CIDEL Argentina 2014 Congreso Internacional de Distribución Eléctrica

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1 CIDEL Argentina 2014 Congreso Internacional de Distribución Eléctrica MODELO PARA PROJEÇÃO DE CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA RESIDENCIAL CONSIDERANDO MINI E MICROGERAÇÃO A. H. Lautenschleger 1 G. Bordin 1 D. W. da Silva 3 ahlautenschleger@gmail.com gladis.bordin@ufrgs.br dwichmann@rge-rs.com.br 1 2 Escola de Engenharia Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Av. Osvaldo Aranha 103, Tel e , Porto Alegre Brasil. Rio Grande Energia S.A. Rua Mario de Boni, 1902, Tel , Caxias do Sul Brasil. Palavras-chave: classe residencial, energia elétrica, mini e microgeração, projeção de consumo. RESUMO A partir da publicação da Resolução Normativa nº 482 pela Agência Nacional de Energia Elétrica brasileira (ANEEL), em 2012, consumidores podem participar de um sistema de compensação de energia elétrica produzindo energia a partir de pequenos aproveitamentos, classificados como micro e minigeração distribuída. O consumidor que opta pelo sistema de compensação passa a ser denominado de prosumidor, ou seja, aquele que consome e produz energia. Esta alternativa do consumidor não é contemplada na metodologia tradicional de projeção de mercado de distribuidoras e constitui um novo fator de incerteza. Neste sentido, o presente trabalho propõe um modelo para projeção de mercado residencial de energia, buscando complementar a metodologia tradicional, considerando a inclusão de micro e minigeração distribuída fotovoltaica. Os resultados são apresentados na forma de cenários de projeção, e mostram a necessidade de incluir o comportamento dos prosumidores de forma explícita nos estudos de mercado de distribuidoras. 1. INTRODUÇÃO Com a reestruturação ocorrida no setor elétrico brasileiro a partir da década de 90, o ambiente de negócios do setor adquiriu características de concorrência e o foco na rentabilidade tornou-se vital para as distribuidoras de energia elétrica. A projeção de mercado é fundamental para que as distribuidoras de energia elétrica consigam alcançar os objetivos técnicos e estratégicos estabelecidos. A Portaria nº 760 de 1976 do extinto Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica (DNAEE) estabelecia a forma como as distribuidoras deveriam projetar a sua demanda. Essa metodologia ainda é a base para projeções de demanda de algumas distribuidoras, embora apresente limitações com relação ao comportamento do consumidor, entre outros aspectos [1]. A tendência mundial de geração de energia elétrica a partir de fontes alternativas implica em aumento de complexidade no planejamento da expansão e operação do sistema elétrico. Novos conceitos surgem como o de micro e minigeração distribuída, que são aproveitamentos energéticos de pequeno porte realizados junto ou próximo do consumidor a partir de fontes como eólica ou fotovoltaica (FV) [13]. A classe residencial é consumidora cativa da distribuidora de energia local. Todavia, a partir da publicação da Resolução Normativa (REN) nº 482 de 2012, pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) [4], há a possibilidade de essa classe consumidora produzir energia elétrica a partir de microgeração (até 100kW) e minigeração (potências entre 100kW e 1MW) com base em aproveitamentos eólicos, fotovoltaicos, hidráulicos, de biomassa ou geração qualificada. Ao consumidor é facultado participar de um sistema de compensação de energia no qual o excedente da produção é convertido em créditos de energia junto à distribuidora local, que podem ser usados em períodos de baixa produção de energia. Foi criada a figura do prosumidor, aquele que consome e produz energia [4]. Assim, o consumidor passa a ser um duplo agente de mercado, ou seja, consumidor e produtor. Portanto, a estrutura de mercado se modifica e o desenvolvimento de métodos de projeção de demanda que contemplem as características inerentes às fontes energéticas, quantidade e perspectiva de aumento de prosumidores para cada fonte se faz necessário. O presente trabalho apresenta uma metodologia para projeção de consumo residencial, considerando a inserção de mini e microgeração a partir de fonte solar fotovoltaica e o comportamento do prosumidor. A metodologia proposta visa complementar a metodologia tradicional de projeção de consumo residencial, de 1

