Livro Eco_Lógicas 2013 PT

Patrocínio

Eco_LógicasConcurso Latino-Americano de Monografias

sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética

Trabalhos Selecionados

Florianópolis2014

Quorum ComunicaçãoFone/fax: (48) 3334 [email protected] www.quorumcomunicacao.com.br

E17 Eco_lógicas : Concurso Latino-Americano de Monografias sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética 2013 : trabalhos selecionados / Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas na América Latina. – Florianópolis : Quorum Comunicação, 2014. 280 p.

ISBN 978-85-63190-14-7

Inclui bibliografia 1. Energia – Fontes alternativas. 2. Energia – Aspectos ambientais. 3. Recursos naturais renováveis. CDU:620.9

Catalogação na publicação por Onélia S. Guimarães CRB-14/071

COMISSÃO ORGANIZADORA

Mauro Passos - Instituto IDEALFátima Martins - Instituto IDEALGabrielle Bittelbrun - Instituto IDEALFernando Ferreira - OLADELourdes Pillajo - OLADE

COMISSÃO CIENTÍFICA E AVALIADORA

1. ENG. PEDRO PAULO DA SILVA FILHO | Diretor Geral - SAGE - Inteligência Energética - Rio de Janeiro, Brasil

2. ENG. SANDRA YOMARY GARZÓN LEMOS | Especialista Energética - Universidade de La Salle - Bogotá, Colômbia

3. ENG. PEDRO ALARCÓN | Docente - Faculdade Latino-americana de Ciências Sociais (FLACSO) - Sede Equador - Quito, Equador

4. ENG. WILFREDO FLORES | Especialista Energético - Secretaria de Recursos Naturais e Ambiente (SERNA) - Tegucigalpa, Honduras

5. ECON. DANIEL BOUILLE | Presidente Executivo - Fundação Bariloche - Buenos Aires, Argentina

6. LIC. EDUARDO LERNER | Coordenador – CEARE, Universidade de Buenos Aires - Buenos Aires, Argentina

7. DR. ANDRÉ FROSSARD PEREIRA DE LUCENA | Docente de Pós-graduação - Universidade Federal do Rio de Janeiro - Rio de Janeiro, Brasil

8. ENG. REINALDO CASTRO SOUZA | Professor Titular - Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro - Rio de Janeiro, Brasil

9. ENG. MELIO SÁENZ | Analista de Gestão Ambiental - Petroecuador - Quito, Equador

10. ENG. ROBERTO LAMBERTS | Docente - Universidade Federal de Santa Catarina - Florianópolis, Brasil

11. DR. ROBERTO ZILLES | Professor Associado - Universidade de São Paulo - São Paulo, Brasil 12. DR. JORGE ANTONIO VILLAR | Docente - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul - Porto Alegre, Brasil

13. DR. GERALDO TAVARES | Docente - Universidade Federal Fluminense - Rio de Janeiro, Brasil

14. DRA. IZETE ZANESCO | Professora Adjunta - Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande de Sul - Porto Alegre, Brasil

COMISSÃO JULGADORAInstituto IDEAL

Organização Latino-Americana de Energia - OLADE

Asociación de Universidades Grupo Montevideo - AUGM

PRODUÇÃO EDITORIALQuorum ComunicaçãoCoordenação: Gastão CasselProjeto Gráfico: Marina RighettoDiagramação: Audrey SchmitzImpressão: Alternativa Gráfica

O Instituto IDEAL é uma organização privada, sem fins lucrativos, criada em 2007, com sede em Florianópolis, capital do Estado de Santa Catarina, no Brasil. Entre os compromissos do Instituto está o de se relacionar com a academia, incentivando a pesquisa e o desenvolvimento na área das fontes renováveis de energia e de eficiên-cia energética. A experiência acumulada ao longo dos anos só nos confirma que o co-nhecimento é a base de toda a transformação que nos leve a uma matriz energética limpa e sustentável para o nosso continente.

Por isso, 2014 está sendo um ano muito especial. O projeto América do Sol, criado por nós em 2009, foi premiado pelo ENERGY GLOBE AWARD BRASIL, um concurso internacional de projetos sustentáveis, com a participação de 165 países, o que mostra que estamos no caminho certo. A parceria que criamos com a Organi-zação Latino- Americana de Energia - OLADE, que nos possibilitou levar o Concurso ECO_LÓGICAS para a América Latina e Caribe, também foi fundamental na cons-trução de uma relação de compromisso com o conhecimento, a sustentabilidade e a integração dos nossos povos.

Foi com a parceria da OLADE que conseguimos chegar a 12 países: Argentina, Brasil, Chile, Colômbia, Cuba, El Salvador, México, Nicarágua, Panamá, Paraguai, Peru e Uruguai. Recebemos 69 trabalhos de pós-graduação em energia reno-vável e eficiência energética. Foi também com o apoio da OLADE que quatorze especialistas do setor selecionaram os cinco melhores trabalhos em eficiência energética e os cinco melhores da categoria energias renováveis. A eles o nosso reconhecimento. Aos estudantes e seus professores orientadores, pelo esforço e dedicação, o nosso agradecimento, por permitirem com os seus trabalhos acadê-micos a publicação deste livro.

Boa leitura.

MAURO PASSOSPresidente do Instituto Ideal

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IO ENERGIAS RENOVÁVEIS

BRASIL >>> Nanotubos de TiO2 Sensibilizados com Quantum Dots de CdS para Geração de Hidrogênio como Fonte de Energia RenovávelJohan René González Moya ..............................................................................................13

CHILE >>> Trabalho Premiado >>> Gestão de demanda em microrredes isoladas: uma aproximação a partir dos intervalos difusos e da modelagem do consumidorFernanda Isabel Ávila Swinburn ......................................................................................43

CUBA >>> Projeto tecnológico e avaliação técnico-econômica do projeto de investimento: planta de biogás centralizada na empresa de genética pecuária “Camilo Cienfuegos” (Pinar Del Río, Cuba)Oscar Daniel Valmaña García ..........................................................................................69

URUGUAI >>> Produção de hidrogênio a partir de bio-óleo em um sistema de duas etapas de reforma com vapor em sérieClaudia Lorena María Santiviago Petzoldt ................................................................103

EFICIêNCIA ENERGéTICA

ARGENTINA >>> Contribuições para a avaliação energética de edifícios: o caso de um edifício universitárioCarolina Del Bello .............................................................................................................137

BRASIL >>> Trabalho Premiado >>> Módulo medidor para sistemas inteligentes de discriminação de consumo de energia por aparelho através de assinatura de cargasRodrigo Moreira Bacurau ................................................................................................161

COLÔMBIA >>> Gestão ótima da potência elétrica em microgrids, baseada em computação evolutiva e inteligência de enxamesDanny Mauricio López Santiago...................................................................................187

MéXICO >>> Construção, implementação e avaliação da eficiência de uma estufa construída com lenha na comunidade de Tierra Blanca, Município da Independência, ChiapasLorena Del Rocío Ramírez Rodas ..................................................................................223

URUGUAI >>> Avaliação do recurso solar por satélite: uma base sólida para a inclusão da energia solar na matriz energética do UruguaiRodrigo Alonso Suárez.....................................................................................................245

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ENERGIASRENOVÁVEIS

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>>> NANOTUBOS DE TIO2 SENSIBILIZADOS COM QUANTUM DOTS DE CdS PARA GERAÇÃO DE HIDROGêNIO COMO FONTE DE ENERGIA RENOVÁVEL

Johan René González MoyaOrientadora: Giovanna Machado

RESUMO

Uma fonte promissora de energia limpa e renovável é o hidrogênio, que pode ser gerado a partir da água mediante fotocatálise por energia solar. Em 1972, Fu-jishima e Honda demostraram a quebra da molécula de água por fotocatálise uti-lizando o TiO2 como material fotocatalítico. Desde então, as reações fotocatalíti-cas a partir de TiO2 têm atraído grande interesse científico e tecnológico, porém a principal desvantagem de materiais à base de TiO2 é seu largo band gap, de ≈ 3 eV, pelo que apenas a luz UV é absorvida de forma eficiente, e a absorção da energia solar é limitada. Para melhorar a absorção de luz visível nesses materiais, diferentes abordagens têm sido utilizadas, como a sensibilização com semicon-dutores do tipo quantum dots. No presente trabalho, foram obtidos nanotubos de TiO2 mediante anodização (30 V, 1 hora) de chapas de Ti. Posteriormente, as amostras foram sensibilizadas com quantum dots de CdS via síntese hidrotermal in situ a 180 ºC e diferentes tempos de reação. Os materiais sintetizados foram caracterizados por diferentes técnicas, como microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por energia espalhada de raios X (EDS), difração de raios X (DRX) e espectroscopia por refletância difusa (DRS). A eficiência dos materiais na produção de hidrogênio no sistema fotocatalítico foi investigada por meio da rea-ção da quebra da água mediante o uso de um simulador solar com uma lâmpada de Xe (150 W). A sensibilização dos nanotubos de TiO2 com os quantum dots de CdS por meio de síntese hidrotermal in situ permite boa impregnação com distribuição uniforme dos quantum dots dentro dos nanotubos, com melhoria da eficiência na produção de hidrogênio no sistema fotocatalítico em comparação com os nanotubos de TiO2 não sensibilizados.

PALAVRAS-CHAVE: Fotocatálise. Produção de hidrogênio. Nanotubos de TiO2.

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ASI

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14 Eco_Lógicas: Concurso Latino-Americano de Monografias sobre Energias Renováveis e Eficiência Energética. Trabalhos Selecionados.

ABSTRACT

One promising source of clean and renewable energy is the hydrogen; it can be produced by “water splitting” reaction, which was demonstrated by Fujishima and Honda in 1972 for TiO2 semiconducting photocatalytic materials. Photocat-alytic reactions on TiO2 have attracted tremendous scientific and technological interest; but the principal handicap of TiO2 based materials is your wide band gap of ≈ 3 eV, its mean that only UV light is efficiently absorbed and the harvesting of the solar energy is limited. For improve the absorption of visible light in this materials different approaches has been utilized, for example, the sensitization with semiconductors quantum dots. In the present work, TiO2 nanotubes were obtained by anodization (30 V, 1 hour) of Ti foil. Afterwards the samples were sensitized with CdS quantum dots by in situ hydrothermal route at 180 ºC and different heating times. The composites formed were characterized by different techniques, such as, X-ray diffraction (DRX), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive X-ray analysis (EDS) and diffuse reflectance UV-Vis (DRS). The efficiency of the composites in photocatalytic system for hydrogen produc-tion were investigated by means of water splitting reaction using a solar simulated with a 150 W Xe lamp used as the excitation source. The in situ hydrothermal tech-nique sensitization used in this work permits high loading and uniform distribution of CdS quantum dots within TiO2 nanotubes with a greatly improved efficiency in photocatalytic water-splitting for hydrogen production compared with TiO2 nanotubes without sensitization.

KEYWORDS: Photocatalysis. Hydrogen production. TiO2 nanotubes.

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INTRODUÇÃO

A energia é um dos recursos indispensáveis para o desenvolvimento humano. A demanda energética mundial é crescente, o que está relacionado ao melhoramento do índice de desenvolvimento humano e ao aumento da população mundial. Por se consumirem diariamente grandes quantidades de combustíveis fósseis, que levaram milhares de anos para se formar, suas reservas se estão esgotando e há grande im-pacto ambiental devido à emissão de gases poluentes. Dessa forma, o uso de fontes renováveis e não contaminantes de energia tem ganhado relevância nos últimos anos. A prova disso está na variedade de editais lançados pelos governos com foco em energias renováveis.

Nesse contexto, o Brasil destaca-se, porque mais de 50% da energia produzida no país é através de fontes renováveis, como é o caso das hidroelétricas, um dos maiores parques do mundo. Praticamente todos os rios brasileiros com potencial de aprovei-tamento já têm usinas em funcionamento ou em construção.

Outra fonte de energia renovável em destaque é a energia solar, recurso natural e abundante neste país. A aplicação da energia solar para produção de energia surgiu no século passado, quando pesquisadores na Europa e nos Estados Unidos realiza-ram experiências nesse campo basicamente em aquecimento da água e motoriza-ção. Entretanto, o mundo permaneceu indiferente em relação às vantagens da ener-gia solar até a crise do petróleo, em 1970. Atualmente, questões ambientais globais, instabilidades internacionais no fornecimento de energia e elevação dos preços do petróleo, com a consequente busca pela segurança no suprimento desse insumo, são fatores que têm levado muitos países a buscar alternativas energéticas.

O Brasil participa desse esforço por meio de suas instituições de pesquisa e de-senvolvimento (P&D), empresas e órgãos governamentais da área energética e tec-nológica. Apesar dos investimentos por parte do governo, tais esforços ainda são pequenos diante de potências como os Estados Unidos.

Outra forma promissora de geração de energia limpa e renovável consiste na pro-dução de hidrogênio mediante a dissociação da água a partir da energia solar e de um fotocatalisador [1]. O H2 gerado nesse processo armazena grandes quantidades de energia, que pode ser convertida em eletricidade numa célula de combustível sem gerar gases poluentes, tendo apenas a água como subproduto [2]. Em relação à produtividade, a alta média anual de radiação solar incidente no extenso território brasileiro faz com que haja grande potencial para investimentos em tecnologias que aproveitem melhor a energia do Sol. Na Figura 1 mostra-se de forma esquemática o ciclo do H2 obtido pela energia solar [3]. Pode-se observar que a energia obtida é re-novável, o ciclo é fechado, e a energia gerada também é limpa, pois não se produzem poluentes no processo.


Figura 1 - Ciclo do hidrogênio obtido pela energia solar.

Porém, o gás H2 é altamente reativo e não é encontrado livre na atmosfera, mes-mo sendo o elemento mais abundante na Terra. Logo, não é o H2 em si, mas seu método de fabricação que decidirá se a nova fonte de energia será ambientalmente amigável ou não.

O aumento das pesquisas relacionadas com a produção de energia em forma de H2 a partir da água deixa-nos cada vez mais perto do sonhado por Júlio Verne. O escritor profetizou em seu livro A Ilha Misteriosa de 1870 nas palavras de seu prota-gonista, Cyrus Harding: “Sim, meus amigos, eu acredito que a água será um dia usada como combustível, que o hidrogênio e o oxigênio, que a constituem, cada um ou jun-tos, fornecerão uma fonte inesgotável de calor e luz... eu acredito, então, que quando os depósitos de carvão estiverem esgotados, nós vamos aquecer e aquecer-nos com água. A água será o carvão do futuro”. Realmente não estamos muito distantes dis-so; na verdade, na Europa já existem automóveis movidos à base de H2.

A produção de hidrogênio através da dissociação da água, reação conhecida como “water splitting”, foi demonstrada por Fujishima e Honda em 1972 [4]. O pro-cesso é baseado na utilização de um fotocalisador de um material semicondutor com um band gap maior que o potencial Redox da água, para que possa catalisar efeti-vamente a reação de produção de H2. O semicondutor absorve a energia provenien-te da radiação solar, criando-se o par elétron-buraco fotoinduzido, os quais podem atuar como agente redutor e oxidante para produzir H2 e O2 respectivamente [5,6]. Na Figura 2 é mostrado de forma esquemática o princípio básico da geração de H2 através da quebra da molécula de água mediante fotocatálise.

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Figura 2 - Princípio básico da quebra da água para geração de H2 mediante fotocatálise num semicondutor.

Diferentes materiais semicondutores baseados em óxidos metálicos (TiO2, Ta2O5, ZnO, ZrO2, Fe2O3, Nb2O5, VO2) ou calcogenetos metálicos (ZnS, CdS, CdSe, CdTe) têm sido utilizados como fotocatalisadores na produção de H2 [5]. Desses materiais o mais estudado é o dióxido de titânio (TiO2), por suas boas propriedades eletrônicas, estruturais e morfológicas. O TiO2 possui poder oxidante elevado, fotoestabilidade, estabilidade química e natureza não tóxica [6].

Para alcançar altos rendimentos na reação de fotocatálise, uma alta área superfi-cial é desejada. Por isso, usualmente, são usados materiais nanoestruturados, como nanopartículas, nanofios, nanotubos, etc.

Entre os vários métodos de preparação de TiO2 nanoestruturado [7], a síntese de nanotubos (NTs) de TiO2 mediante anodização de titânio metálico possui várias van-tagens [8,9]. Dessas, pode-se destacar o simples procedimento de síntese, melhores propriedades de transporte de carga e boa relação custo-benefício [10]. Além disso, matrizes nanotubulares auto-organizadas de TiO2 formadas pelo processo de anodi-zação apresentam melhor atividade fotocatalítica quando comparadas com nano-partículas ou com nanotubos sintetizados pelo método hidrotermal [6,10].

Através da anodização em meio aquoso do Ti metálico ocorre a formação de uma camada de TiO2 homogênea e compacta, processo bem conhecido há mais de 50 anos. Porém, a adição de íons de flúor ao eletrólito utilizado na anodização modifica drasticamente a morfologia do TiO2, podendo-se obter nanotubos de TiO2 altamente ordenados e orientados verticalmente [11]. Na Figura 3 pode-se verificar esquemati-camente o processo de anodização sem e com íons fluoretos.


Figura 3 - Dependência das condições de anodização no controle da estrutura do TiO2 formado.

De maneira geral, a morfologia e a estrutura dos nanotubos são controladas diretamente pelas condições eletroquímicas (principalmente pela diferença de po-tencial aplicada) e pela composição do eletrólito (particularmente pela concentra-ção de íons fluoreto, pelo pH da solução e pela quantidade de H2O no eletrólito) [9,11,12,13]. Como os íons fluoretos formam complexos solúveis com o Ti, o processo de anodização na presença deles é governado por uma competição entre a formação da camada compacta de TiO2 e sua dissolução pelos íons F-, levando, finalmente, à formação da matriz nanotubular [11].

No entanto, o TiO2 possui forte limitação como fotocatalisador, relacionado a seu largo band gap, que fica entre 3,0 eV e 3,2 eV aproximadamente, dependendo da fase envolvida. Portanto, só absorve eficientemente no ultravioleta (UV) (aproxima-damente 5% do espectro solar) [6]. A fim de superar esse problema, numerosos es-tudos foram realizados para aumentar a atividade fotocatalítica do TiO2 mediante a utilização da parte visível da radiação solar, assim como a utilização de dopantes metálicos e não metálicos, a impregnação com metais nobres, a sensibilização com corantes orgânicos e a sensibilização com quantum dots (QDs), entre outros [14].

Os QDs são nanopartículas semicondutoras (CdS, CdSe, ZnS, etc.) de tamanhos pequenos, de 2 nm a 10 nm aproximadamente, e apresentam interessantes pro-priedades ópticas e eletrônicas, dependentes do tamanho, devido ao confinamento quântico [15]. Algumas de suas propriedades intrínsecas são exploradas de forma vantajosa na sensibilização dos NTs de TiO2, para aumentar sua eficiência diante da fotocatálise. Como exemplo, podemos citar a obtenção de QDs com band gap ajus-táveis. Esses materiais possuem a habilidade de geração de múltiplos éxcitons, foto-

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estabilidade, baixo custo e alto coeficiente de absortividade molar na zona do visível [16]. Essas características dos QDs ajudam a aumentar a eficiência da fotocatálise nos sistemas de NTs de TiO2 sensibilizados com os QDs.

