ECONOMIC VIABILITY STUDY OF IMPLANTATION OF PHOTOVOLTAIC PANELS IN A RESIDENCE HOW TO OPTION FOR REDUCTION OF ELETRIC ENERGY CONVENTIONAL CONSUMPTION

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1 ESTUDO DA VIABILIDADE ECONÔMICA DA IMPLANTAÇÃO RESIDENCIAL DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO OPÇÃO PARA A REDUÇÃO DO CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA CONVENCIONAL ECONOMIC VIABILITY STUDY OF IMPLANTATION OF PHOTOVOLTAIC PANELS IN A RESIDENCE HOW TO OPTION FOR REDUCTION OF ELETRIC ENERGY CONVENTIONAL CONSUMPTION André Renato Kannenberg 1 RESUMO: No ano de 2001 ocorreu no Brasil uma crise energética que restringiu temporarimente o uso de eletricidade nos diversos setores da economia. A partir disso, como alternativa para solução do déficit energético, surgiu o incentivo à cogeração de energia elétrica. Uma das formas de cogeração se dá a partir da transformação de energia solar em energia elétrica por meio de painéis fotovoltiacos. Neste contexto, realizou-se um estudo da viabilidade econômica da implantação de painéis fotovoltaicos como opção para a redução do consumo de energia elétrica convencional em uma residência que apresenta consumo médio mensal de 239 kwh. O sistema de transformação de energia dimensionado é composto por 16 painéis fotovoltaicos, 03 inversores de corrente elétrica e 135 acumuladores de energia. A economia anual gerada pelo sistema foi de R$ 1.191,77 e o período de retorno simples do investimento de R$ ,00 se deu em 61 anos. Sendo a vida útil do conjunto de painéis fotovoltáicos de, em média, 25 anos o emprego da tecnologia na atualidade para as condiçoes de estudo apresenta-se economicamente inviável. PALAVRAS-CHAVE: Viabilidade Econômica. Energia Fotovoltaica. Cogeração. ABSTRACT: In 2001 occurred in Brazil a electric energy crisis, restricting temporarily the use of electricity in several sectors of the economy. From this, how alternative solution to the energy deficit, arose the incentive for cogeneration of electric energy. The transformation process of solar energy in electrical energy through panels photovoltaic, is a cogeneration example. In this context, we carried out a study of the economic viability of implantation of photovoltaic panels in a residence how to option for reduction of electric energy conventional consumption which presents average monthly consumption of 239 kwh. The energy transformation system projected is consists for 16 photovoltaic panels, 03 electrical current inverters and 135 energy accumulators. The annual savings generated by the system was of 1.191,77 Reais and, the payback period investment of ,00 Reais occurs in 61 years. Being 25 years the use time of photovoltaic panels, the use of technology, in actuality, presents economic unviability. KEY WORDS: Economic Viability. Photovoltaic Energy. Cogeneration. INTRODUÇÃO No período compreendido entre os meses de abril e maio do ano de 2001, o Brasil passou por uma crise energética que gerou restrição de uso de energia elétrica aos diversos setores da economia. Segundo as autoridades políticas da época, o déficit energético foi 1 Acadêmico do Curso de Engenharia Ambiental da Universidade do Vale do Itajaí - UNIVALI. ark@univali.br