2 acordo com o novo contexto de mercado das distribuidoras. 2. REGULAMENTAÇÃO BRASILEIRA O documento principal referente à micro e minigeração no Brasil é a REN 482 [4]. A resolução define micro e minigeração distribuída e detalha o sistema de compensação de energia e o seu funcionamento. A compensação considera a diferença entre a energia ativa injetada e consumida em cada posto tarifário e transforma esse montante em um crédito para o consumidor, que pode ser utilizado para abater o consumo no próprio mês em unidades consumidoras distintas ou em até 36 meses. A REN 482 define, também, as condições gerais de acesso ao sistema de distribuição e estabelece um limite para a potência instalada de acordo com o grupo consumidor [4]. O Módulo 3 do Procedimento de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional (PRODIST) é outro documento fundamental, em especial a Seção 3.7 que descreve os procedimentos e etapas que devem ser cumpridas no processo de solicitação do acesso além de estabelecer níveis de tensão e requisitos mínimos de proteção de acordo com a potência instalada [7]. De forma complementar, a REN 77 [2], REN 414 [3], REN 502 [5], REN 547 [6] e o Procedimento de Regulação Tarifária (PRORET) [8] não se limitam a regulamentar micro e minigeração, mas afetam de forma significativa a sua implantação. Esses dispositivos regulatórios trazem aspectos relevantes para a projeção de mercado, como a possibilidade de compensação de créditos de energia, valores mínimos de cobrança, requisitos técnicos mínimos e limitação de potência instalada, modalidades tarifárias, bandeiras tarifárias e descontos tarifários [2]-[8]. 3. ASPECTOS DA GERAÇÃO SOLAR FOTOVOLTAICA O aspecto fundamental na implantação de micro e minigeração fotovoltaica é o valor de seu custo de produção quando comparado com a tarifa praticada pela distribuidora. No cálculo do custo, deve-se considerar aspectos que tem efeito na produção de energia como a disponibilidade do recurso primário e o fator de capacidade, que mede a relação entre a energia média produzida e a capacidade nominal do sistema. É necessário ainda considerar os aspectos econômicos na implantação e manutenção do sistema como o custo dos módulos e inversores, cabos e proteção, sistema de fixação, além de custos do projeto, conexões, entre outros. Dessa forma, estima-se o CAPEX, que é o custo de investimento do sistema fotovoltaico para uma determinada capacidade. O custo de produção, calculado conforme (1), serve para avaliar a competitividade da fonte solar [9]. (1) Onde CP é o custo de produção em reais por quilowatt-hora, CAPEX são os custos de investimento do sistema fotovoltaico em reais, VP(OPEX) é o valor presente de custos de operação e manutenção ao longo da vida útil da instalação em reais e VP(EP) é o valor presente da energia produzida ao longo da vida útil da instalação em quilowatt-hora. O custo de operação e manutenção (OPEX) é estimado, geralmente, como um percentual do custo de implantação (tipicamente 1%). Assim, o custo de produção pode ser parametrizado em função do CAPEX. A viabilidade do empreendimento fotovoltaico pode ser obtida a partir de um índice de competitividade dado pela razão entre a tarifa praticada pela distribuidora com o custo de produção, conforme (2) [9]. (2) Onde IC i é o índice de competitividade, TarProj i é o cenário tarifário em reais por megawatt-hora considerando os impostos incidentes, CP i é o custo de produção fotovoltaico em reais por megawatthora e i é o índice do ano de projeção. 4. METODOLOGIAS DE PROJEÇÃO DE DEMANDA 4.1 METODOLOGIA TRADICIONAL A metodologia tradicional, baseada na Portaria 760 do DNAEE, é determinística e faz uso da extrapolação de séries históricas para o horizonte de interesse na projeção de demanda de energia elétrica. A extrapolação evita descontinuidades na projeção. Todavia, [1] salienta que essa metodologia apresenta limitações: não reflete a reação do consumidor frente a incentivos de racionalização, precariedade na representação de variações de demanda relacionadas a fenômenos cíclicos e não considera relações de causalidade entre as variáveis. 4.2 METODOLOGIA TRADICIONAL MODIFICADA Tendo em vista as limitações da metodologia tradicional e a reestruturação do setor elétrico, [1] propõe modificações na metodologia tradicional com adição de interação entre variáveis, consideração de atrasos tanto de informação quanto de grandezas físicas além da inclusão de novos fatores (tarifa e conservação). A projeção com a metodologia tradicional modificada, assim como na metodologia 2