Existem vários métodos para a preparação dos QDs e sua ligação ao material se-micondutor de maior band gap [17]. Geralmente são separados em duas categorias, a fabricação in situ e a impregnação com QDs coloidais pré-sintetizados. A deposição com banho químico (CBD) e a absorção e reação de sucessivas camadas iônicas (Si-lar) são métodos in situ bem conhecidos e utilizados. Na fabricação ex situ usualmen-te os QDs são pré-sintetizados e impregnados nos NTs de TiO2 usando-se ligantes moleculares com diferentes grupos funcionais, ou absorvidos diretamente sem o uso desses ligantes [16,17]. Em um método interessante na literatura [18,19], podemos citar a sensibilização do TiO2 mesoporoso com QDs de CdSe estabilizados com ácido tioglicólico mediante síntese hidrotermal in situ. Esse método combina a síntese in situ com a síntese assistida por ligante. Nesse caso, o ácido tioglicólico serve como estabilizante dos QDs e liga-se ao TiO2 pelo grupo carboxílico [20].

Embora esses sistemas sejam muito estudados devido à grande possibilidade de aplicações, ainda não são completamente compreendidos todos os fenômenos envolvidos no aumento da eficiência da fotocatálise. Por isso se faz necessária a busca de novas rotas de impregnação dos NTs de TiO2 com os QDs, bem como sua caracterização, para melhor compreensão dos mecanismos fotocatalíticos envolvi-dos no sistema.

OBJETIVO

O presente trabalho tem como principal objetivo o desenvolvimento tecnológico de um sistema fotoquímico nanoestruturado a partir de nanotubos de dióxido de titânio (TiO2) puro e com a adição de quantum dots de CdS, que visa à geração de H2 a partir da quebra da molécula de água.

Futuramente, o sistema fornecerá H2 para alimentar uma célula a combustível, para geração de energia elétrica de forma descentralizada.

Um estudo sistemático será realizado para avaliar a sensibilização com os quan-tum dots (CdS), visando aumentar a forma, a eficiência e o desempenho desses dispo-sitivos, com destaque às etapas a seguir.

• Produção de nanotubos de TiO2 sintetizados por oxidação anódica a partir de chapas de Ti metálico.

• Caracterização dos NTs de TiO2 obtidos por diferentes técnicas, como mi-croscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia por energia es-palhada de raios X (EDS), difração de raios X (DRX), espectroscopia por refletância difusa (DRS).


• Sensibilização dos NTs de TiO2 com quantum dots de CdS estabilizados com ácido 3-mercaptopropiônico (MPA) por um método hidrotermal in situ.

• Caracterização dos sistemas híbridos pelas diferentes técnicas já citadas.• Teste da eficiência dos materiais na produção de H2 através da quebra da

água mediante fotocatálise.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Nesta seção são descritas todas as etapas necessárias para a formação de nano-tubos (NTs) de TiO2 a partir da anodização de amostras de Ti metálico comercial. É mostrado, ainda, o processo de sensibilização dos NTs de TiO2 com os QDs de CdS mediante síntese hidrotermal in situ. São descritas também as técnicas de caracteri-zação e o procedimento experimental no estudo do uso dos nanotubos como catali-sadores para a produção de H2.

Reagentes

As amostras foram fabricadas a partir de uma chapa de Ti comercial com pureza de 98,6%. As chapas foram inicialmente usinadas, polidas e limpas, para então ser anodizadas.

Para os diferentes processos, utilizaram-se os reagentes etilenoglicol (Sygma-Al-drich), NH4F (Sygma-Aldrich), acetona PA (Synth), CdCl2 (Sygma-Aldrich), Na2S9H2O (Alfa-Aesar), Na2SO3 (Proquimios), ácido 3-mercaptopropiônico (MPA) (Sygma-Aldri-ch) e NaOH (Fmaia) sem nenhuma purificação.

Síntese dos nanotubos de TiO2

Os nanotubos de TiO2 foram produzidos pelo processo de anodização [7,21], a par-tir do titânio metálico, com uma diferença de potencial de 30 V durante uma hora.

As chapas de Ti metálico foram previamente lavadas com água Milli-Q e acetona em banho de ultrassom durante 5 min intercaladamente em três ciclos. Os substratos foram secos ao ar, para posterior utilização no processo de anodização. Realizou-se a síntese dos nanotubos de TiO2 numa célula eletroquímica de Teflon, como mostrado na Figura 4. Como ânodo foi usada uma chapa de Ti, e como cátodo, uma placa de platina, com relação de área 1:1. A distância entre os eletrodos foi mantida em 1,0 cm em todos os experimentos. Como eletrólito na anodização foi utilizada solução de etilenoglicol (ETG) com 10 wt% de H2O e 0,7 wt% de NH4F.

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Figura 4 - Sistema de anodização.

No processo de anodização usou-se uma fonte Supplier AC Power Source, apli-cando-se 30 V durante 1 hora com uma rampa de subida de 5 s, e 2 s para a descida. Durante todo o processo de anodização, o eletrólito foi mantido num banho de ul-trassom, da marca Ultracleaner 1600 A, para homogeneizar a solução.

Imediatamente após a anodização, os NTs de TiO2 foram cuidadosamente lava-dos com água destilada e submetidos a tratamento térmico (TT), realizado em uma Mufla EDG 10P-S, da marca EDG Equipamentos. O TT para a cristalização dos NTs foi realizado a 400 ºC por 3 h sem atmosfera inerte.

Sensibilização dos NTs de TiO2 com Quantum Dots de CdS

Os nanotubos de TiO2 obtidos foram sensibilizados com quantum dots de CdS me-diante síntese hidrotermal in situ pelo método reportado por Wang et al. [18], com algumas adaptações.

Em uma síntese típica (Figura 5), coloca-se a chapa com os NTs de TiO2 já tratada termicamente junto com os precursores para a síntese dos quantum dots de CdS num reator de aço inoxidável com recipiente de Teflon, como mostrado na Figura 6. Esse sistema é colocado no forno a 180 ºC durante os diferentes tempos de reação, em minutos (30, 60, 90, 120 e 150). O método usado para a obtenção dos quantum dots foi desenvolvido previamente pelo autor [22].

Figura 5 - Esquema da síntese hidrotermal in situ utilizada na obtenção dos NTS de TiO2 sensibilizados com os QDS de CdS.


Resumidamente, em 10 mL de água Milli-Q prepara-se uma solução 1 mM de CdCl2 e 5 mM de ácido 3-mercaptopropiônico (MPA). O pH da solução é ajustado em 9,5 utilizando-se uma solução de NaOH a 0,1 M. Após, adiciona-se rapidamente 0,1 mL de uma solução estoque de Na2S9H2O a 0,05 M preparada previamente. A concentração alcançada para o precursor S2- foi de 0,5 mM e, portanto, a relação entre as concentrações dos precursores [Cd2+]:[MPA]:[S2-] na reação foi de 1:5:0,5. Fi-nalmente, as amostras são colocadas no forno a 180 ºC para os diferentes tempos de reação, como explicado acima. Terminada a reação, o reator é resfriado rapidamente à temperatura ambiente mediante a utilização de água.

Figura 6 - Reator de aço inoxidável com recipiente de Teflon.

Os nanotubos de TiO2 sensibilizados com quantum dots de CdS foram lavados com água Milli-Q e secos ao ar, para posterior caracterização. As amostras são referidas da seguinte forma para o resto do trabalho: NTs_TiO2+CdS_tempo. As soluções coloidais dos quantum dots de CdS estabilizadas com MPA também foram conservadas na au-sência de luz, para sua caracterização. Os coloides são referidos como QDs_CdS_tem-po, para maior facilidade na diferenciação das amostras. Na Figura 7 verifica-se um exemplo das amostras sensibilizadas e os coloides assim que sintetizados.

Figura 7 - Amostras típicas obtidas: QDs de CdS coloidais e NTs de TiO2 sensibilizados com QDs de CdS.

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Caracterizações

As imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram obtidas em um microscópio FEI Quanta 200F, com uma tensão de 20.000 kV, detector ETD no modo de elétrons secundários, com uma distância de trabalho (WD de 9,8 mm). O MEV está equipado com um analisador EDAX para a detecção dos elementos na amostra mediante os espectros de energia espalhada de raios X (EDS). As análises foram efetuadas no modo ambiental, evitando-se, assim, o revestimento das amos-tras com um filme condutor.

Para a análise da estrutura cristalina dos NTs de TiO2 usou-se o difratômetro de raios X D8 Advance, da Bruker. As medidas foram obtidas através da radiação Kα do cobre (λ=1,5406 Å) na faixa de 20º ≤ 2θ ≥ 60º, com passo de 0,02º.

Os espectros de absorção UV-Vis para as amostras coloidais de CdS foram re-gistrados num espectrômetro Jasco J-815, num intervalo de 200 nm a 800 nm, à temperatura ambiente. Os espectros de absorção das matrizes sólidas foram cal-culados a partir de espectros de refletância difusa obtidos num espectrofotômetro CARY 5000, da fabricante Varian (Agilent), usando-se uma esfera integradora e o BaSO4 como referência.

As medidas de produção de H2 foram realizadas em um reator de quartzo foto-químico desenvolvido pelo laboratório L3Fnano em parceria com o laboratório do Instituto de Física da UFRGS (Figura 8).

O reator apresenta paredes duplas, por onde circula água, agindo como filtro de infravermelho, além de controlar a temperatura da solução fotocatalítica durante os experimentos. Para isso, um sistema de refrigeração (chiller) foi utilizado para o controle de temperatura ao redor de 23 ºC.

Figura 8 - Sistema para a produção de H2 mediante fotocatálise.


As reações fotoquímicas foram realizadas em 12 mL de solução aquosa de Na2S•9H2O (0,1 M) e Na2SO3 (0,1 M). A mistura S2-/SO3

2- é usada como agente de sacrifício, para melhorar a eficiência de captura dos buracos no sistema fotocatalíti-co [23]. Antes de iniciar-se a fotólise, a solução foi desareada borbulhando argônio por 45 min, e depois tratada em um ciclo de vácuo/ar de modo a remover os gases (N2, O2 e traços de outros gases) dissolvidos na solução. Os gases dissolvidos na água têm efeitos prejudicais na produção de H2, já que podem levar as reações redox por caminhos não desejados [6].

A amostra foi fixada em uma lâmina de vidro e colocada dentro do reator. Uma janela de quartzo no reator permite a excitação do material pela radiação incidente do simulador solar. O simulador utilizado foi o Newport, modelo 69907, com lâmpa-da de Xe e uma potência máxima de 150 W. O reator foi posicionado a uma distância de 9,0 cm da saída da lâmpada. Utilizou-se uma irradiância de 1 sol (100 mW/cm2), calibrado com uma célula solar padrão na mesma distância de trabalho.

O H2 produzido foi quantificado mediante análises de alíquotas dos gases pro-duzidos a cada 30 min num cromatógrafo gasoso GC-2014, da Shimadzu, com um detector por condutividade térmica (TCD), usando-se uma coluna empacotada do tipo Porapak-Q e ar como gás de arrastre e de referência para o TCD. Alíquotas de gás de 250 µL foram retiradas por uma seringa Hamilton® GASTIGHT® com válvula, modelo 1750, de 250 µL.

Realizou-se uma curva de calibração a fim de determinar o teor de hidrogênio presente nas amostras. A curva foi obtida pela injeção de (50, 100, 150, 200, 250) µl de um padrão de gás contendo 5,2% de H2, 4,9% de CO2 e o restante de ar, nas mesmas condições cromatográficas da análise das amostras. Todas essas injeções foram feitas em triplicata, a fim de diminuir o erro experimental.

RESULTADOS E DISCUSSõES

Caracterização dos Nanotubos de TiO2

Morfologia dos Nanotubos de TiO2

Como mencionado anteriormente, a formação anódica das matrizes nanotubula-res de TiO2 em eletrólitos contendo íons de flúor é o resultado da ocorrência simultâ-nea dos processos de: (1) oxidação do Ti metálico para a formação do TiO2; (2) disso-lução química do óxido na presença dos íons de flúor; e (3) dissolução do Ti metálico no eletrólito. De maneira geral, a condição de síntese eletroquímica é um importante fator para a formação de nanotubos de diferentes diâmetros e comprimentos.

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A estrutura do TiO2 crescido sobre o Ti pode ser amorfa ou cristalina, dependendo diretamente dos parâmetros usados, como potencial aplicado, tempo de anodização ou taxa de subida do potencial [11]. A adição de íons de flúor (F-) ao eletrólito usado na anodização modifica completamente a morfologia do TiO2 formado. Em geral, a morfologia e a estrutura dos nanoporos/nanotubos são controladas diretamente pelas condições eletroquímicas (particularmente pelo potencial usado) e pela com-posição do eletrólito (em particular, a concentração de íons F-, o pH da solução e a quantidade de H2O no eletrólito).

Para a obtenção dos nanotubos de TiO2 foram fixadas algumas condições experi-mentais para o processo de anodização baseadas em trabalhos anteriores, desenvol-vidos em nosso laboratório [24]. Portanto, foi usado um potencial de 30 V durante 1 hora com um eletrólito contendo íons fluoretos numa solução de etilenoglicol. As mesmas condições experimentais foram utilizadas para obter quantidade suficiente dos NTs de TiO2 ao longo do desenvolvimento do presente trabalho.

Na Figura 9, podem-se observar duas imagem (MEV) típicas dos NTs de TiO2 obtidos pelo processo de anodização, com uma vista superior e lateral deles respectivamente.

Figura 9 - Micrografia eletrônica de varredura com vista superior (a) e lateral (b) dos nanotubos de TiO2.

Em todas as imagens analisadas não se observaram diferenças significativas na morfologia dos NTs de TiO2 obtidos pelas diferentes anodizações. Os valores médios de diâmetro interno e a espessura da parede dos NTs de TiO2 foram avaliados através de medições para 200 nanotubos utilizando-se o software Image J.

Na Figura 10, são apresentados os histogramas de frequência obtidos, onde pode ser observado que o diâmetro interno médio dos nanotubos é de (68±8) nm, e a es-pessura média da parede é de (10,7±2,0) nm. Das imagens observadas com vista


lateral dos NTs de TiO2 pode-se verificar que o comprimento médio dos NTs é ligeira-mente acima de 1,7 µm.

Os nanotubos de TiO2 após o tratamento térmico não mostraram diferenças mor-fológicas significativas quando comparados com os nanotubos obtidos após o pro-cesso de anodização.

Figura 10 - Histogramas mostrando o diâmetro interno e a espessura da parede dos nanotubos de TiO2.

Caracterização elementar e estrutural dos nanotubos de TiO2

Mediante a espectroscopia de energia dispersiva de raios x (EDS), pode-se com-provar a composição elementar da matriz nanotubular. Cada elemento possui uma energia característica de emissão de raios X, e as principais bandas de EDS de uma amostra típica de NTs de TiO2 são identificadas mediante o espectro EDS obtido no equipamento acoplado ao microscópio eletrônico de varredura durante a obtenção das imagens discutidas na seção anterior. Nos espectros obtidos, só foram identifica-das as principais linhas de emissão do Ti (Kα e Lα) e do O (Kα).

Por outra parte, a estrutura cristalina da matriz nanotubular de TiO2 foi caracte-rizada por difração de raios X. Na Figura 11 são identificados os difratogramas da matriz nanotubular de TiO2 sem e com tratamento térmico a 400 ºC durante 3 h.

A amostra sem tratamento térmico apresenta um difratograma típico de um material amorfo com as reflexões de Bragg em 2θ iguais a 35,27º, 38,65º, 40,39º e 52,98º, correspondentes aos planos cristalinos (100), (002), (101) e (102) do Ti hexagonal, conforme ficha cristalográfica (PDF#892762), de acordo com a chapa metálica usada para crescer os nanotubos durante o processo de anodização. A au-sência dos picos relacionados ao TiO2 no difratograma demonstra que essa matriz nanotubular não possui estrutura cristalina de longo alcance. No entanto, com o tratamento térmico a 400 ºC durante 3 h no difratograma de raios X surgem as re-flexões em 2θ iguais a 25,40º, 48,23º, 53,95º e 55,10º, correspondentes aos planos

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cristalinos (101), (200), (105) e (211) da fase anatase do TiO2, conforme a ficha cris-talográfica (PDF#841286) do TiO2.

Figura 11 - DRX das matrizes nanotubulares de TiO2, sem e com tratamento térmico (400 ºC, 3 h).

Também se pode intuir a presença das reflexões em 2θ iguais a 37,11º, 38,02º e 38,68º, correspondentes aos planos (103), (004) e (112) da fase anatase, porém, como aparecem na mesma zona que a reflexão 38,65º do plano (002) do Ti, difi-culta-se a identificação, embora se observe aumento da intensidade, que pode ser indicativo das contribuições das estruturas da amostra.

Com as condições de tratamento térmico usadas, consegue-se cristalizar a matriz nanotubular de TiO2 inicialmente amorfa para a fase cristalina anatase, sendo essa a fase desejável, por apresentar maior atividade fotocatalítica, devido à maior mobi-lidade dos portadores de carga [6,25].

Caracterização óptica dos nanotubos de TiO2

Duas características importantes nos materiais semicondutores usados na fotoca-tálise são seu espectro de absorção e a energia do band gap do material. Dependen-do dessas características intrínsecas, o material pode ser mais eficiente na captação da energia solar para formar os pares elétrons-buracos que reagem com a H2O para a formação do H2 [5].

Como as amostras são opacas, os espectros de absorção UV-Vis foram obtidos de maneira indireta, por espectroscopia de refletância difusa. Usou-se a função de Kubelka-Munk [26], a qual é equivalente à absorbância, obtida da forma seguinte:


F R k∞( ) = −( ) =1 22R R S∞ ∞/ / (1) onde R° é a refletância difusa, k é o coeficien-te de absorção, e S, o coeficiente de espalhamento.

Na Figura 12a observa-se o espectro de absorção UV-Vis dos NTs de TiO2, no qual se evidência forte absorção do material na região ultravioleta.

Figura 12 - a) Espectro UV-Vis dos NTs de TiO2. b) Curva para estimar o valor da Eg dos NTs de TiO2.

A energia do band gap óptico foi estimada utilizando-se a relação de Tauc [26,27].

α ν νh h Egn

= −( ) , , (02) onde α é o coeficiente de absorção, neste caso equivalen-te a , Eg é a média da energia do band gap do material, e n depende do tipo de transição. Para uma transição de band gap indireto [28] (como é o caso do TiO2), n = 2. O valor da Eg foi estimado a partir da interseção no eixo da extrapolação da parte linear da curva α νh( )

12 vs hν como mostra a Figura 12b.

O valor da Eg estimado para os NTs de TiO2 foi de 3,11 eV, um valor próximo a 3,2 eV, reportado na literatura para a fase anatase do TiO2 [29].

Caracterização das soluções coloidais de quantum dots de CdS

A sensibilização dos NTs de TiO2 com os quantum dots de CdS é feita por um mé-todo de síntese hidrotermal in situ, como explicado na parte experimental. Para as diferentes sínteses com distintos tempos de reação, as soluções coloidais foram co-letadas e caracterizadas pelo acompanhamento dos espectros de absorção UV-Vis.

Espectroscopia de absorção UV-Vis

A ideia do crescimento in situ dos QDs de CdS dentro dos NTs de TiO2 usando as mesmas condições de sua síntese livre é para permitir melhor difusão dos precurso-res livres dentro dos NTs de TiO2 formados previamente, devido a suas dimensões na escala iônica [19]. O MPA apresenta um papel muito importante na síntese; além de servir como estabilizante para regular o crescimento e o tamanho dos QDs de CdS,

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também funciona como ligante para o TiO2 pelo grupo carbóxilo [22,30], de forma similar à síntese assistida por ligantes do tipo HS-R-COOH [20,37].

Na Figura 13 são verificados os espectros UV-Vis para as soluções coloidais dos QDs de CdS para diferentes tempos de reação. Pode-se observar que todos os es-pectros têm sua absorção abaixo dos 513 nm, que é o valor para o CdS bulk, o que demonstra que os QDs obtidos apresentam confinamento quântico [15,32].

