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OMAR CHEIDDE CHAIM ANÁLISE DE CUSTO DE FONTES ALTERNATIVAS DE ENERGIA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia Elétrica de São Carlos, da Universidade de São Paulo Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em sistemas de energia e automação ORIENTADOR: Prof. Dr. Ricardo Quadros Machado São Carlos 2011

Chaim Omar Cheidde

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Chaim Omar Cheidde

Text of Chaim Omar Cheidde

  • OMAR CHEIDDE CHAIM

    ANLISE DE CUSTO DE FONTES

    ALTERNATIVAS DE

    ENERGIA

    Trabalho de Concluso de Curso apresentado

    Escola de Engenharia Eltrica de So Carlos, da

    Universidade de So Paulo

    Curso de Engenharia Eltrica com nfase em

    sistemas de energia e automao

    ORIENTADOR: Prof. Dr. Ricardo Quadros Machado

    So Carlos

    2011

  • AUTORIZO A REPRODUO E DIVULGAO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

    Ficha catalogrfica preparada pela Seo de Tratamento da Informao do Servio de Biblioteca EESC/USP

    Chaim, Omar Cheidde.

    C434a Anlise de custo de fontes alternativas de energia. /

    Omar Cheidde Chaim ; orientador Ricardo Quadros Machado

    - So Carlos, 2011.

    Monografia (Graduao em Engenharia Eltrica com

    nfase em Sistemas de Energia e Automao -- Escola de

    Engenharia de So Carlos da Universidade de So Paulo,

    2011.

    1. Energia Elica. 2. Pequena central hidreltrica.

    3. Energia solar fotovoltaica. 4. Custos de energia. 5.

    Fontes alternativas. 6. Software HOMER. I. Titulo.

  • Sumrio

    Resumo________________________________________________________________i

    Abstract________________________________________________________________ii

    1. Introduo 1

    2. Base terica e entrada de variveis 3

    2.1. O software HOMER energy 3

    2.1.1. Exemplo ilustrativo do HOMER energy_________________________3

    2.2 Gerao trmoeltrica a gs 4

    2.2.1. Entradas do software: Gs natural 5

    2.2. Gerao hidreltrica 7

    2.3.1. Entradas do software: hidreltrica 8

    2.4. Gerao solar 10

    2.4.1. Entradas do software: Fotovoltaica 12

    2.5. Gerao elica 15

    2.5.1. Entradas do software: Elica 16

    3. Obteno de dados 19

    3.1. Fontes primrias de energia 20

    3.1.1. Energia Termoeltrica 20

    3.1.2. Energia Hidroeltrica 22

    3.1.3. Energia Solar Fotovoltaica 24

    3.1.4. Energia Elica 26

    3.2. Dados econmicos 30

    3.3. Elementos do sistema 31

    3.3.1. Carga 31

    3.3.2. Conversores e baterias 32

    3.3.4. Rede eltrica 35

    4. Simulao exemplo 36

    4.1. Introduo 36

    4.2. Dados de entrada 36

    4.3. Esforo computacional 37

    4.4. Resultados obtidos 38

    4.4.1. Grficos 38

    4.4.2. Tabelas 45

    4.4.3. Viabilidade Atual 48

    4.5. Aplicao_____________________________________________________48

    5. Resultados 49

  • 5.1. Anlise Elica 49

    5.1.1. Sistema elico gs 49

    5.1.2. Sistema elico rede 50

    5.1.3. Viabilidade Atual 56

    5.2. Anlise Solar 56

    5.2.1. Sistema solar gs 58

    5.2.2. Viabilidade Atual 61

    5.2.3. Sistema solar rede 61

    5.2.4. Viabilidade Atual 63

    5.3. Anlise hidreltrica 63

    5.3.1. Viabilidade Atual 66

    Concluso 67

    Bibliografia 69

  • i

    Resumo

    Com o aumento da demanda energtica e a presso ambiental contraria as fontes

    trmicas a combustvel fssil e nucleares, torna-se necessria a utilizao de novas

    fontes de energia.

    O principal intuito deste trabalho analisar a viabilidade econmica de gerao de

    energia elica, fotovoltaica e de pequenas centrais hidreltricas. A anlise de viabilidade

    econmica considera custos estimados em valores reais e projeta tendncias para

    verificar o efeito desses custos no ponto de timo de custo do sistema, alm disso,

    independentemente do custo a entrada dessas fontes forada para verificar seu efeito

    no custo total da energia do sistema.

    Palavras chave: Energia Elica; Pequena central Hidreltrica; Energia Solar Fotovoltaica;

    Custo de energia; Fontes alternativas; software HOMER.

  • ii

    Abstract

    With increasing energy demand and environmental pressure against thermal sources

    fossil fuel and nuclear, it becomes necessary to use new sources of energy.

    The main purpose of this research is to analyze the economic feasibility of wind power

    generation, photovoltaic and small hydro. The economic feasibility analysis considers

    costs estimated in real projects and trends to verify the effect of these costs at the point of

    optimum system cost, moreover, regardless of the entry cost, these sources will be forced

    in to check its effect on the overall energy cost the system.

    Key words: Wind power; Small hydro; photovoltaic generation; Energy cost; alternative

    sources; HOMER software;

  • 1

    1. Introduo

    Desde o inicio da produo de energia eltrica e de bens que a utilizassem, o potencial instalado

    de energia vem crescendo vigorosamente. Atualmente a dificuldade est em encontrar recursos

    disponveis para explorar tendo em vista, que o abundante potencial hidreltrico disponvel j foi

    bastante explorado no Brasil, diversos recursos minerais sofrem especulaes sobre sua possvel

    extino, preos de combustveis utilizados em larga escala disparam devido ao aumento da

    demanda e at a temperatura do planeta se eleva devido ao uso em larga escala de energia de

    combustvel fssil. Neste cenrio de esgotamento de recursos naturais necessrio recorrer a

    novas fontes de gerao de energia.

    O crescimento econmico est intrinsecamente ligado disponibilidade energtica. Uma

    diminuio no consumo de energia est diretamente relacionada a um decrscimo no produto

    interno bruto (PIB), sendo necessrio, portanto, aumentar a disponibilidade de energia antes de

    pleitear um crescimento econmico.

    Por outro lado presses ambientais e sociais geram um esforo poltico para a gerao de energia

    renovvel, que se torna visvel na forma de incentivos fiscais linhas de financiamentos e at

    preos distintos de compra de energia. O problema est no custo final da energia, pases

    desenvolvidos muitas vezes cobram taxas das unidades mais poluidoras para financiar os

    incentivos s energias alternativas, isto leva, invariavelmente, a um aumento no custo total da

    energia. Esse encarecimento da energia aumenta os custos de produo, o que leva a uma

    diminuio de competitividade frente aos produzidos com energia mais barata.

    Inicialmente proibitivos, os custos de gerao das energias alternativas tiveram uma reduo

    drstica nas ltimas dcadas. A procura por novas formas de suprir as demandas energticas da

    vida moderna incentivou pesquisas e projetos de explorao de formas de diversos tipos de

    gerao, da queima de bagao de cana at o aproveitamento da energia de coliso de ftons

    (FARRET; SIMOES, 2006, p.130). A viabilidade de um sistema eltrico, porm, depende de dois

    fatores, da capacidade de suprimento carga e do custo final do fornecimento dessa energia.

    Nesse trabalho sero analisadas estas caractersticas para trs formas de gerao, a solar

    fotovoltaica, a energia de pequenas centrais hidreltricas e a energia elica.

    O objetivo destas simulaes estimar o custo atual de gerao dessas formas conforme sua

    partio cresce na matriz energtica e verificar a influncia de fatores com tendncias de variao

    na formao destes custos.

    Para a realizao das anlises utilizado o software HOMER Energy, desenvolvido pelo

    National Renewables Energy Laboratory (NREL), prprio para estudos de gerao e custos de

    sistemas de alimentao hbrida. Esse software foi escolhido por indicao do orientador deste

  • 2

    trabalho, tendo um captulo dedicado no livro Integration of Alternative sources of energy

    (FARRET; SIMOES, 2006, p.379-419).

    No capitulo 2 esto contidas a base terica e as variveis de entrada. Cada varivel a ser

    trabalhada na demonstrao descrita em sua importncia e utilizao e especificidades, sendo

    especificadas quais sero ou no utilizadas. A base terica trata de especificidades de cada forma

    de gerao tratando de suas caractersticas de produo de energia, aproveitamento de potencial

    e instalao. Tambm nesse capitulo descrito o funcionamento do software.

    O capitulo 3 descreve o procedimento de obteno dos dados para alimentar o HOMER. So

    explicitadas as fontes e feitas as devidas consideraes sobre os valores obtidos, sua

    variabilidade e disperso.

    Uma simulao exemplo descrita em detalhes no capitulo 4, sendo explicados os grficos de

    sadas do software com maior nvel de detalhamento. Essa simulao uma das utilizadas para

    realizao das anlises, especificamente a anlise elica-gs natural.

    Os resultados presentes no capitulo 5 tratam de uma forma menos detalhada os resultados das

    outras simulaes realizadas e a anlise de viabilidade atual.

    Os capitulos 6, 7 e 8 so respectivamente concluso, referencias bibliogrficas e bibliografia

    consultada.

  • 3

    2 . Base terica e variveis de entrada

    O objetivo desse capitulo fornecer informaes bsicas dos componentes dos sistemas

    analisados e sua modelagem computacional. So descritas as variveis de entrada do software

    HOMER energy (utilizado para as simulaes) e as caractersticas principais das fontes

    estudadas.

    Toda gerao de energia eltrica na verdade uma converso, assim, diferentes formas de

    energia podem ser convertidas em eltrica. Nesse trabalho sero analisados apenas quatro tipos:

    termeltrica a gs, pequena central hidreltrica, energia solar fotovoltaica e energia elica.

    2.1. O software HOMER energy

    O software utilizado, HOMER energy (HOMER), um modelo computacional desenvolvido pelo

    U.S. National Renewable Energy Laboratory (NREL) para auxiliar na anlise e comparao entre

    diferentes formas de energia de sistemas de potncia de pequena escala. O software trabalha em

    trs nveis (sensibilidade, otimizao e simulao) para fornecer informaes referentes a custos e

    caractersticas tcnicas de gerao de um sistema.

    Para cada possibilidade combinatria de variveis e sensibilidades analisadas existe uma

    simulao, e para cada possibilidade combinatria das sensibilidades existe um ponto timo.

    O nvel de sensibilidade responsvel pela anlise geral do custo timo do sistema para

    diferentes condies de operao definidas pelas variveis de sensibilidade. So fornecidos

    diversos grficos nesse nvel, mostrando o comportamento do sistema na rea delimitada por

    esses valores.