2 desencadeado por fatores climatológicos (SOLNIK, 2001). Quando, um longo período de estiagem resultou na redução drástica dos níveis dos reservatórios de água inviabilizando a geração plena de energia elétrica nas principais usinas hidrelétricas do país. A partir de então, umas das possíveis soluções para a crise foi o incentivo à cogeração de energia elétrica. Campelo (2003) define cogeração como a produção descentralizada de eletricidade, e em particular a micro-geração apresentando-a como uma solução para o futuro, pois a partir das novas tecnologias é possível, no próprio local de consumo, transformar e disponibilizar energia elétrica em quantidade suficiente com alta eficiencia já que não ocorrem perdas por transporte de energia em alta tensão. Sendo assim, a disponibilização de energia elétrica a partir do aproveitamento da energia solar através de painéis fotovoltaicos, e a sua conexão com a rede elétrica de distribuição, é uma realidade em diversos países e vem crescendo e se consolidando como uma forma sustentável de obtenção de eletricidade (LISITA, 2005), caracterizando-se como um processo de cogeração. Nos painéis fotovoltaicos, a radiação solar que inside sobre o planeta Terra, de forma abundante, podendo inclusive ser considenrada uma fonte inesgotável, é absorvida por um conjunto de células fotovoltáicas. Essas células são compostas por uma mistura de material semi-condutor (silício) e uma substância dopante, a exemplo do Boro, que ao receber radiação solar, pela existência de um campo magnético, resulta no deslocamento de elétrons e em decorrência disso a geração de corrente elétrica (CASTRO, 2008). OBJETIVO Analisar a viabilidade econômica de um projeto de conversão de energia solar em energia elétrica para uma residência que apresenta consumo elétrico médio mensal de 239 kwh a partir de painéis fotovoltaicos. MÉTODO LEVANTAMENTO DE DADOS Descrição do local de estudo e caracterização do consumo elétrico: O processo de levantamento de informações do ambiente de estudo permitiu identificá-lo como residência unifamiliar localizada em Balneário Camboriú, município litorâneo do estado de Santa Catarina. Afastada das regiões suceptíveis a sombreamento, no bairro das Nações, o local caracteriza-se como uma área disponível para instalação de painéis fotofoltaicos de 96,0 m 2

3 correspondente a área de cobertura da residência constituída de telhas do tipo caletão (Figura 1). Figura 1 Vista frontal da residência e cobertura do local de estudo. A energia elétrica consumida na residência é empregada na alimentação elétrica de 02 chuveiros, 01 forno elétrico, 01 microcomputador, 01 geladeira, 02 televisores de 14 polegadas, 01 máquina de lavar roupas, 01 máquina centrífuga, 01 ferro de passar roupas, 02 aparelhos de som mini-system, iluminação realizada a partir de lâmpadas fluorescentes e incandescentes além de outros equipamentos de uso descontínuo e de baixa potência. Sendo assim, a determinação do consumo médio mensal e diário de energia elétrica na residência, custos com pagamento pelo uso de energia elétrica e demais informações foram levantadas a partir das faturas mensais referentes ao ano de Os valores podem ser visualizados na Tabela 1, a seguir. M ê s C onsu m o m é dio (kw h ) C u sto (R$) D ias d e C o nsum o m ê s M é d ia diária (kw h /d ia) Jan , ,03 Fe v , ,29 M ar , ,90 A b r , ,17 M ai , ,32 Ju n , ,83 Ju l , ,65 A go , ,71 Se t , ,97 O u t , ,77 N o v , ,23 D e z , ,42 So m ató rio , M é d ia , ,86 Tabela 1 - Detalhamento da demanda elétrica na residência no ano de 2009.

4 A partir do gráfico a seguir (Figura 2) pode-se verificar a variação do consumo de energia elétrica na residência no período. Figura 2 - Variação do consumo mensal de energia elétrica em 2009 na residência. Orientação geográfica dos painéis fotovoltaicos: Para que o potencial energético solar seja aproveitado ao máximo os painéis fotovoltáicos devem estar posicionados adequadamente. Por estar situado no hemisfério sul, a orientação solar favorável para o local de estudo, é aquela que possibilita que a superfície dos painéis fotovoltaicos esteja voltada para o norte geográfico (MARINOSKI; SALAMONI; RUTHER, 2004). O norte geográfico, por sua vez, é identificado a partir da determinação do norte magnético, a partir de uma bússola, e pela declinação magnética inerente a cada uma das direções (Norte, Sul, Leste e Oeste). Os valores são obtidos com auxílio de softwares a exemplo do Declinação Magnética 2.0 (MARINOSKI; SALAMONI; RUTHER, 2004). Radiação Solar Diária: Em função do posicionamento dos painéis fotovoltaicos e da região em que estão instalados, ocorre a variação dos índices de incidência solar conforme o horário, estação do ano e condições meteorológicas. Esses índices são obtidos a partir do levantamento dos dados diários de radiação solar incidente. Os valores de radiação solar diária adotados no presente estudo são referentes a medições do município mais próximo do local de estudo (Blumenau SC) uma vez que foram extraídos do software livre RETScreen desenvolvido pelo Natural Resourses Canada (Figura 3) no qual não há dados disponíveis referentes ao município de Balneário Camboriú SC.

