GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMA HÍBRIDO DIESEL-EÓLICO PARA UM HOSPITAL

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1 GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA ATRAVÉS DE SISTEMA HÍBRIDO DIESEL-EÓLICO PARA UM HOSPITAL SILVIO CARLOS ANIBAL DE ALMEIDA 1 silvioa@gmail.com RAPHAEL LOPES FREIRE 1 raphaellfreire@gmail.com UFRJ- Universidade Federal do Rio de Janeiro Departamento de Engenharia Mecânica. Cidade Universitária, Centro de Tecnologia, Bloco G, sala 204 Ilha do Fundão. Rio de Janeiro/RJ Brasil - CEP: Tel. (21) Resumo Este trabalho apresenta uma modelagem sobre a viabilidade econômica e energética de um sistema híbrido alternativo de geração de energia elétrica utilizando o software Homer. O modelo é aplicado para atender a demanda energética anual do Hospital das Clínicas da Unicamp. Foi feita uma análise de várias possibilidades de geração, tais como a eólica, fotovoltaica (PV), e a integração do sistema isolado com rede elétrica. Para os custos utilizados na simulação, os melhores resultados foram obtidos com o sistema diesel-eólico. O retorno do investimento se dá num prazo de 8 anos. Abstract This paper presents a wind-diesel hybrid power simulation using the software Homer. The model is applied to the case study of Hospital das Clínicas da UNICAMP Analysis of several alternative energy facilities like wind, photovoltaic (PV), and connection of the isolated system with the grid is done. The costs used in the simulation indicated that the best results were obtained with the wind-diesel system. The payback period for the investment in the system is 8 years. Palavras chave: fontes alternativas de energia, sistemas híbridos, geradores eólicos, 1. Introdução Nas duas últimas décadas ocorreu uma crescente movimentação de âmbito internacional no sentido de se iniciar a transição do atual sistema energético fóssil-nuclear para um sistema energético baseado em energias renováveis, subordinado às práticas sustentáveis de aproveitamento de recursos naturais e medidas mitigadoras das mudanças climáticas globais. Um marco desse movimento foi o Protocolo de Kyoto em No Brasil, desencadearam-se profundas reflexões que estabeleceram novos desafios para o setor energético, dentre os quais: não perder o foco no uso de tecnologias limpas; reduzir os riscos hidrológicos; alcançar a universalização do atendimento energético; utilizar eficientemente os recursos disponíveis e contribuir para o desenvolvimento sustentável da economia. Dentro desse contexto, as energias alternativas renováveis, pelos insumos em larga escala disponíveis no País e por seus benefícios intrínsecos, quais sejam, rapidez na implantação, ampliação do desenvolvimento sócio-econômico local, geração próxima ao centro de carga, redução de perdas de transmissão e complementaridade às energias convencionais, apresentam-se como solução adequada para responder às demandas. O objetivo deste estudo é analisar a viabilidade técnico-econômica de um sitema híbrido de geração de eletricidade para atender a demanda de energia de um hospital.os dados de demanda de eletricidade utilizados nesta simulação foram retirados do trabalho Subsídios Técnicos para os Estudos de Implantação de um Sistema de Cogeração no Hospital