    O nvel de otimizao mostra a simulao com o custo mais baixo dentro de uma caracterstica

    fixa de sensibilidade, nesse nvel obtm-se mais detalhes quanto ao ponto de operao timo,

    como, por exemplo, o custo de capital de cada forma de gerao, a quantidade de energia eltrica

    produzida e o percentual de energia renovvel. Este nvel de detalhamento pode ser visto em

    cada simulao.

    Para cada elemento do sistema existe uma ou mais telas de entrada de variveis para a

    modelagem, neste captulo sero descritas apenas as relacionadas s fontes. A forma de

    obteno dos dados de entrada e os dados gerais utilizados sero descritos no capitulo 3,

    enquanto os valores especficos de cada iterao sero descritos no capitulo 5. A utilizao do

    software, grficos e tabelas de sada esto detalhados na simulao exemplo do capitulo 4.

    2.1.1 Exemplo ilustrativo do HOMER energy

    Tomando por exemplo o seguinte sistema: limite de falta de energia de 1%; gerador a gs de 1

    kW; carga de 5 kW; compra de energia da rede ilimitada.

  • 4

    O software inicialmente calcula a sada de energia do gerador para diferentes quantidades de

    queima de combustvel e verifica qual a mais barata. Uma vez que o gerador foi estatizado em 1

    kW, certamente estar no sistema e o software apenas calcula a alternativa mais barata para

    operao (controle de combustvel). Este o caso de uma simulao simples, onde todas as

    variveis referentes s instalaes e custos esto travadas, o software simplesmente opera o

    sistema para minimizar custos dentro dos limites preestabelecidos.

    Pode-se incrementar a anlise adicionando mais uma possibilidade, a de no haver gerao a

    gs. Neste caso o software repete o procedimento anterior de minimizao de custo e

    posteriormente recalcula completamente o sistema levando em conta a nova possibilidade. So

    ento apresentadas duas simulaes, uma com energia a gs e outra apenas com ligao a rede.

    Obter-se-ia um ponto de timo, que pode ser do tipo gs-rede ou apenas rede.

    Ainda possvel adicionar uma segunda fonte, digamos uma hidreltrica, considera-se a potncia

    de sada de 1 kW (nominal) ou sem a hidreltrica. Neste caso teramos todos os clculos feitos

    quatro vezes, uma para cada possibilidade: sem gs nem hidreltrica, 1 kW de gs e sem

    hidreltrica, 1 kW de hidreltrica e sem gs e ambas as formas de gerao em 1 kW. Novamente

    seria encontrado um ponto timo, podendo ser agora de quatro tipos, hidreltrico-gs-rede, gs-

    rede, hidreltrico-rede e rede.

    Finalmente ainda possvel variar quaisquer custos. Adicionando a possibilidade do gs natural

    estar caro ou barato, teremos ento dois pontos de timo e no um. Todas as simulaes do

    paragrafo anterior seriam calculadas novamente para dois valores, uma otimizao completa para

    o gs barato e outra para o gs caro. Esta uma anlise de sensibilidade simples, pois contm

    apenas uma varivel.

    Poder-se-ia ainda adicionar mais uma possibilidade de variao, o custo da instalao da

    hidreltrica, por exemplo. Seriam ento quatro timos, gs e hidreltrica baratos, ambos com

    custo elevado, e as duas combinaes onde apenas um dos custos elevado. Este o caso mais

    completo, onde existe um plano de pontos timos. Caso adicionem-se novas variveis de

    sensibilidade, apenas duas seriam representadas por vez, sendo a terceira afixada em um valor.

    No entanto pode-se escolher quais duas sero os eixos do plano e em qual valor as outras

    variveis sero afixadas.

    2.2. Gerao trmica a gs

    Os geradores a combustvel funcionam atravs da converso da energia de ligaes qumicas em

    eltrica e calor. Os pequenos geradores operam com menor eficincia de forma parecida com o

    que ocorre nos motores de automveis convencionais, a diferena o direcionamento da energia

    para o eixo de um gerador eltrico e no para as rodas. Os geradores maiores possuem um

    princpio diferente: o calor gerado pela queima de combustvel aquece a gua numa tubulao

    que, transformada em vapor, ganha velocidade e move uma turbina.

  • 5

    Existem muitas outras topologias de converso desta energia qumica em eltrica. No caso de

    geradores combusto h sempre a transformao de energia qumica em calor e posteriormente

    em eltrica. Esta converso contnua de formas de energia faz com que a eficincia seja menor,

    sendo que apenas usinas a gs com ciclo combinado conseguem alcanar uma eficincia superior

    a 45% (FARRET; SIMOES, 2006, p.18).

    Uma unidade geradora movida a diesel ou a biodiesel pode possuir exatamente o mesmo

    princpio de funcionamento, s vezes at a mesma estrutura mecnica e caractersticas de

    gerao, com a diferena de que a primeira utiliza-se de um combustvel fssil no-renovvel,

    enquanto a segunda plenamente renovvel.

    Para os estudos realizados neste trabalho so utilizadas unidades geradoras a gs por dois

    motivos: por ser a fonte de energia fssil em maior expanso atualmente e por ter a melhor

    resposta flutuao de carga entre as fontes trmicas.

    2.2.1. Entradas do software: Gs natural

    A modelagem realizada pelo software possui duas telas principais de entrada de dados, uma

    referente ao gerador e outra referente aos dados do combustvel utilizado.

    A figura 1 mostra a tela de entrada das caractersticas do gerador.

    Figura 1: Tela de entrada de fatores de custo do gerador a gs.

  • 6

    Segue a descrio da tela referente figura 1:

    Size: potncia inicial da unidade

    Capital: custo de instalao da unidade de potncia estabelecida em size

    Description: Uma descrio utilizada para visualizao do componente no sistema.

    Abbreviation: O nome a ser impresso nos grficos de sensibilidade.

    Lifetime (operating hours): O tempo de vida til em horas.

    Minimum load ratio (%): O menor valor de carga onde o gerador pode operar.

    Type: Define se o gerador tem sada em corrente continua ou alternada.

    Na aba Fuel esto contidas as informaes referentes eficincia do combustvel e eficincia do

    gerador. A figura 2 mostra a tela de edio destas variveis. O sistema no foi modelado com

    recuperao de energia de calor e os outros dois coeficientes foram regulados exclusivamente

    para a criao da curva de eficincia do gerador.

    Figura 2: Tela de entrada de variveis de eficincia e combustvel do gerador a gs natural.

    Segue a descrio da tela referente figura 2:

    Intercept coeff. (m3/hr/kW rated): Gasto de combustvel do gerador em vazio.

    Slope (m3/hr/kW output): O consumo marginal de combustvel do gerador.

  • 7

    As variveis Slope e Intercept coeff. foram modeladas para a obteno de limites de eficincia

    tpicos de geradores a gs (FARRET; SIMOES, 2006, p18). As variveis de reaproveitamento

    trmico no foram utilizadas.

    As abas referentes Schedule (agenda) e Emissions, ambas das figuras 1 e 2, no foram

    utilizadas, pois sua anlise no est no escopo desse trabalho. Schedule trava o funcionamento

    do gerador segundo uma agenda pr-determinada e Emissions altera as caractersticas de

    emisso da unidade.

    A figura 3 mostra a tela de entrada de variveis do combustvel utilizado pelo gerador, no caso gs

    natural. uma varivel normalmente utilizada como sensibilidade.

    Figura 3- Tela de entrada de variveis referente ao gs natural

    Segue a descrio da tela referente figura 3:

    Price ($/m3) : O preo do gs por metro cbico

    Limit consuption to (m3/yr): Limite de gs disponvel para o sistema

    Fuel properties: So as caractersticas do combustvel, caso queira analisar um novo

    combustvel possvel redefina-las - Estes valores so do modelo do software.

    2.3. Gerao hidreltrica

    A energia hidreltrica a forma de aproveitamento eltrico de fonte renovvel mais antiga, madura

    e bem estabelecida, nessa forma de gerao a energia cintica das guas utilizada para mover

    uma turbina acoplada a um gerador. A energia pode ser aproveitada com ou sem reservatrio e

    dada pela equao 1:

    (1) Pt = t**g*Q*Hm

  • 8

    Onde Pt a potncia eltrica de sada, t a eficincia de converso, a densidade da gua, g

    a acelerao da gravidade, Q a vazo em m/s e Hm a altura de queda disponvel.

    O maior problema de utilizao desta forma de gerao sua disponibilidade limitada. Apesar de

    possuir um grande impacto ambiental no momento de sua instalao, seu impacto em operao

    quase nulo. Devido a suas excelentes caractersticas de custo, resposta rpida flutuao de

    carga (especialmente para usinas com reservatrio) e reduzido impacto ambiental aps a

    instalao, esta forma de gerao teve seu potencial praticamente esgotado nas regies

    desenvolvidas do mundo. As regies onde ainda existe potencial inexplorado so normalmente

    distantes de centros de consumo ou o tem esse aproveitamento barrado por motivos ambientais

    ou construtivos.

    Caso no existam condies especiais, normalmente, se h potencial hidreltrico disponvel, este

    ser utilizado antes dos demais.

    2.3.1 Entradas do software: Hidreltrica

    A energia hidreltrica tratada diferentemente pelo software HOMER. Ao contrrio das outras

    fontes modeladas por potncia instalada, a energia hidreltrica modelada para uma vazo

    nominal em determinada altura de queda, o que ilustra a caracterstica de potencial limitado tpica

    dessa gerao, uma vez que a anlise centrada na disponibilidade do recurso.

    As figuras 4 e 5 mostram as duas telas de entrada de variveis para as centrais hidreltricas,

    respectivamente referentes ao rio onde ser instalada e turbina a ser instalada.

  • 9

    Figura 4 Tela de entrada referente ao gerador hidreltrico

    Segue a descrio da tela referente figura 4:

    Capital cost ($): Custo total de instalao da unidade geradora

    Replacement cost ($): Custo de substituio de peas referente ao trmino da vida til.

    O&M ($/ano): Custo total de manuteno e operao. O padro para unidades hidreltricas

    zero.

    Lifetime (anos): Tempo de operao at a necessidade de substituio.

    Available head (m): Altura de queda disponvel (considerada caracterstica de projeto do

    gerador pelo software).

    Design flow rate (m/s): Vazo nominal da turbina.

    Minimum flow rate (m/s): Vazo mnima para entrada em operao.

    Maximum flow rate (m/s): Vazo mxima permitida antes do desligamento.

    Efficiency (%): Eficincia total do conjunto turbina-gerador.

    Pipe head loss (%): Perda de atrito na tubulao expressa como uma porcentagem da

    altura de queda.

  • 10

    Figura 5 Caracterstica do rio utilizado para gerao.

    Segue a descrio da tela referente figura 5:

    Month/Stream flow: Vazo mdia mensal

    Scaled annual average: Mdia anual escalonada.

