias alternativas, Eletrificação Rural, Multicritério. 1. Introdução A recente crise energética atravessada pelo Brasil e a possibilidade que ela venha a repetir-se, coloca na ordem do dia a geração distribuída como alternativa de eletrificação rural. Enquanto, até recentemente, a opção por esse tipo de geração só era considerada quando a concessionária não tinha condições de expandir a sua rede de transmissão até uma determinada propriedade rural, atualmente a geração distribuída surge como alternativa válida também por motivos ambientais ou de possíveis racionamentos. Por geração distribuída compreende-se a geração de energia elétrica em locais próximos ou mesmo dentro dos limites da propriedade do consumidor de energia elétrica. Como meios para implantar geração distribuída em determinada propriedade há as fontes conhecidas como fontes alternativas de energia. As mais comuns são geração eólica, geração fotovoltaica, pequenas centrais hidrelétricas (PCH), célula de energia e grupos dieselgeradores. O caso estudado supõe que um proprietário (que aqui assume a figura de decisor) não tem a sua propriedade eletrificada. Tem a opção de deixar a situação permanecer assim ou optar por uma das alternativas de geração distribuída mencionadas acima. É importante ressaltar que a escolha de uma das alternativas não depende de um único critério. O uso do critério preço como único fator de decisão é, muitas vezes, causa de decisões mal tomadas. O problema da escolha de uma das alternativas deve ser formulado sob o ponto de vista da análise multicritério, em que as alternativas são avaliadas segundo vários critérios e a decisão final leva em conta todos esses critério. Uma dificuldade que surge é o fato de alguns critérios serem qualitativos. Para transformá-los em quantitativos, bem como estabelecer a ordenação final, é usado o método MACBETH (Bana e Costa & Vansnick, 1995, 1997). Neste trabalho, um dos autores atuou como decisor, representando um proprietário estereotipado. 2. Alternativas de Geração Distribuída Considera-se neste estudo que o decisor pode optar por uma de cinco alternativas, sendo quatro de geração distribuída e a quinta simplesmente continuar sem energia elétrica. As alternativas de geração distribuída são: geração com células fotovoltaicas, geração com ENEGEP 2003 ABEPRO 1

2 grupos diesel-geradores, geração com geradores eólicos e aquisição de pequena central hidrelétrica. A seguir são definidas cada uma das alternativas apresentadas acima. São também expostas as características particulares de cada uma delas Células fotovoltaicas Células fotovoltaicas são um modo limpo de geração de energia elétrica. Não geram resíduos ou qualquer tipo de lixo após o processo de geração de energia (Zilles e Oliveira, 2001). Por não possuir peças ou partes móveis, sua manutenção cai praticamente a zero. Com essas células pode-se formar um conjunto sob medida para a potência desejada, já que são modulares e adaptáveis a várias formas. Além disso, podem fazer parte de janelas (células aplicadas sobre o vidro), de telhados (células aplicadas e moldadas a telhas de vidro) e mesmo de fachadas (células aplicadas em placas de borracha e placas de aço inox). Ou seja, são altamente moldáveis de acordo com as necessidades do momento. Como principal desvantagem, ainda apresentam um alto custo de aquisição, o que faz com que o custo da energia gerada seja muito alto. Esse fato torna a utilização de células fotovoltaicas inviável em diversas instalações Grupos diesel-geradores Os grupos diesel-geradores constituem uma alternativa bem difundida e confiável de fonte alternativa de energia. Encontram-se hoje em dia em diversas localidades e cidades do país, com um grande número de fabricantes e fornecedores de grupos diesel-geradores dimensionados para diversas faixas de potência. Como necessitam de acionamento via motor diesel, seu custo é alto tanto pelo próprio custo do óleo diesel, quanto devido à constante manutenção que requerem as partes móveis do gerador e do motor. O grupo diesel-gerador ainda apresenta como uma grande desvantagem o fato de ser uma fonte de energia poluente, devido aos gases resultantes da queima do óleo diesel. É ainda altamente suscetível a turbulências geo-politicas