Estudo de Caso de Geração Distribuída Fotovoltaica de Pequeno Porte Conectada à Rede de Distribuição

1 Estudo de Caso de Geração Distribuída Fotovoltaica de Pequeno Porte Conectada à Rede de Distribuição B. X. de Sousa e J. W. Nerys Resumo--Aplicações de micro e minigeração distribuída, a partir de fontes renováveis, destacam-se como alternativas potencialmente viáveis para a autonomia energética de consumidores e consequente redução no carregamento de redes elétricas de distribuição. Nesse contexto, a fonte solar fotovoltaica se apresenta como uma opção interessante para geração distribuída de pequeno porte integrada às edificações urbanas brasileiras. Apesar dessa tecnologia ainda apresentar custo de geração elevado, sabe-se que já existe equivalência com as tarifas residenciais cobradas por algumas concessionárias de distribuição. Como estudo de caso, ao final do artigo, foi proposta a instalação de um sistema fotovoltaico na envoltória de um dos prédios da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Federal de Goiás. Apesar da inviabilidade econômica apresentada, entende-se que a solução atende à intenção educacional com a promoção da tecnologia solar fotovoltaica aos alunos, professores e comunidade em geral. Palavras-Chave --Conexão à rede, Energia Solar Fotovoltaica, Geração Distribuída. U I. INTRODUÇÃO ma das variáveis para se definir um país como desenvolvido é a facilidade de acesso da população aos serviços de infraestrutura, como saneamento básico, transportes, telecomunicações e energia. A energia é o fator determinante para o desenvolvimento econômico e social ao fornecer apoio mecânico, térmico e elétrico às ações humanas [1]. Neste contexto se insere a geração distribuída renovável de pequeno porte conectada à rede elétrica. Além de se tratar de uma opção com reduzido impacto ambiental, promove a eficiência energética, por meio de alivio de demanda, e a relativa autonomia energética ao consumidor que se torna parcialmente imune aos apagões. Este trabalho aborda a viabilidade da geração fotovoltaica distribuída de pequeno porte integrada às envoltórias das edificações urbanas brasileiras. Esses sistemas se apresentam potencialmente viáveis devido à abundância de irradiação solar no território nacional, como, também, à similaridade entre curvas diárias de irradiação e do comportamento de José Wilson Lima Nerys é professor na Universidade Federal de Goiás (email: jwlnerys@gmail.com). Bruno Xavier de Sousa é Analista de Infraestrutura no Ministério de Minas e Energia. (e-mail: brunoengenheiro@yahoo.com.br). cargas com expressiva participação de equipamentos de ar condicionado. Como estudo de caso, foi proposta a instalação de um sistema fotovoltaico integrado à envoltória de um dos prédios da Escola de Engenharia e de Computação da Universidade Federal de Goiás, no intuito de promover a divulgação da tecnologia, em caráter educacional, como também a redução do consumo energético da escola. II. GERAÇÃO DISTRIBUÍDA A Geração Distribuída (GD) é definida como a modalidade de geração de eletricidade que contempla a coincidência espacial entre o ponto de geração e o ponto de carga, conectada à rede elétrica de distribuição ou em sistemas isolados. Conforme definições propostas em [3], serão consideradas neste trabalho as seguintes modalidades de geração distribuída de pequeno porte: - Microgeração Distribuída: Central geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 100 kw, conectada na rede de baixa tensão da distribuidora. - Minigeração Distribuída: Central geradora de energia elétrica, com potência instalada maior que 100 kw e menor ou igual a 1 MW, conectada diretamente na rede da distribuidora, em qualquer tensão. Pequenos geradores conectados próximos às cargas podem trazer diversos benefícios para o consumidor, dentre eles: menor nível de oscilação da frequência e/ou tensão; maior garantia do suprimento energético em situações de interrupção no fornecimento de energia pela concessionária de distribuição local; paridade tarifária, quando o custo de geração da fonte instalada for equivalente ao custo da tarifa final paga pelo consumidor à distribuidora. Para o sistema elétrico, essa aplicação pode promover diversos benefícios, dentre eles se destacam: redução de perdas nas linhas de transmissão e distribuição; adiamento de investimentos para expansão nas redes de transmissão e distribuição, bem como de novas usinas de geração centralizada; redução no carregamento das redes, contribuindo para a segurança energética; promoção de baixo impacto ambiental e provimento de serviços anciliares, como geração de energia reativa. No entanto, destacam-se algumas desvantagens no uso de pequenos geradores distribuídos: aumento da complexidade de