2 de Clínicas (HC) (Nipe, 2002). A modelagem de um sistema híbrido diesel-eólico-fotovoltaico foi feita através do programa Homer. 2. O programa HOMER O HOMER é um modelo de otimização de sistemas híbridos de energia que foi desenvolvido com o objetivo de prever a configuração de sistemas descentralizados, avaliando um grande número de alternativas na busca pela solução ótima. A idéia é identificar o sistema de menor custo capaz de suprir a demanda de energia elétrica de determinada comunidade. Além disso, o programa permite a comparação das diversas alternativas com a extensão de rede e possibilita análises de sensibilidade que avaliam o impacto da variação de parâmetros carga e disponibilidade de recursos sobre o sistema. O Programa HOMER simula a operação do sistema, calculando o balanço energético para cada uma das 8760 horas do ano. Para cada hora, o HOMER compara a demanda de energia e a capacidade do sistema fornecer a energia naquela hora, decidindo para cada hora como operam os geradores e ainda as cargas de descargas das baterias. O HOMER calcula o balanço de energia para cada um dos sistemas que se deseja considerar, desde que sua configuração seja factível. O sistema de cálculo dos custos engloba os custos de investimento, custos de reposição dos equipamentos, custos de combustível e custos de operação e manutenção. Após a simulação de todas as possíveis configurações, o HOMER fornece uma lista de configurações classificadas de acordo com o custo total em valor presente (net present cost em US$) e do custo específico de energia (US$/MWh) de cada sistema. Todos os custos de equipamentos e tarifas foram convertidos para dólar na época em que foram pesquisados (cotação US$ 1 = R$ 1,90). 3. Modelagem do sistema híbrido Para analisar a viabilidade do projeto é necessário fazer um levantamento dos custos dos equipamentos, manutenção e operação e das condições climáticas do local (velocidade de vento, intensidade de radiação solar). O programa analisa diversas configurações de sistemas híbridos, utilizando parâmetros de entrada dos que podem ser alterados pelo usuário. Abaixo estão listados os principais parâmetros de entrada no HOMER: Demanda energética em kw do local escolhido Tarifas da energia da rede, e custo para interligar o sistema à rede Características físicas e geográficas do local de estudo: velocidade dos ventos e níveis de radiação Equipamentos: Potências e custos de instalação e manutenção de grupos geradores, geradores fotovoltaicos e eólicos Potências e custos de instalação e manutenção inversores Taxas de juros do Mercado; Emissões devido ao uso de combustíveis Análise das condições climáticas de Campinas Os dados de velocidade média de ventos e de intensidade da radiação solar de Campinas foram obtidos no site da NASA, Surface Meteorology and Solar Energy, e estão mostrados nas figuras 2 e 3 (NASA). O Homer permite a importação desses dados, inserindo-se a latitude e a longitude.

3 Figura 1- Média de velocidade de vento em Campinas 3.2. Análise dos custos atuais Figura 2- Média da Radiação Solar em Campinas As tarifas de eletricidade foram obtidas de um levantamento feito pelo DIEESE ( em julho de 2007 e está mostrado na tabela 1. A tarifa da eletricidade é inserida no Homer como mostra a figura 3. O programa permite a inserção de custos diferenciados, ao longo do dia e no fim de semana. No caso estudado preço do kwh foi mantido fixo em U$ 0,27.

4 Tabela 1- Tarifas de energia Faixas de Consumo (kwh) Preço do kwh (R$/kWh) Sem Sobretaxa Com Sobretaxa Até 30 kwh 0,0717 0, a 100 0,1005 0, a 200 0,1311 0, a 220 0,1756 0, a 250 0,2405 0, a 500 0,2405 0, a 700 0,2405 0,3228 acima de 700 kwh 0,2405 0,5087 Fonte: Dieese 2007 Figura 3 Inserção do consumo de eletricidade da rede no Homer Serão estudados 3 demandas máximas da rede: 1000, 2000, 3000 kw, como mostra a Figura 4:

5 Figura 4 Demanda máxima da rede na tela de entrada de dados do Homer Equipamentos do Projeto e Cenários Sugeridos Um sistema hibrido para geração da energia do Hospital foi modelado no Homer e está mostrado na figura 5. Ele é composto de painéis fotovoltaicos, geradores eólicos, banco de baterias. Pretende-se estudar o sistema isolado e a utilização de uma parcela de energia da rede, de forma a diminuir os custos do sistema. Figura 5- Modelagem do sistema híbrido no Homer Grupo gerador O grupo gerador utilizado na simulação está caracterizado na figura 6. Figura 6 - Caracterização do grupo gerador

6 O Homer permite estudar a influência da potência do gerador no custo do sistema e da energia. A potência do grupo gerador, neste estudo variou na faixa de 0 a 4000 kw. O combustível utilizado é o gás natural e a tarifa básica utilizada foi de U$ 0,15/ m Gerador eólico O gerador eólico utilizado na simulação está caracterizado na figura 7. Os dados do gerador estão no site A potência fornecida por cada gerador eólico varia de acordo com a velocidade do vento, conforme indicado na figura 7. O número de unidades variou de 0 a 100. Considera-se que 100 seja o número máximo de unidades em função do espaço físico disponível Inversor e banco de baterias Figura 7- Caracterização do Gerador Eólico O armazenamento da energia gerada no sistema híbrido é feita através de um banco de baterias. Figura 8- Caracterização do inversor

7 A conexão do banco de baterias e dos sistemas de geração em corrente continua com as demandas em corrente alternada é feita através de um inversor (cfr. Figura 5) Painéis fotovoltaicos Figura 9- Caracterização do banco de baterias A figura 10 mostra as características dos painéis fotovoltaicos utilizados. São módulos de 120 W cada e a potência total desses dispositivos varia na faixa de 0 a 4000 kw. Figura 10- caracterização dos painéis fotovoltaicos Curva de demanda do hospital A curva de demanda elétrica diária média o hospital de clínicas da UNICAMP é mostrada na figura 11. Para simplificar a estimativa essa curva é considerada invariável ao longo do ano.