5 Figura 3 Tela do software RETScreen apresentando informações referentes ao município de Blumenau SC. RESULTADOS Potência Nominal Necessária (P cc ): Diz respeito a potência necessária para suprir a demanda energética da residência (MARINOSKI; SALAMONI; RUTHER, 2004) e é calculada a partir da equação (1). Para seu cálculo, o valor de consumo elétrico médio diário (E) da residência utilizado, foi obtido pela divisão entre o valor de consumo anual apresentado na Tabela 1 e o número total de dias do ano. P cc E G R P cc = Potência média necessária (kw pcc ); = poa ( 1)

6 E = Consumo médio diário durante o ano (kwh/dia); G poa = Ganho por radiação solar: média mensal do total diário (kwh/m 2 /dia); e R = Rendimento do Sistema (%). O resultado obtido foi de 2,06 kw pcc adotando-se G poa = 4,10 kwh/m 2 /dia apresentado na Figura 3 e R= 0,9 (90%) obtido a partir da consulta às especificações técnicas do inversor de corrente elétrica empregado no sistema para converter energia elétrica contínua em energia elétrica alternada para que possa ser utilizada em equipamentos eletro-eletrônicos residenciais. Número de painéis fotovoltaicos: Para calcular o número de painéis fotovoltaicos necessários para suprir a demanda de 2,06 kw pcc determinou-se o modelo do painel a ser utilizado. Adotou-se um modelo policristalino de alta eficiência de 130 watts de potência máxima com tensão nominal de 12 Volts. Cada unidade fotovoltaica ocupa 0,93m 2. A partir da divisão entre o valor de Pcc em Watts pcc e o valor da potência máxima fornecida por cada painel fotovoltaico em Watts concluiu-se que são necessários 16 painéis fotovoltaicos de 130 Watts para suprir a demanda energética da residência em estudo. Inversores de corrente elétrica: O cálculo do número de inversores de corrente elétrica necessários foi obtido a partir da seguinte relação: Para cada 0,7 kw pcc são necessários 1kW de potência nominal do inversor de corrente (LISITA et al., 2005). Dessa forma, havendo um P cc de 2,06 kw pcc são necessários 2,95 kw de potência nominal proveniente do processo de inversão de corrente. Para garantir essa condição foram utilizados no estudo 03 inversores de frequência de Watts, com 90% de eficiência. Número de acumuladores de energia (Baterias): Na determinação do número de baterias necessárias ao sistema, é imprescindível a determinação do fator para dias de reserva. Segundo Princon (2004) apud Rech e Soares (2007) o fator é da ordem de 2,5 para a estação verão e 4,0 para a estação inverno. Para fins de cálculo, adotou-se o fator de dias de reserva igual a 4,0. Na equação (2) apresentada a seguir, o valor de Z é referente a um fator de correção vinculado ao não aproveitamento total da radiação solar pelos paines fotovoltaicos em função da sua posição e inclinação e do ângulo de indicência solar ao longo do ano. Sendo assim, conforme a equação (3), abaixo: Z = Z 2* Z3* Z 4 Z = Fatores conforme a estação do ano; ( 3)

7 Z2 = Coeficiente de tempo de radiação diário (h/dia); Z3 = Coeficiente de ângulo de inclinação dos paineis fotovoltaicos; e Z4 = Coeficiente de desvio da temperatura do painel fotovoltaico. Conforme Rech e Soares (2007), para o período de inverno Z2 = 1,95, Z3 = 1,55 e Z4 = 1,02. Portanto, a partir desses valores pode-se calcular a capacidade do banco de baterias apropropriado às condições de estudo por meio da equação (2): Cn = Z * W * F Un ( 2) Cn = Capacidade do banco de baterias (Ah/dia); Z = Fatores conforme a estação do ano; W = Consumo médio diário (Wh/dia); e Un = Tensão nominal do sistema. Assim, a capacidade do banco de baterias é equivalente a Ah/dia. Consequentemente, o número de unidades acumuladoras de energia foi determinado pela equação (4) a partir do emprego de baterias de 60 Ah ligadas em paralelo, resultando no valor de 135 unidades acumuladoras (baterias). Cn Bn = Cb ( 4) Bn = Número de Acumuladores (Baterias); Cn = Capacidade do banco de baterias (Ah/dia); e Cb = Capacidade das baterias adotadas (Ah). Cálculo da estimativa de energia gerada pelos painéis ao longo do ano: Observando a Figura 3 verifica-se que ao longo do ano ocorre uma variação radiação solar diária incidente sobre a superfície terrestre. Esses valores permitem estimar a energia gerada pelos painéis mês a mês, a partir da equação (5) conforme Lisita et al. (2005): E g = P * HSP * ηcc / CA ( 5)