    Para realizar teste de sensibilidade utilizando as vazes, usa-se a mdia anual escalonada. Essa

    varivel recria a forma da curva descrita pelas mdias mensais, mas altera o mdulo, para que a

    mdia anual se torne o valor alocado na mdia anual escalonada.

    2.4. Gerao solar

    A fonte de energia primria para os recursos energticos hidrulicos, elicos e de biocombustveis

    (devido fotossntese) a solar. Cada vez que existe uma converso energtica parte da energia

    inicial dispersa, causando uma diminuio no total remanescente, o que faz com que, a energia

    solar possua o maior potencial de gerao (por ser a fonte primria da qual as outras derivam).

    Com uma pequena parcela da energia solar irradiada para o deserto do Saara seria possvel

    alimentar todas as cargas do mundo. O entrave o custo.

  • 11

    Atualmente existem duas formas de maior destaque para aproveitamento direto de radiao solar,

    as trmicas e as fotovoltaicas. O sistema solar trmico indicado para baixas latitudes (FARRET;

    SIMOES, 2006, p112), inferiores a 30 graus, e utilizado principalmente para aquecimento direto.

    Embora uma das aplicaes deste mtodo seja em centrais geradoras com concentradores e

    sistemas de tubulao para transformar o calor da irradiao em energia eltrica, esta gerao

    possui maior eficincia se aplicada diretamente em cargas trmicas, evitando assim o uso de

    energia eltrica para a mesma funo. Essas centrais geradoras utilizam uma rea de superfcie

    menor do que as fotovoltaicas para a gerao de energia, mas no so viveis para gerar

    eletricidade em pequenas instalaes.

    A energia fotovoltaica, por sua vez, converte diretamente a luminosidade solar em energia eltrica

    atravs do efeito fotoeltrico.

    As placas fotovoltaicas funcionam como os terminais de carga de uma bateria quando existe uma

    incidncia suficiente de ftons. Os eltrons da camada de valncia saltam ao serem excitados

    pelos ftons, resultando em uma diferena de potencial na estrutura cristalina do semicondutor

    entre a camada externa repleta de carga negativa (eltrons) e o limite inferior do gap (buraco,

    espao entre dois nveis) de energia, de onde provm os eltrons, que fica positivamente

    carregado. Se houver uma ligao entre as duas regies, haver corrente, ou seja, energia

    eltrica.

    Apesar de ser uma converso direta, existe grande perda de energia no processo. Mesmo as

    melhores placas fotovoltaicas tm eficincia inferior a 30%. Aspectos construtivos das placas e

    caractersticas fsicas dos materiais no permitem ainda eficincia maior, teoricamente limitada a

    33,7% para placas de silcio (SHOCKLEY; QUEISSER, 1961).

    Ao considerar o potencial solar disponvel na superfcie do planeta, uma eficincia de 30%

    centenas de vezes mais do que o suficiente. A quantidade de energia lanada na atmosfera pelo

    sol suficiente para suprir milhares de vezes toda energia utilizada no planeta, podendo ento

    ser considerada completamente renovvel e, para todos os propsitos tecnologicamente

    acessveis na atualidade, ilimitada. A figura 6 mostra a rea da superfcie mundial necessria

    para suprir toda a demanda de energia mundial em 2005, incluindo energias no eltricas.

  • 12

    Figura 6- rea necessria para substituir a energia utilizada mundialmente por energia

    solar.

    A questo da utilizao desta energia no est em sua disponibilidade, mas sim em sua

    viabilidade. Aps a produo das placas fotovoltaicas, o impacto causado pela gerao mnimo,

    mas durante a produo relevante. Alm da quantidade de energia necessria para a criao

    das placas (fornecida atualmente por fontes possivelmente poluentes) o processo de fabricao

    das placas mais utilizadas faz uso de componentes qumicos nocivos, alm do problema de

    descarte das placas aps sua vida til.

    2.4.1 Entradas do software: Fotovoltaica

    A figura 7 mostra a tela de entrada de variveis dos painis solares fotovoltaicos.

  • 13

    Figura 7 Tela de entrada de caractersticas referente s clulas fotovoltaicas

    Segue a descrio da tela referente figura 7:

    Size (kW): Potncia da unidade para qual o capital, custo de substituio e custo de

    operao esto descritos.

    Capital ($): Custo de total de instalao da potncia denominada.

    Replacement ($): Custo de substituio aps o vencimento da vida til.

    O&M($): Custo anual de operao e manuteno.

    Output current ($/ano): Define se a gerao em corrente contnua ou alternada.

    Lifetime (anos): Tempo de vida til esperado em anos.

    Derating factor (%): Fator total de perdas devido temperatura, sujeira e outros (dado pelo

    fabricante).

    Slope (graus): Inclinao das placas com relao a linha horizontal. Depende da latitude.

    Azimuth (graus): Fator que indica a direo para quais os painis esto direcionados. 180

    para Norte, 0 para Sul.

    Ground reflectance (%): Porcentagem da energia solar refletida pelo solo.

  • 14

    Temperature coeff. of Power: Fator de correo de potencia de sada devido a

    temperatura.

    Nominal operating cell temp (graus Clsius): Temperatura nominal de operao da clula

    fotovoltaica.

    Efficiency at std. test conditions(%): Eficincia nas condies padres de teste

    Para completar o quadro de gerao fotovoltaica ainda necessria a modelagem da irradiao

    solar na localidade de instalao do sistema, conforme consta na figura 8.

    Figura 8 Tela de entrada das caractersticas da irradiao solar.

    Segue a descrio da tela referente figura 8:

    Latitude/Longitude: So as coordenadas da localidade onde o sistema ser instalado. So

    utilizadas pelo software para obter automaticamente as informaes referentes irradiao

    solar.

    Month/ Clearness Index: ndice de passagem de radiao at a superfcie. Quanto maior o

    ndice maior a parcela de energia que atinge nvel do solo (o ndice varia de 0 a 1).

  • 15

    Month/ Daily radiation: Potncia solar mdia, em cada ms, que chega ao solo no perodo

    de um dia.

    Scaled annual average: Mdia anual escalonada.

    A mdia anual escalonada funciona da mesma forma que para a hidreltrica, porm escalonada

    potncia de incidncia solar, e no a vazo.

    2.5 Gerao Elica

    Uma turbina elica um dispositivo de converso de energia cintica dos ventos em energia

    mecnica. Atravs de um gerador acoplado ao eixo de rotao essa energia posteriormente

    convertida em energia eltrica. Para produo de energia eltrica em escala, tambm se faz

    necessria a adio de uma caixa de transmisso para intermediar a transformao de energia

    mecnica em eltrica, isso necessrio, pois as baixas velocidades de rotao da turbina no so

    apropriadas para a converso de energia no gerador (isso se deve a caractersticas construtivas e

    de eficincia do conversor). As turbinas industriais modernas possuem um anemmetro acoplado

    para discernir a direo do vento, informao que enviada a um computador que, atravs da

    ao de um motor acoplado a cabea da turbina, redireciona a parte superior do gerador para o

    ponto de operao timo.

    A quantidade de energia absorvida pelas ps pode ser aproximada pela equao 2 (FARRET;

    SIMOES, 2006, p 87):

    (2) Pm=Av1Cp 2

    Onde Pm a potncia gerada, a densidade do ar, A a rea de varredura das ps, v a

    velocidade do vento e Cp a constante de converso de energia. A constante Cp depende de

    caractersticas fsicas de converso do sistema (normalmente variando de 35% a 50%).

    O fsico Alemo Albert Betz majorou em 1919 a eficincia real de uma turbina elica em 59%.

    Vale notar que esta constante diferente para cada velocidade.

    A equao no utilizada nas anlises, pois atualmente os fabricantes de turbinas fornecem

    curvas empricas de potncia em funo da velocidade do vento.

    Com relao aos custos de gerao, a energia elica possui caractersticas diferentes das formas

    de gerao convencionais, por possuir um alto custo de instalao e menor de operao e

    manuteno, ou seja, tem caracterstica de custo mais prxima da gerao hidreltrica do que das

    trmicas.

    Esse custo de instalao elevado devido a diversos fatores, dentre eles os principais so: o

    valor da turbina, custos de montagem e transporte, custos de transmisso de energia e custo dos

  • 16

    conversores. Uma vez instalada a central deve gerar energia eltrica com um custo estimado de

    operao e manuteno anual inferior a 10% de seu custo de instalao por ano. Esses custos

    so devidos a, principalmente, custos operacionais e de manuteno. Atualmente o tempo de vida

    til de uma unidade prximo de vinte anos (FARRET; SIMOES, 2006, p 18).

    Como no possui capacidade de gerar constantemente na frequncia nominal, devido a

    caractersticas construtivas, faz-se necessrio uma converso para o acoplamento na rede de

    energia eltrica. Turbinas de potncia elevada so vendidas comumente com conversor acoplado,

    sendo, portanto de ligao imediata na rede eltrica. Vale ressaltar que o fato de terem o

    conversor acoplado faz com que estas turbinas sejam adequadas a gerao apenas em uma

    frequncia (cinquenta ou sessenta Hertz).

    Atualmente esta a forma de energia renovvel no convencional mais competitiva e eficiente

    disponvel em escala.

    2.5.1 Entradas do software: Elica

    A figura 9 mostra a tela de variveis de entrada referentes gerao elica.

    Figura 9 Tela de entrada de variveis para a turbina elica.

  • 17

    Segue a descrio da tela referente figura 9:

    Turbine Type: Seleo da turbina. O software contm informaes do fabricante referente a

    curvas de potncia, velocidade mxima e mnima de ventos para gerao e outras

    caractersticas tcnicas.

    Quantity: No quadro, numero de turbinas a que so referidos os custos. Na coluna sizes to

    consider, o nmero de turbinas que podem ser utilizadas nas simulaes para obter o

    timo do sistema.

    Capital: Custo total da unidade geradora instalada.

    Replacement : Custo de reposio aps vencimento do tempo de vida til.

    O&M: Custo anual de manuteno e operao da unidade.

    Lifetime: Vida til esperada para a unidade geradora.

    Hub height: Altura do centro do rotor da unidade geradora da unidade geradora ao solo.

    O software utiliza a tela da figura 10 para modelar as caractersticas dos ventos no local de

    instalao.

    Figura 10- Tela das caractersticas dos ventos no local de instalao

  • 18

    Segue a descrio da tela referente figura 10:

    Wind speed () : Velocidade mdia dos ventos em cada ms do ano.

    Altitude () : Altitude em metros acima do nvel do mar.

    Anemometer height: Altura do anemmetro de medio. O programa realiza clculos para

    estimar a velocidade do vento na altura onde as centrais geradoras operaro.

    Weibull k: Fator estatstico determinado pela variao de velocidades dos ventos.

