POTENCIAL ENERGÉTICO E VIABILIDADE ECONÔMICA NA CONVERSÃO DE ENERGIA DAS ONDAS E SOLAR EM ENERGIA ELÉTRICA EM UMA PLATAFORMA DE PESCA Raffaela Zandomenego 1, Carla de Abreu D Aquino 2 1 Universidade Federal de Sant Catarina/raffaela.zan@hotmail.com 2, Universidade Federal de Santa Catarina/Carla.daquino@ufsc.br Resumo: As energias renováveis estão cada vez mais em foco tornando-se mais atrativas economicamente e auxiliando na diversificação da matriz energética brasileira. A proposta deste trabalho foi utilizar o software HOMER Energy para fazer uma comparação de viabilidade econômica entre duas tecnologias renováveis, a oceânica e a solar, que apresentam diferentes estágios de maturidade, aplicadas em uma plataforma de pesca. O programa permitiu a realização de uma simulação para a demanda de energia elétrica da Plataforma Entremares, localizada em Balneário Arroio do Silva (SC), projetada como um sistema isolado de microgeração de energia. Os resultados indicaram que, considerando o valor presente liquído (VPL), nenhuma alternativa se mostrou viável economicamente. Já considerando a geração de energia, as melhores configurações foram as realizadas com a coluna de água oscilante (CAO). A CAO demonstrou potencial para atender as duas cargas (plataforma e restaurante) e utilizou um número menor de baterias, além de gerar um excedente de energia. Como uma solução para tornar o projeto atrativo economicamente, o trabalho propõe a conexão à rede elétrica, conforme o sistema de crédito para a injeção de energia (Resolução Normativa 087/15). Isso representaria uma diminuição no número de baterias, no excesso de energia gerado, diminuindo assim, os custos do projeto e gerando receita. A proposta para instalação de uma CAO e de painéis fotovoltaicos na plataforma de pesca, além de ser uma alternativa em pequena escala, auxilia reduzindo a demanda por sistemas não renováveis que apresentam maiores impactos ambientais, a diversificar a matriz energética e evitar ou minimizar os efeitos de uma nova crise hídrica no país. Palavras-Chave: Energia oceânica, energia solar, software Homer, simulação computacional, sistema isolado. 1 INTRODUÇÃO A energia hídrica no Brasil representa atualmente 66% da capacidade de geração total, seguido por 28 % de térmica, de 4,5% a partir do vento e de 1,5% a partir de outras fontes (ANEEL, 2015); Essa predominancia no uso de fontes renováveis é uma grande vantagem brasileira, porém faz-se necessária a diversificação da matriz energética brasileira para garantir a segurança no fornecimento. No ano de 2014 ocorreu uma grave seca no sudeste do país que resultou em uma crise hídrica. Foi necessário recorrer às termoelétricas para garantir o fornecimento de energia elétrica, aumentando a demanda por carvão e o preço da energia final utilizada pelo consumidor. Com isso, o investindo em outras fontes de energia renovável se tornou mais interessante (BICUDO et al, 2014; WWF, 2015) e necessário. Diante deste cenário, este artigo procurou investigar uma alternativa em pequena escala para geração de energia. Com objetivo principal de estimar o potencial e a viabilidade econômica na conversão de energia oceânica e solar em uma plataforma de pesca de pesca no litoral de Balneário Arroio do Silva (SC). 2 METODOLOGIA A plataforma de Pesca Entremares, Balneário Arroio do Silva - SC representa um local propicio para pesquisa e implantação de conversores de ondas e solar em