Figura 13 - Espectros de absorção UV-Vis das soluções coloidais dos QDs de CdS para diferentes tempos de reação.

O coloide QDs_CdS_30min tem um pico excitônico bem definido, com máximo entorno aos 360 nm e aproximadamente 25 nm de largura na metade do máximo (FWHM), o que sugere a formação de nanopartículas de CdS monodispersas. Resul-tados similares têm sido reportados para outros sistemas de QDs do tipo metal calco-gênio II-VI [33,34].

À medida que aumentamos o tempo de reação, existe um deslocamento do máxi-mo de absorção para o vermelho, indicando um aumento no diâmetro médio das na-nopartículas obtidas [22]. Também se observa para os coloides com 60 e 90 minutos de reação a presença de um segundo ombro no espectro de absorção, o qual pode ser explicado por maior dispersão nos tamanhos das partículas ou distribuição bimodal com diâmetros médios relativos aos picos no espectro de absorção.

Para o caso da amostra QDs_CdS_120min, não se observa um pico excitônico bem definido, indicativo de maior dispersão dos tamanhos dos QDs de CdS obtidos. Neste caso, a borda de absorção é igual a 495 nm, ainda em um regime de confina-mento quântico, com tamanhos menores do que 6,0 nm. O raio do éxciton de Bohr para o CdS é de 3,0 nm aproximadamente [35].


Também foi realizada a síntese para 150 minutos de reação, obtendo-se um pre-cipitado amarelo fino. Por tanto, para esse tempo de reação na temperatura de 180ºC, o MPA não consegue estabilizar as partículas de CdS na escala manométrica, pro-duzindo-se a precipitação das partículas, o que evidencia a perda de estabilidade do coloide e a obtenção do CdS bulk.

O tamanho médio dos QDs de CdS nos diferentes coloides foi estimado mediante uma correlação empírica reportada na literatura [36], que descreve, em boa aproximação, a dependência do máximo de absorção UV-Vis com o tamanho dos QDs de CdS [37].

Também pelo espectro de absorção das nanopartículas semicondutoras de CdS, calculou-se a energia do band gap óptico utilizando a relação de Tauc [27], expli-cada anteriormente. Neste caso, usa-se n = 1/2, porque o CdS é um semicondutor direto [28], a diferença do TiO2. O valor da Eg foi estimado a partir da interseção no eixo hv da extrapolação da parte linear da curva (ahv)2 vs hv. Na Tabela 1 são apre-sentados os valores de tamanho médio e a Eg para as distintas soluções coloidais. No caso das amostras com tempos de reação de 60 e 90 min, reportam-se os valores relativos aos picos ou ombros de absorção, sugerindo uma distribuição de tamanhos bimodal, com centros nesses tamanhos.

Tabela 1 - Diâmetro médio e Eg dos QDs de CdS

Amostra λmáx (nm) Diâmetro (nm) Eg (eV)QDs_CdS_30min 361 2,31 3,11

QDs_CdS_60min369 2,50 3,12421 4,11 2,82

QDs_CdS_90min380 2,79 2,91421 4,11 2,79

QDs_CdS_120min 454 5,45 2,58

Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HR-TEM)

Para ter uma melhor ideia do tamanho e da morfologia dos QDs de CdS obtidos, as soluções coloidais foram caracterizadas por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HR-TEM).

Na Figura 14 mostra-se uma imagem HR-TEM típica (QDs_CdS_120min), que oferece uma representação visual dos QDs de CdS estabilizados com ácido 3-mercap-topropiônico, obtidos mediante síntese hidrotermal.

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Figura 14 - Imagem HR-TEM dos QDs de CdS (QDs_CdS_120min).

Na imagem podem-se observar linhas uniformes paralelas, correspondentes aos planos cristalinos do CdS, assim como outros pontos que não apresentam uma ordem aparente, representando a matriz amorfa, onde se encontram embebidas as nano-partículas de CdS. A matriz amorfa está formada em parte pelo MPA, que se encontra estabilizando os QDs, e pelo suporte de carbono da grade usada no experimento.

O tamanho dos QDs de CdS foi estimado a partir da região ocupada pelos planos cristalinos, obtendo-se valores ao redor dos 5 nm. Esses resultados corroboram a for-mação de nanopartículas de CdS em regime de confinamento quântico, como discu-tido acima, a partir dos resultados obtidos por espectroscopia de absorção UV-Vis.

Caracterização dos NTs de TiO2 sensibilizados com QDs de CdS

Caracterização morfológica e elementar

Terminada a sensibilização dos nanotubos de TiO2 com os QDs de CdS, mediante síntese hidrotermal in situ a 180 ºC, com diferentes tempos de reação, caracteriza-ram-se as amostras por diferentes técnicas.

Primeiramente, olhamos as amostras no MEV. As imagens não mostraram mu-danças significativas na morfologia com a incorporação dos QDs de CdS, mantendo


a mesma morfologia nanotubular. No entanto, não foi possível observar os QDs de CdS diretamente nas imagens do MEV devido à resolução do equipamento, que não permite a identificação de partículas com diâmetros menores que 20 nm.

Figura 15 - EDS dos NTs de TiO2 sensibilizados com os QDs de CdS (120 min).

Na Figura 15 verifica-se o espectro EDS para os NTs de TiO2 sensibilizados com CdS (NTs_TiO2+CdS_120 min). As principais linhas de emissão de Cd e S puderam ser identificadas, demonstrando-se a presença desses elementos no material.

A porcentagem atômica desses elementos na matriz é majoritariamente de TiO2, sendo os percentuais de 0,52 e 0,55 para o cádmio e enxofre respectivamente, guar-dando praticamente uma relação 1:1, a qual concorda com a formulação para o CdS. Para identificar melhor os elementos, realizou-se um mapeamento por EDS para os elementos Cd e S em uma vista superior, como mostra a Figura 16. Nessas imagens, identifica-se a homogeneidade dos elementos na matriz nanotubular estudada, con-firmando que o CdS está presente no material de forma homogênea.

Figura 16 - Mapeamento por EDS para Cd e S nos NTs de TiO2 sensibilizados com os QDs de CdS (120 min).

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Para comprovar a presença do CdS na matriz nanotubular foram tomados três espectros EDS em uma imagem com vista lateral dos nanotubos a diferentes distân-cias, como se mostra na Figura 17.

Figura 17 - Micrografia eletrônica de varredura com vista lateral. Indicação dos diferentes pontos da coleta dos espectros EDS.

Nos diferentes espectros coletados, a distribuição atômica para os elementos Cd e S foram similares, o que demonstra que o carregamento dos NTs de TiO2 com os QDs de CdS é completo e com uma distribuição uniforme dentro da matriz na-notubular. Técnicas mais apuradas, como o XPS, estão sendo realizadas para cor-roborar este resultado.

Espectroscopia UV-Vis por refletância difusa

Os espectros de absorção UV-Vis das amostras sensibilizadas com os QDs de CdS foram obtidos por espectroscopia de refletância difusa, de maneira similar à do caso dos NTs de TiO2, discutido na seção Caracterização óptica dos nanotubos de TiO2.

Na Figura 18a são identificados os espectros UV-Vis para as diferentes amos-tras sensibilizadas mediante síntese hidrotermal com distintos tempos de reação. De maneira geral, os espectros das amostras sensibilizadas com os QDs são simila-res ao espectro dos NTs de TiO2 sem sensibilizar (0 min). Para compreender melhor o efeito dos QDs de CdS nas amostras sensibilizadas na região do visível (400-500 nm), na Figura 18b exibem-se os espectros UV-Vis dessas amostras, subtraído o es-pectro UV-Vis da amostra de NTs de TiO2 sem sensibilizar (0 min), o qual é tomado como referência.


Figura 18 - Espectros UV-Vis dos NTs de TiO2 sensibilizados com os QDs de CdS para diferentes tempos de síntese. Espectros normais (a) e espectros com os valores dos NTs de TiO2 sem sensibilizar

subtraídos como referência (b).

Também foi calculado o band gap (Eg) do TiO2 na presença do CdS pela relação de Tauc [26,27]. Esses valores são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 - Eg dos NTs de TiO2 na presença dos QDs de CdS

Amostra Eg (eV)

NTs TiO2 3,11

NTs_TiO2+CdS_30min 3,09





Analisando esses valores para as três primeiras amostras, com tempo de reação de (30, 60 e 90) min, não se observa grande variação na Eg do TiO2 na presença do CdS. Isso se deve possivelmente à pouca interação entre os dois semicondutores, além do que, para estas amostras, o Eg do CdS estimado da solução coloidal (Tabela 1) é simi-lar ao Eg do TiO2, o que implica que não haverá sensibilização efetiva na zona visível do espectro. Na Figura 18b pode-se observar que, para NTs_TiO2+CdS_30min, existe um ligeiro aumento de absorção na zona do visível respeito aos NTs de TiO2 sem sensibilizar, assim como as amostras NTs_TiO2+CdS_60min e NTs_TiO2+CdS_90min apresentam diminuição da absorção na zona visível em relação aos NTs de TiO2 sem sensibilizar. Essa mesma tendência foi observada nos experimentos de produção de H2, discutidos posteriormente.

Para o caso das amostras com tempo de reação de 120 min e 150 min, observa-se diminuição significativa no band gap (Eg) do TiO2 comparado ao band gap (Eg) do

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TiO2 sem sensibilizar, demonstrando, assim, maior interação entre os semicondutores. Além disso, na Figura 18b pode-se observar que essas amostras apresentam aumento significativo na absorção na zona visível com relação aos NTs de TiO2 sem sensibilizar, o que se traduz em uma sensibilização mais eficiente dos NTs de TiO2 pelos QDs de CdS. Essas amostras apresentaram os melhores resultados na produção de H2.

Produção de Hidrogênio

A atividade fotocatalítica das amostras sintetizadas foi avaliada pela fotogeração de hidrogênio mediante a quebra da molécula da água (water splitting) em uma so-lução contendo 0,1 M de S2- e 0,1 M de SO3

2-, usados como agentes de sacrifício [23]. A Figura 19 mostra a evolução da fotogeração de H2 com o tempo de irradiação.

Todas as amostras apresentam certa atividade fotocatalítica, reflexo da produção de H2. Para 3 h de irradiação, os valores são mostrados na Tabela 3.

Figura 19 - Produção de H2 com o tempo de irradiação, para os NTs de TiO2

sensibilizados com os QDs de CdS.

Tabela 3 - H2 produzido para 3 h de irradiação

Amostra H2 (µmol/cm2)

NTs TiO2 2,61







Na Figura 19 podem-se observar três comportamentos diferentes para as amostras sensibilizadas com os QDs de CdS, comparando-as com a amostra de NTs de TiO2 sem sensibilizar. A amostra NTs_TiO2+CdS_30min produz praticamente a mesma quanti-dade de H2 que os NTs de TiO2 sozinhos, não tendo efeito sobre sua atividade fotoca-talítica. Por outro lado, as amostras NTs_TiO2+CdS_60min e NTs_TiO2+CdS_90min diminuem a produção de H2 em relação aos NTs de TiO2 sem sensibilizar, tendo um efeito de envenenamento para o fotocatalisador à base de NTs de TiO2.

Explicam-se os resultados observados levando em conta a absorção no visível dos QDs de CdS e sua capacidade de injetar elétrons no TiO2, para, assim, aumen-tar sua capacidade fotocatalítica [38,39,40,41]. Da literatura [19], conhecemos que os QDs que crescem confinados em estruturas mesoporosas são menores que aque-les em solução. Portanto, vão apresentar deslocamento para o azul no espectro de absorção. Tomando como referência os máximos de absorção para os QDs de CdS coloidais (Tabela 1), pode-se sugerir que o band gap dos QDs de CdS na amostra NTs_TiO2+CdS_30min é maior que o do TiO2, logo não vai transferir elétrons para este, nem aumentar sua atividade fotocatalítica. Nas condições experimentais, para 30 min de reação hidrotermal, não se consegue a sensibilização desejada devido ao pequeno tamanho e grande band gap dos QDs de CdS impregnados no material.

Para o caso das amostras NTs_TiO2+CdS_60min e NTs_TiO2+CdS_90min, como existe deslocamento para o azul, o band gap dessas amostras é aproximadamente o do TiO2. Então, ambas as sustâncias vão ser absorvidas aproximadamente nos mes-mos comprimentos de ondas, havendo uma competição pelos fótons, que podem ser convertidos em elétrons, para ser usados na reação desejada. Embora exista trans-ferência de elétrons do CdS para o TiO2, não é suficiente para suprir a perda dos fótons usados pelo CdS em outros processos. Tudo isso resulta numa diminuição da atividade fotocatalítica em relação aos NTs de TiO2 sem sensibilizar. Nas condições experimentais, para 60 min e 90 min de reação hidrotermal, os QDs de CdS impreg-nados no material comportam-se como um veneno para o fotocatalisador original.

Finalmente, as amostras NTs_TiO2+CdS_120min e NTs_TiO2+CdS_150min au-mentam a produção de H2 em relação aos NTs de TiO2, tendo um efeito de ativação dos NTs de TiO2 diante da fotocatálise. A amostra sensibilizada com 120 min de re-ação produz 51% mais quantidade de H2 que os NTs de TiO2 sem sensibilizar para as primeiras 3 h de irradiação, enquanto a amostra sensibilizada com 150 min de reação produz 29% mais quantidade de H2 que os NTs de TiO2 sem sensibilizar.

Esses resultados explicam-se na base dos espectros UV-Vis (Figura 18). Para essas amostras obtiveram-se aumentos significativos da absorção na zona do visível, o que aumenta a colheita de fótons, e os elétrons gerados pelo sensibilizador CdS são efeti-vamente transferidos ao TiO2, aumentando sua atividade fotocatalítica.

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A diminuição na produção de H2 da amostra NTs_TiO2+CdS_150min em relação à amostra NTs_TiO2+CdS_120min está relacionada com a diferença de tamanho médio dos QDs de CdS carregados nos NTs de TiO2. À medida que aumenta o tama-nho dos QDs, há diminuição da posição da banda de condução do CdS com respeito à banda de condução do TiO2. Nesse caso, a força motora para a transferência de elétrons entre os semicondutores é menor [42]. Portanto, para 150 min de reação, são obtidos QDs de tamanho maior, o que diminui a transferência de elétrons para o TiO2, atenuando sua eficiência para a fotocatálise com respeito à amostra obtida com 120 min de reação, embora ainda exista ativação dos NTs de TiO2 e a produção de H2 seja maior que para os NTs de TiO2 sem sensibilizar.

Interessante destacar que, para o sistema estudado, se obtiveram diferentes com-portamentos ante a fotocatálise dos NTs de TiO2. Esses resultados foram obtidos variando-se só o tempo da reação hidrotermal na sensibilização dos NTs de TiO2 com os QDs de CdS, o que repercute no tamanho dos QDs de CdS e em suas proprieda-des ópticas e eletrônicas. Para as condições do presente experimento, encontrou-se que a sensibilização é ótima para 120 min de reação, alcançando-se um aumento de 51% na quantidade de H2 produzido para as primeiras 3 h de irradiação.

Atualmente, no laboratório, está em fase de teste um sistema em que se acopla o reator fotocatalítico a uma célula a combustível para gerar corrente em pequena escala.

Figura 20 - Célula a combustível e multímetro usados para o sistema de geração de corrente em pequena escala.

Na Figura 20 mostra-se a célula a combustível que recebe diretamente o H2 pro-duzido fotocataliticamente e o multímetro usado para medir a corrente gerada pela célula. Também se fazem esforços para testar o sistema usando diretamente a ener-gia solar, aproveitando a grande irradiância solar no Nordeste brasileiro, região onde são realizadas estas pesquisas.


CONCLUSõES

• Foi possível produzir nanotubos de TiO2 por oxidação anódica de chapas de Ti metálico com boa morfologia, com diâmetro interno médio de 68±8 nm, espessura média da parede de 10,7±2,0 nm, e o comprimento médio ligeiramente acima de 1,7 µm.

• Verificou-se por DRX que os NTs de TiO2 obtidos após anodização são amorfos passando para a fase anatase, após o tratamento térmico a 400 ºC durante 3 h.

• A impregnação dos NTs de TiO2 com os QDs de TiO2 pelo método hidroter-mal in situ foi obtida com bons resultados, e os espectros EDS confirmam a presença dos QDs de CdS ao longo dos NTs de TiO2.

• A caracterização óptica das soluções coloidais dos QDs de CdS permitiu ve-rificar que o máximo de absorção tem um deslocamento para o vermelho à medida que aumenta o tempo de síntese hidrotermal. Isso está relacio-nado com o aumento dos tamanhos das nanopartículas obtidas à medida que aumenta o tempo de reação.

• Mediante a espectroscopia por reflectância difusa foram estimados os padrões de absorção das matrizes sólidas de NTs de TiO2 e as amostras sensibilizadas com os QDs de CdS, confirmando que a presença destes au-menta ligeiramente a absorção na região de 400-500 nm na zona visível, comparado aos NTs de TiO2 sozinhos.

• Pelos espectros de absorção obtidos por DRS, foi avaliada a Eg do TiO2 para as diferentes amostras, encontrando-se que as amostras NTs_TiO2+CdS_120min e NTs_TiO2+CdS_150min possuem a maior influência na Eg do TiO2, diminuindo aparentemente a energia do band gap do TiO2, sendo mais eficiente a captação de energia solar para a formação dos por-tadores de carga por fotoindução.

• Os experimentos de produção de hidrogênio indicaram que todas as amos-tras apresentam atividade fotocatalítica, reflexo de sua produção de H2 para 3 h de irradiação com o simulador solar.

• Identificaram-se três diferentes comportamentos em face da fotocatálise para as amostras dos NTs sensibilizados com QDs de CdS. Primeiramen-te, a amostra NTs_TiO2+CdS_30min não tem influência significativa na produção do H2 dos NTs de TiO2. As amostras NTs_TiO2+CdS_60min e NTs_TiO2+CdS_90min comportam-se como veneno para o fotocatalisa-dor à base de NTs de TiO2, diminuindo sua atividade fotocatalítica. Por úl-timo, as amostras NTs_TiO2+CdS_120min e NTs_TiO2+CdS_150min au-mentam a atividade fotocatalítica dos NTs de TiO2, reflexo de uma maior produção de H2.

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• Foi encontrado que a sensibilização com os QDs de CdS é mais eficiente para a síntese hidrotermal com tempo de reação de 120 min, pois se ob-servou aumento de 51% do H2 produzido para 3 h de irradiação dessas amostras em relação aos NTs de TiO2 sem sensibilizar.

• A diminuição na produção de H2 da amostra NTs_TiO2+CdS_150min com respeito à amostra NTs_TiO2+CdS_120min está relacionada com a dife-rença de tamanho médio dos QDs de CdS impregnados nos NTs de TiO2.

• Os diferentes comportamentos diante da fotocatálise são encontrados em sistemas similares, em que varia o tamanho dos QDs de CdS para os diferentes tempos de reação, e com isso variam suas propriedades ópticas e eletrônicas, que afetam o comportamento fotocatalítico dos NTs de TiO2, demonstrando o confinamento quântico presente nesses sistemas nanoestruturados.

