V COGRESSO ACIOAL DE EGEHARIA MECÂICA V ATIOAL COGRESS OF MECHAICAL EGIEERIG 25 a 28 de agosto de 2008 Salvador Bahia - Brasil August 25 28 2008 - Salvador Bahia Brazil AÁLISE ECOÔMICA DE SISTEMAS HÍBRIDOS EÓLICO-SOLAR- DIESEL CO08-1393 Resumo: O presete trabalho propõe a avaliação ecoômico-fiaceira de projetos de sistemas híbridos utilizado uma ferrameta de cálculo desevolvida a plailha do Excel deomiada Simulador Ecoômico de Sistemas Híbridos de Eergia (SESHE). Esta ferrameta desevolvida iclui iformações e técicas de cálculo recorretes o Brasil como por exemplo: os impostos e as deduções a Cota Cojuta de Combustível (CCC) e Mecaismos de Desevolvimeto Limpo (MDL) com base o Demostrativo de Resultado do Exercício DRE que é resultate da cofrotação das receitas de vedas custos e despesas e dos impostos verificadas o período em aálise para diferetes cofigurações de sistemas híbridos. Os resultados mostram a aplicação da ferrameta a avaliação ecoômica de um projeto real a ser istalada a vila de Sucuriju o estado do Amapá região amazôica do Brasil. Palavras-chave: Sistemas Híbridos eólico/solar/diesel aálise fiaceira SESHE
V COGRESSO ACIOAL DE EGEHARIA MECÂICA V ATIOAL COGRESS OF MECHAICAL EGIEERIG 18 a 22 de agosto de 2008 Salvador Bahia - Brasil August 18 21 2008 - Salvador Bahia Brazil 1. ITRODUÇÃO Os sistemas híbridos têm a proposta de ser uma alterativa tecológica ecoomicamete viável e dispoível aos sistemas covecioais (diesel) de geração e trasmissão de eergia. Geralmete o processo de dimesioameto de sistemas híbridos aalisa-se ecoomicamete o comportameto do sistema cofrotado os custos de ciclos de vida. Barbosa & Piho (2005) utilizaram a lógica difusa como ferrameta para aalisar um sistema e obtiveram resultados qualitativos que mostram que esta lógica pode ser uma alterativa viável. Kaldellis & Kavadias (2005) propõem para aalisar ecoomicamete sistemas híbridos eolico/diesel/bateria um modelo de custo beeficio itegrado um programa computacioal de logo prazo. A aálise ecoômica detalhada ou ão tora-se idispesável o projeto de sistemas híbridos levado em cosideração as características e as situações locais em aálise. 2. METODOLOGIA O modelo utilizado o presete trabalho é baseado o módulo ecoômico do Hybrid2 (Mawell et al 1998) utilizado a ferrameta de cálculo desevolvida a plailha do Excel deomiada Simulador Ecoômico de Sistemas Híbridos de Eergia (SESHE) que é composto pela parte de subsidio de iformações (parâmetros ecoômicos custos gerais do sistema e custos e iformações dos equipametos) pelas aálises produzidas ao-a-ao de cada sistema cofigurado e pela apresetação dos resultados. Esta ferrameta foi utilizada a defiição do sistema híbrido aplicada à vila de Sucuriju (Adrade 2007)0. O SESHE calcula o Custo de Capital do sistema (C Cap ) a Receita e os Gastos do Sistema (valores compostos de auidades) além de calcular os parâmetros de avaliação de projetos: Custo de Geração de Eergia (CGE) Valor Presete Líquido (VPL) para os custos do sistema Período de Retoro Simples (PRS) e Taxa Itera de Retoro do ivestimeto (TIR) apresetados a seguir. Custo do capital (C cap ) ou seja o ivestimeto que represeta os custos ativados em fução de sua vida útil ou de beefícios atribuíveis a futuros períodos (Davis et al 2001) ver Eq. (6). Para sistemas híbridos de geração de eergia em especial sistema híbrido eólico/solar/diesel o Custo do Sistema é dado pela Eq. (1): C C C (1 f ) C C C C (1) S E I ci Tras Imp RD BS ode f ci é uma fração dos custos idiretos de istalação do sistema. o etato o custo relacioado aos equipametos do sistema híbrido (CE) é calculado pela Eq. (2): CE CTE CPV CPVR CMPPT CD BatCBat CCP COpc CAdv CDump (2) ode: C TE custo total das turbias eólica ($); C PV custo total dos