que influam no suprimento mundial de petróleo Geradores eólicos Os geradores eólicos, assim como as células fotovoltaicas, são uma fonte de energia limpa, já que não apresentam resíduos após o processo de geração. No entanto, alguns grupos ecologistas criticam-nos por serem uma forma de poluição visual. Por ser composto de peças móveis, o gerador eólico possui um certo custo de manutenção, que é mais elevado que o custo de manutenção das células mencionadas anteriormente. Como necessitam de vento para gerar energia elétrica, apresentam igualmente um alto custo da torre e do próprio gerador. Um descrição detalhada do estado da arte em energia eólica encontra-se em Perecmanis (2002) Pequenas centrais hidrelétricas (PCH) As pequenas centrais hidrelétricas baseiam-se no aproveitamento do desnível de um rio ou de uma pequena barragem em um rio. A potência disponível é inferior a 50 MW (Eletrobrás, 1985). ENEGEP 2003 ABEPRO 2

3 Essa alternativa exige um investimento inicial que pode ser elevado, caso haja necessidade de construir-se uma pequena barragem para criar o desnível necessário à geração. No caso de uma barragem, o custo de manutenção também se eleva, devido aos freqüentes reparos que venham a ser necessários para garantir o bom funcionamento e a segurança da mesma. Onde não há barragens, a manutenção não representa custo elevado, uma vez que restringe-se ao próprio gerador. Para que não seja necessária uma barragem (caso de uma usina a fio d água), precisa-se que o rio apresente uma determinada vazão mínima, que atenda às necessidades de energia do consumidor Não dispor de energia elétrica Como já anteriormente mencionado e como já diz o próprio nome, esta alternativa será a adotada caso nenhuma das alternativas apresentadas anteriormente venha a satisfazer as necessidades do decisor. Sendo assim, o consumidor irá ficar às escuras, fazendo uso da queima de querosene ou outro combustível para obter iluminação e refrigeração (geladeiras). 3. Critérios de Decisão Os critérios de decisão devem satisfazer aos chamados axiomas de Roy (Roy e Bouyssou, 1993), isto é, devem descrever completamente o problema, não serem redundantes e serem coesos. Neste problema foram considerados quatro critérios, a saber, custo de implantação, custo de manutenção, incômodos causados e ganhos obtidos com a geração. Em seguida são detalhados os critérios e o comportamento de cada alternativa em relação a eles Custo de implantação É um critério a minimizar. Nele o decisor irá avaliar pura e simplesmente o quanto ele terá de investir de seu próprio bolso ou através de algum financiamento obtido junto a bancos para implantar o método de geração de energia elétrica selecionado. As células fotovoltaicas constituem-se na alternativa que apresenta maior custo de implantação, já que ainda são uma tecnologia muito cara, o que exige um investimento demasiadamente alto. O grupo diesel-gerador é também um método caro, pois em seu preço de aquisição estão incluídos o valor do motor diesel e do gerador. Porém, seu custo é inferior ao das células. Quanto ao custo de instalação, o gerador eólico está situado abaixo do gerador diesel, pois, apesar de em seu preço estarem incluídas as pás e a torre de sustentação, não possui um motor para acioná-lo. Já as pequenas centrais hidrelétricas, no caso de apresentarem em seu projeto a necessidade de construção de uma barragem, terão seu custo de instalação bem próximo ao do grupo gerador. Caso contrário, seu custo cai a ponto de torná-la a alternativa que apresenta o menor custo de instalação dentre as alternativas acima expostas. Obviamente, o menor custo de instalação (na verdade custo nulo) é a opção de continuar sem energia elétrica Custo de manutenção O critério custo de manutenção, que é um critério a minimizar, avalia o quanto cada uma das alternativas necessita em um determinado período de tempo de investimento em cuidados, vistorias e reparos fundamentais à continuidade do funcionamento de cada opção de geração de energia. ENEGEP 2003 ABEPRO 3

