Estudo de Viabilidade Técnica e Econômica da Instalação de Sistemas Fotovoltaicos com e sem Armazenamento Auxiliar de Energia

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1 Estudo de Viabilidade Técnica e Econômica da Instalação de Sistemas Fotovoltaicos com e sem Armazenamento Auxiliar de Energia Autores: Augusto C.V. Silva 1, Carlos H.M. Rocha 2, Prof. Dr. Luiz C. P. Silva Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação FEEC, Departamento de Sistemas e Energia DSE, Av. Albert Einstein Cidade Universitária Zeferino Vaz Distrito Barão Geraldo - Campinas-SP Brasil CEP: autor: augusto.venerando@gmail.com Resumo Com a crescente preocupação na busca de novas fontes de energia, mais limpas e renováveis, a necessidade de estudos para a implantação desta nova fonte de geração se mostra cada vez mais urgente, este estudo busca concentrar as atenções em sistemas de geração de energia fotovoltaica residenciais, de pequeno porte, já imaginando o cenário de geração distribuída, onde cada consumidor passaria a ter papel ativo no sistema de distribuição de energia, ajudando assim a desafogar o sistema atual, baseado em grandes e centralizadas usinas de geração. Ao concentrar os estudos em sistemas de pequeno porte, este trabalho busca auxiliar na tomada de decisões sobre o investimento neste tipo de sistema, considerando, inclusive, possíveis mudanças na tarifa sobre a energia elétrica, já simulando a cobrança de uma tarifa horária (chamada Tarifa Branca). Além da possível mudança na tarifa de energia aplicada, o estudo também simula um cenário com armazenamento auxiliar de energia, onde a energia gerada seria armazenada utilizada quando o consumo fosse maior que a geração do sistema fotovoltaico, ou ainda, em outro cenário, a energia armazenada só seria utilizada quando a tarifa de energia fosse maior, evitando assim o uso de energia da rede. Palavras-chave: Geração de Energia, Sistema Fotovoltaico, Armazenamento de Energia. 1. Introdução O grande incentivo à energia solar foi dado durante a crise do petróleo dos anos 70, onde a necessidade de obtenção de energia por outras fontes além do petróleo ficou em destaque. Desde então, o preço da fabricação e instalação de tais sistemas só vem caindo (varia entre R$8,00/W e R$12,00/W, contra R$613,54/W, valor atualizado, em 1966), o que só facilita o acesso à tecnologia e incentiva a aplicação nos mais variados usos, principalmente residencial, já que é uma energia limpa. 1

2 No contexto nacional, alguns aspectos que contribuem para o aumento da presença da geração de energia solar fotovoltaica, como: a divulgação da resolução normativa no. 482 da ANEEL em abril de 2012; a definição das normas técnicas publicadas por cada concessionária distribuidora; a queda vertiginosa dos preços dessa tecnologia; e o surgimento de diversas empresas no Brasil capacitadas para a formação e treinamento de mão de obra técnica especializada para instalação e manutenção dos tetos solares. Uma vez que as barreiras regulatórias, tecnológicas e econômicas vão sendo gradativamente transpostas não há porque duvidar que a aplicação desse tipo de tecnologia ganhe força no Brasil nos próximos anos, assim como já é realidade em outros países. Pensando no mercado de pequenos e médios sistemas de energia solar, o fator decisivo, muitas vezes, continuará sendo o fator econômico. Logo, este estudo, além de atentar para aspectos técnicos, também se propõe a discriminar todos os custos e o investimento necessário para implantar tal sistema em uma residência, no nosso caso. Assim, o conjunto de simulações realizadas no programa GridLAB-D (ferramenta, de código aberto e gratuita, de modelagem e simulação de sistemas de potência), aliado com pesquisa de mercado sobre os preços dos componentes do sistema fotovoltaico, além de pesquisa junto à CPFL (distribuidora de energia do local hipotético de instalação do sistema simulado, a qual nos forneceu dados climático) nos deram base suficiente para uma completa análise técnica e econômica sobre a viabilidade de tal sistema no cenário atual brasileiro, tal como em um possível quadro sob a atuação de uma tarifa horária (Tarifa Branca). 2. Metodologia Premissas foram adotadas para determinar alguns parâmetros da simulação no programa GridLAB-D, tal como utilização de fonte externa de dados, como as informações sobre o clima Características de consumo da residência Neste estudo, buscou-se realizar a simulação de duas residências com duas faixas de consumo distintas Para determinar estas faixas de consumo, utilizamos indicadores econômicos que relacionam de maneira estatística aproximada o consumo de energia com a renda domiciliar, conforme a Tabela 1. Na Tabela 2 é mostrada a relação entre a renda domiciliar e a classe econômica. 2