energia elétrica de pequena escala. No local a demanda de energia elétrica é composta pela carga da plataforma e pela carga do restaurante que fica na plataforma. Os dados de ondas utilizados neste trabalho foram apresentados por Zandomennego et al. (2015). O software Homer Energy é um modelo computacional proposto pelo Laboratório Nacional de Energias Renováveis americano (National Renewabre Laboratory - NREL). O programa atua tanto na simulação quanto na otimização, a fim de minimizar o custo total presente líquido. A Figura 1 apresenta algumas combinações utilizadas no programa para cada componente do projeto. Os dados utilizados para a usina solar e de ondas com suas respectivas referências estão sumariados na Tabela 1. A Tabela 2 mostra os dados utilizados para a turbina Wells, segundo o trabalho de Dalla Vecchia, et al (2016). Para atender a carga da plataforma e do restaurante foram testadas de 10, 15, 20, 30 e 40 kw. Os valores dos custos estão em dólares. A eficiência utilizada foi de 70,9% disponível em DIAS (2013). Para as cargas atendidas pelo sistema (plataforma de pesca e restaurante), foi utilizado um comportamento padrão oferecido pelo software Homer, sendo apenas ajustada a escala da carga total atendida para a realidade local conforme o trabalho de Antunes & Pfitscher (2016). Os valores utilizados para o restaurante, baseados nos valores de consumo mensal do local, como a média diária de 27,09 kwh/d, potência média de 1,13 kw, pico de 3,89 kw e fator de carga de 0,29. E para a plataforma, foram: média diária de 17,49 kwh/d, potência média de 0,73 kw, pico de 3,25 kw e fator de carga de 0,22. Figura 1 - Esquemas de simulação no software Homer: a) energia das ondas e solar, b) somente solar, c) energia solar considerando a carga da plataforma, d) utilizando apenas a energia das ondas. Fonte: do autor Tabela 1- Dados utilizados usina de ondas e solar. Solar Referência utilizada CAO Referência utilizada Capital Inicial ($) 5300 NEOSOLAR, 2016 50000 SILVA, et al. 2014 Reposição ($) 5300 NEOSOLAR, 2016 40000 SILVA, et al. 2014 O&M 1% ao ano NAKABAYASHI, 2015 $2500 SILVA, et al. 2014 Vida útil 25 anos NEOSOLAR, 2016 21 anos SILVA, et al. 2014 Capacidade 1,5 kw NEOSOLAR, 2016 11,4 kw SILVA, et al. 2014 Fonte: do autor.
Tabela 2- Dados da Turbina Wells. TURBINA WELLS Available head (m) 3 Altura de queda disponível Design flow rate (L/s) 437,0 Vazão nominal da turbina Minimun flow ratio (%) 0 Vazão mínima Maximum flow radio (%) 110 Vazão máxima permitida antes do desligamento Efficiency (%) 70,99 Eficiência total do conjunto turbina-gerador Power nomination (W) 73,67 Potência nominal Pipe head loss (%) 21,47 Fonte: DALLA VECCHIA, 2016. Perda de atrito na tubulação expressa como uma porcentagem da altura de queda Segundo Antunes & Pfitscher (2016), a quantidade de baterias (12V) necessárias para atender a plataforma seria de 10 baterias com profundidade de descarga de 80% podendo ter autonomia de 24 horas, com uma capacidade de 150 Ah. Mas, como no calculo do autor não levou em consideração a carga do restaurante foi necessário aumentar a quantidade de baterias. Os dados de radiação solar foram conseguidos por meio do próprio software que obtém os valores da NASA, de acordo com a longitude e latitude do local. Para entrada dos dados de ondas, foi necessário adaptar para que os valores de altura significativa fossem transformados em valores de vazão, uma vez que o software só apresenta um modulo para energia hídrica (ZANDOMENEGO, 2016). 