2 operação da rede de distribuição, que passará a ter fluxo bidirecional de energia; aumento da dificuldade para controlar o nível de tensão da rede no período de carga leve; alteração dos níveis de curto-circuito das redes; aumento da distorção harmônica na rede; intermitência da geração, devido à dificuldade de previsão de disponibilidade da fonte (radiação solar, vento, água, biogás), assim como alto custo de implantação que poderá representar tempo de retorno elevado para o investimento [3]. De acordo com [3], a proposta é que seja aplicado no Brasil o sistema de compensação de energia (Net Metering), conforme demonstrado na Fig. 1: III. ASPECTOS REGULATÓRIOS No Brasil, apesar dos incentivos concedidos para as fontes alternativas renováveis, ainda não há uma regulamentação especifica que beneficie agentes de micro e minigeração distribuída conectada à rede. O Ministério de Minas e Energia MME atua no desdobramento do plano de ação do Grupo de Trabalho de Geração Distribuída com Sistemas Fotovoltaicos GT-GDSF, instituído pela Portaria SPE/MME n 36, de 26 de novembro de 2008, para avaliar as possíveis adequações do marco legal e regulatório, as políticas e planos que visam inserir a energia solar fotovoltaica no portfólio energético nacional dentro do contexto do Planejamento Energético. A Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL realizou a Consulta Pública nº 015/2010, de 10/09/2010 a 9/11/2010, e a Audiência Pública nº 42/2011, de 11/08/2011 a 14/10/2011 relativos à geração distribuída. Após análise das referidas contribuições, a Agência deverá publicar uma resolução normativa que pretende facilitar o acesso de pequenas centrais geradoras, com até 1 MW de potência instalada e cuja fonte energética seja incentivada (solar, eólica, biomassa, hídrica e cogeração qualificada) para conexão em baixa ou média tensão. Diversos mecanismos têm sido adotados em outros países a fim de promover a microgeração e minigeração distribuída, proveniente de fontes renováveis, conectada a rede, dentre eles se destacam: - Tarifa Feed-in: compreende a modalidade de incentivo por meio de pagamento de tarifa diferenciada às centrais geradoras que utilizam fontes renováveis de energia. Esse mecanismo é aplicado por meio de contratos de longo prazo (10 a 20 anos). - Quotas: definido como uma obrigatoriedade estabelecida ao agente distribuidor para contratação de uma parcela de energia proveniente de tais fontes. - Net Metering: compreende a modalidade de cobrança ou criação de crédito à unidade consumidora, baseada no resultado entre a parcela de energia consumida e a injetada na rede da concessionária, por meio do uso de medidores bidirecionais. - Certificados de Energia Renovável: o agente gerador recebe um certificado que atesta a expectativa de energia a ser produzida. Esses certificados atestam o beneficio ambiental promovido por tais empreendimentos. Deste modo, se traduzem em fonte de receita ao empreendedor que poderá comercializá-los com empresas que pretendem atender às metas ambientais de seus países, no tocante à emissão de gases de efeito estufa. Fig. 1. Topologia padrão para o sistema Net Metering [3]. IV. ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Além de tratar-se de uma solução renovável com impacto ambiental reduzido, no Brasil a fonte solar fotovoltaica se apresenta como uma importante alternativa para micro e minigeração distribuída conectada a rede, devido à considerável disponibilidade de recurso energético solar e à presença de uma das maiores reservas mundiais de silício. O efeito fotovoltaico ocorre em dispositivos conhecidos como células fotovoltaicas. Estas células são componentes optoeletrônicos que convertem diretamente a radiação solar em eletricidade. São basicamente constituídas de materiais semicondutores, sendo o silício o material mais empregado [4] O potencial de energia solar fotovoltaica no Brasil é consideravelmente superior ao consumo total de energia elétrica do país. Em uma análise hipotética, se o lago de Itaipu fosse coberto de módulos solares fotovoltaicos de filmes finos, seria possível gerar o dobro da energia gerada pela Usina de Itaipu, ou o equivalente a 160 TWh em um ano [8]. Segundo o Atlas Brasileiro de Energia Solar [5], os valores de irradiação solar global incidente em qualquer região do território brasileiro são superiores aos da maioria dos países da União Européia, como Alemanha, França e Espanha. Os valores máximos de irradiação solar são observados a oeste da região Nordestina, incluindo parcialmente o norte de Minas Gerais, o nordeste de Goiás e o sul de Tocantins. A Fig. 2 exibe o mapa solarimétrico brasileiro, considerando a média anual da irradiação solar diária incidente sobre um plano com inclinação igual à latitude do ponto geográfico em consideração. Pode-se verificar que o Estado de Goiás apresenta uma média anual de irradiação solar entre 2100 a 2200 kwh/m 2 /ano, demonstrando considerável potencial para geração solar fotovoltaica.