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Trabalho Premiado >>> GESTÃO DE DEMANDA EM MICRORREDES ISOLADAS: UMA APROXIMAÇÃO A PARTIR DOS INTERVALOS DIFUSOS E DA MODELAGEM DO CONSUMIDOR

Fernanda Isabel Ávila SwinburnOrientador: Doris Sáez

RESUMO

Devido à geografia chilena, ainda existem localidades isoladas dos sistemas elé-tricos que fornecem energia ao país. Este é o caso de Huatacondo, localizada no norte do país, cidade que até 2009 contava com apenas 10 horas diárias de eletri-cidade. O Centro de Energia da Universidade do Chile, em 2010, instalou nessa lo-calidade uma microrrede com geração distribuída de energia elétrica que aproveita os abundantes recursos solares e eólicos da região. Essa microrrede foi desenvolvida para operar com um Energy Management System (EMS), que realiza a distribuição das unidades de maneira a otimizar os custos de geração. Esse EMS inclui um siste-ma de gestão de demanda, que consiste em enviar sinais aos consumidores, para que eles ajustem seu consumo elétrico aos recursos disponíveis. O objetivo princi-pal deste trabalho é propor uma estratégia de gestão de demanda que incorpore a incerteza da demanda e a resposta dos consumidores diante da disponibilidade de recursos, representada por sinais luminosos. A incerteza da demanda é incorporada ao se utilizarem intervalos difusos para determinar o índice dinâmico para o fator de deslocamento de carga, que indica a probabilidade de que os consumidores mudem seu consumo em certa medida, com base em dados históricos. Os resultados obti-dos foram que, com intervalos com 60% e 97% de índice de confiança, é possível diminuir os custos em até 27% em comparação com casos nos quais não se tem des-locamento de carga. O segundo objetivo corresponde ao desenvolvimento de uma metodologia para criar um modelo da variação do consumo diante dos sinais de gestão de demanda que é entregue pela SEM. Para isso, foram realizadas entrevis-tas com os habitantes de Huatacondo sobre seu consumo elétrico, e a partir dessa informação se obteve uma base de regras heurísticas que caracteriza o comporta-mento diante dos sinais de gestão de demanda.

PALAVRAS-CHAVE: Microrrede. Gestão de demanda. Intervalos difusos.

CH

ILE


ABSTRACT

Because of its geography, there are still locations in Chile that are isolated from the two main electrical systems. That is the case of Huatacondo, located in the north of the country, which until 2009 had only 10 hours of electricity daily. In 2010, the Energy Center of the University of Chile, installed there a microgrid with distributed generation, which takes advantage of the abundant solar and wind resources of the area. This microgrids operates with an Energy Management System (EMS) that per-forms the dispatches of the units in order to optimize the generation costs. The EMS includes a demand side management system, sending signals to consumers to adjust their power consumption according to the available resources. The main objective of this work is to present a demand side management (DSM) that incorporates the uncertainty of demand and the consumers response to the availability of renewable resources, represented by light signals. The uncertainty is add through the use of fuzzy intervals to determine the dynamic range for the load shifting factor, which indicates the probability that consumers could change their consumption to some extent, based on historical data. Using intervals with a 60% and 97% of confidence level, there was a cost reduction up to 27% compared to cases where there is no de-mand side management. The second approach is to develop a methodology to model the change in consumption in function of the signals send by the EMS. To achieve this, surveys were applied to the residents of Huatacondo on their energy usage, ob-taining from this information a heuristic base of rules that characterizes the behavior of the consumers to the demand side management signals.

KEYWORDS: Microgrid. Demand side management. Fuzzy interval.

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INTRODUÇÃO

Devido às condições geográficas do Chile, ainda existem comunidades isoladas dos quatro sistemas elétricos que distribuem energia dentro do país. As microrredes inteligentes baseadas em energias renováveis representam uma solução para esse problema, levando em consideração a abundância de recursos que existem para gerar energias renováveis não convencionais. Com esse pensamento, o Centro de Energia da Universidade do Chile instalou, em 2010, uma microrrede de geração de energia elé-trica distribuída na localidade de Huatacondo, comunidade rural localizada a 230 km a sudeste da cidade de Iquique, na região de Tarapacá. A população de Huatacondo tem cerca de 100 habitantes, majoritariamente pessoas de idade avançada, e a maior parte de suas práticas está fortemente ligada à religião católica. Essa comunidade se encontra desconectada do sistema interligado do norte grande e, antes da instalação da microrrede, ela contava com um fornecimento de energia apenas das 14h até a 0h de segunda a sexta-feira, e das 16h até a 0h nos fins de semana, e obtinha a energia de um conjunto de geradores a diesel, para os quais o combustível era fornecido pela prefeitura. Na Figura 1 é apresentada uma imagem de satélite de Huatacondo, extra-ída do Google Earth, na qual se observa a característica de oásis da localidade. Isso é aproveitado pelos habitantes, que praticam a agricultura plantando diversas frutas e verduras para seu consumo pessoal ou para o comércio em pequena escala.

As unidades que compõem a microrrede instalada têm as características mostra-das na Tabela 1.

Tabela 1 - Características das unidades que compõem a microrrede [1]

Parâmetros Valor

Potência do painel fotovoltaico 22 [kW]

Potência da turbina eólica 2.5 [kW]

Potência máxima das baterias 150 [kW]

Capacidade do conjunto de baterias 150 [kWh]

Potência máxima do gerador a diesel 120 [kW]

Potência mínima do gerador a diesel 10 [kW]


Figura 1 - Imagem de satélite de Huatacondo.

A microrrede instalada funciona atualmente com um sistema de gestão de ener-gia (EMS: Energy Management System) que realiza a distribuição das unidades, mini-mizando os custos de geração. As entradas do EMS, como se pode observar na Figura 2, são: previsão de variáveis climáticas; estado de carga das baterias; previsão de geração solar (PSmin,PSmax); previsão de geração eólica (PE); previsão de consumo elé-trico (PL); e previsão de consumo de água (WC). Esta última está associada à bomba d’água da localidade. Depois, como saídas do EMS, têm-se a referência de potência para o gerador a diesel (PD), a potência não fornecida (PUS), a potência eólica e solar desejada (PE , PS), a potência do inversor (PI), um sinal binário de ligado/desligado para a bomba d’água (BP) e o sinal de gestão de demanda para os consumidores (SL).

Figura 2 - Diagrama do EMS da microrrede instalada em Huatacondo.

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A EMS tem incorporado um sistema de gestão de demanda baseado na “resposta da demanda”. Esse sistema consiste em enviar sinais luminosos para os consumido-res utilizando semáforos instalados em suas casas (Figura 3), com o objetivo de dimi-nuir, aumentar ou manter seu consumo em função da cor da luz, de maneira a obter uma distribuição ideal.

Figura 3 - Semáforo de gestão de demanda.

Pretende-se fazer com que a demanda se desloque das horas com luz vermelha para as horas com luz verde, de acordo com um fator determinado pelo otimizador do sistema de gestão de energia, denominado “fator de deslocamento”. Portanto, espera-se que o consumo real seja:

P t S t P tL L L( ) = ( ) ( ), (1)

sendo PL(t) o consumo esperado a partir das previsões, e SL(t) o fator de deslo-camento entregue pelo EMS da microrrede. Esse fator está delimitado pelo “índice de deslocamento de carga”, que representa em que quantidade a demanda pode aumentar ou diminuir para cada período.

S t S t S tL L Lmin max( ) ≤ ( ) ≤ ( ) (2)

Portanto, se SLmin (t) é 0,9, então se assume que o consumidor pode diminuir até 10% seu consumo no período t, enquanto, se SLmax (t) é 1,1, então se assume que o consumidor pode aumentar até 10% seu consumo esperado. Atualmente, esse fator é fixo para todo o período de otimização (2 dias), mas se pretende que ele seja dinâ-mico, uma vez que a disposição para modificar a demanda é diferente dependendo do momento do dia.

Com esse sistema de gestão de demanda, é possível compensar a flutuação apre-sentada pelas fontes de energia renováveis não convencionais, de maneira a man-ter o equilíbrio sem a necessidade de aumentar o tempo de utilização do gerador a diesel [2]. Nesse sentido, este trabalho apresenta uma nova estratégia de gestão de


demanda que incorpora dois pontos principais: o cálculo do índice em que a deman-da pode se deslocar, levando em consideração sua incerteza; e o efeito que os sinais de gestão de demanda têm sobre a demanda.

Para o primeiro ponto, são utilizados intervalos difusos para determinar a base de dados históricos, o índice dinâmico do fator de deslocamento. O segundo ponto se baseia no comportamento que os consumidores terão ao ver os sinais de gestão de demanda, motivo pelo qual se presenta una metodologia para modelar a variação em função dos sinais e da hora em que ela se apresenta.

ESTADO DA ARTE

No presente capítulo, é apresentada uma revisão bibliográfica relacionada com os temas abordados neste trabalho. Começa-se definindo o conceito de microrredes. Depois, continua-se com o conceito de gestão de demanda, os distintos tipos de ges-tão que existem e os trabalhos que foram realizados sobre esse tema no mundo, em distintos tipos de redes elétricas, enfocando principalmente a gestão de demanda em microrredes.

Microrredes

As microrredes correspondem a um conjunto de cargas e pequenos geradores que funcionam como um único sistema controlável e fornecem energia e/ou calefação a sua área local associada. Essas microrredes podem estar interligadas ou não à rede principal e podem, no primeiro caso, isolar-se diante da existência de problemas de distribuição. As fontes de energia mais utilizadas nesse tipo de rede correspondem aos pequenos geradores com interfaces eletrônicas, como as microturbinas, os pai-néis fotovoltaicos e as células de combustível [3].

Para a operação segura de um microrrede que conta com duas ou mais fontes de geração distribuída, é preciso utilizar um sistema de gestão de energia, necessário para operar de modo autônomo. No caso das microrredes, uma resposta rápida é algo mais crítico que para uma grande rede interligada, isto devido à presença de múltiplos geradores distribuídos com diferentes capacidades de geração e à resposta de interfaces eletrônicas que podem afetar a estabilidade do sistema [4].

Em microrredes, para se ter uma operação segura, é de vital importância manter o equilíbrio entre a geração e a demanda. Esse equilíbrio deve ser mantido em tempo real, uma vez que as flutuações de voltagem podem causar sérios danos a equipa-mentos e, em casos críticos, pode-se chegar a colapsos do sistema, que deixarão toda a área coberta pela microrrede sem energia [5].

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Gestão de Demanda

O problema associado às fontes de energias renováveis não convencionais é a flutuação que apresentam, devido ao fato de elas geralmente dependerem das con-dições climáticas, que variam minuto a minuto, o que dificulta a manutenção do equilíbrio necessário. As estratégias de gestão de demanda servem para manter o equilíbrio entre a geração e a demanda em microrredes nas quais os recursos ener-géticos apresentem flutuações.

O conceito de gestão de demanda (DSM: Demand Side Management) foi introdu-zido em 1980 pelo Electric Power Research Institute e foi definido como uma série de atividades realizadas pelo governo e pelas empresas públicas para aumentar o benefício social e diminuir a necessidade de investimento na indústria elétrica [6].

O objetivo principal dos programas de DSM é aumentar a eficiência energética no lado da demanda, o que beneficia tanto os consumidores como os geradores. Em geral, os programas de DSM estão projetados, como pode ser observado no gráfico da Figura 4, para [7]:

• reduzir picos de demanda; • preencher os declínios na curva de demanda; • conseguir um aumento estratégico da carga; • mover carga; e • flexibilizar carga.

Figura 4 - Áreas da curva de carga que podem ser modificadas utilizando o DSM [7].

Propõe-se que, para ter um bom desenho de DSM, é preciso levar os seguintes pontos em consideração [8]:

• interação entre a rede e os usuários;• melhora da eficiência energética;• fornecimento de informação compreensiva;


• a informação sobre os equipamentos elétricos deve estar disponível para o projeto; e

• deve ser útil para resolver problemas ambientais (redução de emissões).Nas próximas seções, são apresentadas técnicas de gestão de demanda; primeiro,

para sistemas elétricos em geral; e, depois, técnicas de gestão de demanda especí-ficas aplicadas concretamente a microrredes baseadas em energias renováveis e os resultados que elas obtiveram.

Técnicas de gestão de demanda

Em gestão de demanda estão incluídos programas de conservação e eficiência energética, que enfocam a utilização de equipamentos elétricos eficientes, como lâmpadas de baixo consumo, e a realização de práticas de economia, como apagar a luz em cômodos desocupados e evitar o consumo desnecessário ao retirar da tomada aparelhos que estejam desligados, além de programas de substituição de combustí-veis, resposta da demanda e controle de carga [9]. A seguir são detalhados estes dois últimos tipos de programas de gestão de demanda.

Controle de carga

Estes programas foram desenvolvidos para reduzir os picos de demanda ou mudar blocos de demanda de períodos com pico para períodos sem pico, realizando ações sobre as cargas que se encontram conectadas à rede. Entre estes programas se en-contram os de controle direto de carga e os de cargas interrompíveis.

Os programas de controle direto de carga consistem em haver certas cargas cujo funcionamento é completamente controlado pelo sistema responsável pela distribui-ção energética [10]. Devem ser identificadas as cargas que podem participar desses programas. No setor doméstico, os aparelhos de refrigeração, além de aparelhos de calefação, podem ser considerados como cargas que podem participar da demanda dinâmica como “responsive loads” [11]. Foram estudadas as mudanças geradas na curva de carga no setor residencial ao se utilizar o controle direto de carga [12], para o qual são modeladas as cargas, para que se possa antecipar os efeitos do controle do ponto de vista das modificações na curva de carga e das expectativas dos usuários, como, por exemplo, ter um nível confortável de temperatura durante e depois da ação de controle, se esta for realizada para o ar-condicionado. As ações de controle foram aplicadas a aparelhos AVAC (aquecimento, ventilação e ar-condicionado, ou HVAC, do inglês heating, ventilation and air conditioning), levando-se em considera-ção uma previsão da evolução da demanda e a temperatura interior sob a ação de controle, o que gerou uma redução de 5% nos picos de demanda.

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Por outro lado, as cargas interrompíveis correspondem a consumidores que estão dispostos a ter interrupções do serviço, com certas restrições, para serem recompen-sados com tarifas reduzidas. Esses consumidores, em geral, correspondem a grandes indústrias que possuem sua própria geração de energia de respaldo ou que podem reprogramar sua produção de maneira simples [9].

Resposta da demanda

Os programas de resposta da demanda (DR: Demand Response) consistem em re-alizar mudanças em curto prazo nos padrões de demanda elétrica dos consumidores, para reduzir ou deslocar a carga no tempo [13]. Esses programas costumam estar baseados em incentivos financeiros, por meio dos quais os consumidores recebem pagamentos ou tarifas preferenciais por reduzir seu consumo em períodos de estres-se do sistema, ou baseados em tarifas temporárias, que consistem em fazer com que os consumidores reduzam sua demanda respondendo a indicativos de preços.

Geralmente, esses programas são vistos como oportunidades econômicas, e a re-dução dos preços da eletricidade, a melhora no nível de confiabilidade do sistema e a redução da volatilidade dos preços [14] são identificados como benefícios. Desenvol-veu-se um algoritmo denominado CAES (Consumer Automated Energy Management System) [15], que programa o consumo elétrico dos consumidores a partir das neces-sidades destes. As simulações demonstraram que o algoritmo permite uma redução de custos de até 40% para o consumidor com relação a um sistema no qual não se programa o uso da energia. Além disso, a resposta da demanda pode ser utilizada para regular a frequência e a voltagem. A ação de controle consiste em desligar par-te das cargas resistivas quando a diferença de frequência é negativa (devido à baixa geração ou à alta demanda) e ligar parte das cargas no caso contrário. Simulações mostram que esse tipo de gestão de demanda é útil para o controle de frequência e voltagem para microrredes isoladas [16].

Os programas de oferta de demanda estão disponíveis para consumidores dispostos a diminuir sua demanda por determinado preço. Vários desses programas utilizam a internet, meio pelo qual o consumidor obtém a informação sobre os preços e pode to-mar decisões para administrar sua demanda de acordo com as ofertas do mercado [17].

Por outro lado, os programas de tarifa por tempo de uso são considerados uns dos mais importantes quanto à gestão da demanda. A abordagem tradicional consiste em persuadir grandes consumidores industriais a mover suas cargas durante o dia, utilizando distintos blocos de tarifas como incentivo. Essas tarifas estão relacionadas com os picos de potência, e são mais econômicos os blocos horários em que há menos consumo, e mais caros, os com maior consumo [18].

A seguir, são detalhados programas de gestão de demanda aplicados em micror-redes que utilizam unidades de geração com energias renováveis.


Gestão de demanda para microrredes

O aumento dos preços da energia fóssil e uma maior consciência ambiental impul-sionaram o desenvolvimento de energias renováveis e de centrais de geração distri-buída. O conceito de geração distribuída corresponde a plantas produtoras instala-das de maneira dispersa, normalmente perto dos pontos de consumo, o que permite diminuição das perdas e cria a possibilidade de aproveitar os recursos energéticos locais [19]. A gestão da demanda, nesse contexto, é uma ferramenta poderosa, que permite utilizar a rede de maneira mais efetiva, sem a necessidade de construir novas centrais térmicas de reserva de energia [20].

Em conjunto, o controle local de geração e de carga é o coração do conceito de microrredes, o que dá um significado particular à gestão de demanda. Mais que um controle da carga com o propósito de ajustar seu perfil para beneficiar todo o sistema de energia, o controle de geração e da carga das microrredes tem o objetivo de alcan-çar a demanda dos consumidores da maneira mais econômica possível [21].

Colocar em funcionamento novas infraestruturas para as tecnologias de informa-ção e comunicação associadas às redes inteligentes representa uma oportunidade para as soluções de gestão de demanda, uma vez que isso facilitará a comunicação com os usuários para manter o equilíbrio entre a geração e a demanda energética. Além disso, cria-se a possibilidade de realizar o controle direto de carga em aparelhos inteligentes, que podem ser desligados ou ligados de maneira remota, para adiantar ou atrasar seu funcionamento [22].

Quanto ao controle direto de carga, são propostos sistemas nos quais um con-trolador central se comunica diretamente com as cargas e pode ordenar que elas se desconectem da microrrede e, assim, diminui-se a demanda total para manter um equilíbrio energético, especialmente durante horários de pico [23] [24]. A maior di-ficuldade desse método está em identificar quais cargas podem ser desconectadas e quais não podem [25], levando em consideração atributos como pico de consumo, horário de funcionamento e forma de operação (como ciclos de trabalho, nos casos de equipamentos com termostato), e é possível identificar as cargas a partir dos da-dos de consumo medidos, para que se possa atribuir prioridade e desligar as cargas a partir da menos importante.

Em uma microrrede inteligente com alta penetração de energia eólica, na qual os la-res contam com medidores [26], estas unidades atuam como agentes, dando prioridade a suas próprias tarefas, que correspondem ao uso de aparelhos elétricos em distintos ho-rários. O trabalho proposto utiliza a resposta da demanda dinâmica para escolher que tarefas serão realizadas de fato, de maneira a beneficiar o sistema sem desfavorecer os consumidores. A partir das simulações realizadas, conclui-se que esse tipo de técnica de gestão de demanda é efetivo com relação à redução de custos de geração.

53

Além disso, há outros trabalhos [27], nos quais se propõe um mecanismo baseado em mercados em que o operador da microrrede pode manipular o comportamento das cargas por meio de sinais de preços e passar informações ao operador do merca-do de energia parceiro. Esse sistema permite que as cargas façam parte do mercado, assim como os geradores, por meio do SMO.

Estudo apresenta um sistema multiagente para realizar a gestão de demanda composto de agentes de carga, agentes de geração e agentes de gestão de deman-da [28]. Esse sistema se baseia na redução e deslocamento de carga, e tem como objetivo a diminuição dos custos operacionais e o aumento do uso de energias reno-váveis. Para isso, é proposta uma estratégia inteligente que permite que os agentes gerenciem os dispositivos controláveis que têm associados, dependendo das mudan-ças no mercado, para que assim possam adaptar sua estratégia de oferta de maneira adequada. Além disso, os agentes são capacitados para mover carga para horas fora do pico, para diminuir custos operacionais. As simulações realizadas resultaram em curvas de demanda com perfis mais suaves.