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO A Figuras 2 mostra os valores de saída de potência solar, os picos de potência apresentam-se bem espaçados no tempo, chegando a alcançar o valor de 8 kw. Na Figura 3, estão os dados de potência de saída da turbina hidráulica baseada nos valores de vazão. Observam-se variações entre 1 kw e 6 kw, com máximos que não ultrapassam os 9 kw, refletindo as perdas do sistema, bem como as adaptações feitas para o projeto com relação à equação de potencial de ondas para vazão. Conforme o trabalho de Zandomennego, et al. (2015) os picos de potência com base na altura significativa estão entre 1 kw a 8 kw, com máximas chegando até 18 kw. A potência média de saída no software é de 2,42 kw, o que representa 73,3% da potência calculada com base na altura significativa (3,30 kw). Já a capacidade nominal de 9,13 kw do sistema projetado no software representa 93,07% da capacidade nominal mostrada por Silva, et al. (2014), que foi de 9,81 kw, mostrando que os valores que foram utilizados para a turbina estão corretos. A Tabela 3 apresenta os resultados de seis simulações. Para melhor representar o custo do ciclo de vida de um projeto e analisar qual o sistema com melhor custo-benefício, o software Homer Energy se baseia no custo
presente líquido total (NPC Net Present Cost). O NPC total condensa todos os custos e receitas que ocorrem dentro do tempo de vida do projeto em um único montante fixo, usando a taxa de desconto. Quanto menor o NPC melhor é o investimento no projeto. O valor de custo presente líquido difere do valor presente liquido (VPL) apenas pelo sinal. Quando o VPL é igual à zero, o projeto se torna indiferente, se for maior que zero o projeto é viável e se for menor que zero o projeto não é atrativo economicamente (HOMER ENERGY, 2016). Os casos C1 e C4 foram insuficientes não atendendo as duas cargas (plataforma e restaurante). No caso C2, com apenas a carga da plataforma, verificou-se que a coluna de água oscilante gera potência suficiente para atender a plataforma, utilizando apenas 16 baterias com uma autonomia de 13 horas. Em seguida, o caso C3, acrescentando painéis fotovoltaicos e atendendo a plataforma e o restaurante. Obteve-se melhor resultado para um módulo de 10 kw, porém com 80 baterias. Embora a autonomia apresentada seja maior (31 horas), o custo-benefício de US$ 485918,00 aponta inviabilidade para o projeto. Em seguida, o caso C3, acrescentando painéis fotovoltaicos e atendendo a plataforma e o restaurante. Obteve-se melhor resultado para um módulo de 10 kw, porém com 80 baterias. Embora a autonomia apresentada seja maior (31 horas), o custo-benefício de US$ 485918 aponta inviabilidade para o projeto. Figura 2 - Gráfico da potência de saída do módulo. Fonte: do autor Figura 3 - Gráfico da potência de saída da CAO. Fonte: do autor
Caso CAO (kw) Módulo Solar (kw) Tabela 3 - Configurações encontradas. Bateria (Quantidade) Conversor (kw) CARGA NPC (U$) Excesso C1 9.139 - - 15 Plataforma+restaurante Insuficiente C2 9.139-16 (autonomia: 13 horas) 15 Plataforma 403882,00 69,3% C3 9.139 10 80 (autonomia: 31 horas) 15 Plataforma+restaurante 485918,00 41,6% C4-10 - 15 Plataforma+restaurante Insuficiente C5-40 80 (autonomia: 66 horas) 15 Plataforma 228147,00 43,7% 2 x C6-40 (autonomia: 15 horas) 15 Plataforma+restaurante 419682,00 64,1% 9.139 Fonte: do autor. A simulação C5 envolveu um módulo fotovoltaico, atendendo apenas a plataforma. Foi necessário 40 kw e 80 baterias, com autonomia de 66 horas, porém observou-se o menor custo-benefício. Esta simulação se comparada com a C3, apesar do mesmo número de baterias possibilitou uma autonomia maior. Como os sistemas isolados apresentam limitações quanto ao mínimo de geração, isso pode acarretar na diminuição da eficiência (EPE, 2014) e por isso o dimensionamento no caso do módulo C5 foi maior do que o dimensionado no caso C3. O ultimo caso apresentado C6, objetivou atender a plataforma e o restaurante, considerando então a implantação de duas CAO. Essa simulação mostrou resultado satisfatório, com 40 baterias e autonomia de 15 horas. Em termos de VPL, todas as simulações resultaram em valores negativos, ou seja, não sendo atrativos