3 Tabelas 1 e 2: Relação aproximada do consumo de energia renda domiciliar e relação classe econômica renda domiciliar. Classe Econômica Renda Domiciliar total [R$] Renda Média [R$] Consumo médio [kwh] Classe E Classe D Classe C Classe B Classe A Logo, concentramos nossos estudos em domicílios onde o consumo de energia era aproximadamente ao consumo relativo à residência pertencentes à classes C/D ( Casa Renda Média ) e, em outra simulação, classes A/B ( Casa Renda Alta ) Característica física da residência e produtos utilizados em seu interior Neste tópico, serão descritas as características das duas residências emuladas no software GridLAB-D Residência Foram analisadas uma casa de renda média e uma casa de alto padrão. Para essa diferenciação foram determinadas famílias de mesmo número de pessoas (quatro integrantes), porém tamanhos de casa diferentes, e aparelhos domésticos de consumo relativo a cada uma das casas. A casa de renda média foi definida como uma residência de dois andares, 80m² de chão por andar, e possuindo iluminação fluorescente, televisores, geladeira, chuveiro elétrico, ferro de passar roupas, computador, maquina de lavar roupa e cargas conectadas às tomadas. A casa de alta renda foi definida como uma residência de dois andares, 120m² de chão por andar, e possuindo, além dos produtos presentes na Casa de Renda Média, um ar condicionado. Foram alteradas curvas de consumo para cada aparelho, em relação à Casa de Renda Média Sistema de energia fotovoltaica e armazenamento de energia Para a escolha dos componentes do sistema, verificamos quais as opções disponíveis para modelagem no programa GridLAB-D e, dentre as opções, escolhemos os produtos que se melhor encaixavam nas características buscadas em sistemas de pequeno/médio porte residenciais, aspectos como: disponibilidade no mercado brasileiro, facilidade de instalação e manutenção, custos e tecnologia madura. A seguir, temos a descrição dos modelos escolhidos para composição do sistema Painel Solar 3

4 Escolhemos o modelo com tecnologia Monocristalina, com eficiência de aproximadamente 16,8%, conforme especificações de uma placa disponível no mercado brasileiro, logo não possui o preço tão elevado quanto o esperado para placas com esta tecnologia. Para cada residência foram escolhidos painéis de acordo com que a potência de cada sistema fotovoltáico fosse igual a potência média consumida pela residência. Assim, foram utilizados 12 painéis para a casa de renda média e 26 para a casa de renda alta Inversor O inversor é o equipamento responsável pela conversão da tensão e corrente contínua para a tensão e corrente alternada (conversão CC-CA). Tal aparelho se faz necessário, pois a geração do painel fotovoltaico, ou mesmo da bateria onde a energia se encontra armazenada, é CC, enquanto os aparelhos em uma residência são projetados para funcionar em CA, que é o padrão da rede de distribuição Controlador de carga Neste estudo, foi simulado tanto um controlador simples, que apenas verifica o estado da bateria e a carrega ou não, tal como verifica a geração e assim determina a descarga, ou não da bateria, como também foi modelado um controlador inteligente, que apenas descarregaria a bateria em horários onde a energia fosse mais cara, logo foi utilizado apenas no cenário onde a tarifa praticada fosse a chamada tarifa branca Sistema de armazenamento Para o correto armazenamento da energia, foi projetado um banco de baterias no qual, tendo o histórico de consumo da residência em valores mensais, foi calculada uma média diária de utilização de energia e a partir dessa média, calculou-se a quantidade de energia que seria necessária armazenar para suprir este consumo pelo período de aproximadamente 3 horas. 3. Resultados 3.1. Curva de Potência A geração dos painéis solares tem como principais fatores relevantes à área ocupada por eles e a radiação solar recebida pelos mesmos. Assim, para as duas residências temos painéis de tamanhos diferentes e, portanto, gerações de potência distintas em cada caso Curva de Potencia Gerada e Potência armazenada Abaixo podemos ver as curvas de geração de energia e potência armazenada para três possibilidades de clima: dia ensolarado (06/08), dia nublado (27/09) e dia com chuva (26/11). 4

5 Figura 1: Curvas de Geração de ambas as residências em dias ensolarados. Figura 2: Curvas de Geração de ambas as residências em dias nublados. Figura 3: Curvas de Geração de ambas as residências em dias de chuva Armazenamento com controle inteligente de descarga Levando-se em conta a tarifa horária torna-se economicamente viável um sistema que armazene a energia durante o dia e a utilize nos momentos onde a tarifa é mais elevada. Assim, foi simulado um sistema que carrega a bateria no momento em que é gerada potência o suficiente para isso e a descarregue a partir da 18h, onde começa a subida nos preços da energia. É possível ver a atuação desse sistema nas figuras abaixo. 5