Finalmente, há uma proposta a utilização de estratégias de preços dinâmicos para controlar a demanda durante as horas de pico [29]. A estratégia se baseia em um jogo de congestão em rede, no qual o jogador é o usuário, o conjunto de estratégias de jogo é a distribuição de demanda desejada ao longo do dia, e a função de custos são os jogadores que aspiram minimizar a cobrança pela energia que utilizam. Em geral, cada consumidor posicionará sua demanda como resposta às ações de outros consumidores. O que esse sistema comprova converge para um ponto de equilíbrio estável. Também fica provado que esse ponto, além de ser ideal para o jogador “ego-ísta”, também o é para todo o sistema. Finalmente, como resultado de simulações, é obtida uma curva de carga com um comportamento mais suave, que evita os picos.

Concluindo, a gestão de demanda tem vários benefícios para microrredes basea-das em energias renováveis, uma vez que, incluindo os consumidores como partici-pantes ativos do sistema, é possível utilizar melhor os recursos renováveis e, assim, diminuir o consumo de diesel, reduzindo custos e emissões. Ao mesmo tempo, esses programas ajudam a manter o equilíbrio entre a geração e a demanda, o que se tor-na mais crítico em sistemas que utilizam energias renováveis. É pela importância que esses programas têm que este trabalho propõe uma nova estratégia. A seguir é apresentado o cálculo do fator de deslocamento dinâmico de consumo.

FATOR DE DESLOCAMENTO DO CONSUMO

O fator de deslocamento de carga (SL) é calculado pelo otimizador, dentro de um índice estabelecido previamente (SLmin,SLmax), que reflete até quanto se pode deslocar a demanda em cada intervalo de tempo. Atualmente, esse índice corresponde a uma


entrada fixada manualmente, que se mantém constante para todo o horizonte de previsões. Para essa nova estratégia, propõe-se determinar dinamicamente esse ín-dice de deslocamento de carga, a partir de dados históricos de demanda, utilizando, para tanto, intervalos difusos. Assim, obtém-se, com certo nível de confiança asso-ciado à incerteza, um índice para o deslocamento da demanda no futuro, levando-se em consideração quanto ela se deslocou no passado. Portanto, propõe-se modificar a estrutura do sistema de gestão de energia apresentado na Figura 2, para incorporar intervalos difusos e deixar também como entrada dinâmica o índice de deslocamen-to de carga (SLmin (t),SLmax (t)), que se alimenta de dados históricos, como pode ser observado no esquema da Figura 5.

Figura 5 - EMS integrando intervalos difusos.

A seguir, são descritos os principais elementos de intervalos difusos, para depois descrever sua utilização no cálculo do índice dinâmico do fator de deslocamento.

Intervalos Difusos

O conceito de intervalo difuso, que será utilizado na detecção de falhas [30], cor-responde a um modelo difuso com parâmetros superiores e inferiores, que contém todos os valores medidos por meio da programação linear e do enfoque dos modelos de Takagi e Sugeno.

A ideia da modelagem do intervalo de confiança difuso é encontrar uma função difusa superior f e uma função difusa inferior f , de tal forma que se satisfaça:

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f z g z f zi i i( ) ≤ ( ) ≤ ( ) (3)

onde Zi ϵ Z é um conjunto de entradas, Y = y1,…,yn corresponde aos valores da saída medidos e yi = g(zi), i = 1, ..., n, que corresponde ao conjunto de validação, ou seja, busca-se fazer com que o intervalo difuso contenha os dados de validação. A principal exigência ao se definir a margem do intervalo é que ela seja o mais estreita possível e que contenha certo percentual de dados, chamado nível de confiança [31], como se mostra na equação (4), na qual M é o número de registros no conjunto de da-dos e δ_i é uma variável binária que indica se o dado i pertence ou não ao intervalo.

ClMi

Mi= =∑ 1δ

(4)

Estudo apresenta um método para a identificação do modelo de intervalo difuso, com base na aproximação de funções difusas [32]. O intervalo difuso previsto fica da seguinte maneira:

(5)

(6)

onde fTS corresponde ao modelo difuso, α é o parâmetro que fixa a largura do in-tervalo, dependendo do nível de confiança requerido, e a função ITS corresponde ao intervalo, que depende da covariação dos dados.

Para o otimizador do EMS, são necessários os índices de consumo calculados para um horizonte de dois dias, motivo pelo qual, neste trabalho, é proposto um método no qual a previsão do intervalo para o passo seguinte é realizada utilizando-se a de-manda prevista até o passo anterior, ou seja, o intervalo do passo seguinte é função da demanda prevista para o passo anterior, como mostra a equação (7).

(7)

Para a sintonização do parâmetro α, fixa-se um αo inicial, com o qual é calculado o intervalo a j passos para todo o conjunto; com o intervalo calculado, obtém-se o nível de confiança; se este for menor que o desejado, então se aumenta levemente o parâmetro αo e se faz novamente a previsão do intervalo a j passos.


Na Figura 6 são observados os intervalos com distintos valores para o parâmetro α, sintonizados para que cada um deles obtenha níveis de confiança entre 10% e 90% para a previsão de consumo de 2 dias (192 passos de 15 min).

Figura 6 - Intervalos difusos com distintos níveis de confiança para um horizonte de 2 dias (192 passos).

Resultados do fator de deslocamento de carga

O índice de deslocamento, neste caso, é calculado utilizando-se o modelo de Taka-gi e Sugeno desenvolvido em [33], que conta com quatro regras e depende do dia anterior de demanda (96 regressores) para prever a demanda futura. Considerando que o índice de deslocamento é expresso como uma porcentagem da demanda, para extraí-lo a partir do intervalo, é preciso fazer a previsão do intervalo a 192 passos e também a previsão de demanda para o mesmo horizonte, a partir do que se obtém três dados para cada passo temporal: a previsão de demanda (ŷ(t)); uma quota supe-rior desta e uma quota inferior ( y t y t( ) ( ), ). Utilizando esses três dados, calcula-se o índice de deslocamento máximo e mínimo como demonstram as seguintes equações:

(8)

(9)

57

Dois intervalos com diferente nível de confiança (CL=60% e CL=97%), ambos para um horizonte de dois dias, foram testados no simulador do sistema de gestão de demanda e comparados com o caso no qual a gestão de demanda não é utilizada. Nos gráficos das Figuras 7 e 8 são apresentados ambos os intervalos difusos e os dados reais de demanda.

Figura 7 - Intervalo com CL=60%. Figura 8 - Intervalo com CL=97%.

Ao se calcular o índice de deslocamento utilizando esses intervalos, obtém-se que para o primeiro intervalo (CL=60%) o índice de deslocamento chega a 20% no má-ximo, ou seja, SLmax=1,2 e SLmin=0,8, enquanto para o segundo intervalo (CL=97%) o índice chega a 60% em seu ponto máximo (SLmax=1,6, SLmin=0,4). Na Figura 9 é apre-sentado o fator de deslocamento resultante da otimização para o período de dois dias. Neste gráfico, é possível observar que, ao atribuir um índice de deslocamento maior com o intervalo mais amplo, também se aumenta o fator de deslocamento, isto devido ao fato de que se dá mais flexibilidade ao sistema para movimentar as cargas. Na mesma figura é apresentada a cor que terá a luz do semáforo nos dois casos e é possível observar que, independentemente de o sistema necessitar de uma diminui-ção de 20% ou de 40% na demanda, os consumidores verão uma luz vermelha. Por isso é necessário saber aproximadamente de quanto será a mudança real que ocor-rerá na demanda para cada cor de luz durante o dia.

Na Tabela 2 são apresentados os resultados do simulador do EMS que incorpora a gestão de demanda, em termos de custos, para os quatro casos que foram testados. O primeiro caso corresponde ao sem controle de demanda (Sem CD), ou seja, àquele que não considera o deslocamento da demanda; o segundo corresponde ao caso com um deslocamento de demanda de 5% (CD=5%), isto é, SLmax=1,05 e SLmin=0,95, o que se mantém constante durante todo o horizonte de otimização; e os dois restantes são os que utilizam os dois índices dinâmicos apresentados anteriormente.


Figura 9 - Índice dinâmico para o fator de deslocamento de demanda.

Como se pode observar na Tabela 2, os custos diminuem à medida que o índice de deslocamento de carga aumenta, o que ocorre ao atribuir mais flexibilidade ao fator de deslocamento, o que era de se esperar, uma vez que, como o sistema de gestão de demanda está projetado para enviar sinais aos consumidores, supõe-se que os consu-midores ajustarão sua demanda às exigências do otimizador, com o que se consegue otimizar o uso do combustível, ao aproveitar de maneira mais eficiente os recursos renováveis, que, no caso desta simulação, correspondem à energia solar proveniente dos painéis solares da microrrede.

Tabela 2 - Custos para diferentes índices de deslocamento

Estático Dinâmico

Sem CD CD=5% CL=60% CL=97%

Custo operacional (CLP) $53494 $42561 $40753 $39880

Custo partida (CLP) $4000 $2000 $2000 $2000

Custo combustível (CLP) $57495 $44561 $42753 $41880

Custo final (CLP) $55391 $45387 $44015 $40231

Nos gráficos das Figuras 10 a 13 são apresentados os resultados da operação do gerador a diesel, do inversor das baterias e dos painéis solares, obtidos para os qua-tro casos apresentados. Como se pode observar, ao aumentar a largura do intervalo, diminui-se o tempo em que se utiliza o gerador a diesel, o que se reflete na diminui-ção de custos vista na tabela anterior e também em uma diminuição das emissões. O maior aumento no deslocamento da demanda acontece durante as horas de luz, o que faz sentido por se contar com a energia solar tanto para satisfazer a demanda da comunidade como para carregar as baterias da microrrede. O aumento seguinte no deslocamento corresponde ao horário de pico noturno, e isto se deve ao fato de que

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se pretende acumular o consumo elétrico em uma quantidade de tempo menor, para manter o gerador a diesel ligado por períodos mais curtos.

Figura 10 - Unidades da microrrede sem controle de demanda.

Figura 11 - Unidades da microrrede com um deslocamento estático de demanda de 5%.

Figura 12 - Unidades da microrrede para um deslocamento baseado no intervalo construído com CL=60%.


Figura 13 - Unidades da microrrede para um deslocamento baseado no intervalo construído com CL=4,5.

Deve-se levar em consideração que o simulador do otimizador assume que a de-manda se deslocará conforme indicado, mas isto não acontece na realidade, uma vez que está nas mãos dos consumidores a decisão de quanto eles alteraram a deman-da. Portanto, não é necessário utilizar intervalos com altos níveis de confiança, pois estes levam a fatores de deslocamento altos, que têm menor possibilidade de ser cumpridos. Devido a isso, no capítulo seguinte se aborda a modelagem da variação do consumo elétrico em função dos sinais da gestão de demanda.

MODELAGEM DO COMPORTAMENTO DOS CONSUMIDORES

Espera-se que os sinais da gestão de demanda enviados às casas por meio dos semáforos modifiquem a demanda dos habitantes. Isso faria com que ocorressem variações na previsão da demanda, dependendo dos sinais que forem mostrados nos semáforos. Para modelar essa variação, propõe-se a utilização de modelos difusos de Mamdani, uma vez que eles podem processar simultaneamente a informação lin-guística e a numérica [34].

As entradas no modelo proposto para a variação da demanda em função dos si-nais de gestão, cujo diagrama se encontra na Figura 14, correspondem ao horário e à cor da luz que está sendo mostrada no semáforo naquele momento do dia, enquanto a saída corresponde à variação esperada na demanda.

O conjunto de cores das luzes tem essa forma porque a cada hora pode assumir apenas uma opção de cor, portanto é uma entrada discreta. Para a hora do dia e a variação de consumo, são utilizados três conjuntos em cada caso, com base no perfil médio de demanda para a comunidade (Figura 15) e no conhecimento heurístico, uma vez que pode ser identificada uma zona correspondente às primeiras horas do dia na qual o consumo da localidade se deve principalmente à bomba d’água e à iluminação pública; depois, à tarde, tem-se uma segunda zona, em que a demanda

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aumenta levemente em consequência do uso dos aparelhos elétricos nos lares, como eletrodomésticos, televisão, rádio, etc.; e, finalmente, à noite, tem-se uma terceira zona, em que aumenta consideravelmente o consumo, pois ao fato anterior se soma a iluminação elétrica dentro das casas. Devido a isso, conclui-se que a melhor opção é a utilização de três conjuntos, tanto para os horários do dia como para a variação.

Figura 14 - Diagrama para a modelagem do comportamento dos consumidores.

Figura 15 - Demanda média na localidade de Huatacondo - Março 2011.

Os perfis de carga são úteis para conhecer as mudanças que ocorrerão nos pro-gramas de DSM sobre o consumo elétrico. Por exemplo, perfis de carga são gerados para simular as mudanças na demanda de casas equipadas com eletrodomésticos inteligentes, e há tarifas temporárias para os preços da energia [35]. Os perfis de carga são utilizados para medir a mudança na demanda na presença dos programas de DSM, neste caso se utilizando dados estatísticos de relatórios públicos [36].

Foi realizada uma entrevista entre os habitantes de Huatacondo, para poder de-terminar o seu perfil básico de consumo e definir heuristicamente a base de regras para o modelo difuso de Mamdani. Esta consistiu em dividir o dia em períodos de 1 h, a partir das 7h até as 0h, e perguntar aos moradores que aparelhos elétricos utiliza-


vam a cada hora. A pesquisa foi aplicada em 17 lares e, a partir dela, foi confecciona-do o perfil de consumo-base para cada casa.

Depois de conhecidas as horas de uso para os distintos aparelhos elétricos utiliza-dos em cada casa nas diferentes horas, foi feita uma estimativa do perfil-base, levando em conta o uso de todos os equipamentos mencionados. Alguns deles são utilizados apenas uma vez por semana, como a máquina de lavar e o ferro de passar roupas. Foi utilizada uma potência genérica para os aparelhos, sem fazer distinção entre as casas, adotando-se consumos típicos para cada um deles12, apresentados na Tabela 3.

Tabela 3 - Consumos típicos

Consumos Potência [W]

Refrigerador 350

Forno elétrico 1.000

Cafeteira 1.000

TV 70

Ferro de passar 1.000

Lâmpadas 20

Máquina de lavar 395

Aparelho de som 120

Serra elétrica 1.200

Furadeira 500

Micro-ondas 1.000

O perfil foi calculado com base nos pulsos entregues pelos medidores de eletrici-dade instalados em Huatacondo, uma vez que as medições armazenadas no servidor da microrrede correspondem aos pulsos enviados por esses medidores (800 pulsos por kWh). Portanto, para cada hora do dia, foi estimada uma quantidade de pulsos, como se observa no seguinte diagrama:

Figura 16 - Procedimento para o cálculo de pulsos por hora.

1 http://intranet.minem.gob.pe/AppWeb/DGE/CalculoConsumo.2 http://www.eclipse.cl/ei/consumo.htm.

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Por exemplo, se às 10h da manhã for utilizada a cafeteira elétrica, considera-se 1[kW] por um período de aproximadamente 3 min, portanto, a energia utilizada pela cafeteira é:

E kW hrs kWh= [ ] [ ] = [ ]1 0 05 0 05* , ,

Então, para o bloco das 10h, a cafeteira utilizará 40 pulsos, que serão somados aos pulsos gerados pelo consumo dos outros aparelhos elétricos utilizados nesse pe-ríodo horário.

Das 17 casas entrevistadas, 16 contam com refrigerador, portanto, para a confec-ção do perfil-base foi considerado como eletrodoméstico de consumo permanente durante o dia, para todas as casas, o refrigerador. O consumo elétrico desse aparelho varia segundo os alimentos que estiverem em seu interior, da temperatura ambiente e da frequência com a qual ele é aberto, mas, em geral, os ciclos de refrigeração acon-tecem a cada 15 min e têm uma duração aproximada de 5 min [37], motivo pelo qual se considera um consumo de energia de 20 min a cada hora e, portanto, para cada bloco de uma hora, o refrigerador registrará 92 pulsos.

No gráfico a seguir é apresentado o perfil-base para a casa 5, construído com base na entrevista e também no consumo médio de duas semanas medido pelo contador do medidor associado a tal casa.

Figura 17 - Perfil base da casa 5.

Depois, para construir as regras de maneira heurística, foram apresentadas aos entrevistados três sequências de semáforos, que são apresentadas nas Figuras 18, 19 e 20. O semáforo 1 representa uma sequência típica gerada pelo otimizador para um dia ensolarado; o semáforo 2 corresponde a uma sequência gerada para um dia


nublado; e o semáforo 3 é uma sequência para um dia atípico. Os entrevistados res-ponderam como mudariam o uso de seus aparelhos elétricos se tivessem de seguir as indicações do semáforo.

Figura 18 - Semáforo 1. Figura 19 - Semáforo 2. Figura 20 - Semáforo 3.

Foram calculados os pulsos para os resultados das entrevistas utilizando-se a mes-ma técnica adotada para obter o perfil-base, nos três casos. Depois, foi calculada a variação no consumo para cada hora, dependendo da cor da luz, e a partir disso foi extraída a base de regras difusas. As regras obtidas a partir dessas entrevistas se en-contram na Tabela 4, na qual L é luz, H é hora e DC é variação de consumo.

Tabela 4 - Base de regras difusas resultantes

Base de regras difusas

R1: Se L é amarela e H é qualquer uma, então o DC é baixo.

R2: Se L é vermelha e H é manhã, então o DC é médio.

R3: Se L é vermelha e H é tarde, então o DC é médio.

R4: Se L é vermelha e H é noite, então o DC é médio.

R5: Se L é verde e H é manhã, então o DC é alto.

R6: Se L é verde e H é tarde, então o DC é médio.

R7: Se L é verde e H é noite, então o DC é alto.

Concluindo, os sinais de gestão de demanda influenciam o comportamento dos consumidores, o que alterará a previsão de demanda que tem como entrada o EMS da microrrede. Por isso, é necessário modelar as mudanças que ocorrerão na de-manda dos sinais de gestão, o que foi proposto neste trabalho mediante a mode-lagem de Mandami, para a qual foi construída a base de regras usando-se a infor-mação obtida a partir das entrevistas realizadas na localidade. Com este modelo, é possível corrigir a previsão de demanda, levando-se em consideração os sinais que serão vistos pelos consumidores.

65

CONCLUSõES

Neste trabalho foi proposta uma nova estratégia para a gestão de demanda, es-pecificamente na microrrede instalada em Huatacondo, que já conta com um sistema do tipo “resposta da demanda”, que consiste em enviar sinais aos consumidores, para que eles modifiquem seu consumo elétrico, de maneira que a distribuição das unida-des seja ideal, diminuindo, assim, os custos. Dentro da nova estratégia proposta, o trabalho desta tese se concentra em dois aspectos específicos. O primeiro é o fator de deslocamento de carga, que é determinado pelo otimizador do sistema de gestão de energia e finalmente se transforma no sinal que é visto pelos consumidores em seus lares e corresponde ao quanto a carga deve ser deslocada para se alcançar uma distribuição ideal. O segundo diz respeito a como os sinais de gestão de demanda que são vistos pelos consumidores em seus lares modificam o consumo deles.