4 As células fotovoltaicas quase não requerem manutenção. As placas contendo as células podem ser limpas apenas uma vez ao ano, sem que isso venha a prejudicar seu funcionamento. Porém, para o caso de sua aplicação com baterias para armazenamento da energia para a noite ou períodos sem luz solar, a manutenção já apresenta algum custo. Baterias requerem uma manutenção mais constante, porém, sem grande relevância. Os grupos diesel-geradores são equipamentos que necessitam de constante manutenção e conhecimento técnico. Como o conjunto é composto quase em sua totalidade de partes móveis, o custo de manutenção é elevado, dividindo-se em gastos com óleo diesel, óleo lubrificante, limpeza dos bicos injetores do motor, além da própria manutenção no gerador. Os geradores eólicos requerem uma pequena manutenção, pois apresentam peças móveis (o próprio gerador). Assim, como na geração com células fotovoltaicas, apresentam o custo de manutenção devido às baterias utilizadas para armazenar energia para os períodos de ventos fracos. O custo de manutenção de uma PCH encontra-se posicionado pouco acima do da geração eólica. A barragem requer uma constante vistoria, além da própria manutenção do gerador. Tal como no critério anterior, a opção de manter-se o estado atual, ou seja, ficar sem energia, irá proporcionar um dos menores custos de manutenção ao decisor (não há equipamento algum que requeira manutenção), uma vez que a escolha dessa alternativa apenas implica na manutenção do custo do querosene atual Incômodos causados Neste critério, que novamente é um critério a minimizar, as células fotovoltaicas apresentam um excelente desempenho, por serem totalmente silenciosas, não poluentes e não requererem praticamente nenhuma manutenção. Já os grupos diesel-geradores apresentam como incômodos o fato de serem ruidosos, poluentes e terem constante necessidade de manutenção e reabastecimento. Os geradores eólicos somente podem ser instalados em locais cuja média histórica de ventos for significativa. Caso contrário, o decisor, em momentos de calmaria e ausência de ventos, poderá ficar sem energia elétrica. Caso esses períodos perdurem por um tempo suficientemente grande, as baterias podem se descarregar por completo, o que é um evidente desconforto. Igualmente, as PCH dependem das condições locais: existência de um rio com vazão suficiente. Caso o rio não apresente uma vazão satisfatória, poderão ocorrer momentos de falta de energia elétrica. Contrariamente ao que ocorre nos demais critérios, neste a opção por manter-se sem energia elétrica, é, evidentemente, a pior das alternativas Ganhos obtidos com a geração Este é um critério a maximizar. Com as células fotovoltaicas ganha-se uma energia limpa, renovável e totalmente silenciosa. Os geradores diesel oferecem uma energia não renovável, poluente, ruidosa, porém, que atende a todas as necessidades. Já os geradores eólicos proporcionam energia limpa, renovável, não poluente e quase sem ruído. As PCH oferecem energia elétrica renovável, limpa e não poluente. A decisão de permanecer sem energia elétrica eqüivale a optar por não obter nenhum ganho. 4. Método MACBETH O método MACBETH (Measuring Attractiveness by a Categorical Based Evaluation Technique) (Bana e Costa & Vansnick, 1995, 1997) resolve duas questões distintas no Apoio Multicritério à Decisão (AMD): ENEGEP 2003 ABEPRO 4

5 Para cada critério de avaliação qualitativa, determina uma escala cardinal de valores, ou seja, atribui notas a cada alternativa. A determinação dessa escala é essencial quando os critério são qualitativos, mas também é útil em critérios quantitativos, quando não há proporcionalidade entre a medida do critério e sua utilidade. Atribui pesos aos vários critérios que respeitem as preferências dos decisores, de forma a que cada alternativa tenha uma nota final, resultado da soma ponderada das notas em todos os critérios. O método MACBETH é computacionalmente implementado por um software de mesmo nome, que possui dois módulos. O módulo scores, que resolve primeira das questões apontadas, e o módulo weights, que possibilita a determinação dos pesos. Sua base teórica é a construção de uma escala de valor cardinal sobre o conjunto de alternativas (A), a partir de juízos absolutos de diferença de atratividade entre duas delas. A questão fundamental nesta abordagem é (Bana e Costa & Vansnick, 1995): Dados os impactos i j (a) e i j (b) de duas alternativas a e b de A segundo um ponto de