3 VI. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A REDE NO BRASIL A geração distribuída fotovoltaica no Brasil ainda é incipiente, mas já chama a atenção de grandes investidores devido ao grande potencial encontrado no país. Em 2009, 29 unidades estavam em operação (157 KWp), sendo a maioria instalada em centros de pesquisa e Universidades, com finalidade de pesquisa e desenvolvimento [7]. Constam no Banco de Informação de Geração [2], apenas oito registros de empreendimentos fotovoltaicos conectados a rede, totalizando 1.494kW instalados. Dentre eles, se destaca a maior usina fotovoltaica brasileira: Tauá, no município de Tauá Ceará, com capacidade instalada de 1MW e formada por 4.680 painéis fotovoltaicos. Fig. 2. Mapa do total anual de irradiação inclinada (inclinação igual à latitude local), em kwh/m 2 /ano [11]. V. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS INTEGRADOS A EDIFICAÇÕES De acordo com Rüther [8], painéis fotovoltaicos comercialmente disponíveis no mercado atendem às exigências físicas e estruturais de revestimento, apresentando versatilidade em termos de tamanhos, formas e montagem, além de cumprir com elevado padrão de esteticidade. Adicionalmente, quando utilizados como elementos arquitetônicos integrados a edificações, desde a concepção do projeto original, apresentam a vantagem econômica de substituir vidros, mármores ou outros elementos decorativos e de revestimento, diminuindo, assim, o custo final da instalação. A utilização dos módulos fotovoltaicos como elementos de sombreamento têm obtido grande sucesso, uma vez que controla a passagem excessiva de calor e iluminação no ambiente, minimizando os custos adicionais para sombreamentos e o consumo de energia em aparelhos condicionadores de ar [6] Unidades consumidoras situadas em locais de alta irradiação solar, detentoras de perfil de carga com expressiva participação de equipamentos de ar condicionado, apresentam elevado potencial de aproveitamento da geração fotovoltaica conectada a rede, devido à coincidência entre os pontos de alta incidência solar e o máximo consumo. Esse comportamento de carga é típico em edificações comerciais e públicas. O que não é observado no setor residencial e industrial, onde acontece o pico de carga geralmente no horário compreendido entre 18h00min e 21h00min. Segundo [7], a particularidade da curva de carga coincidente com o período de geração, permite o estabelecimento de estratégias de redução de consumo em edificações urbanas e, consequentemente, a conservação de energia primária nas unidades de geração. VII. PARIDADE TARIFÁRIA Conforme dados da ANEEL [3], mostrados na Fig. 3, a equivalência entre a tarifa residencial, paga pelo consumidor final, e o custo médio estimado para geração fotovoltaica (500 a 600R$/MWh) pode ser verificada nas áreas de concessão de algumas distribuidoras de energia elétrica. Fig. 3. Tarifa final do consumidor residencial, com impostos, em comparação com o custo médio de geração fotovoltaica [3]. Apesar da tarifa residencial, cobrada pela CELG Distribuição S.A., estar abaixo do valor estimado para geração fotovoltaica, considera-se que, com prováveis incentivos governamentais e desenvolvimento da indústria nacional de painéis fotovoltaicos, haverá uma tendência de redução nos custos para geração fotovoltaica no Brasil. Isso poderá gerar a paridade tarifária na região de concessão da CELG-D. Segundo as simulações realizadas por Zilles [9], em Goiânia haverá a referida paridade, provavelmente, em 2017. VIII. INSTALAÇÃO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS Vários fatores devem ser levados em consideração para a correta instalação dos painéis solares fotovoltaicos com vistas a maximizar a eficiência do sistema. Conforme [6], a temperatura dos painéis, o sombreamento parcial, as resistências dos condutores e o estado de limpeza dos painéis influenciam o desempenho do sistema gerador fotovoltaico.