O fator de deslocamento é determinado pelo índice de deslocamento de carga. Neste trabalho, propõe-se determinar esse índice de maneira dinâmica, com interva-los difusos. Para modelar o intervalo, foi utilizada a modelagem difusa de Takagi e Sugeno, e também foi proposto e empregado um método para prever o intervalo a j passos, uma vez que o otimizador utiliza previsões de dois dias. Ao modelar o índice de deslocamento com intervalos difusos, são levados em consideração dados históricos de variação da demanda e a incerteza desta, e é por essa razão que se utiliza o modelo, uma vez que, assim, o fator de deslocamento estará dentro de variações históricas da demanda. Isso foi testado pelo otimizador do sistema de gestão de energia, utilizan-do-se dois intervalos com distintos níveis de confiança (CL=60% e CL=97%). O teste teve o seguinte resultado: quanto maior é o índice de deslocamento, menores são os custos finais. Isso era esperado porque, ao aumentar o índice, se oferece mais flexibi-lidade ao otimizador para deslocar a demanda, o que não ocorrerá necessariamente na realidade, já que os consumidores não veem o quanto têm de variar sua demanda; só veem o sinal para aumentar (verde) ou diminuir (vermelho), motivo pelo qual a demanda não será deslocada exatamente como indica o fator de deslocamento. Por isso, conclui-se que não é necessário utilizar altos índices de deslocamento, análogos a intervalos mais amplos, uma vez que os resultados seriam fatores de deslocamentos altos que têm baixa probabilidade de ser cumpridos pelos consumidores.

Pelo dito anteriormente, continuou-se com o segundo aspecto relacionado à gestão de demanda, que corresponde a como o consumo elétrico é modificado em função dos sinais de gestão de demanda recebidos pelos consumidores. Para mode-lar a variação de demanda, foi proposta a utilização de uma modelagem difusa de Mamdani. O modelo proposto tem como entradas a hora e a cor das luzes, enquanto a saída corresponde à variação na previsão de demanda. As regras do modelo foram obtidas de maneira heurística, por meio da aplicação de entrevistas a moradores de 17 casas de Huatacondo, aos quais se perguntou em que horários eram utilizados


certos aparelhos elétricos (desde as 7h até as 0h), para quatro casos. A partir do caso sem semáforo, foram construídos perfis-bases para as casas, utilizando os consu-mos típicos de energia dos eletrodomésticos utilizados. Também foram criados perfis para cada semáforo, que foram comparados com o perfil-base, para, dessa maneira, extrair a base de sete regras difusas, que representam o comportamento dos consu-midores diante dos sinais de gestão de demanda.

Para concluir, foi proposta uma nova estratégia de gestão de demanda para mi-crorredes isoladas baseadas em energias renováveis, fundamentando-se em siste-mas de gestão do tipo “resposta da demanda”. Esse sistema inclui a utilização de intervalos difusos para representar a variabilidade da demanda e assim calcular um fator de deslocamento de carga que leve em consideração o comportamento histó-rico da demanda. Também levando em conta que os sinais de gestão afetaram o comportamento dos consumidores, acrescentou-se a modelagem do comportamento dos consumidores em função dos sinais de gestão de demanda que eles recebem do sistema. Portanto, obteve-se um sistema de gestão de demanda que leva em consi-deração tanto o comportamento passado como o futuro.


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>>> PROJETO TECNOLÓGICO E AVALIAÇÃO TéCNICO-ECONÔMICA DO PROJETO DE INVESTIMENTO: PLANTA DE BIOGÁS CENTRALIZADA NA EMPRESA DE GENéTICA PECUÁRIA “CAMILO CIENFUEGOS” (PINAR DEL RÍO, CUBA)

Oscar Daniel Valmaña GarcíaOrientadores: Ileana Pereda Reyes

e Daniel García Galindo

RESUMO

A biomassa residual úmida é uma das classificações de biomassa e tem origem antropológica. Os digestores anaeróbicos e as plantas produtoras de biogás são tec-nologias que podem transformar a biomassa residual em recurso energético reno-vável com alto valor agregado para a humanidade. Segundo a Onei de Cuba, a par-ticipação das fontes renováveis na matriz energética cubana é de 10%, e somente 0,14% corresponde ao uso de biomassa residual. Isso contrasta com o fato de que, no âmbito nacional, é liberada no ambiente uma carga contaminante aproximada de 129.780 t DBO/ano. As autoridades governamentais reconhecem que empresas pecuaristas, como a DE Genética Pecuária “Camilo Cienfuegos”, contribuem com a contaminação. O objetivo fundamental deste trabalho foi encontrar uma alternativa tecnológica para a implementação de uma planta produtora de biogás centraliza-da, capaz de solucionar o tratamento de resíduos que são gerados nessa empresa e fazer uso de seu potencial como fonte de energia renovável e de biofertilizantes. Foram propostos e avaliados três projetos tecnológicos, tendo como base os resul-tados obtidos na avaliação do potencial de biometano de suas fontes de biomassa. As propostas foram elaboradas e avaliadas considerando critérios técnicos e econô-micos de viabilidade. A alternativa 3, financiada por um projeto de Mecanismo de Desenvolvimento Limpo (MDL), foi a solução técnica e economicamente mais viável. As contribuições deste trabalho podem ser identificadas em três áreas principais: i) proporcionar uma solução viável para uma problemática ambiental e energética em nível local e setorial; ii) contribuir para implementar, em setores primários da nação, sistemas bioenergéticos e de tratamento de resíduos muito mais sustentáveis; e iii) demonstrar a capacidade de centros universitários do país de trabalhar com o setor empresarial em projetos com impacto local e nacional.

PALAVRAS-CHAVE: Biomassa residual úmida. Digestão anaeróbica. Biogás. Sustentabilidade.

CU

BA


ABSTRACT

Wet residual biomass, as part of a major concept of biomass, has its origins in anthropologic activities. Anaerobic digesters and biogas plants are technologies ca-pable to transform residual biomass into energetic renewable resources with added high value for humankind itself. According to ONEI, Cuba, only 10% of the ener-getic matrix is provided by renewable sources in which 0.14% is supported by wet residual biomass. In contrast, approximately 130 000 tones of BOD are released to the Cuban environment. Governmental authorities recognize that industries as Ge-netic Livestock Enterprise Camilo Cienfuegos contribute to this pollution. The main objective of the present research was to obtain a technological alternative for the implementation of a centralized biogas plan in order to solve the residues treatment problematic in such Enterprise. At the same time the renewable energy potential as well as the biofertilizer capability is exploitable. Three technological designs were evaluated taking as reference the biomethane potential results obtained from the biomass resources appraisal. Proposals were assessed from technical and economical viability criteria. Alternative 3, financed by Clean Development Mechanism (CDM), was the feasible solution. The contributions of the present work can be identified in three different areas: i) to provide a feasible solution focused in environmental and energy areas at local and province level, ii) helping to implement in primary sectors of the nation, more sustainable bioenergy systems and wastewater treatment, and iii) demonstrate the ability of national universities to work with industry on projects toward local and national impact.

KEYWORDS: Wet residual biomass. Anaerobic digestion. Biogas. Sustainability.

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INTRODUÇÃO

Biomassa como fonte de energia renovável

Definir e compreender o termo “biomassa” em algumas ocasiões é um pouco con-fuso e complexo, dada a amplitude de seu significado. Tanto é assim que na literatu-ra especializada são encontradas distintas definições e acepções. O mais importante para entender tal conceito é reconhecer o contexto no que é tratado e o enfoque que se quer dar a ele. Para o âmbito no qual se enquadra este trabalho, ou seja, no aspec-to energético, é significativo fazer referência explícita ao caráter renovável da bio-massa, motivo pelo qual empregaremos a definição que considera biomassa como toda matéria orgânica originada de um processo biológico, espontâneo ou provocado, utilizável em um ritmo inferior ou igual ao que é produzida [1].

A energia da biomassa provém da energia química acumulada nas ligações atômi-cas e intermoleculares dos compostos que a constituem. Portanto, considerando que toda biomassa procede de maneira direta ou indireta da matéria orgânica fixada por meio da fotossíntese, a energia da biomassa provém, em última instância, do sol. Por meio da fotossíntese as células vegetais utilizam a radiação solar para formar substân-cias orgânicas complexas como os hidratos de carbono, proteínas, lipídios, etc., a partir de substâncias simples, como a água e o dióxido de carbono (CO2) presentes no ar [1].

A biomassa foi a primeira e única fonte energética utilizada pelo homem até o aparecimento do carvão mineral e continua sendo uma das principais fontes energé-ticas da humanidade. Seu potencial energético varia em função do tipo, quantidade de recurso e características, como a umidade e a composição, assim como do pro-cesso de transformação energética. Em muitos países em vias de desenvolvimento, a biomassa continua sendo a fonte de energia mais importante, principalmente em forma de lenha ou madeira.

Tendo em vista que o aproveitamento energético final da biomassa costuma acarretar a oxidação total da matéria orgânica ou dos combustíveis dela derivados, o CO2 emitido nesse processo é equivalente ao absorbido pela matéria orgânica origi-nal e, por isso, o equilíbrio final do ciclo de CO2 é praticamente neutro. No entanto, o nível de neutralidade será marcado pela intensidade, tipo e quantidade de todos os processos necessários para conseguir efetuar a combustão final.

Biomassa residual úmida e sua contribuição para o desenvolvimento sustentável

A biomassa pode ser classificada em biomassa sólida ou biocombustíveis sóli-dos, biocombustíveis líquidos ou gasosos, ou biomassa terciária e biomassa residual úmida (BRH) [1]. A BRH, como o próprio nome já indica, tem origem residual, que


provém principalmente das atividades antropológicas. A pecuária de confinamento, a atividade das empresas agroalimentícias, a rede de saneamento básico de uma cidade, as indústrias de alimentos, entre outras, são exemplos típicos de fontes de biomassa residual úmida.

A BRH se caracteriza por apresentar alto conteúdo de água e elevado poder de biodegradabilidade. Essas características fazem dela um recurso único dentro das biomassas para serem tratadas por meio de processos de digestão anaeróbica. Esses processos são altamente valiosos por dois motivos fundamentais: sua capacidade de dar um tratamento efetivo e sustentável a resíduos pouco amigáveis com a hidros-fera e a atmosfera; e, paralelamente, sua capacidade de produzir biogás (fonte de energia renovável) e biofertilizantes. Esses processos serão bem aceitos sempre que forem gerenciados de maneira controlada.

O tratamento ou gestão adequada e controlada dos resíduos biodegradáveis e seu aproveitamento para produzir biogás e biofertilizantes constituem temas que têm sido abordados e desenvolvidos pelo homem há vários séculos. No entanto, até as dé-cadas de 1970 e 1980, em função da crise energética e ambiental do final do século XX, esses temas não estiveram junto com outros, e cobraram sua justa importância para a preservação e conservação dos recursos naturais em benefício das gerações presentes e futuras. Portanto, entre outros motivos, aparece no cenário moderno o conceito de desenvolvimento sustentável. Ele foi formalizado pela primeira vez no documento conhecido como Relatório Brundtland, fruto dos trabalhos da Comissão Mundial do Meio Ambiente e Desenvolvimento das Nações Unidas, em 19831.

Tecnologias como os digestores anaeróbicos simples, as plantas produtoras de biogás em escala industrial e as plantas produtoras de biogás centralizadas ou de codigestão são exemplos práticos de como os resíduos biodegradáveis gerados pela atividade humana podem ser transformados em recursos renováveis e valiosos pela própria humanidade. Aproveitar o biogás para o cozimento de alimentos e utilizá--lo em sistemas de cogeração, entre outros, são formas verdadeiramente eficazes e efetivas de empregar uma fonte renovável de energia. Por sua vez, os biofertilizantes excedentes dos processos de transformação são excelentes substitutos naturais dos fertilizantes minerais. Todos esses procedimentos que têm a BRH como recurso primá-rio são práticas coerentes com o desenvolvimento sustentável e contribuem com ele.

Embora pareça contraditório, setores como a agricultura e a pecuária, importan-tes geradores de BRH, têm uma posição privilegiada para levantar a bandeira do desenvolvimento sustentável. A utilização de tecnologias apropriadas nesses setores pode compensar sustentavelmente suas necessidades energéticas e de fertilizantes,

1 Desenvolvimento e Cooperação Econômica Internacional: Meio Ambiente. Relatório da Comissão Mundial sobre o Meio Ambiente e o Desenvolvimento. Quadragésimo segundo período de sessões da Assem-bleia Geral das Nações Unidas. Tema 83 da medida provisória A/42/427, Espanhola, 4 de agosto 1987. Disponível em: http://www.un.org/es/comun/docs/?symbol=A/42/427.

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a partir do aproveitamento da contaminação que eles geram. A moral da história seria: “aquilo que nos prejudica pode ser a solução dos nossos males”.

Atualmente é necessário pensar em um desenvolvimento sustentável que leve à implementação de uma política e de uma estratégia de gestão ambiental com o pro-pósito de mitigar os efeitos negativos provocados ao meio ambiente e garantir um crescimento produtivo que não deteriore o entorno. A aplicação de tecnologias pu-rificadoras, de baixo custo, que propiciem a obtenção de subprodutos aproveitáveis, e a busca por fontes energéticas renováveis são hoje em dia um desafio científico--técnico que deve ser enfrentado com urgência [2].

Contexto, antecedentes e justificativa

Na XII Conferência Mundial de Energia Eólica e Exposição de Energias Renováveis, realizada em La Habana, o secretario-executivo da Organização Latino-Americana e Caribenha de Energia (Olade), Victorio Oxilia, ressaltou o interesse e a vontade po-lítica do governo cubano em transformar sua matriz energética. Acrescentou que a nação caribenha tem uma bagagem de conhecimentos e experiências em matéria de biomassa e realiza projetos para desenvolver plantas produtoras com a finalidade de gerar energia elétrica a partir da biomassa, assim como outros projetos de energia solar e hidroelétrica. Da mesma forma, realiza um grande esforço para promover a energia eólica. O diretor apontou o compromisso de sua organização de cooperar com Cuba na implementação de políticas voltadas para a segurança energética e o incentivo ao desenvolvimento sustentável [3].

Em Cuba, como na grande maioria dos países do mundo, prevalece a dependência dos combustíveis fósseis. Segundo os últimos dados publicados pela Agência Nacio-nal de Estatística e Informação da República de Cuba (Onei), emm 2011, a matriz energética nacional (setor estatal civil) foi 89,8% procedente de combustíveis fós-seis e 10,2%, de fontes renováveis de energia [4,5]. Da produção nacional de ener-gia, 47,6% correspondeu à energia primária, e 52,4%, à energia secundária [4]. Foi 78,4% da energia primária originada de combustíveis fósseis (petróleo e gás natu-ral), e 21,6%, de fontes renováveis (biomassa e hidroenergia). No caso da energia secundária, 99,74% foram gerados pelos combustíveis fósseis, e 0,26%, por disposi-tivos que utilizam fontes de energia renováveis, aerogeradores, sistemas de painéis fotovoltaicos, tecnologias para a produção de biogás, entre outros [4,5].

Da contribuição energética total das fontes renováveis do setor estatal em 2011, 97,8% foram de biomassa (83,3% de bagaço e palha de cana; 16,6% de lenha; e 0,1% de restos agrícolas, florestais, serragem de madeira, restos de café, casca de arroz e de coco), 0,85% da hidroenergia e 1,35% dos dispositivos que utilizam fon-tes de energia renováveis. Da contribuição total de energias renováveis, somente 0,14% correspondeu a digestores anaeróbicos [5].


Em Cuba, é muito amplo o trabalho de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PDI e, por sua sigla em espanhol, I+D+i) sobre as tecnologias do biogás para apro-veitar diversos resíduos, principalmente no setor da agricultura, da pecuária e da indústria de açúcar. A Onei informou o uso de 251 instalações de produção de biogás (196 digestores rurais e 55 digestores não rurais) das 296 construídas no setor esta-tal, no ano de 2011. Estima-se, embora não se informe o dado, que o maior número de digestores rurais está nas mãos de particulares [5]. A Onei também informou, para o mesmo ano e para o setor estatal, 1.609 toneladas equivalentes de petróleo (TEP) aproveitáveis e aproveitadas em digestores anaeróbicos [5,6], o que não sig-nifica que este seja o potencial nacional do recurso a ser empregado nesse tipo de dispositivos. Essa mesma instituição informou, para o ano de 2011 e em nível nacio-nal, uma carga contaminante liberada no meio de 129.780 toneladas de demanda bioquímica de oxigênio (t DBO) em todo o país, que consiste em águas residuais do-mésticas e industriais [7].

Os dados e números apresentados pela Onei falam por si sós. Ainda há muito a ser feito para que a matriz energética cubana dê um salto significativo em direção ao uso das fontes renováveis de energia e, particularmente, da digestão anaeróbica em escala industrial, dadas as potencialidades do país. Tecnologias como a codigestão anaeróbica e as plantas de biogás centralizadas são praticamente desconhecidas. A maioria dos resíduos orgânicos que poderiam ser tratados por esta via hoje é tratada de maneira muito ineficiente, e em boa parte dela não existe sequer o próprio tra-tamento. A não indisponibilidade de vários resíduos orgânicos na área onde é proje-tada e executada a construção dos digestores anaeróbicos faz com que a opção da codigestão nunca apareça [8].

O Ministério da Agricultura de Cuba (Minag) dispõe, em âmbito nacional, de uma rede de 11 empresas genéticas pecuárias (EGP). Elas foram concebidas para contri-buir com os projetos leiteiros e de carne organizados nas três regiões do país (Ociden-te, Centro e Oriente) e para a melhora genética da raça bovina cubana. Sua gestão pecuária a classifica como de pecuária extensiva e tem como objetivo fundamental fazer dela uma pecuária totalmente sustentável dentro do conceito de desenvolvi-mento sustentável. Entretanto, membros do Grupo Nacional de Biogás (GNB) e do Minag reconhecem que essa rede de empresas tem um grande potencial para pro-duzir biogás e biofertilizantes a partir dos resíduos biodegradáveis que geram e que não são tratados adequadamente. Isso constitui uma problemática ambiental que deprecia o objetivo principal do setor pecuarista do país.

A Empresa de Genética Pecuária “Camilo Cienfuegos” (EGP C.C.) é um caso típico dessa problemática. No ano de 2010, essa organização foi indicada pelas autorida-des do Minag e do GNB como primeiro lugar de estudo para a transferência da tec-nologia de uma planta produtora de biogás centralizada, com digestor de mistura

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completa em duas fases, introduzida na Unidade Estadual Orçamentária de Coleta e Destinação Final do Lixo (UEOCDFL), no município Marianao de La Habana. Essa decisão foi motivada pela necessidade de solucionar problemas com o manejo dos recursos energéticos e ambientais na EGP C.C., e também para popularizar essa tec-nologia no país e contribuir para o desenvolvimento sustentável de setores primários como a agricultura e a pecuária.

Os primeiros passos do projeto de investimento foram dados em 2010, envolven-do o Centro de Estudos de Engenharia de Processos (Cipro) da Faculdade de Engenha-ria Química do ISPJAE, o Departamento de Energia do Minag, o GNB, a Empresa de Engenharia e Projetos de Eletricidade (Inel) da União Elétrica (UNE) e da EGP C.C. Os resultados alcançados até 2011 apresentaram, dentro da fase de pré-investimento, as etapas da engenharia de investimentos (estudo de oportunidade e de pré-viabili-dade), do projeto de processos (pesquisa de laboratório, de banco de escala e estudos de engenheiros) e do projeto de planta produtora (engenharia conceitual, soluções gerais e avaliação destas). Em outras palavras, contribuíram para a aproximação da tecnologia e da empresa pecuária, para avaliar a biomassa residual úmida nas insta-lações da organização, para determinar seu potencial de produção de biogás, para o desenho conceitual de processos de possíveis configurações da planta produtora de biogás e para o estudo de pré-viabilidade econômica destas.