8 Eg = Energia disponibilizada pelo painel fotovoltaico (kwh); P = Potência Nominal do painél fotovoltaico (kw); HSP = Número de horas de Sol Pleno em média diária a uma intensidade de 1.000W/m 2 (Equivalente a energia total diária incidente sobre a superfície do gerador em kwh/m2, dado em horas); e η CC /CA = Rendimento do inversor de corrente contínua para corrente alternada. Os resultados da aplicação da equação (5) são apresentados na Tabela 2: Mês Dias de Consumo mês Potência Instalada (kwp) Irradiação Solar (kwh/m2) Rendimento do Inversor Energia transformada (kwh/mês) Jan 31 2,06 5,28 0,9 303,46 Fev 28 2,06 4,84 0,9 251,25 Mar 31 2,06 4,37 0,9 251,16 Abr 30 2,06 3,59 0,9 199,68 Mai 31 2,06 3,04 0,9 174,72 Jun 30 2,06 2,71 0,9 150,73 Jul 31 2,06 2,92 0,9 167,82 Ago 31 2,06 3,67 0,9 210,93 Set 30 2,06 3,68 0,9 204,68 Out 31 2,06 4,32 0,9 248,29 Nov 30 2,06 5,35 0,9 297,57 Dez 31 2,06 5,42 0,9 311,51 Tabela 2 - Estimativa de Energia fornecida mensalmente pelos painéis fotovoltaicos Análise da viabilidade econômica: A partir dos valores de consumo médio mensal e custo mensal pelo uso de energia elétrica na residência ao longo do ano de 2009 apresentados na Tabela 1, verifica-se que o custo médio por kwh é da ordem de R$ 0,43. Sabendo-se que ao londo do período de janeiro a dezembro de 2009 podem ser fornecidos pelos painéis fotovoltaicos 2.771,56 kwh, calculou-se a economia gerada pela substituição do uso de energia elétrica convencional pela equação (6): R$ E * T ECO = R$ ECO = Valor economizado no período (R$); g ano E gano = Energia disponibilizada pelos paineis fotovoltaicos no período (kwh); e ( 6) T = Tarifa paga pelo consumo de energia elétrica à concessionária (R$).