3 tradicional, ocorre na forma de cenários e considera ainda variações de preços, renda e programas de conservação de energia buscando melhor representar a evolução da demanda [1]. A publicação da REN 482 cria uma nova possibilidade para o consumidor, ou seja, ser também um produtor de energia. Desta forma, é necessário adequar esta metodologia à nova realidade e incluir a parcela de micro e minigeração, o que é feito na metodologia proposta no presente trabalho. 4.3 METODOLOGIA PROPOSTA A metodologia proposta é ilustrada na Fig.1, onde as relações existentes para a metodologia tradicional modificada, delimitadas pelo retângulo pontilhado, permanecem inalteradas. O número de domicílios com sistema fotovoltaico é um conjunto do universo de domicílios atendidos, que depende de uma taxa de adesão à microgeração fotovoltaica. Essa taxa é detalhada no que segue. O aumento do PIB resulta em elevação da renda per capita, que por consequência, eleva a taxa de adesão, possibilitando aos consumidores investir na instalação de sistemas fotovoltaicos. O custo de produção (CP) com o sistema fotovoltaico tem efeito, juntamente com a tarifa, na taxa de adesão, através do índice de competitividade (IC) da fonte solar fotovoltaica. O CP é inversamente proporcional, enquanto a tarifa é diretamente proporcional ao IC, cujo aumento implica em elevação da taxa de adesão. O custo de disponibilidade, valor mínimo faturável, é inversamente proporcional à geração de energia por domicílio ao passo que um maior consumo leva à instalação de sistemas com maior capacidade produtiva. Tanto a geração fotovoltaica por domicílio quanto o número de domicílios com sistemas fotovoltaicos são diretamente proporcionais à geração de energia a partir de fonte fotovoltaica da classe residencial, cujo aumento implica na redução do consumo da mesma classe. Com relação aos aspectos normativos, considerase: bandeiras tarifárias, modalidades tarifárias, impossibilidade de venda de excedente, limite de potência instalada, custo de disponibilidade e exigência de adequação do sistema de medição. Esses aspectos são considerados na elaboração dos cenários. Neste modelo, o prosumidor gera energia somente para o domicílio onde o sistema fotovoltaico está instalado. Fig. 1: Metodologia Proposta para Projeção de Consumo Residencial. Com base na metodologia proposta, o modelo matemático é detalhado a seguir. Assim, a renda per capita é dada por (3). (3) Onde RPC i é a renda per capita em reais por habitante, PIB i é o cenário do Produto Interno Bruto em reais, Pop i é o cenário populacional em habitantes e i é o índice do ano de projeção. O número total de domicílios é determinado de acordo com (4). (4) Onde NTD i é o número total de domicílios na área de atuação da distribuidora, Pop i é o cenário populacional em habitantes, Habd i é o número de habitantes por domicílio e i é o índice do ano de projeção. As variáveis consumo por residência (CEPR i ), taxa de atendimento (TA i ), habitantes por domicílio (Habd i ) e conservação (Conserv) são obtidas por ajuste de curva a partir dos dados históricos. O número total de domicílios atendidos é dado por (5), onde NDA i é o número de domicílios atendidos, NTD i é o número total de domicílios, TA i é a taxa percentual de atendimento aos domicílios, Exter i é o cenário para o número de 3

4 domicílios atendidos devido à externalidades e i é o índice do ano de projeção. (5) O crescimento da renda tem um efeito atrasado sobre o consumo e, portanto, deve-se avaliar a taxa de crescimento da renda em um determinado período, conforme (6). (6) Onde ER i é o efeito percentual da renda, RPC i é a renda per capita em reais por habitante, i é o índice do ano de projeção e k o atraso em anos considerado no cálculo da taxa de crescimento da renda. Da mesma forma, a tarifa tem seu efeito atrasado representado conforme (7), onde ET i é o efeito percentual da tarifa, TarProj i-n é o cenário tarifário em reais por megawatt-hora considerando impostos incidentes, n é o atraso em anos considerado para que haja o efeito da tarifa e Elast é a elasticidade do consumo com relação à tarifa em megawatthora por reais. (7) O consumo por residência, dado por (8), considera o histórico de evolução do consumo e sobre este incidem algumas correções devido ao efeito da renda, efeito da tarifa e do cenário considerado de eficientização. (8) Onde CPR i é o consumo final por residência em megawatt-hora, CEPR i é o consumo por residência em megawatt-hora, obtido por extrapolação a partir de dados históricos, ER i é o efeito da renda, ET i é o efeito da tarifa, Efic i é o cenário considerado para a eficientização e i é o índice do ano de projeção. A produção total de energia fotovoltaica da classe residencial é dada por (9), onde PFTR i é a produção de energia elétrica em megawatt-hora da classe residencial, PFR i é o cenário de produção de energia por domicílio em megawatt-hora, NDGF i é o número de domicílios com geração fotovoltaica e i é o índice do ano de projeção. (9) A construção do cenário para a produção de energia por domicílio deve observar o consumo por residência e o valor mínimo faturável (VMF), estabelecido na regulamentação. Considerando