Apesar dos resultados obtidos, ainda restavam interrogações e lacunas técni-cas a serem esclarecidas dentro das possíveis configurações do projeto de proces-sos, para poder avançar na concretização da fase de pré-investimento do projeto, como, por exemplo:

• É completamente seguro, do ponto de vista higiênico-sanitário, tratar por meio da digestão anaeróbica os resíduos animais avaliados?

• O efluente que será obtido na planta produtora de biogás reunirá os requi-sitos higiênico-sanitários para ser empregado como biofertilizante?

• Será necessário introduzir uma etapa de higienização na planta de biogás com o objetivo de evitar focos epidêmicos entre as populações de animais e os seres humanos?

• O biogás que será obtido será suficiente para cobrir as necessidades térmi-cas do digestor?

• Até que ponto a produção energética da planta de biogás poderá atender às necessidades de energia elétrica, térmica e de fertilizantes das instala-ções estudadas na EGP C.C.?

• Será viável (técnica, econômica, ambiental e socialmente) o projeto de uma planta de biogás centralizada na EGP C.C.?

Nesta monografia, são resumidos os principais resultados da dissertação de mes-trado do autor. Seu objetivo geral foi encontrar uma alternativa tecnológica defini-


tiva (resolvendo os problemas técnicos) e viável para uma planta produtora de bio-gás centralizada, capaz de solucionar o tratamento da maior quantidade de resíduos gerados na EGP C.C., e aproveitar seu potencial como fonte de energia renovável e como biofertilizante. Esse objetivo central implicou a avaliação da pré-viabilidade das soluções propostas, do ponto de vista técnico e econômico, e contribuiu com ele-mentos sobre o impacto da tecnologia na empresa no âmbito setorial, para um futu-ro estudo de viabilidade.

O problema técnico-científico identificado para desenvolver esse trabalho foi defi-nido como: a necessidade de tratar os resíduos que são gerados na EGP C.C., por meio de uma tecnologia que permita aproveitar seu potencial energético e como adubo or-gânico, para atender de maneira sustentável às necessidades energéticas e de ferti-lizantes que a empresa demanda. A hipótese do trabalho foi: realizando um estudo de diferentes alternativas tecnológicas, baseado em critérios técnico-econômicos e de sustentabilidade, e tendo como base os antecedentes deste trabalho e a documentação que contempla a informação sobre o estado organizacional, econômico, energético, so-cial e ambiental da EGP C.C., é possível obter uma variante tecnológica para resolver o tratamento dos resíduos gerados na empresa, que, ao mesmo tempo, permita atender de forma sustentável às necessidades energéticas e de fertilizantes que ela demanda.

A concretização final deste trabalho em um projeto de investimento oferecerá importantes contribuições em âmbito local e nacional. Do ponto de vista local, i) irá solucionar uma problemática ambiental da organização (impacto ambiental); ii) aproveitará o potencial dos resíduos para atender parte das necessidades energéti-cas e de fertilizantes que demandam as instalações da empresa (impacto econômi-co); e iii) gerará recursos e cultura energética e ambiental para o entorno social da organização (impacto social). Em âmbito nacional, i) contribuirá para demonstrar a viabilidade de estender a tecnologia ao resto das empresas do Ministério da Agricul-tura que a dela necessitem, assim como a outros setores da economia do país; ii) con-tribuirá para implementar, em setores primários da nação, sistemas bioenergéticos e de tratamento de resíduos muito mais sustentáveis; e iii) demonstrará a capacidade dos centros de pesquisa universitários do país de trabalhar em conjunto com o setor empresarial, visando desenvolver projetos com impacto local e nacional.

METODOLOGIA

Caso de estudo: EGP C.C.

A EGP C.C., pertencente ao Ministério da Agricultura de Cuba (Minag), está loca-lizada no município Consolación de Sur, província de Pinar del Río, como mostra a

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Figura 1. A empresa está organizada em cinco grandes fazendas e, por sua vez, em 10 unidades empresariais de base (UEB), onde trabalham aproximadamente 1.600 funcionários. Cinco das UEB são de gado e dispõem de 37 criadouros de gado bovino e de 2 microcriadouros de gado bovino. A população bovina é de aproximadamente a 20.000 exemplares em uma extensão de terra de 19.700 ha2. Conta também com instalações para produzir vários cultivos, de suporte logístico, entre outras.

Figura 1 - Situação geográfica e organizacional da EGP C.C.

A EGP C.C. é uma instituição com um alto nível de organização, autogestão e autofinanciamento. Constitui uma entidade que foi criada no contexto das trans-formações agropecuárias impulsionadas pela revolução cubana. Foi concebida para contribuir como os projetos de produção de leite e carne organizados na província desde 1965 e para o melhoramento genético da raça bovina cubana. Sua gestão pecuária é extensiva e tem o objetivo principal de contribuir para o desenvolvimento sustentável da pecuária da nação.

Para o estudo, foram selecionadas duas das cinco fazendas da empresa. Dentro destas duas fazendas, foram escolhidas três UEB e, destas, cinco unidades ou instala-ções. Na Figura 2 é apresentado um esquema das fazendas, UEB e instalações esco-lhidas. Para a escolha e o projeto, foram levados em conta os seguintes elementos:

• quantidade de resíduos que gerados nas instalações das fazendas; • potencial dos resíduos para produzir biogás por meio da codigestão;

2 Dados obtidos em comunicação pessoal com diretores da empresa.


• impacto ambiental das sobras; • demanda energética das instalações; • instalação onde se gera a maior quantidade de resíduos (território de re-

ferência); e• situação geográfica das instalações e distância do território de referência.

Figura 2 - Fazendas e instalações selecionadas.

Este trabalho se baseou nos resultados e conclusões dos estudos e pesquisas pré-vios, iniciados em 2010. Na Tabela 1 estão os resultados da quantificação [9] e a caracterização da BRH da empresa [10,11]; e na Tabela 2 estão sintetizados os prin-cipais resultados das pesquisas sobre o potencial da BRH da EGP C.C.

Tabela 1 - Avaliação e caracterização da BRH da EGP C.C.

Instalação Resíduo Quantidade Caracterização

Embaladora El Canal(território de referência)

Esterco bovinoe rúmen

(E)

150 kg/d(0,150 m3/d)

ST – 19,58%SV – 16,07%

C total – 10,73%N total – 0,24%

Tubo digestivo e intestinos com conteúdos, pedaços de

couro, gordura(RSM)

220 kg/d(2 m3/d)

ST – 38,51%SV – 37,38%

C total – 32,93%N total – 1,02%

Água residual do matadouro com sangue dissolvido

(RLM)

13.880 kg/d40 kg/d (sangre)

(13,9 m3/d)

ST – 0,91%SV – 0,78%C total – nd

N total – 0,08%

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Instalação Resíduo Quantidade Caracterização

Estábulo equino bovino(0,64 km do território de

referência)

Esterco equinoe caprino

(E)

334 kg/d(0,334 m3/d)

ST – 19,58%SV – 16,07%

C total – 10,73%N total – 0,24%

Palha e forração (F)800 kg/d(1,6 m3/d)

ST – 80,37%SV – 70,26%

C total – 36,07%N total – 1,19%

Fazenda de gado 60(3,6 km do território de

referência)

Esterco bovino(vacas, bezerros e gado de

engorda) (E)

990 kg/d(1 m3/d)

ST – 19,58%SV – 16,07%

C total – 10,73%N total – 0,24%

Palha e forração (F)10 kg/d

(0,02 m3/d)

ST – 80,37%SV – 70,26%

C total – 36,07%N total – 1,19%

Fazenda de gado Toril(3,4 km do território de

referência)

Esterco bovino(bezerros) (E)

130 kg/d(0,13 m3/d)

ST – 19,58%SV – 16,07%

C total – 10,73%N total – 0,24%

Palha e forração (F)1,3 kg/d

(0,003 m3/d)

ST – 80,37%SV – 70,26%

C total – 36,07%N total – 1,19%

Fazenda de gado 130(4,3 km do território de

referência)

Esterco bovino(vacas) (E)

1.300 kg/d(1,3 m3/d)

ST – 19,58%SV – 16,07%

C total – 10,73%N total – 0,24%

Palha e forração (F)13 kg/d

(0,026 m3/d)

ST – 80,37%SV – 70,26%

C total – 36,07%N total – 1,19%

Total E2.904 kg/d

(3 m3/d)-

Total F824 kg/d

(1,65 m3/d)-

Total RSM220 kg/d(2 m3/d)

-

Total RLM13 920 kg/d(13,9 m3/d)

-

(% em base úmida, nd – não informado, RSM – resíduo sólido de matadouro, RLM – resíduo líquido de matadouro, E – esterco, F – palha e forração)


Tabela 2 - Principais resultados dos estudos sobre o potencial da BRH na EGP C.C.

Resultados de interesse Valmaña, 2010 [9] Pagés, 2010 [10] Salgado, 2011 [11]

Tipos de resíduos a tratar (% p/p)

Esterco bovino (15%)Palha e restos de forração (5%)

Resíduo sólido do matadouro (1%)Resíduo líquido do matadouro (78%)

Fluxo a tratar 18.000 kg/d (21 m3/d)

TecnologiaRMC em duas fases; TRH (d) – 21; VCO mesofílico (kg SV/m3·d) – 2 a 3;VCO termofílico (kg SV/m3·d) – 4 a 5; SV entrada – 6 a 8%; η SV eliminado – 50

a 60%

Tipo de digestão Mesofílica (37ºC) Termofílica (55ºC) Mesofílica (37ºC)

Rendimento de CH4 (Y CH4) (Nm3/kg SV0 )

0,165 (Bibliografia) 0,5 (Ensaio AME) 0,214 (Ensaio AME)

Constante cinética aparente (k0) (d-1)

- 0,317 0,169

Produção líquida de biogás(Nm3/d) (65% CH4)

245 2 306 982

Produção energética(η elec.- 30%;

η term - 50%; FC - 85%)

17 kWh elet.33 kWh term.



Produção biofertilizante (m3/d)

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VAN (MT) (Variante aço) 834.3231.166.368 (sem MDL)1.529.426 (com MDL)

865.081 (sem MDL)1.019.688 (com MDL)

TIR (%) (Variante aço) 17,850 (sem MDL)61 (com MDL)

48 (sem MDL)54 (com MDL)

PR (anos) 32,3 (sem MDL)1,9 (com MDL)

2,4 (sem MDL)2,1 (com MDL)

VAN (MT) (Variante aço + concreto)

1.184.2191.318.174 (sem MDL)1.681.233 (com MDL)

1.013.600 (sem MDL)1.168.207 (com MDL)

TIR (%) (Variante aço + concreto)

60,669 (sem MDL)84 (com MDL)

74 (sem MDL)83 (com MDL)

PR (anos) 1,41,6 (sem MDL)1,3 (com MDL)

1,5 (sem MDL)1,4 (com MDL)

(RMC – reator de mistura completa, VCO – velocidade de carga orgânica, MDL – mecanismo de desenvolvimento limpo, AME – atividade metanogênica específica, FC – fator de carga, MT – moeda total (MT=CUC+CUP, CUC – peso conversível cubano, CUP – peso cubano, 1 CUC = 24 CUP; 1 CUC ≡ 1USD).

Projeto e avaliação técnica

Foram elaboradas e avaliadas três alternativas tecnológicas, considerando os re-sultados dos estudos prévios e conceitos como a codigestão centralizada e a coge-ração. Também foram considerados os procedimentos que regulam e normatizam o uso e avaliação de subprodutos animais em plantas produtoras de biogás, visando selecionar a metodologia a seguir, para poder utilizar esse tipo de resíduos.

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A concepção da codigestão centralizada se baseia em uma prática desenvolvida na Dinamarca, que consiste em digerir o esterco animal recolhido em várias fazen-das, junto com lodos de depuradoras, em uma planta de biogás situada em uma zona intermediária. A localização centralizada da planta de biogás tem como objetivo re-duzir os custos, o tempo e a mão de obra para o transporte da biomassa até e a partir da planta de biogás [12].

A cogeração é o procedimento por meio do qual se obtêm simultaneamente ener-gia elétrica e energia térmica útil, a partir da mesma fonte de energia primária. Com relação à potência, a literatura e os documentos técnicos mencionam diferentes clas-sificações para os sistemas de cogeração. Rubio (2009) propôs que elas não demons-tram homogeneidade quanto aos níveis de potência estabelecidos para as unidades de cogeração, motivo pelo qual este autor propôs uma classificação mais uniforme, na qual se baseia esta pesquisa [13]:

• Microcogeração – menor que 100 kWe • Cogeração de pequena escala – 100 a 1.000 kWe• Cogeração de média escala – 1.001 a 10.000 kWe

Com relação às instruções que regulam e normatizam o uso e a avaliação de sub-produtos animais em plantas de biogás, a legislação cubana não contempla nenhum procedimento. Por isso, foram utilizados como referência o estabelecido nos regu-lamentos da União Europeia sobre o uso e a eliminação de subprodutos pecuários [14-16], assim como as experiências práticas com resíduos similares em plantas de biogás nesses países [17,18].

As alternativas tecnológicas propostas foram: • Alternativa 1: planta centralizada de biogás com etapa de higienização

(70 ºC, 60 min) e digestão anaeróbica mesofílica a 37 ºC em digestor de mistura completa com uma fase.

• Alternativa 2: planta centralizada de biogás com digestão anaeróbica mesofílica a 37 ºC em digestor de mistura completa em duas fases e com etapa de estabilização do efluente por meio de compostagem e lagoa de oxidação.

• Alternativa 3: planta centralizada de biogás com digestão anaeróbica termofílica a 55 ºC em digestor de mistura completa em duas fases.

Para a elaboração e a avaliação das alternativas, foram desenvolvidos equilíbrios de massa (EM) e energia (EE) para cada um dos processos de cada variante tecnológica. Também foi realizada uma análise de integração das contribuições energéticas das alternativas com as demandas energéticas das bovino-instalações da EGP C.C. Para as contribuições energéticas, foi proposto o uso de motores alternativos de combustão interna (Maci) com sistemas de cogeração. Para desenvolver e organizar os cálculos dos equilíbrios, foram utilizadas folhas de cálculo do Microsoft Office Excel 2007.


Os EM foram realizados de forma global e por componentes. Os componentes ba-lanceados nos processos foram: umidade, sólidos totais (ST), sólidos voláteis (SV), só-lidos não voláteis (SNV), N total, NH4, P total, K total, biogás, vapor de H2O, CH4, CO2, H2S, e NH3. Os equilíbrios de componentes em unidades mássicas foram feitos em base úmida, em base diária e em percentual mássico. O equilíbrio dos componentes em unidades volumétricas também foi feito em base úmida e diária, mas em percentual volumétrico. No equilíbrio dos componentes do biogás (vapor de H2O, CH4, CO2, H2S, e NH3), foi utilizada sua solubilidade em água a 25 ºC.

Para os EE foram levadas em conta as contribuições elétricas e térmicas de cada uma das alternativas que utilizavam os motores alternativos de combustão inter-na (Maci), assim como as demandas térmicas e elétricas dos processos de cada uma delas. Essas contribuições e demandas energéticas foram empregadas para validar a viabilidade técnica das alternativas por meio da realização de uma análise de in-tegração do ponto de vista energético considerando as demandas energéticas das instalações da EGP C.C. O mesmo foi feito empregando-se critérios técnicos relata-dos na literatura especializada para o aproveitamento do calor residual por meio da cogeração em Maci, ou seja, nos circuitos de refrigeração com água, nos sistemas térmicos a óleo e a partir dos gases liberados pelo motor [13-19].

Para que o projeto tecnológico fosse capaz de contribuir com a energia deman-dada pelas operações na planta produtora de biogás e nas instalações da empresa, considerou-se, em um dia de exploração das instalações, dois períodos de operação para os motores, que foram:

• 8h00 às 16h00 - período de exploração das UEB da empresa e do maior número de operações na planta produtora de biogás.

• 16h00 às 8h00 - período em que as atividades das UEB param e é preciso cobrir a demanda elétrica básica das câmaras frigoríficas e a demanda tér-mica para a manutenção da temperatura no biodigestor.

O cálculo da produção de chorume (biofertilizante), no caso dos trabalhos pré-vios, respondeu a um simples EM na saída do digestor, e, para sua disposição final, considerou-se empregá-lo diretamente como adubo orgânico. No entanto, para um chorume que procede de subprodutos animais, a regulação europeia exige que, se não for realizado um processo de higienização prévio ou posterior à digestão ou uma digestão termofílica, o material digerido tem de ser completamente estabilizado an-tes de ser utilizado como adubo orgânico e/ou para a fertirrigação. O uso do proces-so de compostagem e/ou da clássica lagoa de estabilização é efetivo e aceito pela União Europeia. Os trabalhos precedentes não abordaram essa análise, com exceção do de Pagés (2011), que propôs uma digestão termofílica.

No presente projeto tecnológico, foi incluído um processo de separação em fases ao chorume de cada alternativa, com o objetivo de tornar mais efetiva e eficiente sua

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disposição final. Para alcançar a estabilidade e a inocuidade do material digerido, segundo a bibliografia consultada [14-18], foi proposto: i) para a alternativa 1, uma etapa de higienização a 70 ºC durante 1 h, previamente à digestão mesofílica; ii) para a alternativa 2, um processo de compostagem da fase sólida e a disposição da fase líquida em uma lagoa facultativa de estabilização; e iii) para a alternativa 3, por meio da própria digestão termofílica a 55 ºC, com um TRH de 15 dias e em conjunto com a alimentação do digestor de forma lenta por um intervalo de 8 h.

O cálculo da quantidade de chorume e de sua composição respondeu a um EM, levando em conta o rendimento de eliminação de SV em plantas de biogás no setor agrícola. A quantidade de fase sólida e de fase líquida foi calculada utilizando-se cri-térios técnicos de separação de fases em equipamentos do tipo filtro-prensa [20]. A composição dessas fases foi estimada considerando-se a composição do material de entrada no digestor e os resultados da literatura científica com experiências similares à deste projeto [21,22]. Para o cálculo da quantidade de biofertilizante equivalente a nitrogênio, potássio e fósforo (fertilizante mineral), foi considerada uma eficiência na unidade biofertilizante com relação ao fertilizante mineral de 50% para o nitro-gênio, 80% para o potássio e 70% para o fósforo [23,24].

Por outro lado, para a produção de biogás útil (biogás livre de umidade e de sulfeto de hidrogênio), foi proposto um processo de limpeza por meio do método biológico e um processo de desumidificação. Os cálculos se basearam no EM global e nos componentes, empregando critérios técnicos que foram extraídos da litera-tura especializada, assim como da científica com experiências similares às deste projeto [20,25,26].

Estudo econômico

O estudo econômico foi realizado para as alternativas tecnicamente viáveis para um período de funcionamento da tecnologia de 20 anos (2014 a 2034). Ele também incluiu uma análise de sensibilidade que não foi incluída neste documento. Para a avaliação do custo de investimento na planta, seguiu-se a metodologia “fator por equipamento adquirido” da American Association of Cost Engineers (AACE). Para isso, foi definida a avaliação, segundo a própria AACE, como de Categoria 3 (estima-tiva preliminar) para uma etapa conceitual da engenharia de projetos com ±20% de precisão dos resultados [10]. De acordo com a AACE, este estudo se classifica como de pré-viabilidade econômica. Para desenvolver e organizar os cálculos, foi utilizado o programa Microsoft Office Excel 2007.

Neste estudo, também foram estimadas as taxas interanuais das previsões dos preços do petróleo (combustível convencional), do gás natural liquefeito (GNL) e de fertilizantes minerais. Essas previsões foram baseadas na literatura especializada para o ano de 2015, ano 1 da análise econômica, até 2030.