9 Dessa forma, serão economizados ao longo de um ano R$ 1.191,77 que representa 95,8 % dos custos anuais por pagamento de tarifas de energia elétrica convencional à concessionária. Os custos com aquisição dos equipamentos somam R$ ,00 para compra de 16 painéis fotovoltaicos de 130 Watts de potência, R$ 2.565,00 para compra de 03 inversores de corrente de Watts de potência e R$ para compra de 135 baterias. Não foram contabilizados no estudo os custos com mão de obra para instalação assim como os custos com estruturas de fixação para os painéis fotovoltaicos, disposição de inversores de frequência e baterias, fiação elétrica e custos com manutenção. Assim sendo, por meio do cálculo do Período de Retorno Simples (PRS) obtido a partir da divisão entre o valor gasto com a compra de equipamentos que somaram R$ ,00 e o valor economizado anualmente pelo uso da energia fornecida pelos painéis fotovoltaicos, na ordem de R$ 1.191,77, o investimento realizado será amortizado em 61 anos. Sabendo que vida útil estimada dos painéis fotovoltaicos utilizados no estudo é de, em média, 25 anos projeto de conversão de energia solar em energia elétrica para as condições adotadas no estudo e para as características do cenário de estudo apresenta-se, na atualidade, economicamente inviável. DISCUSSÃO O padrão de consumo de energia elétrica resultante da utilização de equipamentos eletro-eletrônicos na residência em estudo representa uma fração da população que não faz uso de condicionadores de ar como mecanismo redutor de temperatura. Por isso, verifica-se que há uma diminuição do consumo no período de verão influenciada também pela prática do desligamento dos chuveiros elétricos. Contrariamente, nos meses com temperaturas mais baixas, a necessidade de utilização de chuveiros elétricos em potência máxima e aumento do tempo necessário para aquecimento de resistências instaladas em fornos elétricos e ferro de passar roupas, por exemplo, são fatores responsáveis pelo aumento do consumo de energia elétrica nas residências. Ao analisar os valores que compõe o campo 'Energia mensal gerada kwh' verifica-se que nos meses de abril, maio, junho, julho, agosto e setembro o fornecimento de energia pelos painéis fotovoltaicos é menor do que a quantidade de energia necessária demandada pela residência. Isso se dá pela redução da radiação solar incidente nos meses que antecedem e precedem o inverno assim como durante os meses de inverno e também pelo aumento do

10 consumo de energia elétrica nesses períodos como pode-se observar na Figura 2. Dessa forma, para que toda a demanda energética da residência seja oferecida a partir de painéis fotovoltaicos para todo o período (12 meses) seria necessário adicionar ao conjunto de painéis fotovoltaicos 10 unidades com as mesmas especificações daqueles já empregados no estudo. Esse ajuste, caso fosse realizado, representaria uma elevação significativa nos custos do projeto, contribuindo para o aumento da possibilidade de inviabilidade econômica do investimento. Assim, a utilização de painéis fotovoltaicos nas condições de estudo enquadrase como opção para redução do consumo de energia elétrica oferecida pela matriz energética convencional e não como um meio para tornar a residência autosuficinte em energia elétrica. CONCLUSÃO A utilização do potencial energético solar para obtenção de energia elétrica apresentase como alternativa sustentável para a matriz energética mundial por se tratar de uma fonte de energia considerada inesgotável e que, em comparação com as fontes energéticas convencionais, a exemplo da energia elétrica obtida em usinas hidrelétricas e termelétricas, gera menos resíduos e causa impactos ambientais em menor escala. Apesar disso, na atualidade, a opção apresenta elevados custos em função do uso de alta tecnologia, mas que, no futuro, com a redução de custos da tecnologia, avanços tecnológicos, incentivos governamentais face a necessidade energética, à redução dos impactos ambientais e ao desenvolvimento sustentável, as possibilidades de viabilidade econômica para a opção serão maximizadas. REFERÊNCIAS CAMPELO, R. Estudo técnico-econômico de um sistema de cogeração a gás natural em pequena escala f. Monografia Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, CASTRO, R. Energias Renováveis e Produção Descentralizada: Introdução à energia fotovoltaica. Lisboa: IST, 2008 DEEC/Área Científica de Energia, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa, Disponível em: < Acesso em: 06 ago MARINOSKI, D. L.; SALAMONI, I. T.; RUTHER, R. Pré-dimensionamento de Sistema Solar Fotovoltaico: Estudo de caso do edifício-sede do CREA-SC. In: Conferência Latinoamericana de Construção Sustentável, 1.; Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído,10., 2004, São Paulo - SP. I CLACS; X ENTAC, 2009.

11 LISITA, O. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede: Estudo de caso 3 kwp instalados no estacionamento do IEE-SP. São Paulo: USP, p. Tese (Mestrado) Instituto de Física, Programa de Mestrado em Energia, Universidade de São Paulo, São Paulo, RECH, G., SOARES, C. Metodologia de dimensionamento de um gerador fotovoltaico para sistemas autônomos. In: Seminário de Iniciação Científica, 15.,2007, Ijuí, RG. Ijuí: UNIJUI, Disponível em: < 1.PDF>. Acesso: 05 ago SOLNIK, A. A guerra do apagão: A crise da energia elétrica no Brasil. São Paulo: SENAC, 2001.