    Autocorrelation factor: Fator que determina a aleatoriedade da velocidade do vento de hora

    em hora.

    Diurnal pattern strenght: Determina a quantidade de variao da velocidade do vento

    conforme a hora do dia.

    Hour of peak wind speed: Hora de pico de velocidade mdia do vento.

    Scaled annual average: Cria uma nova curva de velocidade com a mesma da dos valores

    inseridos, mas com nova mdia.

    Existem duas formas de entrada de variveis, pode-se importar uma srie de dados disponvel em

    um atlas de ventos, ou colocar os parmetros manualmente.

    _____________________________

    Disponvel em http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/.

    Disponvel em http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law.

  • 19

    3. Obteno de dados

    Faz-se necessrio para a simulao de um sistema de gerao e fornecimento de energia o

    levantamento de uma vasta gama de dados, muitos desses dados, porm, no so informaes

    de valor nico, mas sim, vrios valores distintos que dizem respeito mesma grandeza. Ao se

    comparar formas distintas de gerao de energia necessrio obter valores que ilustrem essas

    formas de maneira suficientemente precisa.

    Para algumas informaes a aquisio de um valor significativo direta, enquanto, para outras h

    a necessidade de consolidao de dados. Ao intuir sobre os juros praticados para o financiamento

    de um projeto de energia alternativa existe um valor bem definido e de pouca variao, basta

    verific-lo em agncias de fomento ao desenvolvimento. O mesmo no ocorre quando se define o

    custo de instalao de uma unidade elica, nesse caso, passa a existir uma grande variabilidade

    de preos e condies de instalao a serem verificadas, o que torna mais difcil a obteno de

    um valor de grande generalidade.

    Para resolver esses problemas os dados foram divididos em dois grupos: os de valor nico e os

    de sensibilidade. Os valores nicos so referentes aos dados melhor estabelecidos (como um

    custo de construo de uma usina termoeltrica) ou de menor importncia no resultado final

    (como o custo de manuteno anual de uma pequena central hidreltrica). Valores nicos so

    normalmente provenientes de contratos reais recentes (comparados muitas vezes a outros valores

    em condies semelhantes) ou de um conjunto de dados referentes a condies reprodutveis.

    Os valores de sensibilidade so uma gama de variao ao redor de um valor tpico obtido atravs

    da anlise dos valores reais da varivel. O software HOMER utiliza o nome de variveis de

    sensibilidade para estes valores, um exemplo de dado que deve ser tratado desta forma o custo

    do gs natural, embora seja simples conseguir o seu custo real, este alterado com tanta rapidez

    que, caso no seja considerada uma variao em seu valor, o resultado fica limitado perspectiva

    exclusivamente momentnea e com significncia restrita. O valor central neste caso a cotao

    do gs na bolsa, sendo que seus valores perifricos devem ilustrar a tendncia atual de aumento

    de preo.

    A obteno desses dados centrais, sempre que possvel, recorre a fontes operando em larga

    escala. Esse preceito se baseia na lei estatstica dos grandes nmeros, que garante que quanto

    maior o nmero de amostras maior a probabilidade de a distribuio tender norma e, portanto,

    ao caso geral. Para efeitos de anlise isso significa que os dados utilizados, sempre que possvel,

    advm de vrias amostras ou de uma amostra de grande porte e so reduzidos ao nvel

    requerido. Os custos estimados nesse trabalho so exclusivamente de fontes de energia que

    pretendem atuar em larga escala e, portanto, devem ser comparadas com formas de gerao

    consolidadas nesta mesma escala.

  • 20

    3.1. Fontes primrias de energia

    Atualmente as principais formas de energia que se prope a atuar em escala no sistema eltrico

    so: termoeltrica, hidroeltrica, solar fotovoltaica e elica - a energia termonuclear ser

    desconsiderada devido s suas caractersticas de carga e atual desinteresse a nvel mundial por

    questes de segurana, portanto, a energia termeltrica descrita refere-se unicamente a energia

    trmica convencional.

    3.1.1. Energia Termoeltrica

    Devido a sua considervel independncia com relao ao tempo a quantidade de dados

    agregados nas simulaes de gerao termoeltrica so menores. As variveis utilizadas foram o

    custo do combustvel, o custo de instalao, a manuteno horria da mquina e a curva de

    eficincia da queima. A figura 11 mostra a tela de entrada de variveis correspondente ao

    combustvel - o valor limite de consumo no ser utilizado, pois, ser considerada ilimitada a

    disponibilidade de compra pelo preo estabelecido.

    Figura 11: Variveis de entrada referentes ao combustvel.

    O valor central do gs natural foi definido pela sua cotao na bolsa de valores no fechamento do

    dia 25/10/2011 sendo de 3,795 dlares por B.T.U. (British Thermal unit) equivalente a 0,1343

    dlares por m. Para a anlise de sensibilidade sero considerados inicialmente seis valores,

    sendo estes de 75%, 100%, 125%, 150%, 175% e 200% do valor central.

  • 21

    Os dados referentes unidade geradora a gs consideram valores tpicos de usinas de grande

    porte, o principal contrato analisado para a verificao da validade da estimativa de custo do livro

    Integration of alternatives sources of energy (FARRED; SIMOES, 2006, p.18) foram os custos de

    instalao da termorio4, a maior usina a gs do Brasil. As caractersticas tcnicas utilizadas foram

    as tpicas de gerao a gs. Os valores finais obtidos, segundo esta fonte4, so de 800.000,00U$

    por MW instalado, eficincia mxima prxima de 45% (FARRED; SIMOES, 2006, p.18) e valor de

    manuteno de 1,83U$ por hora de operao por MW instalado5. Os valores estimados esto de

    acordo com o estimado no livro (FARRED; SIMOES, 2006, p.18). Usinas de menor eficincia

    possuem custo inferior de instalao, mas tem um custo final maior, tanto financeiramente quanto

    ambientalmente. A figura 12 mostra os valores aplicados ao gerador a gs.

    Figura 12: Tela de entradas das caractersticas do gerador a gs.

    A carga mnima para ligamento do gerador foi mantida no valor padro de 30% (esse valor se

    mostrou de pouca importncia nos sistemas simulados). Note que a vida til e o custo de

    operao horria foram derivados de valores anuais, a manuteno foi estipulada em 2% do valor

    de instalao por ano e o de vida til em 15 anos.

  • 22

    3.1.2. Energia Hidroeltrica

    O caso da energia hidreltrica diferente das demais formas de gerao de energia renovveis,

    por ser muito bem estabelecida e ter praticamente atingido a maturidade tecnolgica. A maioria

    dos pases desenvolvidos esgotou seus potenciais hidrulicos devido excelente resposta a

    flutuaes de carga e aos custos desta forma de gerao.

    Nesse trabalho o rio que alimenta a pequena central hidreltrica foi modelado para fornecer a

    essa determinada potncia, o procedimento foi adotado dessa forma, pois, no plausvel estimar

    vazo ou altura de queda tpica de um rio genrico para gerao (devido enorme variabilidade

    de condies onde esta forma de gerao vivel). O rio foi modelado para seguir um regime

    sazonal de vazes e fornecer a potncia preestabelecida conforme a figura 13. Para que a seja

    possvel suprir a totalidade da carga com fonte hidreltrica necessrio um valor de potncia

    instalada maior do que o pico de consumo da carga, nesse caso foi utilizado um valor de 21000

    kW instalados. O valor de eficincia do conjunto turbina gerador foi estimado em 90%, o mesmo

    valor assumido pela dissertao de mestrado de Faria (FARIA, 2011, p.150).

    Observe que o software utilizado para as simulaes considera que a altura de queda dada pelo

    aspecto construtivo da unidade geradora, portanto esse valor consta na tela de edio da usina e

    no nas caractersticas do rio.

  • 23

    Figura 13: Tela de edio das caractersticas do rio.

    O valor central do custo de instalao de uma PCH foi estipulado em 1300U$/kW. Esse valor se

    baseia na estimativa proposta pelo Professor Doutor Bermann6 e pelo trabalho de dissertao

    (FARIA, 2011, p.150) j citado anteriormente. No estudo de caso dessa dissertao esse valor o

    mais geral. Perceba que esse custo ser varivel de sensibilidade, assumindo uma gama de

    valores que acaba por generalizar essa anlise. A figura 14 mostra a tela de edio das variveis

    referentes pequena central hidreltrica.

  • 24

    Figura 14: Tela de entrada das caractersticas do gerador hidroeltrico.

    3.1.3. Energia Solar Fotovoltaica

    A obteno de dados para as unidades geradoras solares mais simples do que para as outras

    fontes de energia, os painis solares fotovoltaicos utilizados em grandes centros geradores so os

    mesmos comprados por indivduos interessados em instalar energia solar em suas casas. Para as

    outras fontes de energia os equipamentos utilizados em larga so bastante diferentes daqueles

    para escala domstica ou comercial (em pequena escala possvel utilizao de geradores

    termeltricos, elicos e at hidreltricos, mas esses apenas para propriedades rurais). A fonte de

    energia desta forma de gerao a radiao solar.

    Segundo o atlas de radiao solar no Brasil (TIBA, 2000, p.59), as melhores localidades para o

    aproveitamento esto no centro leste do pas, um dos pontos com os melhores ndices de horas

    dirias de insolao de potncia de radiao est na fronteira do estado do Piau com o estado da

  • 25

    Bahia. A cidade de Guaribas (PI) foi utilizada como base para obteno das coordenadas

    geogrficas, sendo, latitude 9 graus e 23 minutos sul e longitude 43 graus e 41 minutos oeste.

    Uma vez que se refiram as coordenadas, o software acessa o banco de dados dos satlites da

    NASA referente aos ndices de insolao daquele local. A figura 15 mostra esses valores.

    Figura 15: Insolao na localidade de instalao dos painis.

    Os custos dos painis solares foram estimados com base no produto recomendado pelo maior

    fabricante de painis fotovoltaicos7 para grandes instalaes (possui instalaes de grande porte

    em pelo menos 5 pases). O melhor preo encontrado para a placa SUNTECH STP280-24Vd foi

    de 438,08U$ unidade como parte de um conjunto de 21 painis8. O preo por kW instalado de

    1564,62U$. Segundo o relatrio da Solar Energy Technology program (SUTULA, 2007, p.53) o

    custo de operao e manuteno de um sistema fotovoltaico de aproximadamente 0,03U$/kW,

    resultando nestas condies em 46,06U$/kW por ano, e o custo para infra-estrutura e instalao

    dos painis de 0,57 por Watt, resultando em 570U$/kW adicionais no custo dos painis. A figura

    16 mostra a modelagem dos painis.

  • 26

    Figura 16:Tela de entrada das variveis do painis.