vista fundamental PVF j (critério), sendo a julgada mais atrativa que b, a diferença de atratividade entre a e b é fraca, forte,...? É introduzida uma escala semântica formada por categorias de diferença de atratividade, com o objetivo de facilitar a interação entre o decisor e o analista. O decisor deverá escolher uma, e somente uma, entre as categorias apresentadas: C 1 diferença de atratividade muito fraca; C 2 diferença de atratividade fraca; C 3 diferença de atratividade moderada; C 4 diferença de atratividade forte; C 5 diferença de atratividade muito forte; C 6 diferença de atratividade extrema. Por programação linear é sugerida uma escala de notas e os intervalos em que podem variar sem tornar o problema inconsistente. É ainda facultado ao decisor ajustar graficamente o valor das notas atribuídas, dentro dos intervalos permitidos. Segundo Bana e Costa & Vansnick (1997), somente após este ajuste, com a introdução dos conhecimentos dos especialistas, é que fica caracterizada a construção da escala cardinal de valores que tenha as propriedades matemáticas de uma função de utilidade. MACBETH faz a comparação intercritério de forma indireta, ao considerar alternativas fictícias que representam cada um deles. A alternativa fictícia a i representa o critério j quando apresenta a melhor nota em j e a pior em todos os outros critérios. É ainda introduzida uma outra alternativa, correspondente a um critério artificial, com a pior nota em todos os critérios, com a finalidade de evitar que um critério real tenha peso nulo. A eventual atribuição de peso zero a um critério relevante violaria o axioma da exaustão (Roy e Bouyssou, 1993). Uma descrição detalhada do método MACBETH, incluindo a formulação matemática, é encontrada em Soares de Mello et al. (2002) Avaliações com o MACBETH scores A Tabela 1 fornece os valores obtidos pelo MACBETH scores, quando as considerações qualitativas acima são inseridas no programa, usando-se uma escala de zero a cem. Células Gerador Gerador PCH Sem energia Fotovoltaicas Diesel Eólico Implantação 0,0 44,4 72,2 83,3 100 Manutenção 100,0 0,0 61,9 42,9 85,7 Incômodos 100,0 44,0 69,8 64,2 0,0 Ganhos 100,0 2,9 88,2 82,4 0,0 Tabela 1 - Avaliações do MACBETH scores. ENEGEP 2003 ABEPRO 5

6 4.2. Avaliação intercritério Para obter-se a ordenação final, é necessário atribuir pesos aos critérios. Isso é feito, levandose em conta as opiniões do decisor, com o uso do módulo MACBETH weights. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela 2. Optou-se por não fazer a normalização dos pesos. Critérios Pesos Custo de instalação 19 Custo de manutenção 12 Incômodos 10 Ganho com a geração 14 Tabela 2 - Pesos para os critérios. 5. Resultados A ordenação final das alternativas é efetuada com base na soma ponderada da avaliações nos vários critérios, com os pesos obtidos. A Tabela 3 mostra essa ordenação. Alternativa Valor Final Geração eólica 73,6 PCH 70,8 Células fotovoltaicas 65,4 Sem energia elétrica 53,2 Gerador diesel 36,8 Tabela 3 - Ordenação final. Observe-se que as três primeiras alternativas apresentam valores relativamente próximos e, aparentemente, as três seriam passíveis de escolha, dependendo de pequenas variações de opinião. Uma análise mais aprofundada da robustez desta solução pode ser feita com o método PROBE Análise de robustez O método PROBE (Preference Robustness Evaluation) (Cised, 1999) permite fazer uma análise do grau de influência da opinião dos decisores em relação ao valor dos pesos. Para tal, além do conceito de dominância clássico, o método introduz o conceito de dominância aditiva. Diz-se que a alternativa a domina aditivamente a alternativa b se a utilidade aditiva de a for maior que a de b, para quaisquer valores dos pesos que respeitem a ordenação dos critérios. O método ainda identifica as alternativas que dominam outras, considerando-se a definição clássica de dominância. O método é implementado através da resolução de vários PPLs. Para cada par de alternativas maximiza-se a utilidade aditiva da pior colocada e minimiza-se a da melhor colocada. Para ambos os PPLs as restrições são que o critério com maior peso deve continuar tendo o maior peso, mantendo-se toda a relação de ordem entre os peso dos demais critérios. As variáveis de decisão são exatamente os pesos. Se o valor mínimo da alternativa melhor colocada for superior ao máximo da pior colocada, diz-se que primeira domina aditivamente a segunda. Ressalta-se que é necessário fazer uma análise destas para cada par de alternativas, sendo ENEGEP 2003 ABEPRO 6