6 Figura 4: Curvas de Geração e controle de descarga das baterias de ambas as residências em dias ensolarados. Figura 5: Curvas de Geração e controle de descarga das baterias de ambas as residências em dias nublados. Figura 6: Curvas de Geração e controle de descarga das baterias de ambas as residências em dias com chuva Análise sobre Retorno de Investimento Payback Custo de Instalação Para cálculo do custo de instalação, foi realizada uma rápida pesquisa com algumas empresas que oferecem tal serviço assim foi determinado o valor de R$52.900,00 para o sistema completo da casa de renda média e R$ para o sistema completo da casa de renda alta Tarifa de Energia Para o cálculo financeiro da energia consumida pelas residências, utilizamos valores de tarifa divulgados pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL, valores em 6

7 vigência durante o período de 08/04/2015 a 07/04/2016 na área de concessão da Companhia Paulista de Força e Luz - Paulista (Campinas e Região). Tal valor é de R$ 0,41964/kWh sem considerar impostos incidentes. Para aplicar a tarifa no cálculo efetivo, consultamos efetivamente uma conta de energia da CPFL - Paulista e verificamos o valor dos impostos incidentes, desconsiderando a taxa de iluminação pública, valor que não varia de acordo com o consumo e não será levado em consideração nos cálculos deste trabalho. Como Impostos incidentes na tarifa, temos: ICMS (Imposto Sobre Circulação de Mercadorias e Serviços), abrangência estadual. No caso da legislação do Estado de São Paulo, tal alíquota varia de acordo com o consumo, como as casas simuladas possuem consumo acima de 200kWh/mês, a alíquota aplicada é de 25%; PIS (Programa de Integração Social), abrangência Federal, possui alíquota 0,84%; COFINS (Contribuição para Financiamento da Seguridade Social), abrangência Federal, alíquota de 3,89%. No sistema de bandeiras tarifárias, o qual foi criado para cobrir os gastos adicionais na geração de energia em situações onde é necessário o acionamento das termoelétricas para cobrir a demanda de energia do país e funciona conforme a Figura 7, consideramos 3 cenários constantes, onde a bandeira tarifária definida permanece a mesma durante todo o período. Figura 7: Parâmetros para cálculo das bandeiras tarifárias. Além das tarifas vigentes, para a projeção nos próximos anos, foi considerado um aumento anual de 8% no valor da tarifa vigente em relação ao ano anterior. Além da Tarifa comum, ou seja, sazonal, descrita acima, foi considerado outro cenário onde a tarifa aplicada seria a chama Tarifa Branca, a qual possui 3 postos tarifários. A CPFL Paulista adota os valores tarifários, na modalidade Tarifa Branca, conforme Tabela 3. Tabela 3: Descrição Tarifa Branca utilizada pela CPFL - Paulista Tipo da Tarifa Tarifa Convencional Tarifa Branca Fora de Ponta Tarifa Branca Intermediária Tarifa Branca Ponta Tempo de retorno do investimento Valor X 0,876*X 1,083*X 1,631*X 7

8 Considerando todos os itens acima, porém sem considerar uma troca dos aparelhos ao fim da sua vida útil, ou seja, não estimamos o valor destes aparelhos no futuro, pois muitos outros fatores poderiam influenciar em tal estimativa, tal como a situação econômica do país ou ainda o surgimento de novas tecnologias, neste cenário, calculamos tempo de retorno do investimento para os diferentes casos simulados Sistema de Geração de Energia Sem Armazenamento Auxiliar de Energia Tabela 4: Tempo de Payback para casa de Renda Média período todo Verde 9,75 anos 19,75 anos 11,5 anos Amarela 9,25 anos 19,5 anos 11,25 anos Vermelha 9 anos 19 anos 10,75 anos Tabela 5: Tempo de Payback para casa de Renda Alta período todo Verde 8,5 anos 18,75 anos 10,25 anos Amarela 8,25 anos 18,25 anos 10 anos Vermelha 8 anos 17,75 anos 9,75 anos Sistema de Geração de Energia com Armazenamento Auxiliar de Energia Tabela 6: Tempo de Payback para casa de Renda Média Sem Controle de Descarga de Bateria período todo Verde 12,5 anos 20 anos 14,25 anos Amarela 12,25 anos 19,75 anos 14 anos Vermelha 12 anos 19,25 anos 13,5 anos Tabela 7: Tempo de Payback para casa de Renda Média Com Controle de Descarga de Bateria período todo Verde 12, 75 anos 17,75 anos 13,5 anos Amarela 12,25 anos 17,25 anos 13,25 anos Vermelha 12 anos 16,75 anos 12,75 anos Tabela 8: Tempo de Payback para casa de Renda Alta Sem Controle de Descarga de Bateria período todo Verde 12,25 anos 23,25 anos 14,25 anos Amarela 12 anos 22,75 anos 14 anos Vermelha 11,5 anos 22,25 anos 13,75 anos Tabela 9: Tempo de Payback para casa de Renda Alta Com Controle de Descarga de Bateria 8