4 Considera-se que a orientação ideal para o posicionamento do painel é a da superfície voltada para o equador com inclinação igual à latitude local. As fachadas voltadas para leste ou oeste (no Brasil) também podem ter performances satisfatórias mesmo quando instaladas em ângulos inclinados ou na vertical, com rendimentos da ordem de 60% em relação a uma orientação ótima, devido ao baixo ângulo do sol no início e final do dia [6]. Por se tratar de uma topologia de instalação ao tempo, a estrutura de fixação à edificação deve estar projetada para suportar cargas mecânicas diversas, bem como contrações e expansões térmicas. A Fig. 4 mostra a topologia padrão para um sistema fotovoltaico de pequeno porte conectado à rede, formada pelos seguintes elementos: (1) gerador fotovoltaico - que por meio do efeito fotoelétrico, injetará corrente elétrica contínua no inversor; (2) caixa de proteção DC contém dispositivo de proteção e manobra em corrente contínua; (3) inversor - transforma energia contínua em alternada, em conformidade com o nível de tensão e frequência exigido pela rede/carga; (4) medidor elétrico - registra a energia gerada pelo painel; (5) ponto de conexão do sistema à rede; (6) cargas e equipamentos elétricos; (7) medidores elétricos registram o consumo elétrico da edificação, e também a injeção de energia na rede da distribuidora; (8) transformador de potência e (9) rede de distribuição. para assim aumentar o grau de visibilidade da tecnologia pela comunidade acadêmica. Fig. 5. Vista superior da EEEC da UFG. A. Recurso Solar Para quantificar a radiação solar global incidente sobre o painel fotovoltaico, utilizou-se o programa SunData, disponível no sítio eletrônico do Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito CRESESB [4]. Esse programa fornece dados de irradiação solar em localidades próximas ao ponto de interesse, de acordo com as coordenadas geográficas fornecidas. Para as coordenadas da Escola de Engenharia Elétrica (lat. - 16.677435º, long. -49.241833º), obtiveram-se os valores mostrados na Fig. 6. Fig. 4. Diagrama esquemático de um sistema fotovoltaico conectado à rede e integrado a uma residência [10]. IX. ESTUDO DE CASO Como estudo de caso deste trabalho, foi selecionada a Escola de Engenharia Elétrica e de Computação - EEEC da Universidade Federal de Goiás, como local hipotético a ser instalado um sistema fotovoltaico de pequeno porte conectado à rede elétrica de distribuição. Na Fig. 5 está destacada toda a área referente à EEEC, que inclui prédios das faculdades de Engenharia Elétrica, Civil, de Computação, Mecânica e Ambiental. Considera-se que a área útil para a instalação dos painéis fotovoltaicos não será um fator restritivo, visto que além de existir área útil na cobertura de diversos blocos, há ainda a possibilidade de instalá-los no solo, em locais com mínima interferência de sombreamentos, Fig. 6. Radiação Solar Diária Mensal (kwh/m 2.dia) no plano horizontal e no plano inclinado com ângulo igual à latitude.