    3.1.4. Energia Elica

    A energia elica dependente da presena de ventos. Os dados de velocidades e regime dos

    ventos foram extrados do Atlas do Potencial elico Brasileiro (AMARANTE; BROWER; ZACK,

    2001, p. 31-43) sendo utilizados dados de localidades com viabilidade razovel para instalao

    das unidades. A viabilidade razovel aqui definida por ventos de velocidade mdia prxima dos

    8m/s a 50 de altura, uma vez que um valor encontrado em diversas regies do pas onde ainda

    existe potencial inexplorado (vrios estados do Sul, Sudeste e Nordeste do pas possuem ventos

    com tal caracterstica). Seria possvel utilizar ventos mais velozes, mas a disponibilidade destes

    geograficamente limitada.

    Para efeitos de sazonalidade foi definida uma variao de 1m/s a menos nos meses de vero e

    1m/s a mais nos meses de inverno, esta variao baseada nas curvas de sazonalidade

    definidas pelo Atlas (AMARANTE; BROWER; ZACK, 2001, p. 31-43), segundo a mesma fonte, o

    horrio de pico de ventos no Brasil entre as 18 e 20h, uma vantagem considervel com relao

    a outros regimes de vento devido coincidncia com os picos de consumo.

  • 27

    O fator de auto correlao horria (1hr autocorrelaction factor) e a fora do padro diurno (diurnal

    pattern strenght) assumem valores baixos devido constncia dos ventos brasileiros. O fator

    weibull k tambm definido pelo atlas e est entre 2,5 e 3,5 para as principais localidades

    geradores, para diminuir a margem de erro, ser considerado 3.

    A altura em relao ao nvel do mar foi definida em zero, pois apesar de existir uma diferena na

    densidade do ar esta no considervel em comparao com as outras altitudes onde possvel

    instalar usinas elicas. Alm disso, as localidades mais elevadas possuem temperaturas mais

    baixas, diminuindo ainda mais esta diferena de densidade (os pontos mais altos onde a energia

    elica vivel no Brasil esto por volta de 1000m de altura com relao ao nvel do mar). A figura

    17 mostra o resultado final.

    Figura 17: Tela de edio das caractersticas dos ventos na localidade de instalao.

    Atualmente existem unidades geradoras com picos em diferentes velocidades e para diferentes

    alturas. Para os clculos de custo, sero utilizadas unidades Vestas V82 (Manual Vestas V82, ano

    no disponvel) de 1,65MW, essas unidades foram escolhidas por serem produzidas pela maior

    empresa produtora de turbinas elicas, possurem curva de gerao condizente com o potencial

  • 28

    elico brasileiro e por terem uma potncia adequada s simulaes realizadas (a carga mdia

    ser de 10 MW o que leva a uma necessidade de unidades suficiente para ilustrar as curvas de

    custos). Essas turbinas de 83m de dimetro de varredura das hlices e altura do rotor de 70 ou

    80m para 50 ou 60 Hz j possuem potencial instalado total superior a 2 GW.

    A curva caracterstica original e a inserida no software esto respectivamente nas figuras 18 e 19

    Os valores de custo utilizados no so prprios dessa unidade (embora sejam bastante prximos),

    mas valores tpicos de instalao de unidades elicas. O valor est cotado atualmente em cerca

    de 1800 U$ por kW instalado, segundo uma reportagem da emissora bloomberg 9 lanada em 23

    de fevereiro de 2011 o custo de compra das unidades elicas era de aproximadamente 1,4

    milhes de dlares por MW (1400$/kW) para a unidade entregue, houve um pico de custo dessa

    energia em 2009, onde segundo a mesma reportagem o custo mdio do kW chegou a quase

    2000U$. Um contrato fechado no Brasil para instalao de unidades elicas no Rio de Janeiro,

    publicada pelo jornal o globo10 indica um valor total de contrato de 600 milhes de reais para

    135MW instalados, o que resulta (segundo a cotao do dia 25/10/2011 de 1,76 reais o dlar) em

    aproximadamente 340 milhes de dlares, ou 2008 U$ por kW.

    Observe que o valor exato tem sua importncia reduzida pelo fato de ser este valor uma varivel

    de sensibilidade, e, nesse caso, haver uma variabilidade de pelo menos 25% para mais e 75%

    para menos, esse valor ser considerado sempre como varivel de sensibilidade devido a sua

    grande variao e tendncia de reduo devido a novas tecnologias e a massificao de produo

    de geradores dessa energia (teve seu custo reduzido em mais de 10 vezes nos ltimos 25 anos).

    Os valores padres de sensibilidade so 25%, 50%, 75%, 90%, 100%, 125% do valor central,

    nota-se que essa variao cobre um valor de custo de instalao bruto de 450 at 2.250 U$ por

    kW instalado.

  • 29

    Figura18: Curva retirada do manual da empresa Vestas V82.

    Figura 19: Caractersticas da unidade Vestas V82 atualizadas

    A figura20 mostra os dados gerais da unidade geradora elica utilizada nas simulaes

  • 30

    .

    Figura 20: Tela de edio das variveis de anlise da unidade geradora elica.

    Cada uma das variveis acima est descritas no Captulo 2.

    O custo anual de operao e manuteno foi estimado com base em dois artigos11 e

    considerado 1.7 centavos de dlar por kW gerado.

    3.2. Dados econmicos

    Projetos de gerao de energia eltrica requerem um grande investimento de capital, o que torna

    os parmetros econmicos determinantes no ponto timo de operao de um sistema. Os dois

    principais parmetros so a taxa de juros anual e o tempo de vida do projeto. No caso da taxa

    anual o valor normal de financiamento de projetos de energia renovvel inferior taxa bsica de

    juros estabelecida pelo governo. Os valores utilizados nesse trabalho se baseiam na taxa

    praticada pela Nossa Caixa Desenvolvimento, a agncia de fomento do estado de So Paulo.

    Esta agncia possui uma linha de financiamento para energias renovveis com taxa de 0,49% ao

    ms12 (o equivalente a uma taxa de juros anual de 6,04). Outra taxa a ser utilizada a taxa bsica

    de juros, estipulada em 11,5%13, para que seja visvel o efeito deste incentivo. Quando

    considerada uma varivel de sensibilidade assume os valores de 3, 6 e 11,5% ao ano, isso se faz

    necessrio no s para o clculo do custo, mas principalmente para a visualizao do efeito dos

    juros na matriz energtica. A gerao termoeltrica, por exemplo, tem um custo de instalao

    inferior ao de uma hidreltrica, porm sua operao cara (devido aos custos de combustvel)

    sendo assim beneficiada por juros maiores. Atualmente todas as formas de gerao de energia

  • 31

    renovvel se beneficiam mais de juros baixos do que suas concorrentes tradicionais (a possvel

    exceo a energia nuclear, que tambm requer um investimento inicial robusto).

    O tempo de vida do projeto utilizado para determinar a durao de funcionamento deste

    sistema. Para manter a neutralidade deve ser suficientemente grande para que seja visvel o

    efeito do tempo de vida til dos equipamentos.

    Como nesse trabalho o foco no na execuo de um projeto especifico e sim em uma anlise de

    tendncias e custos, os valores de capital fixo e custos de operao geral do projeto sero

    desconsiderados por serem aplicados ao projeto como um todo, e no a cada elemento analisado.

    A penalidade por no fornecimento ser tambm desconsiderada, uma vez que o sistema ser

    modelado para suprir completamente a carga, nenhuma simulao poder superar uma falha de

    suprimento superior 0,5% ou ser remodelada.

    A figura 21 representa a tela de entrada das variveis econmicas.

    Figura 21: Tela de edio das caractersticas econmicas.

    3.3. Elementos do sistema

    Um sistema eltrico funcional necessita de ao menos uma carga, uma fonte e uma forma de

    transmisso de energia para operar. Esses elementos esto modelados nas simulaes de uma

    forma mais detalhada, diferenciando fontes, conversores, inversores e linhas de transmisso.

    3.3.1. Carga

    Para o perfil de carga, foi gerada uma curva genrica com um consumo de energia mdio de 10

    MW/h (240 MW/h dia), esse nmero foi escolhido por ser suficientemente grande para modelar um

  • 32

    sistema composto com mais mltiplos geradores por fonte de energia, valores maiores apenas

    elevariam o esforo computacional. Esse perfil foi baseado nas curvas publicadas pelo ONS em

    um estudo de variao de consumo em funo da temperatura (ONS, 2002, p.4). Observe que

    existe interesse apenas na forma de onda uma vez que os valores sero substitudos para

    assumir o valor mdio escalonado. A figura 22 mostra a forma final da curva de carga.

    Figura 22: Curva de carga utilizada

    Obter uma boa aproximao do perfil de carga essencial devido ausncia de formas eficazes

    de armazenamento de energia em escala, a fonte deve fornecer energia no instante em que a

    carga a demanda, fazendo com que fontes com melhor resposta a oscilaes tenham um fator de

    carga mais elevado, tornando-se ento relativamente mais baratas. Uma usina termeltrica a

    carvo tem a necessidade de suprir apenas energia de base, (aquele valor de energia que

    consumido em grande parte do tempo) enquanto a energia mais cara fornecida nos picos de

    consumo, no Brasil, proveniente predominantemente de hidreltricas, que tm uma melhor

    capacidade de resposta s flutuaes de sistema. Na figura 22 podemos considerar a energia

    produzida at aproximadamente 20 kW como energia de base, at cerca de 25kW como energia

    intermediria e o restante so picos de energia.

    Devido a esta caracterstica de consumo as energias alternativas necessitam normalmente, para

    suprir completamente a demanda, de uma parcela de energia convencional para retaguarda.

    3.3.2 Conversores e baterias

    Enquanto alguns geradores trabalham diretamente em corrente alternada, outros necessitam de

    converses para poderem ser interligados rede. A energia solar e elica so geradas em

    corrente contnua, precisando, portanto de converso. As unidades geradoras elicas

    normalmente possuem o conversor embutido na montagem e no custo, sendo ento ligadas

    diretamente na rede, o mesmo no acontece com painis solares. No caso de necessidade de

    converso externa unidade geradora adicionado um conversor cc/ca e ca/cc externo cujo

    custo ser utilizado em um valor nico estimado em 565U$ por kW14 (baseado no modelo

    I.Solarmax 100C). A Figura 23 mostra as entradas referentes ao conversor.

  • 33

    Figura 23: Tela de edio do conversor utilizado.

    A energia solar pode aumentar consideravelmente sua eficincia se associada com um banco de

    baterias, essa associao permite alterar o momento de fornecimento da energia solar (cujo pico

    de gerao prximo do meio dia) para melhor se ajustar ao perfil de carga. A bateria escolhida

    foi a verso atual da maior unidade projetada para sistemas solares modelada pelo software, a

    Hoppecke OPzS 4340, com um custo central estimado em 1355U$15 (convertido a partir de euros

    pela cotao de 25/10/2011 de 1,42 dlares o euro). Foi necessrio remodelar a bateria chegando

    forma ilustrada na figura 2416.

