UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA LAÍS TAMARA DE ALMEIDA METODOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS BÁSICOS DE USINAS SOLARES PARA APROVAÇÃO JUNTO A ANEEL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2014
LAÍS TAMARA DE ALMEIDA METODOLOGIA PARA O DESENVOLVIMENTO DE PROJETOS BÁSICOS DE USINAS SOLARES PARA APROVAÇÃO JUNTO À ANEEL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Elétrica, do Departamento de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheira Eletricista. Orientador: Professor Doutor Jair Urbanetz Junior. Eng. Co-Orientador: Especialista Luiz Fernando Ortega, Eng. CURITIBA 2014
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 - MATRIZ ENERGÉTICA MUNDIAL... 6 FIGURA 2 - OFERTA DE POTÊNCIA DE GERAÇÃO ELÉTRICA... 8
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 5 1.1 TEMA... 9 1.1.1 Delimitação do Tema... 9 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS... 10 1.3 OBJETIVOS... 11 1.3.1 Objetivo Geral... 11 1.3.2 Objetivos Específicos... 11 1.4 JUSTIFICATIVA... 11 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS... 12 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO... 12 1.7 CRONOGRAMA... 14 REFERÊNCIAS... 15
5 1 INTRODUÇÃO Far-se-á neste trabalho de conclusão de curso um estudo voltado para análise da documentação necessária para aprovação de um projeto básico de usinas solares junto à ANEEL para serem implantados no Brasil e conectados à matriz energética brasileira. A energia proveniente de usinas solares através de painéis fotovoltaicas entrou no cenário mundial de energia elétrica na primeira metade do século XX de acordo com Vallêra, em seu artigo denominado Meio Século de História Fotovoltaica. Segundo Vallêra, somente nas décadas de oitenta e noventa houveram incentivos para a procura de novas formas de geração de energia a partir de fontes renováveis em decorrência das alterações climáticas que são provenientes da erosão da camada de ozônio a partir de emissões de CO 2 na atmosfera devido à queima de combustíveis fósseis. Neste cenário e desde 1960 iniciaram-se pesquisas em torno de tecnologias solares na América do Norte, mas apenas em 1974 apenas algumas casas foram totalmente aquecidas ou resfriadas por sistemas de energia solar funcional. A primeira central solar de grande porte (1 MW p ) foi instalada na Califórnia em 1982. O programa telhados solares apenas revelou-se nos anos de 1990 na Alemanha e em 1993 no Japão de acordo com Vallêra. Esta corrida para obtenção de energia através de fontes renováveis ocorreu mais precisamente nos países desenvolvidos, no primeiro instante, pela crise petrolífera de 1973, pois, até este período o planeta provia energia através de fontes não renováveis como é exposto na Figura 1 a qual explicita a matriz energética mundial e também a matriz energética brasileira em 2010:
6 FIGURA 1 - MATRIZ ENERGÉTICA MUNDIAL FONTE: IEA (2010), adaptado pela autora. Como se pode obervar, a matriz energética mundial utiliza, em sua maioria, o petróleo e o carvão mineral como fonte de energia. De acordo com Amaral, o carvão mineral tornou-se necessário durante a Revolução Industrial para a produção de vapor nas máquinas de Watt. Mas somente em 1961 o carvão torna-se a primeira fonte de energia no mundo sendo ultrapassado pelo petróleo o qual foi descoberto em 1859 quando Edwin Drake encontrou-o a uma profundidade de 21 metros em Tutsville, nos EUA. Então, com o advento do mercado automotivo e o lançamento do carro Ford-T em 1908 ocorreu uma maior demanda em relação à gasolina, derivado do petróleo, para abastecer os carros da época. Entretanto, segundo Amaral, somente em 1930 a indústria petroquímica obteve seu auge produzindo em grande escala os subprodutos derivados do petróleo sendo a gasolina seu principal produto e seu declínio nos anos de 1973 e 1978 com a crise petrolífera dando inicio às discussões sobre fontes alternativas de energia como exposto anteriormente. Observa-se que, ao longo de toda a história da humanidade, o homem sempre procurou formas de produzir energia para a alimentação de máquinas que produzissem bens de consumo fomentando assim o desenvolvimento e evolução da humanidade. Mas mesmo com o advento da Revolução Industrial, a eletricidade, a qual necessita das fontes dispostas na Figura 1 para ser