que o prosumidor é um agente de mercado que busca maximizar os seus ganhos, o seu sistema será dimensionado para que, na média anual, a produção seja a diferença entre o consumo e o VMF. Deve-se criar categorias para cada ano de projeção e distribuir a frequência de consumidores de acordo com renda e consumo. A ordem da adesão à microgeração deve acontecer da categoria com maior renda e consumo para a categoria com menor renda e consumo. Ainda, observando que para a renda deve haver um limite inferior devido aos custos iniciais do investimento fotovoltaico. Cada categoria apresenta um consumo típico e uma potência típica instalada. Considera-se que a categoria do ano de projeção se somará às categorias que aderiram anteriormente à microgeração fotovoltaica. Assim, haverá um consumo e potência típica para o total de residências com microgeração fotovoltaica, que é resultante da média ponderada destes valores individuais das categorias que aderiram à microgeração fotovoltaica até o ano da projeção. A potência típica ponderada para o ano de projeção permite inferir o custo de disponibilidade típico das residências, através da observação da regulamentação. A diferença entre o consumo típico ponderado e o custo de disponibilidade resulta na produção fotovoltaica por residência para o ano de projeção. O número de domicílios com microgeração fotovoltaica é dado por (10), onde NDGF i é o número de domicílios com sistemas de microgeração fotovoltaica, NDA i é o número de domicílios atendidos pela distribuidora, TxAd i é o cenário para a taxa de adesão dos domicílios atendidos à microgeração fotovoltaica e i é o índice do ano de projeção. (10) A taxa de adesão à microgeração fotovoltaica depende de critérios e valores de cada prosumidor, que podem ser econômicos, ecológicos ou de conforto (qualidade e continuidade do fornecimento). Deve-se ter conhecimento dos consumidores atendidos de forma a obter a melhor ponderação para cada um desses valores. Tratando-se de critérios econômicos, indicadores como o índice de competitividade (IC) devem ser observados na criação dos cenários. Um IC maior que a unidade indica que a fonte fotovoltaica é economicamente viável. Outro indicador importante é o tempo de retorno do investimento fotovoltaico e este pode ainda ser comparado a outro investimento com características similares dentro das preferências dos consumidores propensos (com renda superior ao limite inferior utilizado para estimar PRF i ) à instalar sistema de microgeração fotovoltaico. Finalizando, o cálculo do consumo de energia elétrica da classe residencial é dado por (11). (11) Onde CR i é o consumo global em megawatt-hora da classe residencial, CPR i é o consumo por residência em megawatt-hora, NDA i é o número de domicílios atendidos, Conserv i é o cenário para a 4

5 conservação de energia em megawatt-hora, PFTR i é a produção de energia fotovoltaica da classe residencial em megawatt-hora e i é o índice do ano de projeção. 5. APLICAÇÃO DA METODOLOGIA PROPOSTA A metodologia foi testada com dados de uma distribuidora típica, que atua na região Sul do Brasil, em um local com distribuição solar média anual adequada ao estudo sob investigação. O uso dos aspectos normativos é descrito como segue. A partir de [10] estima-se o tempo que cada bandeira tarifária vigoraria e o respectivo incremento resultante na tarifa. A referência [11] mostra a curva de carga para a região Sul do Brasil e observa-se que o pico de consumo ocorre em um período diferente do pico de produção de energia fotovoltaica. Observando a forma de compensação de créditos de energia, estabelecida na REN 482, considera-se que o prosumidor não adere à modalidade tarifária branca, uma vez que, assim, ele recebe menos créditos pela energia produzida. A impossibilidade de venda de excedente, limite de potência instalada e o custo de disponibilidade são delimitadores para a produção pelo prosumidor e são consideradas na elaboração do cenário para a produção fotovoltaica por residência. A criação das categorias para obter PRF i ocorreu com base em [11] e utiliza-se a hipótese de que somente domicílios onde a renda é superior a sete salários mínimos são domicílios potenciais à micro e minigeração, devido aos custos iniciais da instalação do sistema fotovoltaico. Para a taxa de adesão, considera-se que o consumidor é motivado somente por razões econômicas. O tempo de retorno do investimento fotovoltaico é comparado ao tempo de retorno da aplicação da caderneta de poupança, por ser o investimento preferido das pessoas com renda mensal superior a quatro mil reais. De acordo com [12], 49,9% das pessoas nessa faixa de renda investem na modalidade. Juntamente com a análise da