7 portanto um processo bastante moroso. No entanto, o método pode também ser implementado através do programa de mesmo nome, com boa interface gráfica. Uma descrição da utilização desse programa é encontrada em Maia et al. (2002). A Figura 1 mostra a aplicação do método PROBE ao problema aqui tratado. Figura 1 - Aplicação do método PROBE. Verifica-se que as alternativas turbina eólica e PCH dominam a alternativa gerador diesel. Esta alternativa é ainda dominada aditivamente pela opção de ficar sem nenhuma forma de energia elétrica. A alternativa células fotovoltaicas não domina nem é dominada por nenhuma outra. Verifica-se que, com exceção do gerador a diesel, todas as alternativas são ótimos de Pareto (Barba-Romero e Pomerol, 1997), o que indica que qualquer delas pode ser escolhida, dependendo de variações nos pesos representativos da opinião do decisor. A opção por uma delas dependerá fortemente de fatores locais. Quaisquer que sejam os pesos atribuídos, nunca será escolhida a opção gerador diesel. 6. Conclusões O presente trabalho mostra que a melhor opção a ser tomada por um decisor não deve ser aquela baseada apenas em um critério isolado. É importante que o conjunto de alternativas de determinado problema seja analisado por mais de um critério, segundo os interesses e julgamentos de valor do decisor. Na verdade, uma das opções mais difundidas, a geração a diesel foi considerada pior até do que ficar sem energia. Esta situação é uma conseqüência de as opiniões atuais serem muito influenciadas pelo cenário de instabilidade no Oriente Médio, e seus reflexos no suprimento e custo do petróleo e seus derivados, mas mostra a importância de uma análise exaustiva de todas as vantagens e desvantagens das várias alternativas. Uma análise dos valores atribuídos às alternativas mostra a importância de ser usado, neste caso, um método da escola americana que permite a compensação entre critérios. Neste problema, um método da escola francesa tenderia a privilegiar indevidamente a opção por células fotovoltaicas, já que esta opção é a melhor, embora por pequena margem, em 3 dos 4 critérios analisados. No entanto, no critério restante ( custos de instalação ) ela tem uma avaliação muito baixa, anulando as vantagens nos outros critérios. ENEGEP 2003 ABEPRO 7

8 Referências BANA E COSTA, C.A., VANSNICK, J.C. (1995) - Uma nova abordagem ao problema da construção de uma função de valor cardinal: MACBETH. Investigação Operacional Vol. 15, p BANA E COSTA, C.A., VANSNICK, J.C. (1997) - Applications of the MACBETH approach in the framework of an additive aggregation model. Journal of Multicriteria Decision Analysis Vol. 6, n. 2, p BARBA-ROMERO, S., POMEROL, J.C. (1997) - Decisiones Multicriterio: Fundamentos Teóricos e Utilización Práctica. Colección de Economia. Universidad de Alcalá. Espanha. ELETROBRÁS (1985) - Manual de Pequenas Centrais Hidrelétricas. ELETROBRÁS. Rio de Janeiro. CISED (1999) - PROBE Software Package. CISED Consultores. Lisboa. MAIA, C.C.M., NUNES, M.V.R., SOARES DE MELLO, J.C.C.B., GOMES, E.G. (2002) - Apoio multicritério à decisão da escolha da localização de uma estação Rádio Base. Anais do XXII Encontro Nacional de Engenharia de Produção - ENEGEP Curitiba. Outubro. PERECMANIS, J. (2002) - Avaliação Técnica e Econômica da Implantação de um Parque Eólico na Região de Cabo Frio RJ. Tese de Mestrado em Engenharia de Produção. Universidade Federal Fluminense. ROY, B., BOUYSSOU, D. (1993) - Aide Multicritére à la Décision: Méthodes et Cas. Economica. Paris. SOARES DE MELLO, J.C.C.B.; GOMES, E.G.; LINS, M.P.E. (2002) - Análise Multicritério da presença da Universidade Federal Fluminense com o uso do Método Macbeth. Revista Produção Vol. 11, n. 2, p ZILLES, R., OLIVEIRA, S.H.F. (2001) - Sistema de geração de energia elétrica com células fotovoltaicas integradas em edificações. Anais da 4 a Conferência Latino Americana sobre Meio Ambiente. Belo Horizonte, Outubro. ENEGEP 2003 ABEPRO 8