economicamente no momento. O melhor projeto em termos de VPL foi a simulação C5, com somente o módulo fotovoltaico e a carga da plataforma. Para um sistema conectado a rede, segundo Duizit (2015), o valor presente líquido seria de R$ 20558 ao longo de 25 anos, o que corresponde a US$5873 (cotação dólar 3,50). Muito diferente do que o encontrado no projeto, o que se atribui a proposta de um sistema isolado. Um fator importante que tornou o investimento não atrativo e não lucrativo foi a quantidade de baterias para armazenamento de energia. Já em termos de geração de energia, o melhor resultado encontrado foram as simulações C2 e C6, as quais atendem as duas cargas (plataforma e restaurante). E geraram maior excedente de energia, utilizando um número menor de baterias. Nestes casos, se os sistemas fossem conectados a rede, poderia se obter bônus conforme Resolução Normativa 087/15 da ANEEL. O que é uma alternativa viável para o caso estudado, permitindo assim investir em um sistema que consiga atender as duas cargas (plataforma e restaurante).segundo Assis, et al. (2013), os projetos utilizando a coluna de água oscilante, sendo um dispositivo ainda em fase inicial de desenvolvimento, só seriam rentáveis se os custos de investimento não ultrapassarem US$ 4030 por kw instalado. O que nos casos C2 e C6 se mostrou verdadeiro, uma vez que o VPL indicou a não
rentabilidade. O maior componente responsável pela inviabilidade do projeto foi a coluna de água oscilante, que embora tenha uma boa produção de energia, exige alto custo de instalação e operação, estando de acordo com o verificado por Assis, et al. (op cite). 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Para realizar a comparação dos sistemas de geração de energia solar e de ondas foram simuladas uma série de combinações visando atender a carga da plataforma de pesca Entremares como um sistema isolado. As simulações feitas com a coluna de água oscilante (CAO) mostraram que a mesma tem capacidade suficiente para atender a demanda das cargas utilizando um número menor de baterias. No entanto, apresentaram os VPL s mais negativos. A potência de saída da turbina encontrada pelo software foi de 2,4 kw contra 3,3 kw encontrados pelo calculo de potência em função da altura significativa. A potência encontrada pelo software representa 73,3% da potência encontrada em função da vazão, o que se explica pelas perdas do sistema que chegam a 21,4% como também pelas adaptações feitas no projeto. O melhor cenário, considerando o VPL, foi o módulo solar fotovoltaico atendendo somente a plataforma de pesca, mas utilizando um número muito grande de baterias. Esse ponto negativo, porém, apresenta uma solução viável através da conexão do sistema à rede elétrica. O sistema de crédito para a injeção de energia na rede elétrica é assegurado pela ANEEL com a resolução normativa 087/15, e possibilitaria uma diminuição do número de baterias, reduzindo também o custo de instalação do projeto. Desta forma, uma alternativa em pequena escala para o uso de energia fotovoltaica apresenta-se real e vem a favorecer o incentivo ao uso de energias renováveis, as quais estão em acordo com a diminuição dos impactos ambientais associados à geração de energia elétrica e favorecem a diversificação da matriz energética. O software Homer energy se mostrou eficiente ao simular o sistema de energia das ondas através de uma adaptação de equações, uma vez que ele não é projetado para tal finalidade. O uso da CAO mostrou bom potencial de geração de energia incentivando as soluções em pequena escala, seja em sistemas isolados ou conectados a rede, indicando a necessidade das distribuidoras de energia em se adequar as novas possibilidades do mercado.