5 Verifica-se que de fato a cidade de Goiânia é privilegiada no que concerne à irradiação solar, apresentando uma média anual de 5,00 kwh/m 2.dia no plano horizontal e 5,20 kwh/m 2.dia no plano inclinado com o ângulo igual à latitude. Nota-se que o comportamento da irradiação solar mensal apresenta baixo desvio médio ao longo do ano, já que os valores de desvio padrão verificados para o plano horizontal e inclinado são, respectivamente: 0,26 e 0,35. B. Análise de Viabilidade Devido aos elevados custos verificados para a geração fotovoltaica no Brasil, preferiu-se considerar um sistema de pequeno porte, a fim de cumprir com a finalidade de promoção da tecnologia no ambiente acadêmico e verificar sua possível viabilidade econômica. O sistema fotovoltaico, com potência instalada de 2940 kwp, será constituído por 14 módulos do tipo silício monocristalino (m-si), com dimensões físicas de: 1500 mm x 990 mm cada um. Desconsiderando a superfície referente às bordas divisórias dos módulos, o painel, instalado sob um plano com inclinação igual à latitude, terá como área útil aproximada 19,93m 2. Uma vez que a potência do sistema é inferior à menor demanda registrada pela unidade consumidora da EEEC-UFG, a estimativa de geração fotovoltaica (E ger ) é obtida por meio dos dados referentes à irradiação solar local em plano inclinado (E sol ), e os valores de eficiência da célula fotovoltaica (η fv ) e do inversor (η inv ), conforme demonstrado em (1): E ger = E sol x ƞ fv x ƞ inv (1) Considerando a temperatura média de operação do sistema de 45ºC, têm-se como valores de referência para a eficiência da célula fotovoltaica m-si e inversor: 12,42% e 90%, respectivamente [6]. Deste modo, tem-se como estimativa de geração fotovoltaica a curva exibida na Fig. 7. Fig. 7. Estimativa de geração fotovoltaica (kwh) por meio do sistema fotovoltaico proposto. A partir da estimativa de geração fotovoltaica, obtém-se a curva da Fig. 8, referente ao custo mensal economizado no consumo de energia elétrica, considerando a tarifa convencional cobrada atualmente pela CELG (R$ 0,1933/kWh) e a inclusão de 34,7% de impostos (PIS/PASEP, COFINS e ICMS): Fig. 8. Economia mensal proporcionada pelo uso do sistema fotovoltaico proposto na EEC-UFG. Para a análise da viabilidade econômica do sistema, considera-se a vida útil dos painéis fotovoltaicos igual a 30 anos, e, como custo destinado anualmente à operação e manutenção do sistema (O&M), uma porcentagem equivalente de 1% do investimento inicial [9]. Por meio da coleta de preços de três fornecedores que atendem à cidade de Goiânia, considera-se que o valor médio para fornecimento e instalação do sistema fotovoltaico proposto é de R$ 45.000,00. Esse valor contempla os custos com serviços de mão de obra em geral, e a aquisição dos seguintes elementos: painéis fotovoltaicos, inversor DC/AC, cabeamento e dispositivos de proteção. Deste modo, a EEEC-UFG teria que desembolsar R$45.000,00, como investimento inicial para o projeto turnkey, e mais R$ 450,00, por ano, para custos relacionados à manutenção e operação do sistema. Por outro lado, a economia da escola na conta de energia seria em média de R$ 90,42 ao mês, equivalentes à R$ 1.085,04 por ano. Descontando-se o custo com O&M, durante a vida útil do equipamento (30 anos), haveria uma economia líquida de R$635,04 ao ano. Mesmo desconsiderando a taxa de juros, percebe-se que o valor economizado, ao final do período de 30 anos, não será suficiente para compensar o valor investido no projeto. Essa constatação torna o projeto inviável sob o ponto de vista econômico. Apesar de não haver, em uma análise preliminar, paridade entre a receita gerada pela eficiência energética obtida e os custos necessários para a aquisição e operação do sistema. Considera-se que, possivelmente, com a evolução decrescente do custo de geração fotovoltaica e possíveis acréscimos na tarifa cobrada pelas concessionárias de distribuição, melhores resultados poderão ser obtidos. X. CONCLUSÃO A geração fotovoltaica de pequeno porte integrada às edificações urbanas se apresenta como importante opção para a promoção da eficiência energética e sustentabilidade ambiental. Ainda que tenha sido verificada a inviabilidade econômica do projeto, essa alternativa cumpriria com seu objetivo educacional e de promoção da tecnologia, tendo em