7 gerada, tornou-se disponível em grande escala apenas em 1886 por George Westhinghouse com a primeira linha de transmissão de energia elétrica em corrente alternada que proporcionou a transmissão em grandes distâncias para o uso doméstico e alimentação da lâmpada elétrica que existia desde 1880 a qual foi desenvolvida por Thomas Edison e tinha duração de 40 horas (WALTER, 2010). Segundo o site Memorial da Eletricidade das companhias Eletrobrás, Light, ABCE e CEMIG, no Brasil, o pioneiro da introdução da eletricidade foi Dom Pedro II que, em 1879, inaugurou a iluminação na Estrada de Ferro a qual era alimentada através de dois dínamos e um locomóvel de 7 CV. Após este episódio, outros lugares também receberam iluminação, porém, apenas em 1881, houve a instalação do primeiro serviço público de iluminação elétrica no Brasil, no estado do Rio de Janeiro, e também era alimentado por um locomóvel e dois dínamos. Então, para que mais sistemas fossem acionados através de energia elétrica, em 1883, a primeira usina hidrelétrica do país entrou em operação no Ribeirão do Inferno, na cidade de Diamantina (MG), por iniciativa do engenheiro Arthur Thiré. Também era acionada por dois dínamos e a energia produzida era transportada através de uma linha de transmissão que tinha dois quilômetros. Já em 1887 a primeira usina termelétrica é inaugurada no estado do Rio Grande do Sul, sendo conhecida por termelétrica Velha Porto Alegre e construída do grupo FIAT LUX. Esta usina tinha por objetivo alimentar o serviço de iluminação pública da região. Em 1889 a primeira usina hidrelétrica de grande porte entrou em operação. Esta recebeu o nome de usina Marmelos Zero, pertencia à Companhia Mineira de Eletricidade (CME) e gerava energia para a fábrica de tecidos de Bernardo Mascarenhas e para iluminação pública da cidade de Marmelos Zero. No Estado do Paraná, a primeira usina foi inaugurada em 1890 e estava localizada na cidade de Curitiba. Utilizava duas máquinas a vapor e lenha como combustível. Em 1893, São Paulo coloca em operação sua primeira usina hidrelétrica, a Usina de Monjolinho com dois geradores de 50 kw. O estado do Rio de Janeiro inaugurou sua primeira usina hidrelétrica apenas em 1896 a qual foi instalada no rio Itamararati. Contava com quatro geradores de 648 kw e destinava-se a iluminação pública de Petrópolis. Voltando ao estado do Paraná, a Usina de Itaipu entrou em operação apenas em 1984, sendo a
8 maior do mundo até aquele momento e concretizou a conclusão do sistema interligado Norte e Nordeste. Como se pode analisar, até a década de 80 apenas duas fontes de energia elétrica eram utilizadas no Brasil, ou seja, as termelétricas e as hidrelétricas. Porém, é nesta época que ocorre a criação da Associação Brasileira de Energia Solar (ABENS), a qual fomenta pesquisas na área de Energia Solar no Brasil. Para se ter noção da representatividade desta forma de obtenção de energia o Figura 2 apresenta a estrutura de energia elétrica no Brasil no ano-base de 2013: FIGURA 2 - OFERTA DE POTÊNCIA DE GERAÇÃO ELÉTRICA FONTE: BEN (2013) Observa-se que desde a criação do ABENS até o ano de 2013 a geração de energia elétrica através de usinas solares fotovoltaicas ainda não é expressiva em relação a usinas hidroelétricas. Porém, as usinas solares fotovoltaicas estão na iminência de entrarem no cenário de leilões de forma efetiva e competitiva devido ao seu preço estar baixando em relação a outras fontes de energia como é o caso do Leilão de Energia 2013, promovido pelo governo de Pernambuco segundo o site do Ambiente Energia Meio Ambiente, Sustentabilidade e Inovação e através de leilões específicos para usinas
9 solares fotovoltaicas promovidos em 2014 pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) disponível em seu site oficial. Porém, é necessária uma metodologia para que estes projetos que vão a leilão estejam de acordo com os requisitos mínimos da Chamada N 013/2011 da ANEEL e possam ser aprovados pela Agência e consequentemente leiloados e concretizados. Com a Chamada N 013/2011 Projeto Estratégico: Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira a ANEEL recebeu 100 projetos de Usinas Solares Fotovoltaicas dos quais apenas 18 foram aprovados pela agência, porém, apenas 13 projetos foram a leilão e o primeiro que entrou em operação é referente à Subestação de Tanquinho, em 2012, em Campinas. Como se pode observar muitos projetos básicos de usinas solares fotovoltaicas são enviados para aprovação junto à ANEEL, porém no momento dos leilões de energia apenas uma pequena parcela destes são enviados efetivamente e, além disso, apenas corporações privadas, como é o caso do Grupo EBX financiam a execução das obras encarecendo ainda mais o custo desta fonte de energia. Entretanto, o grupo EBX conectou a usina solar de Tauá (CE) à rede elétrica nacional no dia 3 de Junho de 2011 com capacidade inicial de 1MW o suficiente para abastecer 1,5 mil residências de acordo com a reportagem do jornal online Diário do Nordeste. Para que os projetos sejam enviados à ANEEL com maior qualidade, é necessário que os projetos básicos de usinas solares fotovoltaicas estejam de comum acordo com o documento Chamada N 013/2011 Projeto Estratégico: Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira produzido pela ANEEL e sejam padrões de apresentação. Os projetos básicos já enviados e aprovados serão analisados criticamente durante o trabalho de conclusão de curso. 1.1 TEMA 1.1.1 Delimitação do Tema Após analisar o cenário energético brasileiro atual, constatou-se uma deficiência na oferta de energia proveniente de usinas solares. Como