evolução do índice de competitividade da micro e minigeração fotovoltaica, elaboram-se os cenários para a taxa de adesão. Definidos os cenários, a metodologia tradicional modificada é comparada à metodologia proposta através da projeção dos cenários nublado (moderado), chuvoso (otimista) e ensolarado (pessimista), conforme mostrado na Fig. 2. O cenário ensolarado é favorável à microgeração solar fotovoltaica sob a perspectiva do prosumidor, contudo, sob a perspectiva da distribuidora é pessimista, pois reduz sua receita. Para as hipóteses consideradas, no cenário nublado, a produção de energia da microgeração fotovoltaica representa uma redução de 0,3% no consumo em 2018 e 4,1% em No cenário chuvoso, a inserção fotovoltaica é de 0,3% em 2019 e 1,8% em Já para o cenário Fig. 2: Cenários do Consumo Residencial. 5 ensolarado, a contribuição fotovoltaica é de 0,4% em 2017 e 8,9% em A menor taxa de crescimento da contribuição fotovoltaica nos primeiros anos do horizonte de projeção está relacionada a vários condicionantes, como, p.ex., a recente possibilidade de micro e minigeração e o atraso na adesão por parte dos

6 consumidores. Há também expectativas de redução significativa nos próximos anos do custo dos sistemas fotovoltaicos; com isso grande parte dos candidatos à micro e minigeração postergarão seus investimentos para produzir energia mais barata. Por volta de 2018, o índice de competitividade começa a crescer de forma considerável e o tempo de retorno do investimento já não reduz na proporção de anos anteriores. 6. CONCLUSÕES O estudo mostra que a adesão à mini e microgeração deve ser postergada nos primeiros anos, em função dos custos de implantação e do maior custo de produção fotovoltaica comparados às tarifas praticadas por distribuidoras. A inserção deve apresentar taxa de crescimento mais elevado em um horizonte de 3 a 5 anos, considerando as perspectivas tarifárias e do custo de produção fotovoltaico. Os resultados obtidos mostram que: a inserção fotovoltaica contribui para a redução na taxa de crescimento do consumo, tornando-a inclusive negativa para a metodologia proposta. A nova fonte de incerteza deve ser considerada na metodologia de projeção de consumo residencial de distribuidoras, pois as projeções de consumo são a base para decisões de investimento, compra de energia, entre outras, nestas empresas. A metodologia proposta apresenta-se como uma ferramenta de apoio ao estudo da geração distribuída de pequeno porte e seus efeitos sobre o mercado residencial de distribuidoras, como também dar suporte à decisão de novos aspectos regulatórios por parte da ANEEL. Com a continuidade do estudo, outras regiões do país serão analisadas. A investigação aqui realizada buscou analisar os efeitos deste problema recente de microgeração no mercado de distribuidoras. Serão realizados estudos buscando aprofundar o entendimento na produção fotovoltaica por residência e na taxa de adesão à micro e minigeração fotovoltaica. [5], Resolução Normativa nº 502 de 7 de agosto de 2012, Ago [6], Resolução Normativa nº 547 de 16 de abril de 2013, Abr [7] ANEEL Procedimentos de Distribuição, Módulo 3-Acesso ao Sistema de Distribuição, Dez [8] ANEEL Procedimento de Regulação Tarifária, Módulo 7-Estrutura Tarifária das Concessionárias de Distribuição, Maio [9] ABINEE Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (2012, Jun.). Propostas para inserção de energia solar fotovoltaica na matriz elétrica brasileira. ABINEE, São Paulo, SP. [Online]. Disponível em: m. [10] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica (2013, Out.). Nota Técnica nº448/2013. [Online]. Disponível em: /arquivo/2012/104/documento/nt_n%c2%ba _448_2013_-_bandeiras_tarifarias.pdf [11] ELETROBRÁS. Pesquisa de posse de equipamentos e hábitos de uso, ano base 2005: Classe Residencial Relatório Sul, ELETROBRÁS, Rio de Janeiro, Brasil, Set [12] E. Campos. (2012, Maio). Onde os brasileiros preferem investir. Revista Época. [Online]. Disponível em: m/financasdebolso/2012/05/21/onde-osbrasileiros-preferem-investir/ [13] CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos (2012, Dez.). Redes Elétricas Inteligentes: contexto nacional. CGEE, Brasília, DF. [Online]. Disponível em: os_tecnicos.php. 7. REFERÊNCIAS [1] A. C. G. Castelo Branco, Projeção de demanda de energia elétrica. Dissertação de Mestrado em Regulação da Indústria de Energia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia, Universidade Salvador, Salvador, [2] ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica, Resolução Normativa nº 77 de 18 de agosto de 2004, Ago [3], Resolução Normativa nº 414 de 09 de setembro de 2010, Set [4], Resolução Normativa nº 482 de 17 de abril de 2012, Abr