paiéis fotovoltaicos ($); C PVR custo do racker e/ou tracker dos paiéis fotovoltaicos ($); C MPPT custo do mppt (maximum power poit tracker) ($); C D custo total dos geradores diesel ($); Bat fator de escala para baterias; C Bat custo total das baterias ($); C CP custo total dos coversores de potêcia ($); C Opc custo total do equipameto da carga opcioal ($); C Adv custo total do equipameto da adiável ($); C Dump custo total do dump load ($). Para calcular o custo total das turbias eólicas os equipametos são separados de acordo com os barrametos a serem coectados CA ou CC (correte alterada ou correte cotiua) ver Eq. (3): ( ) ( ) C C C C C (3) TE TE CA TE CA T CA TE CC TE CC T CC ode: C TECA custo das turbias eólicas do barrameto CA ($); C TCA custo das torres do barrameto CA ($); TECA fator de escala para turbias eólicas do barrameto CA;
V Cogresso acioal de Egeharia Mecâica 18 a 21 de Agosto 2008 Salvador-Bahia C TECC custo das turbias eólicas do barrameto CC ($); C TCC custo das torres do barrameto CC ($); TECC fator de escala para turbias eólicas do barrameto CC. O custo de istalação do sistema híbrido é dado pela soma dos custos de istalação dos compoetes apresetados a Eq. (4). C C C C C C C C (4) I TECA ITECA TECC ITECC I PV I D Bat I Bat ICP I Dump ode: C ITE CA custo de istalação das turbias eólicas do barrameto CA ($); C ITE CC custo de istalação das turbias eólicas do barrameto CC ($); C IPV custo de istalação dos paiéis fotovoltaicos ($); C ID custo de istalação dos geradores diesel ($); C IBat custo de istalação do baco de bateria ($); C ICP custo de istalação dos coversores de potêcia ($); C IDump custo de istalação do dump load ($). Os fatores de escala Bat TE CC e TE CA são utilizados as Eq.(1) (2) e (3) para liearizar os custos associados respectivamete ao baco de baterias e as turbias eólicas os dois barrametos. Geralmete empreededores que ão possuem o motate do custo total do sistema recorre muitas vezes às istituições bacárias para fiaciameto de toda ou parte do ivestimeto. Os bacos por sua vez precisam de uma cofirmação de que o projeto será viável e que terá retoro detro das codições impostas. Sedo assim o custo do pagameto do iicial (Cpi) por parte do empreededor é uma fração do custo total do sistema (fpi) dado pela Eq. (5). C f C pi pi S (5) Etão ( ) 1 C C D (6) Cap pi 1 Fi tc tc te ode: tc tempo de carêcia (ao); te tempo de empréstimo (ao); ao; DFi despesas fiaceiras ou empréstimo do sistema ($). Receita Operacioal do Sistema A receita operacioal do sistema refere-se à receita operacioal bruta e líquida. A receita bruta é dada pela Eq. (7): ( prim exc ) adv opc ( ) R ( ) 8760 P P p P p P p 1 t bruta prim adv opc f (7) P prim ode: potêcia média da carga primária (kw); P adv potêcia média da carga adiável (kw); Popc potêcia média da carga opcioal (kw); p prim preço da eergia para carga primária ($/kwh); p adv preço da eergia para carga adiável ($/kwh); p opc preço da eergia para carga opcioal ($/kwh); a receita operacioal líquida ocorre a dedução dos impostos a receita bruta operacioal impostos estes recorretes à geração de eergia elétrica (Cotribuição para o Fiaciameto da Seguridade Social - COFIS Programa de Itegração Social - PIS e Imposto de Circulação de Mercadorias e Serviços ICMS). Custos e Despesas Operacioais do Sistema que são divididos em três grupos: custos do combustível custo de mauteção e operação e custo de reposição dos equipametos. o O custo do combustível (C F ) forecido pela Eq. (8):