10 explicitado anteriormente e segundo Lopes apenas 18 projetos de um total de 100 foram aprovados pela ANEEL decorrentes da chamada n 13. Pode-se observar que é provável que haja falhas de nível técnico na documentação dos projetos básicos em confronto com as especificações solicitadas pela ANEEL. Outro problema encontrado é o elevado custo desta modalidade energética, porém o futuro trabalho manterá seu enfoque apenas na documentação necessária de projetos básicos de usinas solares para aprovação na ANEEL segundo o documento Chamada N 013/2011 o qual faz parte de um Projeto Estratégico de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) lançado em 2011 pela ANEEL. 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS O Brasil possui uma matriz energética hidrotérmica, ou seja, a maior parte do fornecimento energético brasileiro é proveniente das matrizes hidroelétricas e existem usinas térmicas principalmente a gás na forma de reserva ou backup, porém no ano de 2014 observou-se uma estiagem o que acarretou em um maior uso da energia proveniente de matrizes térmicas que possui um custo maior em relação às matrizes hidroelétricas por utilizarem gás natural entre outros combustíveis, todos sendo comprados, além do impacto ambiental. As usinas solares, além de utilizarem a energia proveniente do sol, uma fonte renovável, limpa e inesgotável, seu impacto ambiental é muito menor do que o de uma usina térmica (gás natural, nuclear, carvão) e usinas hidroelétricas, ou seja, é uma alternativa para o país que a energia gerada venha de usinas solares, mas para isso é necessário que os projetos básicos sejam elaborados seguindo diretrizes básicas e apresentem as premissas necessárias para a construção de usinas solares fotovoltaicas (USFs) de acordo com as exigências do órgão regulador, ou seja, da ANEEL.
11 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral Apresentar as premissas básicas para aprovação junto à ANEEL de um projeto de usinas solares, as quais deverão conter arranjos técnicos e comerciais para a inserção da usina solar fotovoltaica na matriz energética brasileira. 1.3.2 Objetivos Específicos Analisar a documentação já existente sobre o tema abordado, encontrar as falhas e apresentar suas respectivas soluções conforme passos descritos abaixo: a) Determinar o que é e como funciona uma usina solar; b) Detalhar quais são os documentos necessários para um projeto básico de usina solar; c) Conseguir modelos de projetos básicos já aprovados pela ANEEL; d) Analisar estes projetos; e) Desenvolver um diagrama de blocos mostrando como proceder para o desenvolvimento de um projeto básico de usinas solares e propor um padrão de apresentação de projeto; f) Finalizar a monografia do Trabalho de Conclusão de Curso apresentando as soluções para o problema apresentado anteriormente. 1.4 JUSTIFICATIVA De acordo com os argumentos expostos nos itens anteriores e levandose em consideração à estiagem ocorrida no ano de 2014 que levou a uma maior utilização de usinas térmicas para abastecimento dos consumidores como forma de backup, busca-se a criação de uma padronização de projetos básicos de usinas solares fotovoltaicas para serem aprovados junto à ANEEL. Como já foi exposto, desde a chamada n 013 a Agência já recebeu cem propostas de usinas solares fotovoltaicas dos quais apenas 18 foram
12 aprovados. Logo, como no Brasil há várias empresas de projetos que enviaram suas propostas para aprovação junto à ANEEL observa-se a necessidade de projetos melhor desenvolvidos e mais coerentes com os parâmetros exigidos pela Agência Nacional de Energia Elétrica para que mais USFs entrem em operação e sejam inseridos na Matriz Energética Brasileira. Além de ser interessante economicamente e ambientalmente para o país e sua população a energia de reserva ser proveniente de usinas solares fotovoltaicas no lugar de usinas térmicas, as quais são agressivas ambientalmente. Com a instalação de usinas solares fotovoltaicas haverá redução de CO 2 na atmosfera o que beneficiará o meio ambiente com a redução do impacto ambiental e social que as usinas hidroelétricas promovem além da redução da compra de gás de outros países promovendo uma economia neste quesito para o governo e para o consumidor final. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS Para o trabalho de conclusão de curso será utilizada pesquisa bibliográfica, artigos, teses de mestrado e doutorado além da consulta a materiais referente a usinas solar fotovoltaica oferecida pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) disponível em seu site oficial. A ANEEL disponibiliza um Manual do Programa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica o qual apresenta a Chamada N 013/2011 Projeto Estratégico: Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira as premissas básicas para desenvolvimento de projetos de usinas solares fotovoltaicas atendendo o objetivo deste trabalho acadêmico. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO No primeiro instante, visa-se a apresentação de uma proposta concisa para o trabalho de conclusão de curso, apresentando uma introdução sobre o parâmetro histórico da energia elétrica, delimitando o tema e objetivos do trabalho a ser desenvolvido.