8 4. Resultados da simulação do sistema híbrido A figura 12 e a tabela 2 mostram os resultados da simulação do sistema híbrido no Homer. Foi feita uma análise de várias possibilidades de geração, tais como a eólica, fotovoltaica (PV), e a integração do sistema isolado com rede elétrica. Para os custos utilizados na simulação, os melhores resultados foram obtidos com o sistema diesel-eólico. Por limitação do espaço, só será apresentado o melhor resultado obtido na simulação, que corresponde à seguinte configuração: 100 geradores eólicos e um banco de baterias de 500 unidades interligados à rede. Também não serão apresentados os dados relativos às emissões que foram calculados no trabalho realizado. Figura 11 Curva de demanda de Eletricidade do HC UNICAMP (Nipe, 2002) Devido ao alto custo dos painéis fotovoltaicos eles não foram incluídos nessa configuração ótima, embora algumas configurações simuladas no Homer também incluam esse tipo de geração. Figura 12- Custos do sistema híbrido: capital inicial e combustível. O investimento inicial necessário para essa configuração é de U$ ,00 e o custo da energia, para essa configuração, é U$ 0,141/kWh, o que representa um custo menor que a compra da eletricidade da rede.

9 Tabela 2 Energia Consumida pelo hospital simulada no Homer. Componente Energia Gerada Fração do total de energia (kwh/ano) Geradores eólicos % Geradores a gás natural % Rede % Total % A tabela 2 mostra a energia gerada por ano para essa configuração. Os geradores eólicos suprem 83% da demanda de eletricidade do hospital. A configuração descrita também produz pequenos excedentes de energia mensal que podem ser vendidos para a rede, de acordo com a legislação. Esses excedentes são mostrados na figura Retorno do Investimento A figura 14 analisa o investimento inicial para a implantação do sistema híbrido e a economia anual com a compra de energia da rede. Como observado nessa figura, o retorno do investimento se dá num prazo de 8 anos, sendo, portanto, um prazo relativamente curto, o que torna atrativo o investimento.

10 Figura 13- Excedentes de energia Despesa $0,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ ,00 -$ , Ano 100% Energia da rede Rede + Projeto Figura 14 Retorno do investimento 5. Conclusões Foi estudada neste artigo, a viabilidade de um sistema de cogeracao de energia para o hospital de clinicas da Unicamp. Através do Homer foram feitas simulações com diversas configurações de sistemas híbridos. Foram estimados os custos de instalação e o custo específico da energia. O melhor resultado obtido na simulação, que corresponde a seguinte configuração: 100 geradores eólicos e um banco de baterias de 500 unidades interligados à rede. O custo específico da energia para essa configuração foi estimado em US$ 0,141/kWh.

11 6. Referências BALESTIERI, J; Cogeração: Geração combinada de eletricidade e calor; Editora da Universidade Federal de Santa Catarina; Santa Catarina; BERMAN, I; Cogeneration, combined cycles and synthetic fuels: an overview, Power Engineering DANISH WIND INDUSTRY ASSOCIATION. Wind Speed Calculator. Disponível em: Acesso em: 11 junho BOSQUEIRO,D; Metodologia de Avaliação de Sistemas Térmicos de Geração de Eletricidade, Universidade Estadual de Campinas; Espírito Santo;S/D. NASA, Disponível em: em: 10 maio de NIPE, Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Energético; Subsídios Técnicos para os Estudos de Implantação de um Sistema de Cogeração no Hospital de Clínicas (HC) UNICAMP; Campinas; TOLMASQUIM, M.T. Fontes Renováveis de Energia. Rio de Janeiro TECNOLOGIAS DE MICRO-GERAÇÃO E SISTEMAS PERIFÉRICOS, disponível em Acesso em: 11 julho de 2007