9 Verde 12,25 anos 16 anos 12,75 anos Amarela 12 anos 15,75 anos 12,25 anos período todo Vermelha 11,5 anos 15,25 anos 12 anos 4. Conclusões Considerando o alto custo de investimento por parte dos consumidores para contar com um sistema de geração em sua residência, vemos que o índice de penetração ainda é relativamente baixo no mercado brasileiro, o que dá tempo às concessionárias para adaptações técnicas na rede para o acesso destes novos sistemas geradores. Porém, tal cenário tende a mudar e esta penetração pode ocorrer de maneira mais rápida nos próximos anos, considerando que normas regulatórias devem se sofisticar cada vez mais, se adaptando aos sistemas de funcionamento dos equipamentos disponíveis no mercado e assim facilitando a instalação dos mesmos. Além disso, o crescente custo de produção de energia deve forçar o surgimento de medidas de incentivo financeiro, tanto para a aquisição de equipamentos, quanto para a venda de energia do consumidor à concessionária, contribuindo também para a expansão da instalação da micro geração no país. O tempo de vida útil de uma bateria em sistemas de energia fotovoltaica é um grande entrave para a sua utilização, tal como o seu tamanho e preço de produção. Estes são problemas experimentados também pela indústria de carros elétricos, apesar de utilizar baterias com tecnologia ligeiramente diferente. Observamos que este é um dos problemas gerais quanto ao armazenamento de energia, logo, surge um importante sinal de alerta para grandes empresas e universidades, que podem se debruçar sobre tais questões e trabalhar em soluções a fim de desenvolver esta importante tecnologia que abrirá novas portas para a evolução de vários segmentos. Vemos que a implantação desse tipo de sistema torna-se economicamente viável para pessoas com um certo poder aquisitivo, visto que o tempo de retorno é relativamente alto: aproximadamente 9/12 anos considerando um bom cenário para a venda de energia para a rede. Portanto, o desenvolvimento desta tecnologia no país deve se basear não apenas no caráter econômico, mas também no perfil do consumidor interessado, consumidores podem sentir-se atraídos a esta tecnologia por motivos como: diminuição das emissões de carbono em relação a outras fontes de energia; esse tipo de sistemas fotovoltaicos serem considerados itens de extrema inovação tecnológica; Assim, com cada novo sistema implementado no país e diversos estudos sobre esse tipo de fonte de energia, o custo desses sistemas cairá de forma a torná-los cada dia mais viáveis economicamente. E quem sabe, com o auxilio fiscal correto, a popularização desses 9

10 sistemas de micro geração poderia se tornar uma saída para problemas de geração em locais onde não há mais espaço para grandes usinas, já que o Brasil possui altíssimos níveis de insolação em relação a outros países onde sistemas de energia solar fotovoltaica já possuem maior penetração. 5. Bibliografia [1] Grupo de energia solar. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Edição Especial. PRC-PRODEEM. Rio de Janeiro, 2004 [2] acessado em: 15/07/15 às 20:00h [3] acessado em: 15/07/15 às 19:40h [4] acessado em: 02/01/15 às 15:37h [5] acessado em: 20/07/15 às 15:00h [6] acessado em: 16/07/15 às 18:30h [7] acessado em: 27/07/15 às 18:25h [8] acessado em: 28/07/15 às 20:15h [9] 0kir6, acessado em: 16/07/15 às 18:45h [10] MONTEIRO, Luis Guilherme and ZILLES, Roberto. Estratégias de controle de carga em pequenos sistemas fotovoltaicos.. In: ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 5., 2004, Campinas. [11] Projeto de P&D ANEEL PA APLICAÇÃO MASSIVA DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA SOLAR EM DIFERENTES TIPOLOGIAS DE TELHADOS NA CIDADE DE CAMPINAS, CPFL-UNICAMP-CPqD [12] RÜTHER, R. Edifícios solares fotovoltaicos : o potencial da geração solar fotovoltaica integrada a edificações urbanas e interligada à rede elétrica pública no Brasil. 1 ed. Santa Catarina: UFSC/LABSOLAR, v p [13] VILLALVA, M. G. ; GAZOLI, J. R.. Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações - Sistemas Isolados e Conectados à Rede. 1. ed. São Paulo: Érica, v p. 10