13 Para o segundo capítulo do trabalho de conclusão de curso, apresentarse-á os conceitos de energia solar juntamente com a situação desta fonte energética no mercado brasileiro além de um panorama geral das usinas solares fotovoltaicas de grande porte já existentes no Brasil. O capítulo três focará na análise minuciosa de projetos que estão sendo desenvolvidos por empresas ligadas ao setor de usinas solares, de projetos já aprovados pela ANEEL e um comparativo entre estes de acordo com a Chamada N 013/2011 Projeto Estratégico: Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira que apresenta os parâmetros necessários que um projeto básico deve conter para ser submetido à análise por parte da ANEEL e posteriormente ser enviado para os leilões. Decorrido à análise apresentada no capítulo três, o capítulo quatro apresentará um padrão de projeto básico de usinas solares fotovoltaicas a ser seguido por qualquer empresa de projetos que queira desenvolve-los e submetê-los à aprovação junto a ANEEL. A conclusão deste trabalho de conclusão de curso será feita no capítulo cinco, finalizando assim a monografia para submetê-la à defesa e aprovação para obtenção do título de Engenheira Eletricista.
14 1.7 CRONOGRAMA Escolha do Tema, do Orientador e do Co-Orientador Abril/2014 Abril /2014 Maio /2014 Junho /2014 Julho /2014 Agosto /2014 Setembro /2014 Encontros com Orientador Outubro /2014 Novembro /2014 Dezembro/ 2014 Fevereiro /2015 Março /2015 Abril /2015 Maio /2015 Junho /2015 Julho /2015 Pesquisa Bibliográfica Preliminar Abril/2014 Maio/2014 Junho/2014 Julho/2014 Elaboração da Proposta Abril/2014 Maio/2014 Junho/2014 Julho/2014 Estabelecimento da Bibliográfia Definitiva Junho/2014 Entrega da Proposta 23/Julho/2014 Desenvolvimento da Estrutura do Trabalho de Conclusão de Curso 1 Setembro/2014 Outubro/2014 Novembro/2014 Dezembro/2014 Fevereiro/2015 Defesa do Trabalho de Conclusão de Curso 1 Fevereiro/2015 Revisão e Entrega Oficial do Trabalho de Conclusão de Curso 1 Fevereiro/2015 Desenvolvimento da Estrutura do Trabalho de Conclusão de Curso 2 Março/2015 Abril/2015 Maio/2015 Junho/2015 Julho/2015 Defesa do Trabalho de Conclusão de Curso 1 Julho/2015 Revisão Geral do Trabalho de Conclusão de Curso 2 Julho/2015 Entrega Oficial da Monogradia do Trabalho de Conclusão de Curso 2 Julho/2015 Etapa Concluída Etapa a ser Concluída
15 REFERÊNCIAS ABENS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE ENERGIA SOLAR. Histórico. Disponível em: < http://www.abens.org.br/novo/apresentacao/historico/>. Acesso em 08 maio 2014. AMARAL. Danilo. História da Mecânica O motor a vapor. Disponível em: <http://www.demec.ufmg.br/port/d_online/diario/ema08/historia%20do%20moto r%20a%20vapor.pdf> Acesso em 08 maio 2014. AMBIENTE ENERGIA. Nova Usina solar em operação. Disponível em: <https://www.ambienteenergia.com.br/index. php/2012/12/nova-usina-solar-em operação/21416>. Acesso em 28 Abril 2014 AMBIENTE ENERGIA. Energia solar em Pernambuco. Disponível em: < https://www.ambienteenergia.com.br/index.php/2014/01/energia-solar-empernambuco/23626>. Acesso em 22 Julho 2014 ANEEL. Chamada N 013/2011 Projeto Estratégico: Arranjos Técnicos e Comerciais para Inserção da Geração Solar