V Cogresso acioal de Egeharia Mecâica 18 a 21 de Agosto 2008 Salvador-Bahia ( ) ( 8760 )( 1 ) F f f C Fc t (8) ode: F é o cosumo médio horário do óleo diesel c f é custo uitário do combustível e t f é a taxa de iflação do combustível. o O custo de operação e mauteção (CO&M) forecido pela Eq. (9): ( ) 8760( ) ( 1 ) CO& M PTEcO& M TE hdco& M D BatCBat fbat CO& M S i (9) P ode: TE potêcia média gerada pela turbia eólica (kw); c O&MTE custo de operação e mauteção das turbias eólicas ($/kwh); h D horas de operação dos geradores diesel (h); c O&MD custo de operação e mauteção dos geradores diesel ($/kwh); f Bat fração do custo de capital das baterias (%); C Bat custo total do baco de baterias ($). o O custo de reposição dos equipametos (C RX ) Eq. (10): (10) TE D ( ) C C ( ) C ( ) C ( ) C ( ) C ( ) C ( ) R RTE RD RPV RBat RCP RDump z 1 z 1 ode: TE úmero de turbias eólicas; D úmero de geradores diesel. O custo de reposição para cada compoete é zero para o ao em que o compoete ão é substituído. A fórmula para o cálculo deste custo para cada compoete é descrita pela Eq. (11). Este custo é iflacioado ao-a-ao pela iflação geral (i). C ( ) (1 i) C (11) RX RX mt. RX m it t ode R X e t RX é o tempo de vida útil ou tempo etre a reposição em aos para cada equipameto especificado pelo fabricate exceto os geradores diesel. Os geradores são substituídos depois de um especifico úmero de horas em operação que também é forecido pelo fabricate. Para cada gerador diesel o tempo etre as reposições td z está em fução da fração do tempo de operação para cada gerador tsim e o tempo de vida útil forecido pelo fabricate (t V ). Etão o úmero de horas etre as reposições de cada gerador diesel é dada pela Eq. (12) tv tsim trd z (12) 8760 t Dz O SESHE também calcula as Despesas Admiistrativas Fiaceiras e a Depreciação do sistema acrescidas aualmete de juros além dos seguites parâmetros: Valor Presete Líquido (VPL) idicado pela Eq. (13): VP( ) P (13) ( 1 d ) ode: P valor pricipal o fial do ao ($); duração do período correspodete (aos); d taxa de descoto (%). Como as decisões que afetam o futuro são feitas o presete faz mais setido coverter os valores futuros em valores atuais. este método as decisões são baseadas a quatia pela qual o valor presete excede o ivestimeto. Para isso calcula-se o VPL usado a Eq. (14)
V Cogresso acioal de Egeharia Mecâica 18 a 21 de Agosto 2008 Salvador-Bahia VPL P (14) 1 1 ( d ) O valor presete do projeto é determiado pela soma dos lucros meos o capital iicial ivestido. Custo de geração de eergia Este custo cosidera todos os custos e despesas operacioais decorretes o sistema. Primeiramete utiliza VPL e calcula-se o valor fixo aual (VA) para cada custo utilizado a Eq. (15). d( 1 d) VA( ) VPL (15) 1 d 1 ( ) Etão o custo de geração de eergia é calculado pela Eq. (16). CGE A C C C C D D VR 8760 F A O& M A R A pi Adm A Fi A A ode: C F A Custo total do combustível aualisado ($/ao); C O&M A Custo total de O&M aualisado ($/ao); C R A Custo total de reposição aualisado ($/ao); C pi Capital iicial D Adm A Despesa total admiistrativo aualisado ($/ao); D Fi A Despesa total fiaceiro aualisado ($/ao); V RA Valor residual aualisado ($/ao). Período de Retoro Simples (PSR) forecido pela Eq. (17): CS PSR L L ode: C S custo do capital istalado ($); L L lucro líquido do sistema ($). ( Pprim Padiv Popc ) (16) (17) C S Taxa Itera de Retoro (T IR ) idicada pela Eq. (18). LL ( ) 1 1 r ( ) (18) 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES As Tabelas (1) a (4) apresetam os resultados da avaliação ecoômica proposta para o projeto real do sistema híbrido eólico/solar/diesel aplicada á vila de Sucuriju. Para a escolha da cofiguração ideal do sistema híbrido projetado foram utilizadas três cofigurações básicas I II e III. Estes resultados estão idicados pelos custos represetativos (custo do combustível custo de operação e mauteção e custo de reposição de peças) e pelos parâmetros de avaliação ecoômica (VPL PSR CGE e TIR) para as diferetes subcofigurações simuladas (C1 a C18). Tabela 1. Resultados da avaliação ecoômica da cofiguração I C1 C2 C3 C4 C5 C6 Custos aualisado do sistema (1000 x R$) Combustivel 78.93 69.40 63.59 77.70 68.27 63.55 O&M 18.28 18.99 19.73 18.22 18.97 19.72 Reposição 49.14 37.08 44.66 47.06 36.93 44.52 Parâmetros de avaliação ecoômica Custo de Eegia (R$/kWh) 1.63 1.46 1.52 1.60 1.45 1.51 TIR (%) 7.16 12.44 12.24 7.34 12.56 12.25 Periodo de Retoro (aos) 23.06 17.13 19.63 21.32 16.84 19.54 VPL dos custos (1000 x R$) 1342.36 1164.36 1185.36 1313.54 1153.11 1183.71