  • 34

    Figura 24:Tela de criao de bateria.

    O custo da bateria modelado chegando a forma presente na figura 25.

    Figura 25:Tela de edio das caractersticas da bateria.

  • 35

    3.3.3. Rede eltrica

    A rede eltrica modelada ser apenas um vendedor de energia, a recompra no ser utilizada,

    pois o sistema modelaria muitas vezes fontes adicionais exclusivas para vender energia, o que

    seria contraproducente uma vez que o interesse principal a verificao do preo de fornecimento

    de energia para a carga.

    Os preos limtrofes utilizados cobrem do menor ao maior valor presentes nos atuais leiles de

    energia17, a variao para fins de anlise de 20U$ at 120U$ o MW. Os passos utilizados so

    normalmente de 10U$/MW.

    _____________________

    Disponvel em http://www.forexpros.com.pt/commodities/natural-gas-historical-data.

    4 Disponvel em http://www.cogenrio.com.br/Prod/Casos.aspx?Noticia=3

    5 Disponvel em http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAfAkAH/estudos-viabilidade-economica-

    usinas-termoeletricas.

    6 Disponvel em http://www.socioambiental.org/esp/bm/inv.asp.

    7 Disponvel em http://ap.suntech-power.com/en/products/utility-scale.html.

    8 Disponvel em http://www.affordable-solar.com/store/solar-panels-by-the-pallet/Suntech-STP280-

    24-Vd-280W-Solar-Panel_3-pallet-21.

    9 Disponvel em http://www.bloomberg.com/news/2011-02-07/wind-turbine-prices-fall-below-1-

    million-euros-per-megawatt-bnef-says.html.

    10 Disponvel em http://oglobo.globo.com/economia/mat/2011/06/10/rio-ganhara-primeiro-parque-

    eolico-com-investimento-de-600-milhoes-924664488.asp.

    11 Disponvel em http://www.wind-energy-the-facts.org/en/part-3-economics-of-wind-power/chapter-

    1-cost-of-on-land-wind-power/operation-and-maintenance-costs-of-wind-generated-power.html.

    12 Disponvel em http://www.nossacaixadesenvolvimento.com.br/portal.php/linhas-financiamento

    #projetos-de-investimento.

    13 Disponvel em http://g1.globo.com/jornal-nacional/noticia/2011/10/banco-central-explica-

    reducao-da-taxa-basica-de-juros-para-115-ao-ano.html.

    14 Disponvel em http://todoelectronica.com/JH.pdf preos de inversores.

    15 Disponvel em http://www.solar-qqq.de/product_info.php?info=p185_Hoppecke-OPzS.html. 16 Disponvel em http://www.windandsun.co.uk/Prices/prices_batteries.htm. 17 Disponvel em http://www.mme.gov.br/mme/menu/leiloes_de_energia/leilao_de_eolica.html.

  • 36

    4. Simulao Exemplo

    4.1. Introduo

    Devido a grande quantidade de dados obtidos em cada simulao, apenas uma ser

    documentada em detalhes neste trabalho para ilustrar as ferramentas de anlise disponibilizadas

    pelo software HOMER.

    A simulao escolhida para esta amostra a comparativa entre elica e um gerador convencional

    a gs natural no conectado ao sistema interligado. As variveis de sensibilidade sero o custo do

    combustvel, o custo de instalao das usinas elicas e os juros anuais. As obtenes das

    estimativas esto descritas no captulo 3.

    4.2. Dados de Entrada

    A tabela1 traz o resumo dos valores utilizados nesta simulao:

    Custo

    Valor

    Estimado

    Central

    Valor Mnimo

    Assumido

    Valor Mximo

    Assumido

    Unidade Geradora a Gs 800U$/kW 1000 kW 22000kW

    Unidade Geradora Elica 1800 U$/kW 1un. de 1650 kW 30un. De 1650kW

    Gs Natural(m) 0,1343 0,101 0,27

    Juros anuais 6,00% 1,50% De 3% at 15%

    Tabela 1. Custos utilizados

    Entre os valores mximos e mnimos foi definido um passo mnimo de 1000 kW, devendo haver

    uma diferena de pelo menos 5% entre cada passo. Quanto mais prximo do passo mnimo,

    maior a preciso, por isso, este foi utilizado sempre que possvel. Os valores de mximo foram

    definidos at que o espao de simulao fosse suficiente, ou seja, no houvesse necessidade de

    mais unidades para suprir totalmente a carga.

    Os valores obtidos com base neste procedimento esto descritos em duas tabelas. As potencias

    do gerador a gs constam na tabela 2 e os nmero de unidades elicas na tabela 3.

  • 37

    Tabela 2. Potencias do gerador a gs em MW

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

    11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 22

    Tabela 2: Valores utilizados para o gerador a gs

    Tabela 3. Quantidades de unidades elicas Vestas V82

    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    13 14 15 16 17 18 19 20 22 24 26 28 30

    Tabela 3:Valores utilizados para as unidades elicas

    Com estes valores foi modelado um sistema contendo uma curva de carga a ser suprida

    exclusivamente por geradores elicos e a gs natural. A figura 26 mostra o sistema modelado no

    software.

    Figura 26: Elementos modelados no sistema.

    4.3. Esforo Computacional

    Uma vez modelado o sistema a simulao foi iniciada. Para esse sistema foram necessrias 572

    simulaes em 108 sensibilidades, ou seja, 61.776 iteraes para obteno do resultado. Este

    nmero demonstra o esforo computacional necessrio ao lidar com tantas variveis e a razo de

    no serem utilizadas mais variveis de sensibilidade. O nmero de simulaes fruto das

    quantidades de elementos disponveis para utilizao, como por exemplo, o nmero de unidades

    geradoras elicas. composto neste caso pela multiplicao simples entre os 26 valores

    possveis de unidades geradoras elicas e 22 possibilidades de potncia instalada do gerador a

    gs. As sensibilidades so fruto dos mltiplos valores assumidos pelo custo da unidade elica (6),

  • 38

    pelos juros (3) e pelo custo de gs natural resultando (6) em 108 sensibilidades. O tempo total de

    simulao no computador utilizado foi de 6 minutos e 56 segundos.

    O incremento do esforo computacional exponencial. Caso o mesmo procedimento de

    sensibilidade fosse aplicado a outras duas variveis (como a velocidade do vento e o custo de

    instalao da termeltrica) teramos um tempo total de simulao superior a 7 horas. Ainda seria

    possvel utilizar carga mdia, custo de operao e diversas outras variveis como sensibilidades,

    mas isso teria efeito muito maior no esforo computacional do que na significncia do resultado.

    4.4. Resultados Obtidos:

    O objetivo dessas simulaes verificar o atual estado de custos de gerao de energia eltrica e

    a influncia de certos fatores na composio destes valores. Os resultados da simulao so

    expressos em uma grande diversidade de grficos, tabelas e listas, porm apenas alguns so

    relevantes para a anlise proposta.

    Em qualquer sistema, mesmo sem variveis de sensibilidade, o software retorna os valores de

    operao timos de um sistema. Esses valores consideram todas as combinaes possveis com

    as entradas ministradas para fornecer o sistema de menor custo que seja compatvel com as

    especificaes tcnicas definidas. Se houverem variveis de sensibilidade, tornam-se disponveis

    diversos grficos e curvas combinando essas variveis com informaes que podem ser

    relevantes.

    4.4.1. Grficos:

    A principal motivao da utilizao dos grficos disponibilizados pelo software nesse trabalho a

    visualizao de tendncias gerais do sistema. Uma vez que os grficos so baseados apenas no

    ponto de timo em determinadas condies, poucas informaes so obtidas com relao ao

    custo individual de energia de cada fonte. Para isso so utilizadas as tabelas de otimizao (cada

    losango nos grficos marca um otimizao completa) dos pontos de interesse. Os principais

    pontos de interesse so aqueles onde uma forma de gerao se torna vivel e/ou o ponto central

    da anlise.

    Dentre os grficos fornecidos os de maior interesse nesse sistema so: o tipo de sistema timo

    (optimal system type); os grficos de superfcie (surface plot) referentes ao nmero de unidades

    elicas instaladas, capacidade do gerador a gs, custo por kW (levelized cost of energy),

    porcentagem de energia renovvel e eletricidade total produzida.

    O grfico da figura 27 um grfico de tipo de sistema timo. Em cada regio do grfico,

    delimitados pelas sensibilidades, um tipo de gerao torna a energia mais barata, neste caso o

    tipo ou puramente a gs natural ou misto, utilizando tanto gs natural quanto energia elica.

  • 39

    No caso especifico desse exemplo, a representao mostra o tipo de ponto timo com taxa de

    juros a 6% ao ano (valor central), sendo este exclusivamente a gs na rea preta do grfico e

    misto na rea azul. Os losangos espalhados pela figura mostram os valores assumidos em cada

    conjunto de simulaes, Cada um desses um conjunto completo de simulaes no qual

    determinado qual o tipo de gerao que fornece a energia com o menor custo. O valor central

    assumido neste caso o cruzamento da linha referente ao custo de capital unitrio com o valor do

    custo de gs de 0,1343U$, resultando em um sistema exclusivamente trmico.

    Figura 27: Sistema timo para taxa de juros de 6% ao ano.

    interessante observar o efeito do aumento ou diminuio de juros na composio do sistema.

    possvel alterar a terceira varivel de sensibilidade para assumir qualquer um dos valores iterados.

    A figura 28 mostra o maior valor de juros simulado (11,5% ao ano). Juros mais baixos do que o

    central apenas reduzem a rea preta no grfico. Mesmo para a taxa de 3% ao ano os valores

    centrais ainda apontam para o sistema puramente trmico. A figura 29 mostra este efeito.

  • 40

    Figura 28: Sistema timo para taxa de juros de 11,5% ao ano.

    Figura 29: sistema timo para taxa de juros de 3% ao ano.

  • 41

    Uma utilidade do grfico de sistema timo a visualizao dos pontos onde uma determinada

    forma de gerao iguala o seu preo e se torna to vivel quanto outra. Na rea azul do grfico

    tem-se como caracterstica a necessidade de utilizao de pelo menos uma central geradora

    elica no sistema para obter o menor custo de gerao por kWh. Essa informao nos permite

    visualizar a viabilidade orgnica de uma determinada fonte, ou seja, sua viabilidade antes de

    quaisquer influncias fiscais, ambientais ou sociais sendo, portanto, puramente econmica.

    Outro tipo de grfico disponibilizado so os de superfcie. Estes grficos utilizam uma legenda de

    cores para tornar bidimensional um sistema com trs variveis. Para as anlises de sensibilidade

    duas dessas variveis so consideradas, presentes nos eixos x e y, e as outras so fixas em um

    dos valores assumidos.