AGRADECIMENTOS Agradecimentos ao professor Elírio E. Toldo Junior o qual cedeu gentilmente os dados de onda utilizados. A plataforma de pesca Entremares pelas informações e pela colaboração com o projeto. E ao colega de pesquisa Leonardo C. Dalla Vecchia. REFERÊNCIAS ALVES, J. H. G. de M.; RIBEIRO, E. O.; MATHESON, G. S. G.; LIMA, J. A. M.; RIBEIRO, C. E. P. Reconstituição do clima de ondas no sul-sudeste brasileiro entre 1997 e 2005. Revista Brasileira de Geofísica, Rio de Janeiro, vol. 27, n. 3, p. 427-445, 2009. ANTUNES, V.; PFITSCHER, L. L.. Eficiência energética no uso de energia a partir das ondas estudo em uma plataforma de pesca da região sul de Santa Catarina. 4º Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense Sict-sul, Araranguá. ASSIS, L. E. de; BELUCO, A.; ALMEIDA, L. E. B. Avaliação e aproveitamento da energia das ondas oceânicas no litoral do Rio Grande do Sul. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v.18, n.3, p. 21-29, jul/set 2013. ANEEL. Banco de informações de geração [Online]. Available in: http://www. aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm ; 2015 [accessed 29.06.2015]. Tolmasquim MT, Guerreiro A, Gorini R. Matriz energética brasileira: uma prospectiva. Novos estudos- CEBRAP 2007;79:47 69. http://dx.doi.org/ 10.1590/S0101-33002007000300003. BICUDO, C. E. de M. et al. Recursos hídricos no Sudeste: segurança, soluções, impactos e riscos. Carta de São Paulo, São Paulo, v. 1, n. 1, p.1-1, dez. 2014. BRASIL. MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA (MME). Empresa de Pesquisa Energética. Planejamento do atendimento aos sistemas isolados. 23 de setembro de 2014. BRASIL. WWF Brasil. Mecanismos de suporte para inserção da energia solar fotovoltaica na matriz elétrica brasileira: modelo e sugestão para uma transição acelerada. Brasilia: Supernova Design, 2015. DALLA VECCHIA, L. C.; FARIAS, C. F.; SCHARLAU, C. C.; D'AQUINO, C. de A.. MODELAGEM E DIMENSINAMENTO DE UM SISTEMA DE GERAÇÃO DE ENERGIA A PARTIR DAS ONDAS DO OCEANO.Congresso Brasileiro de Automática. No prelo, 2016. DUIZIT, L. D.. Estudo da viabilidade econômico-financeira na utilização de sistemas solares fotovoltaicos no Vale do Paraíba. 2015. 93 f. Tese (Doutorado) - Curso de Engenharia Ambiental, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015. Homer Energy. Disponível em: <http://support.homerenergy.com/>. Acesso em: 19 jun. 2016. NAKABAYASHI, R.. Microgeração Fotovoltaica no Brasil: viabilidade econômica. Instituto de Energia e Ambiente da USP. São Paulo, p. 1-58. mar. 2015. NEOSOLAR ENERGIA (Brasil). Painel Solar Fotovoltaico. Disponível em: <http://www.neosolar.com.br/>. Acesso em: 13 jun. 2016. SILVA, J. S.; BELUCO, A.; ALMEIDA, L. E. B. de. Simulating an ocean wave power plant with Homer. International Journal Of Energy And Environment. p. 619-630. 2014. TESSLER, M. G.; GOYA, S. C. Y. Processos costeiros condicionantes do litoral brasileiro. Revista do Departamento de Geografia, São Paulo, v. 17, p. 11-23, 2005. ZANDOMENEGO, R; SCHMIDT, N. L.; D AQUINO, C. de A.. Estimativa do potencial para geração de energia elétrica em uma plataforma de pesca no sul de Santa Catarina. 4º Simpósio de Integração Científica e Tecnológica do Sul Catarinense Sict-sul, Araranguá, 2015. ZANDOMENEGO, R. POTENCIAL ENERGÉTICO DE ONDAS PARA CONVERSÃO EM ENERGIA ELÉTRICA EM UMA PLATAFORMA DE PESCA: ESTIMATIVAS E VIABILIDADE ECONÔMICA. 2016. 35 f. TCC (Graduação) - Curso de Engenharia de Energia, Universidade Federal de Santa Catarina, Araranguá, 2016.