V Cogresso acioal de Egeharia Mecâica 18 a 21 de Agosto 2008 Salvador-Bahia Tabela 2. Resultados da avaliação ecoômica da cofiguração II C7 C8 C9 C10 C11 C12 Custos aualisado do sistema (1000 x R$) Combustivel 78.62 71.34 66.00 77.43 71.00 65.84 O&M 18.96 19.68 20.42 18.94 19.67 20.41 Reposição 45.72 33.66 41.24 43.64 33.51 41.24 Parâmetros de avaliação ecoômica Custo de Eegia (R$/kWh) 1.64 1.47 1.53 1.60 1.47 1.53 TIR (%) 7.35 13.13 12.95 7.52 13.17 12.96 Periodo de Retoro (aos) 21.05 15.74 18.05 19.52 15.62 17.97 VPL dos custos (1000 x R$) 1318.48 1159.70 1184.77 1290.30 1155.28 1183.20 Tabela 3. Resultados da avaliação ecoômica da cofiguração III C13 C14 C15 C16 C17 C18 Custos aualisado do sistema (1000 x R$) Combustivel 82.52 75.11 71.73 81.35 74.54 71.70 O&M 19.66 20.38 21.13 19.64 20.36 21.11 Reposição 51.26 39.37 46.92 51.26 39.20 46.92 Parâmetros de avaliação ecoômica Custo de Eegia (R$/kWh) 1.77 1.60 1.67 1.75 1.59 1.67 TIR (%) 6.87 13.62 13.31 7.07 13.70 13.31 Periodo de Retoro (aos) 27.47 18.16 22.06 26.46 17.81 21.94 VPL dos custos (1000 x R$) 1406.88 1248.41 1290.00 1396.59 1241.93 1289.60 O Custo de Geração de Eergia (CGE) as cofigurações apresetadas ecotra-se compreedido etre R$ 145/kWh e R$ 177/kWh. O custo do sistema que é dado pelo VPL apreseta os meores valores a cofiguração básica II as subcofigurações C8 C9 C11 e C12 (capacidade do baco de baterias maior e com dois geradores de potêcias diferetes). Etretato as subcofigurações C8 e C11 apresetam o geral os melhores parâmetros ecoômicos sedo o custo de geração em ambos de R$ 147/kWh e com retoros do ivestimeto em aproximadamete 15 aos e com TIR aproximadamete de 13% ao ao. Ambos os sistemas cofigurados C8 e C11 podem ser utilizados a vila de Sucuriju. Para defiir a cofiguração ideal fial foram realizadas ovas avaliações técico-ecoômicas para as duas cofigurações C8 e C11 verificado o comportameto dos parâmetros ecoômicos para as seguites aálises: Aálise 1 (A1): simular as cofigurações com a estimativa de aumeto de demada prevista; Aálise 2 (A2): simular as cofigurações com estimativa de demada atual e 20% de aumeto da velocidade do veto; Aálise 3 (A3): simular as cofigurações com a estimativa de aumeto de demada prevista e 20% de aumeto de velocidade do veto; Os resultados são apresetados a Tabela 4Erro! Fote de referêcia ão ecotrada. a seguir: Tabela 4. Resultados das aálises para as subcofigurações C8 e C11 C8 C11 A1 A2 A3 A1 A2 A3 Custos aualizados do sistema (1000 x R$) Combustivel 218.49 49.97 184.45 222.85 50.03 189.56 O&M 20.25 22.05 22.58 20.20 22.04 22.55 Reposição 42.18 33.09 42.02 42.38 33.23 39.80 Parâmetros de avaliação ecoômica Custo de Eegia (R$/kWh) 1.45 1.20 1.28 1.47 1.19 1.28 TIR (%) 25.56 17.97 31.55 25.00 12.33 16.21 Periodo de Retoro (aos) 7.13 10.20 5.46 7.34 14.57 10.31 VPL dos custos (1000 x R$) 2489.86 992.96 2218.50 2528.14 985.71 2225.05 Os resultados acima mostram que a subcofiguração C8 apreseta o geral as melhores codições fiaceiras para as diferetes aálises realizadas. Esta comparação apreseta dados sigificativos quado se aumetou a demada do sistema gerado maior reda para o sistema caso a velocidade do veto a vila for 20% superior ao estimado.