    Nesse caso, um dos grficos de maior interesse a relao ao nmero de unidades elicas

    instaladas. A figura 30 mostra esses valores para o caso de juros na taxa central.

    Figura 30: Quantidade se unidades V82 para juros de 6% ao ano.

    Novamente possvel alterar a varivel fixa e observar sua influncia na forma das curvas.

    interessante observar os efeitos da taxa de juros na quantidade de unidades elicas presentes no

    ponto timo do sistema composto. As reas mais escuras do grfico representam uma menor

    quantidade de unidades elicas, que, com o aumento do custo do gs ou a diminuio do custo

    total de instalao elica, cresce. Utilizando a taxa de juros nominal o grfico da figura 30

    transforma-se no da figura 31, percebe-se a diminuio no nmero de unidades instaladas.

  • 42

    Figura 31: Quantidade de unidades V82 para juros de 11,5% ao ano.

    Para uma mesma gerao o efeito negativo dos juros para a energia elica deve corresponder a

    um aumento na utilizao de energia termeltrica, ou seja, para o gerador a gs o efeito dos juros

    o oposto do que ocorre com a elica. O escurecimento do grfico 31 com relao ao 30

    representa uma diminuio de gerao elica, note que os limites da escala do segundo grfico

    (31) so menores, limitados a 20 unidades elicas. Para evitar o carregamento excessivo com

    grficos, apenas os grficos de maior significncia foram adicionados.

    A potncia termoeltrica instalada de grande interesse nesse sistema, uma vez que funciona

    como energia de suporte gerao elica. visvel a necessidade de manuteno de um

    potencial trmico de retaguarda, isso deve-se restrio de limite de falta de fornecimento. A

    gerao a gs mais eficiente do que a elica ao lidar com cargas flutuantes e pode at tornar

    nula a falta de fornecimento. A comparao entre as figuras 32 e 33 explicita bem este efeito de

    energia de suporte, pois mesmo para nveis de gerao elica superiores a 70%, o potencial

    instalado de gs no diminui abaixo de 57% da potencia de pico.

  • 43

    Figura 32: Potencial instalado de gs natural para a taxa de juros de 6% ao ano.

    A figura 32 ilustra uma das informaes mais importantes deste trabalho, uma vez que com uma

    anlise direta possvel inferir qual a varivel de maior importncia para uma alterao na matriz

    energtica. O escurecimento do canto inferior direito representa uma menor potencia termeltrica

    instalada, sendo que o grfico tem comportamento oposto ao que representa a quantidade de

    unidades elicas (figuras 30 e 31).

    A figura 33 mostra o percentual de variao de energia elica (renovvel) para a taxa central de

    juros (6%). Apesar de ser complementar figura 33, o grfico da figura 32 possui tem sua legenda

    iniciada em 12000, o menor valor que o sistema timo assume, enquanto o da figuras 33 comea

    em produo nula de energia. Mesmo com cerca de noventa por cento de produo elica ainda

    necessrio uma potencia instalada de gerao a gs de mais de 50% do valor de pico ( 12000kW

    para uma potencia de pico de 21000 kW)

  • 44

    Figura 33: Gerao elica (renovvel) presente no sistema com juros de 6% ao ano.

    Outra superfcie de interesse, figura 34, representa o valor excessivo de energia gerada. Apesar

    de ter menor importncia na comparao direta de custos, este valor ilustra claramente o maior

    controle que se consegue ao utilizar energia obtida de geradores a gs do que para geradores

    elicos. Um aumento significativo na produo elica resulta em maior quantidade de energia,

    porm quando deslocada da curva de carga gera excesso. Essa energia excessiva produzida

    em horrios de menor demanda e neste sistema desperdiada. O excesso de energia

    representado pelas cores mais elevadas na legenda (tons de vermelho e amarelo).

  • 45

    Figura 34: Parcela de eletricidade em excesso.

    O excesso de energia produzido para altos nveis de gerao elica ultrapassa os 50%, figura 34.

    Esse valor especialmente elevado devido ao fato da fonte de vento ser nica para todas as

    unidades geradoras, causando coincidncia de picos e vales de toda gerao elica.

    4.4.2. Tabelas

    Apesar da grande utilidade dos grficos para a visualizao do efeito das variveis para o sistema

    com operao tima, a informao contida neles incompleta. Para uma anlise consistente dos

    custos necessrio no apenas saber quais so as opes mais baratas, como tambm

    relevante o quanto so mais baratas. Em cada iterao realizada uma avaliao de custos

    completa, o que significa que o para cada conjunto de condies analisado possvel verificar o

    custo especifico.

    O arranjo principal (com custos centrados no valor central) ser analisado em detalhes. Para as

    outras simulaes ser tomado como padro os valores centrais ou os pontos de interseo do

    grfico do sistema timo. Isso ser feito para a visualizao no s para o ponto atual de

    operao, mas tambm do ponto onde uma forma de gerao passa a ser competitiva. A figura 35

    mostra os diferentes valores de custo presentes no sistema com as trs sensibilidades travadas

    em seus valores centrais.

  • 46

    Figura 35: Valores da simulao do ponto de operao atual estimado.

    Os dados esto ordenados diretamente por custo de gerao por kWh. Para uma anlise

    comparativa entre as duas formas de gerao de energia eltrica foram selecionados valores da

    tabela acima para a verificao do aumento no custo de gerao devido ao aumento da

    quantidade de energia elica total no sistema. Os dados foram selecionados aumentando a

    quantidade de elica e verificando o custo resultante desse aumento, sendo que sempre foi

    escolhido o menor custo para um determinado nmero de unidades elicas. A tabela 4 mostra o

    total de unidades geradoras, a quantidade de potencia instalada de gs natural, o custo da

    energia para cada arranjo por kWh e a porcentagem de energia renovvel do arranjo.

  • 47

    Unidades Geradoras

    V82

    Potencial instalado a

    gs natural (kW)

    Custo de energia por

    kWh (U$)

    Porcentagem de

    energia Renovvel

    0 17000 0,058 0

    1 16000 0,059 9

    2 16000 0,062 19

    3 15000 0,065 28

    4 15000 0,068 36

    5 15000 0,072 43

    6 14000 0,074 49

    7 14000 0,076 54

    8 14000 0,083 59

    9 14000 0,087 62

    10 13000 0,089 66

    12 13000 0,097 72

    14 13000 0,105 77

    16 13000 0,112 81

    18 13000 0,120 84

    20 12000 0,126 87

    22 12000 0,135 89

    24 12000 0,144 91

    26 12000 0,153 92

    28 12000 0,163 93

    Tabela 4: Anlise do ponto de operao atual estimado.

    O grfico da figura 36 baseado nessa tabela (tabela 4) e ilustra a evoluo do custo de energia

    em funo da quantidade de energia elica produzida. Devido a caractersticas tcnicas da

    produo elica, a potncia instalada precisa ser superdimensionada para assumir grande

    proporo da carga, o que torna o custo incremental dessa gerao maior conforme aumenta sua

    parcela na produo de energia.

  • 48

    Figura 36: Custo de incremento do preo total de energia devido ao aumento de energia

    elica

    Esse grfico (figura 36) ilustra o crescimento do custo incremental de produo de energia elica.

    4.4.3. Viabilidade Atual

    Neste subitem discutida a anlise de viabilidade do sistema analisado.

    A curva de custo de energia em funo de sua participao na gerao total do sistema ilustra o

    nvel de competitividade da energia elica. Com uma diferena de preo total de inferior a 7%

    possvel utilizar mais de 19% do total de energia disponvel de fonte elica. O incremento de

    energia elica faz com que a energia total disponvel aumente, levando a diminuio do fator de

    carga do gerador a gs, e aumento do custo total devido a este dimensionamento. Isso significa

    que o custo da energia eltrica proveniente de fontes elicas ligeiramente mais barato do que o

    descrito acima. Em um sistema com energia hidrulica de suporte, como o brasileiro, possvel

    minimizar o custo desta gerao, isso considerando a estratgia de despacho de energia como

    maximizar gerao elica.

    4.5. Aplicao

    O procedimento de analise ser repetido com pequenas alteraes para outros sistemas

    comparativos entre formas de gerao de energia. O nmero de grficos expostos foi reduzido at

    conter apenas as informaes de maior significncia. No desenvolvimento do capitulo 5 so

    aplicados diretamente e, apenas, no caso de procedimentos diferenciados so detalhados ao

    serem utilizados.

    0 0,05 0,1 0,15 0,2

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    100

    Custo de Energia

    Custo de Energia

  • 49

    5. Resultados

    Anlise Elica

    Para a anlise de viabilidade e custos da energia elica foram simulados dois sistemas. O

    primeiro sistema composto de uma gerao elica conectada com um gerador a gs natural.

    Essa ligao permite no s a visualizao do custo comparativo como tambm a verificao

    quantidade de potncia instalada de back-up necessria para que o no atendimento a cargas

    seja limitado a 0,5%. O segundo estudo tem como objetivo verificar a quantidade tima, com

    relao ao custo, de energia elica produzida para diferentes preos de compra de energia. Esta

    anlise pretende comparar a competitividade desta forma de energia para um sistema mais

    genrico, onde a energia possui um preo determinado e os preos de diferentes geradores de

    energia podem ser definidos em leiles17. Utiliza-se nesse trabalho apenas o preo mdio do

    MWh, sem levar em conta valores de pico.

    As entradas referentes s duas simulaes constam na tabela 5, nota-se que, no est definido o

    valor estimado central do preo de compra de energia da rede. Isso ocorre porque esse custo est

    sendo utilizado para o estudo do comportamento do sistema, estando o interesse exclusivamente

    nos extremos e na resoluo da sensibilidade.

    Custo

    Valor

    Estimado

    Central

    Valor Mnimo

    Assumido

    Valor Mximo

    Assumido

    Unidade Geradora a Gs 800U$/kW 1000 kW 22000 kW

    Unidade Geradora Elica 1800 U$/kW 1un. de 1650 kW 30un. de 1650kW

    Preo de Compra de Energia

    da Rede

    - 0,01U$ 0,15U$

    Gs Natural(m) 0,1343U$ 0,101U$ 0,27U$

    Juros anuais 6,00% 3,00% De 3,00% at 12,00%

    Tabela 5. Variveis de entrada das simulaes elicas

    Sistema elico-gs

    Esse sistema explanado detalhadamente no capitulo 4. Os resultados obtidos neste sistema

    sero utilizados para fins de conclusivos.

  • 50

    Sistema elico-rede

    No sistema elico competindo com a compra de energia da rede foi necessria a modelagem de

    apenas trs elementos. Alm das unidades geradoras foram modeladas a carga e a rede eltrica,

    na forma descrita no capitulo 3.