Fotovoltaica na Matriz Energética Brasileira. Brasília, 2011, 15 p. BENTES, Mario. Pesquisa defende implantação de rede solar fotovoltaica no país. Articulação Antinuclear Brasileira, São Paulo, 11 dez. 2013. Disponível em:<http://brasilantinuclear.ning.com/profiles/blogs/pesquisa-defendeimplantacao-de-rede-solar-fotovoltaica-no-pais>. Acesso em 30 abril 2014 EIKE Batista comemora desempenho da usina solar de Tauá. Diário do Nordeste on-line, Fortaleza, 25 fev. 2012. Disponível em: <http://diariodonordeste.verdesmares.com.br/cadernos/negocios/online/eikebatista-comemora-desempenho-da-usina-solar-de-taua-1.888598>. Acesso em 8 maio 2014.
16 ENEVA. MPX conecta usina solar de Tauá (CE) à rede elétrica nacional. Notícias, 24 maio 2011. Disponível em: <http://www.eneva.com.br/pt/sala-deimprensa/noticias/paginas/mpx-conecta-usina-solar-de-taua-(ce)-a-redeeletrica-nacional.aspx> Acesso em 29 abril 2014 FILHO, Manuel Alves. Usinas solares podem gerar empregos e reduzir emissões, aponta estudo. GGN O Jornal de Todos os Brasis, São Paulo, 07 fev. 2014. Disponível em: <http://jornalggn.com.br/noticia/usinas-solarespodem-gerar-empregos-e-reduzir-emissoes-aponta-estudo>>. Acesso em: 29 abril 2014. LODI, Cristiane, Perspectivas para a Geração de Energia Elétrica no Brasil Utilizando a Tecnologia Solar Térmica Concentrada. 2011. 142 p. Dissertação (Mestrado em Planejamento Energético) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2011. MEMÓRIA DA ELETRICIDADE CENTRO DA MEMÓRIA DA ELETRICIDADE NO BRASIL. Linha do Tempo. Disponível em: <http://www.memoriadaeletricidade.com.br/default.asp?pagina=destaques/linha /1879-1896&menu=375&iEmpresa=Menu>. Acesso em 08 maio 2014. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA. Resenha Energética Brasileira Exercício de 2012. Brasília, 2013. 26 p. Disponível em: < http://www.mme.gov.br/mme/galerias/arquivos/publicacoes/ben/3 Resenha_ Energetica/1_-_Resenha_Energetica.pdf> Acesso em 08 maio 2014 ODEBRECHT ENERGIA. Desenvolvendo a Fonte Solar. Disponível em: <http://www.odebrechtenergia.com.br/pt-br/nossos-investimentos/usina-solararena-pernambuco/desenvolvendo-fonte-solar>. Acesso em 28 Abril 2014. PINHO, João Tavares. GALDINO, Marco Antonio. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro, 2014. 530 p.
17 ROSA, Victor Hugo da Silva, Energia Elétrica Renovável em Pequenas Comunidades no Brasil: Em Buscas de um Modelo Sustentável. 2007. 440 f. Tese (Doutorado em Desenvolvimento Sustentável) Centro de Desenvolvimento Sustentável, Universidade de Brasília, Brasília, 2007. URBANETZ JUNIOR, J. ; CHINVELSKI, T. ; SIMAO, C. A. F. ; MAKISHI, L. M. M..Primeiro Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede Elétrica Homologado Pela COPEL. In: V Congresso Brasileiro de Energia Solar, 2014, Recife. V CBENS, 2014. VALLÊRA, António M., BRITO, Miguel Centeno, Meio Século de História Fotovoltaica. Gazeta de Física, Lisboa, 2006. p 11. VALLÊRA, António M., BRITO, A Energia Solar Fotovoltaica em Portugal: Estado-da-Arte e Perspectivas de Desenvolvimento. 2007. 88 f. Tese (Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia e Gestão Industrial) Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa, Portugal, 2007.