6 vista a importância do tema no contexto atual de geração distribuída e conservação do meio ambiente. XI. REFERÊNCIAS [1] Agência Nacional de Energia Elétrica, Atlas de Energia Elétrica do Brasil, 3ª edição. Brasília: ANEEL, 2008, p. 21. [2] Agência Nacional de Energia Elétrica, Banco de Informações de Geração. [On Line]. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes /capacidadebrasil/capacidadebrasil.asp. [3] Agência Nacional de Energia Elétrica, Proposta de abertura de Audiência Pública para o recebimento de contribuições visando reduzir as barreiras para a instalação de geração distribuída de pequeno porte, a partir de fontes incentivadas, conectada em tensão de distribuição e também alteração do desconto na TUSD e TUST para usinas com fonte solar, Brasília, Nota Técnica nº 0025/2011, Jun. 2011. [4] CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, http://www.cresesb.cepel.br/principal.php. [5] E.B Pereira, F.R Martins, S.L. de Abreu, R. Rüther, Atlas Brasileiro de Energia Solar, 1ª Edição. São José dos Campos: INPE, 2006, p. 31. [6] I. T. Salamoni, Metodologia para Cálculo de Geração Fotovoltaica em Áreas Urbanas Aplicada a Florianópolis e Belo Horizonte, Dissertação de Mestrado, Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil, Universidade Federal de Santa Catarina, 2004. [7] Ministério de Minas e Energia, Estudo e Propostas de utilização de geração fotovoltaica conectada à rede, em particular em edificações urbanas, Brasília, Relatório do Grupo de Trabalho de Geração Distribuída em Sistemas Fotovoltaicos, 2009. [8] R. Rüther, Edifícios Solares Fotovoltaicos, 1ª Edição. Florianópolis: LABSOLAR, 2004, pp. 15, 75. [9] R. S. Benedito, R. Zilles, Caracterização da Produção de Eletricidade por meio de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede no Brasil, Revista Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, Vol. 13, Argentina, 2009. [10] S. H. F. de Oliveira, Geração Distribuída de Eletricidade: Inserção de Edificações Fotovoltaicas conectadas à rede no Estado de São Paulo, Tese de Doutorado, Instituto de Eletrotécnica e Energia, Universidade de São Paulo, 2002. [11] T. S. Viana, R Rüther, F. R. Martins, E. B. Pereira, Potencial de Geração Fotovoltaica com Concentração no Brasil, apresentado no III Congresso Brasileiro de Energia Solar, Belém, 2010. XII. BIOGRAFIAS Bruno Xavier de Sousa nasceu em Goiânia, Goiás, Brasil, em 1982. Graduado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Goiás, em 2005. Atualmente é aluno do curso de Especialização em Instalações Elétricas Prediais da Universidade Federal de Goiás, e exerce o cargo de Analista de Infraestrutura, no Ministério de Minas e Energia. Tem interesse nas seguintes áreas: Energia Alternativa Renovável e Eficiência Energética. José Wilson Lima Nerys nasceu em Conceição do Araguaia, Pará, Brasil, em 1961. Possui graduação em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Goiás (1985), graduação em Licenciatura Plena em Ciências - Habilitação em Física pela Universidade Católica de Goiás (1982), mestrado em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Uberlândia (1993) e doutorado em Engenharia Elétrica - University of Leeds (1999). É professor associado da Universidade Federal de Goiás. Tem experiência na área de Engenharia Elétrica, com ênfase em Máquinas Elétricas e Dispositivos de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: economia de energia, cargas não-lineares, motor de indução, sistemas de irrigação do tipo pivô central e aplicações de microcontroladores.