    Nesse sistema as duas variveis mais importantes so o preo de compra de energia e o custo de

    instalao das centrais geradoras. Ambas so variveis de sensibilidade do sistema. O principal

    custo da gerao elica o seu capital inicial, portanto o preo desse capital tambm requer uma

    anlise diferenciada, sendo ento a taxa de juros a terceira varivel de sensibilidade. Estas

    variveis assumem os valores descritos no capitulo 3.

    A figura 37 mostra as fontes que compe o sistema timo em funo dos custos de compra da

    energia e de instalao elica com taxa de juros de 6%. A reduo da taxa para 3% est

    representada na figura 38 e o aumento desta taxa para 11,5% na figura 39.

    Figura 37: Sensibilidade de sistema timo para juros de 6%.

  • 51

    Figura 38: Sensibilidade de sistema timo para juros de 11,5%.

    Figura 39: Sensibilidade de sistema timo para juros de 3%.

  • 52

    O nmero de unidades elicas instaladas em funo das sensibilidades est representado na

    figura 40. Nota-se um crescimento rpido no nmero de unidades instaladas a partir do ponto de

    viabilidade, estimado em 0,0545U$ por kW. Poder-se-ia pensar que uma vez superado este fator

    de custo toda energia possvel seria alocada para fontes elicas, isso, porm, no ocorre, uma

    vez que a partir de certo nvel comea a haver desperdcio de energia. As primeiras unidades

    elicas alocadas fornecem energia em nvel de base, ou seja, toda energia que produzem

    consumida. Para suprir uma parcela maior de energia necessrio que se fornea energia

    intermediria, que tem demanda parcial. Como a produo elica independe da demanda, a

    central poderia continuar produzindo, mas desligada uma vez que no existem elementos

    armazenadores no sistema.

    Figura 40: Quantidade de centrais geradoras elicas para juros de 6% ao ano.

    O custo total de compra de energia da rede est representado na figura 41. Pode-se pontuar que

    o incremento no linear, o que se deve a entrada de geradores elicos no sistema. Caso a

    energia fosse comprada diretamente da rede, as linhas de mudana de cor seriam todas

    paralelas. A entrada de unidades elicas faz com que o grfico assuma uma forma mais

    complexa. A reentrncia de cores mais elevadas na escala presente na metade inferior do grfico

    marca o custo total da energia imediatamente antes da entrada da gerao elica, pois essa,

    nessas condies, gera uma diminuio no custo de compra da energia da rede, retardando o

    efeito do aumento de seus custos e abaixando a escala de cores logo acima desta regio.

  • 53

    Figura 41: Custo total de compra de energia da rede para juros anuais de 6%.

    Figura 42: Eletricidade eltrica total produzida para juros de 6% ao ano.

  • 54

    A eletricidade total produzida est ilustrada na figura 42 e crescente com o aumento da

    produo elica, causada tanto pelo aumento de custo da energia da rede, quanto pela diminuio

    dos custos de instalaes elica. Para efeitos de clculo o software considera a energia produzida

    em excesso como se fosse vendida a custo zero. O aumento ilustrado se deve ao desperdcio de

    potencial das elicas e chega a nveis superiores a 30%.

    Figura 43: Parcela de energia renovvel produzida para juros de 6% ao ano.

    A figura 44 mostra a evoluo na quantidade de unidades elicas no sistema timo e o custo total

    da energia por kW devido ao custo de compra de energia da rede. Observa-se uma diminuio no

    coeficiente angular da reta de custo total de energia devido entrada de gerao elica no

    sistema. A partir do custo de 6 centavos de dlar o kW a energia elica contribui para a reduo

    de custo de energia do sistema. A produo de energia elica de acordo com o preo de compra

    da rede est na tabela 6.

  • 55

    Figura

    44: Nmero de unidades geradoras elicas e custo da energia por kW no sistema em

    funo do preo de compra da energia da rede para uma taxa anual de juros de 6%.

    Unidades

    Geradoras V82

    Preo da energia

    da rede (U$/kWh)

    Custo de energia

    por kWh (U$)

    Porcentagem de

    energia renovvel

    0 0,05 0,05 0

    5 0,06 0,058 47

    6 0,07 0,063 55

    7 0,08 0,067 63

    7 0,09 0,071 63

    8 0,10 0,075 69

    8 0,11 0,079 69

    8 0,12 0,082 69

    9 0,13 0,085 74

    9 0,14 0,088 74

    9 0,15 0,091 74

    Tabela 6. Quantidade de unidades elicas, proporo de gerao e custos de energia.

    Um conjunto de simulaes digno de nota o que utiliza juros de 6%, multiplicador de custo de

    instalao unitrio, e preo de compra de energia da rede em 0,08U$. A venda de energia elica

    no leilo do dia 17 de agosto de 201117 fechou com mdia de preo em 148,39U$ por kW,

  • 56

    aproximadamente 0,084U$/kW, e menor preo em 131,00U$ por kW, resultando em 0,08U$/kW.

    Esse dado em conjunto com o atual estado de custo, 6% de juros e multiplicador unitrio, permite

    estimar a viabilidade de venda de energia elica para o sistema.

    Figura 45: Simulao nas condies prximas as atuais de operao do sistema.

    Viabilidade atual

    Os dados descritos nessa iterao, tabela 6, indicam um total de energia elica de 63% do total do

    sistema com 7 unidades no ponto timo e custo de 0,067U$. Pode-se inserir, teoricamente, at 12

    unidades com parcela de gerao de 84% sem superar o custo de 0,08. Esse valor final

    desconsidera custos de projeto, ligao rede de transmisso (varia de um custo praticamente

    desprezvel at um custo inibidor dependendo da localidade) e expectativa de retorno de capital,

    mas mostra a viabilidade, com espao para lucratividade de at 30% sobre o valor de custo, desta

    gerao j nas condies atuais de mercado.

    Anlise Solar

    Para a verificao de viabilidade de gerao solar fotovoltaica foram realizados os mesmos testes

    da energia elica. A incluso de energia fotovoltaica em um sistema faz com que o nmero de

    variveis analisadas cresa de forma significativa, pois alm de inserir variveis referentes aos

    painis, inserem-se mais dois elementos, as baterias e inversores.

  • 57

    A quantidade de nmeros de painis a serem considerados, tem seu esforo computacional

    elevado no mnimo ao quadrado, uma vez que para cada valor de instalao tambm

    considerado um valor de capacidade do inversor. Alm disso, existem as baterias, que necessitam

    de diferentes bancos para melhorar a eficincia das diferentes instalaes. Por haver uma

    limitao no nmero de baterias (30000), a carga considerada nessas simulaes de 1MWh em

    mdia (10% do valor original) seguindo a mesma curva descrita no capitulo 2 - devido ao pequeno

    degrau existente na energia fotovoltaica no h perda de preciso.

    A tabela 7 mostra as quantidades consideradas. Como o valor da carga foi reajustado para um

    dcimo do valor inicial, o gerador a gs foi alterado conforme consta na tabela abaixo.

    Gerador a gs

    (kW)

    0 100 500 1000 1500 1700 2000 - -

    Fotovoltaica

    (kW)

    0 75 375 750 1135 1875 3500 5625 7500

    Inversor (kW) 0 22 110 220 330 550 1100 1650 2200

    Baterias

    (unidades)

    0 155 775 1550 2325 3875 7750 11625 15500

    Tabela 7. Quantidades utilizadas nas simulaes

    A quantidade mxima de painis utilizados baseada no menor valor instalado capaz de suprir

    completamente o sistema, descrito pela equao X. Esse valor foi elevado para 7500 kW (2,7%

    acima do calculado). Os outros valores so mltiplos dele, estabelecidos em 75%, 50%, 25%,

    15%, 10%, 5% e 1%. O preo do sistema sem produo fotovoltaica considerado.

    (X) Pps=Qmdia/(fc*invbat) = 7.302 kW

    Sendo Pps a potncia fotovoltaica mnima instalada para o fornecimento completo de energia,

    Qmdia a potncia mdia horria, fc o fator de carga dos painis nas condies presentes de

    irradiao, inv a eficincia do inversor e bat a eficincia das baterias.

    Qualquer fornecimento de gerao solar responsvel por um fornecimento maior do que 30% do

    tempo feito atravs de baterias, no importando o quo superdimensionado seja o sistema (a

    energia solar s aproveitvel durante o dia). A quantidade mxima de baterias foi obtida atravs

    de iteraes para verificar a sua menor quantidade para que a falta de energia no supere 0,5%

    (considerando a maior instalao), as outras quantidades so proporcionais aos valores da

    instalao. O valor obtido pelas iteraes foi de 15500 baterias para 7500 kW, ou seja,

    aproximadamente 2,1 baterias por kW para suprimento quase total (0,5% de shortage, para

    nenhuma falta de fornecimento seriam necessrias mais de 24000 baterias).

  • 58

    Sistema solar-gs

    Para variveis de sensibilidade deste sistema foram utilizados o custo do gs natural e o

    multiplicador de custo de instalao dos elementos do sistema solar. A tabela 8 mostra as

    quantidades assumidas pelos valores de sensibilidade.

    Custo do gs natural (U$/m) 0,101 0,1343 0,168 0,201 0,235 0,269

    Multiplicador do custo de

    instalao

    1 0,5 0,25 0,1 - -

    Tabela 8. Valores assumidos pelas variveis de sensibilidade.

    Devido ao elevado custo dessa forma de energia, mesmo com o valor do gs natural duas vezes

    maior que o atual, a produo fotovoltaica no competitiva, como mostra a figura 46. O sistema

    timo s permite a utilizao de energia solar para multiplicadores de custo muito baixos.

    Figura 46: Tipos de sistema timo

    Outro grfico interessante, presente na figura 47, trata da quantidade de energia renovvel do

    sistema timo.

  • 59

    Figura 47: Frao de energia renovvel presente no sistema timo.

    A sensibilidade ao custo de instalao dos painis to superior ao efeito do aumento de custo do

    gs natural que as linhas de timos so praticamente horizontais na figura 47. Por outro lado a

    diminuio do preo do gs causa um efeito considervel na diminuio de utilizao fotovoltaica,

    praticamente extinguindo-a (notvel no canto inferior esquerdo do grfico).

    Os outros grficos de superfcie so de pouco interesse, uma vez que, alm do nvel tecnolgico

    necessrio para a reduo de custo, at a competitividade dessa forma de energia, estar distante,

    todos mostram o mesmo tipo de independncia ao aumento do custo do gs.

    A anlise na qual existe maior interesse a verificao do aumento incremental do custo total da

    energia com o acrscimo de gerao fotovoltaica. Se devido a incentivos ou polticas esta forma

    de energia for levada a ocupar um lugar de maior destaque na matriz energtica, quanto seria seu

    custo? Esse procedimento de incentivo j comum para a gerao elica, no por cotas, mas por

    linhas de cr