V Cogresso acioal de Egeharia Mecâica 18 a 21 de Agosto 2008 Salvador-Bahia 4. COCLUSÕES Quado os ivestimetos propostos possuem a mesma expectativa de vida uma comparação etre eles utilizado os métodos citados o presete trabalho coduzirá a uma descrição razoável de seus valores relativos. Portato o SESHE represeta uma ferrameta importate para a aálise ecoômica utilizada a defiição dos compoetes de qualquer sistema híbrido projetado. Esta ferrameta foi testada com simulações realizadas o programa computacioal Hybrid2 desevolvido a Uiversidade de Massachusetts. Os resultados do modelo proposto este trabalho aplicados ao projeto do sistema híbrido eolico/solar/diesel defiiram os seguites compoetes para o sistema: 5 turbias eólicas modelo BW Excel-R de 75 kw; 90 módulos fotovoltaicos modelo Isofoto 110Wp e 140 do modelo BP 75Wp (existetes a vila); 2 geradores diesel modelo Heimer de 29kW; 60 baterias do modelo Surrette S460 de 460Ah e 6V. O CGE foi estimada em R$ 147/kWh e com retoros do ivestimeto em aproximadamete 15 aos e com TIR aproximadamete de 13% ao ao. 5. AGRADECIMETOS Os autores agradecem ao apoio fiaceiro do CPq pela bolsa de mestrado cocedida ao projeto. 6. REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS Adrade H. C. L. 2007 Metodologia de projeto de sistema híbrido eólico/solar/diesel aplicada à vila de Sucuriju Amapá. Recife (Dissertação de Mestrado PPGEM/UFPE). Barbosa C. F. O. & Piho J. T. 2005. Aálise da viabilidade de implatação de sistemas híbridos de eergia de pequeo porte em localidades isoladas da região orte através da abordagem difusa. VII SBA/ II IEEE LARS. São Luís 7p. Brui A. L. 2006 A Admiistração de Custos Preços e Lucros. Capitulo 6: Tributos Custos e Preços. São Paulo. Editora ATLAS pp 209-224. Davis M. M. Aquilao. J. & Chase R. B. 2001 Fudametos da Admiistração da Produção Capitulo 3 - Aálise Fiaceira em Admiistração da Produção Porto Alegre Editora Bookma 3ª Edição pp 94-114. Kaldellis J.K. & Kavadias K.A. 2005. Otimum sizig of stad-aloe wid-diesel system o the basis of life cycle cost aalysis. Coferêcia Mudial de Eergia Eólica Grécia. Mawell J. F. Rogers A. Hayma G. & Avelar C. T. 1998. A Hybrid System Simulatio Model - Theory Maual. Reewable Eergy Research Laboratory Departmet of Mechaical Egieerig Uiversity of Massachusetts 235p. 1998. FIACIAL AALYSIS OF HYBRID WID/SOLAR/DIESEL POWER SYSTEMS Abstract. This paper proposes a fiacial ad ecoomic evaluatio of projects of hybrid systems usig a tool developed with the Excel spreadsheet called Ecoomic Simulator of Eergy Hybrids Systems (SESHE). This tool icludes iformatio ad techiques for evaluatios i Brazil such as: taxes ad deductios the Joit Accout Fuel (CCC) ad Clea Developmet Mechaisms (CDM) based o Demostrative Result of the Exercise - DRE that results of cofrotatio reveue from sales costs expeses ad taxes recorded i the period uder review for differet cofiguratios of hybrid systems. The results show the applicatio of the metioed tool i the ecoomic evaluatio of a real project to be istalled i the village of Sucuriju i the state of Amapá at the Amazo regio i Brazil. Keywords: hybrid systems wid/solar/diesel fiacial aalysis SESHE.