Foram analisados, para cada alternativa, dois possíveis cenários de financiamen-to, um com capital totalmente proveniente do orçamento do Estado cubano, e outro com capital procedente de um projeto MDL. Esses casos foram definidos como:

• Caso A: alternativa 1 com financiamento do orçamento do Estado cubano.• Caso B: alternativa 1 com financiamento de um projeto MDL.• Caso C: alternativa 2 com financiamento do orçamento do Estado cubano.• Caso D: alternativa 2 com financiamento de um projeto MDL.• Caso E: alternativa 3 com financiamento do orçamento do Estado cubano.• Caso F: alternativa 3 com financiamento de um projeto MDL.

O equipamento necessário foi definido e organizado conforme mostra a Figura 3. Na estimativa do capital para materiais e do capital de trabalho dos objetos de obra civis, foi utilizado o orçamento oferecido pela Empresa de Engenharia e Projetos de Eletricidade (Inel) da União Elétrica (UNE). O capital para materiais e o capital de trabalho dos objetos de obra de aço foram estimados utilizando-se o orçamento oferecido pela Empresa de Projetos de Engenharia e Serviços Técnicos (IST), do Mi-nistério de Indústrias de Cuba. Os preços do aço foram atualizados por meio do Platts McGraw Hill Financial [27] com uma quota média de outubro a novembro de 2012, pelo preço FOB (Free on Board).

Figura 3 - Estrutura do equipamento necessário para o investimento.

Para a estimativa dos custos dos equipamentos a serem comprados, do capital de trabalho, assim como o custo de produção, adotou-se como referência a planilha de custos da planta produtora de biogás construída na UEOCDFL, no município Maria-nao de La Habana. Também foram utilizados como referência o estudo de viabilida-de econômica dessa planta e o estudo de Rubio (2009) para os custos de manuten-ção dos Maci e a estimativa do custo de investimento nestes últimos [13].

Para as variantes financiadas pelo Estado cubano, foram considerados como be-nefícios econômicos a economia que se conseguiria por deixar de importar combus-

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tível convencional para produzir energia elétrica (termoelétrica), por deixar de pro-duzir gás natural liquefeito (GNL) e por comprar fertilizantes minerais (Ureia 46%, SFT3 46%, KCl 60%) para a EGP C.C. O preço do combustível convencional e dos fer-tilizantes foram os estimados para o ano de 2015 pela U.S Energy Information and Natural Resources Canada [28] e pelo World Bank - Development Prospect Group [29] respectivamente. Para o gás, considerou-se o preço pelo qual a empresa compra o GNL para o Estado cubano.

Os benefícios para os casos B, D e F foram os mesmos que para os casos A, C e E mais os lucros pela venda de Direitos de Emissão Europeus (EUA, sigla em inglês) no mercado europeu. O preço de venda dos EUA foi o estimado pelo Global Markerts in Clear View para dezembro de 2014 [30].

A análise que contemplou a venda dos EUA obrigou a estimar o total de emissões de gases de efeito estufa (GEE) que serão evitados com a implementação de uma das alternativas elaboradas. Para isso, foi empregada a metodologia proposta pelo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) [31,32].

Para o cálculo dos parâmetros econômicos (VAN, TIR, PR) para cada cenário, fo-ram fixadas as condições econômico-financeiras segundo as exigências estabelecidas pelo Estado cubano para esse tipo de estudo [33] e estimada a taxa interanual dos preços do combustível convencional, dos fertilizantes minerais e dos EUA, de acordo com a previsão dos preços até 2030 [28-30]. Para o caso do GNL, a taxa interanual de seu preço foi estimada com base na taxa média de inflação (IPC) de Cuba de 1999 a 2011 [34], assumindo esse mesmo comportamento até o ano final do estudo.

DESENVOLVIMENTO

O tratamento dos resíduos gerados na EGP C.C. pela tecnologia de uma planta de biogás centralizada é técnica e economicamente viável – assim concluíam os traba-lhos de Valmaña (2010), Pagés (2010) e Salgado (2011). No entanto, as variantes que esses autores propuseram e analisaram deixaram questões que foram refletidas em suas recomendações. Essas soluções ainda não haviam sido totalmente valida-das, portanto não se contava com uma alternativa tecnológica definitiva dentro do plano de processos do projeto. O presente trabalho buscava resolver essas questões, para encontrar uma solução tecnológica definitiva dentro da fase de pré-investimen-to da engenharia de projetos e levar o trabalho para uma etapa superior.

Um novo projeto de processos e avaliação técnica de três alternativas tecnológi-cas, levando em conta os estudos prévios, produziu os seguintes resultados.

3 Superfosfato triplo.


Diagramas de fluxo (diagramas de blocos)

Os diagramas de fluxo (DF) para plantas de processo são a representação gráfica do processo, de sua configuração e operação em uma forma simplificada por uma simbologia gráfica e por caracteres alfanuméricos em conformidade com normas ou convênios estabelecidos. Esses diagramas têm um papel central muito importante no projeto de uma planta industrial, uma vez que são, por sua natureza esquemática e pela quantidade de informação que podem conter, documentos adequados para expor o funcionamento da tecnologia que será utilizada, além de ser facilmente mo-dificáveis em função da evolução do projeto.

Existe uma ampla variedade de diagramas de fluxo para as mais diversas aplica-ções. Para o caso particular do projeto de plantas, a prática internacional estabele-ceu três tipos de DF, que foram elaborados em etapas diferentes na realização dos projetos de investimento. São eles:

• Diagramas de blocos (DB).• Diagramas de processos (DP).• Diagramas de engenharia (DI) (P&I) (PID).

Nas Figuras 4, 5 e 6 são mostrados os diagramas de blocos simplificados de cada uma das soluções tecnológicas.

Figura 4 - Diagrama de blocos simplificado da alternativa 1.

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Para o presente documento, visando resumir e compilar os resultados mais signi-ficativos, decidiu-se apresentar somente os diagramas de blocos, em função de sua simplicidade e caráter eminentemente qualitativo.

Nos três diagramas coincidem, quase na sua totalidade, o número e o tipo de ope-ração unitária (representados por blocos). As operações que compartilham as três alternativas são: a separação mecânica do substrato (E-F), o armazenamento ou re-cebimento do cossubstrato (RSM-RLM), a trituração e mistura (RSM-RLM-F), arma-zenamento do chorume, separação mecânica do chorume em fase sólida e líquida, armazenamento do biogás em gasômetro, limpeza do biogás utilizando o método biológico e geração de energia elétrica e térmica em Maci.

As diferenças entre as três soluções, quanto às operações, estão: na etapa prévia à digestão, no tipo de digestão segundo a temperatura e na separação da digestão em fases. As duas primeiras determinam outra diferença, que é o procedimento em-pregado para alcançar a qualidade higiênico-sanitária do chorume.

Segundo a etapa prévia à digestão, para o caso da alternativa 1 (Figura 4), foi ne-cessário propor um passo de higienização, pois a legislação europeia [14-16] exige essa etapa quando se avaliam subprodutos animais em plantas de biogás por diges-tão mesofílica e seus efluentes como biofertilizantes. Essas exigências têm, entre ou-tros objetivos, o de alcançar a qualidade higiênico- sanitária dos biofertilizanes. Nas alternativas 2 e 3, não foi necessária uma operação prévia à digestão (Figuras 5 e 6).

Em função da temperatura, nas alternativas 1 e 2, foi proposta a digestão me-sofílica; no caso da variante 1, porque o material a ser digerido seria previamente higienizado; e, na variante 2, porque os efluentes da digestão não seriam emprega-dos diretamente como biofertilizantes. Para esta última, foi proposto completar a estabilização e a inocuidade da fase sólida do efluente por meio da compostagem e, da fase líquida, por meio da clássica lagoa de estabilização. Na alternativa 3, foi proposta uma digestão termofílica, que assegura a inocuidade e a estabilização do material digerido sem um passo prévio [14-17].

A separação da digestão em fases (fase de hidrólise em digestor 1 e demais fases em digestor 2), respondeu à complexidade, do ponto de vista metabólico, do mate-rial a ser digerido (RSM-F). Na alternativa 1, foi empregada uma digestão em uma única fase, uma vez que a própria etapa de higienização tem um efeito hidrolítico so-bre o material a ser digerido. Nas outras duas alternativas, foi empregada a digestão em duas fases (Figuras 5 e 6).

Equilíbrios de massa e parâmetros de operação

Como se comentou anteriormente, os EM foram realizados de forma global e por componentes. Na Tabela 3, são apresentados, resumidamente, os resultados mais significativos que ajudam a compreender os resultados do EE e da escolha

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da solução técnica mais viável. Na Tabela 4, foram apresentados os parâmetros operacionais de cada alternativa.

Tabela 3 - Resultados do EM.

Variáveis Alternativa 1 Alternativa 2 Alternativa 3

Produção líquida de biogás (65% v/v CH4) (Nm3/d) 622 434 1.014

Produção útil de biogás(68 - 69% v/v CH4) (Nm3/d)

591 409 968

Produção de chorume fase sólida (kg/d) 3.680 3.709 3.588

Produção total útil de N-P-K em fase sólida (kg/d) 5,9-1,4-4,9 n/e 4,9-1,1-3,7

Produção de chorume fase líquida (kg/d) 16.912; 16.883 17.004

Produção total útil de N-P-K em fase líquida (kg/d) 8,3-1,7-5,7 n/e 8,6-1,3-4,5(n/e – não estimado)

Tabela 4 - Resultados dos parâmetros de operação.


BRH (kg/d) 18.000 18.000 18.000

Tecnologia (RMC em duas

fases)

TRH (d) – 25VCO (kg SV/Nm3·d) – 2,56

SVentrada – 8,58%YCH4 (Nm3/kg SV0) – 0,3

η SV eliminado – 53%

TRH (d) – 25VCO (kg SV/Nm3·d) – 2,56



TRH (d) – 15VCO (kg SV/Nm3·d) – 4,11



Se forem comparados os resultados da produção líquida de biogás da Tabela 2 com os da Tabela 3 (Valmaña, 2010 e Salgado, 2011, com alternativa 2; e Pagés, 2011, com alternativa 3), será possível comprovar que eles diferem significativamen-te. A produção líquida corresponde ao volume de biogás antes de ser submetido à lavagem em contracorrente em coluna biológica (dessulfuração) e desumidificação. A produção útil constitui o volume de biogás que ficou livre de H2S e de umidade, portanto, concentrado com seu conteúdo de CH4.

A diferença entre a produção líquida de biogás da alternativa 2 (434 Nm3/d) e a de Valmaña (245 Nm3/d) deve-se fundamentalmente ao fato de que este autor fez estimativas com rendimentos de produção de metano relatados na bibliografia especializada na temática, não utilizando rendimentos procedentes de um estudo do potencial de metano da mistura. Diferentemente, a variante 2 do presente pro-jeto emprega o rendimento informado por Salgado para a mesma mistura e para a mesma temperatura, motivo pelo qual é um resultado muito mais exato e real que o informado por Valmaña.

Por outro lado, Salgado (2011) relata 982 Nm3/d de biogás ante os 434 Nm3/d de biogás líquido obtido no presente projeto, e Pagés (2011) relata 2.306 Nm3/d de biogás ante os 1.014 Nm3/d de bio gás líquido obtido para a alternativa 3. Os resul-


tados desses autores são superiores devido ao fato de terem calculado a produção de biogás com as %SV totais da mistura determinadas em laboratório. Entretanto, neste trabalho foram utilizados os kgSV que cada substrato traz de forma indepen-dente, segundo o %SV relatado pelos mesmos autores para cada substrato. Isso foi motivado pela ideia de se obterem resultados mais conservadores que os informados por tais autores.

A alternativa 1 produziu 622 Nm3/d líquidos de biogás, empregando um ren-dimento de metano de 0,307 Nm3 CH4/kg SVo, superior ao relatado por Salgado (2011) (0,214 Nm3 CH4/kg SVo) para a mesma digestão mesofílica. O aumento do rendimento se justifica pela incorporação da etapa de higienização, que contribui para o aumento da produção de metano em processos de codigestão de subprodutos pecuários. Essa afirmação está bem documentada na literatura científica [17,35]. Tal rendimento foi calculado multiplicando-se o que foi obtido por Salgado (2011) pela média ponderada dos kgSV de cada tipo de substrato, de acordo com o efeito da higienização sobre cada um deles.

Os parâmetros de operação obtidos e informados na Tabela 4 (TRH, VCO, YCH4, SVentrada, η SVeliminado) correspondem aos relatados na literatura especializada para plantas de biogás de tecnologia equivalente à proposta neste trabalho e empregan-do substratos e cossubstratos similares [18,20-36].

A produção de chorume sólido e líquido para cada alternativa não é significa-tivamente diferente. Esses resultados não são comparáveis com os da Tabela 2, por ser empregado na metodologia deste trabalho um enfoque diferente ao dos autores anteriores.

Seria possível dizer a priori que as quantidades de fase sólida e líquida são abun-dantes. No entanto, por falta de informação sobre as necessidades e uso de fertili-zantes minerais na EGP C.C., não puderam ser realizadas análises mais profundas. Assumiu-se que a empresa recebe do Estado cubano uma quantidade de fertilizan-te mineral equivalente à que será produzida com esta tecnologia, motivo pelo qual tal dependência desaparecerá e representará uma economia para o Estado. A fase líquida será empregada para a fertirrigação, e a fase sólida, para a fertilização. A produção total e útil de nitrogênio, fósforo e potássio procedentes de cada fase do chorume foi estimada considerando-se a eficiência da unidade biofertilizante com relação ao fertilizante mineral e somente para as alternativas 1 e 3, nas quais o uso do chorume é direto, porque foi previamente higienizado e estabilizado. A mesma informação não foi estimada para a alternativa 2, porque a estabilização da fase sólida e líquida utilizando compostagem e lagoa de estabilização, respectivamente, aumentaria tanto os custos de investimento como de operação e tornaria a alterna-tiva, com relação às demais, inviável economicamente.

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Equilíbrios de energia e integração energética

No presente trabalho, os BE e a análise de integração energética dependem da produção de biogás (EM) e são estudos determinantes para validar a viabilidade téc-nica das alternativas.

Levando-se em consideração a produção de biogás de cada alternativa e a dis-tribuição da demanda energética das instalações da empresa e das próprias alter-nativas, foram propostos dois períodos de operação para os motores em um dia de exploração das instalações.

Os resultados do equilíbrio energético são mostrados na Tabela 5. Para cada al-ternativa, foram propostas duas unidades de cogeração de pequena escala, segundo a classificação de Rubio (2009). A alternativa 3 é a que produz a maior quantidade de biogás e a que tem a maior produção energética. Nessa ordem, seguem-na as alternativas 1 e 2.

Tabela 5 - Resultados do BE.


Demanda kWh elec. (8h às 16h funcionamento planta de biogás + instalações EGP C.C.)

770 770 770

Produção kWh elec. (8h às 16h funcionamento Maci) 786 * 680 ** 1.728 ***

Demanda kWh term. (8h às 16h funcionamento planta de biogás + instalações EGP C.C.)

714 1 013 1 391

Produção kWh term. (8h às 16h funcionamento Maci) 769 * 665 ** 1.690 ***

Produção kWh term. (8h às 16h disponível higienizador) 405 - -

Demanda kWh elec. (16h às 8h funcionamento das câmaras frigoríficas EGP C.C.)

112 112 112

Produção kWh elec. (16h às 8h funcionamento Maci 12 kWe) 112 112 112

Demanda kWh term. (16h às 8h funcionamento do digestor) 7 7 14

Produção kWh term. (16h às 8h funcionamento Maci 12 kWe) 218 218 218(RMC – reator de mistura completa; VCO – velocidade de carga orgânica;

* MACI – 120 kWe; ** MACI – 100 kWe; *** MACI – 250 kWe).

Durante o período de 8h a 16h, as demandas elétrica e térmica aumentam, por-que é nesse horário que ocorre a exploração das instalações da empresa e da planta produtora de biogás. Segundo a análise de integração realizada, para a alternativa 1 (anexos, Figura 1), estas necessidades são atendidas por um Maci de 120 kWe e apro-veitando o calor residual do processo de higienização. Na alternativa 2, a quantidade de biogás não é suficiente para instalar a potência necessária para atender a suas necessidades. Na alternativa 3 (anexos, Figura 2), as necessidades são atendidas por um Maci de 250 kWe. Nos três casos, foi proposto um Maci de potência elétrica pro-


porcional à quantidade de biogás a ser aproveitado. A energia térmica restante é potencialmente aproveitável em necessidades ainda não identificadas.

A demanda energética das três alternativas para o período entre as 16h e as 8h é inferior à do período entre as 8h e as 16h, porque nesses horários do dia só é pre-ciso fornecer a energia elétrica que os equipamentos de congelamento necessitam para as produções da empresa. Tal demanda é atendida por um Maci de 12 kWe de potência elétrica nominal, e parte da energia térmica gerada no motor é aproveitada por meio da cogeração, para atender à demanda térmica do sistema de digestão. Ela é superior na alternativa 3, porque requer mais energia para garantir a digestão termofílica. O restante da energia térmica é potencialmente aproveitável em neces-sidades ainda não identificadas.

Finalmente, o equilíbrio de energia permitiu descartar, do ponto de vista técni-co, a alternativa 2, pois sua produção energética não atende às demandas elétrica e térmica. Além disso, os efluentes produzidos exigiriam um tratamento antes de sua disposição final. Esses tratamentos implicariam, a priori, um custo maior de in-vestimento e operação com relação ao resto das variantes, motivo pelo qual o fator técnico, unido ao fator econômico, torna tal alternativa uma opção a ser descartada. Portanto, as alternativas 1 e 3 são tecnicamente viáveis e foram selecionadas para a análise econômica.

Análise econômica

Na presente epígrafe, apresenta-se de forma resumida os resultados mais signifi-cativos do estudo econômico das alternativas tecnicamente viáveis (alternativas 1 e 3). Este estudo é classificado, segundo a AACE, como de pré-viabilidade econômica. Para o cálculo dos parâmetros econômicos (VAN, TIR, PR) de cada cenário e de cada alternativa, foram fixadas condições econômico-financeiras levando-se em consi-deração as exigências estabelecidas pelo Estado cubano para esse tipo de estudo, assim como elementos sobre o cálculo financeiro no longo prazo. Na Tabela 6 são resumidas essas condições, e na Tabela 7, os resultados econômicos.

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Tabela 6 - Condições econômico-financeiras

Condição Caso A Caso B Caso E Caso F

Taxa de desconto 15% 15% 15% 15%

Juros que renderá anualmente 8% 8% 8% 8%

Anos de devolução (amortização linear)

10 10 10 10

Financiamento orçamento Estado (%) 100% 0% 100% 0%

Financiamento fundos alheios (%) 0% 100% 0% 100%

Imposto sobre utilidades 0% 0% 0% 0%

IPC médio em Cuba de 1999 a 2011 3,43% 3,43% 3,43% 3,43%

Taxa interanual preço combustível convencional estimado

0,99% 0,99% 0,99% 0,99%

Taxa interanual preço UREA 46% -1,53% -1,53% -1,53% -1,53%

Taxa interanual preço TSP 46% -1,26% -1,26% -1,26% -1,26%

Taxa interanual preço KCl 60% -1,40% -1,40% -1,40% -1,40%

Taxa interanual preço EUA - 6,11% - 6,11%

Tabela 7 - Resultados econômicos

Variáveis Caso A Caso B Caso E Caso F

Custo total do investimento (CUC) 602.082 687.855

Costo O&M (CUC) 18.884 24.430

Benefícios totais anuais (CUC) 58.198 62.072 100.694 106.641

VAN (CUC) -359.252 -184.434 -205.626 7.793

TIR (%) 2,4 0,9 9,3 15,7

PR (anos) 15 10 8 7(CUC – peso conversível cubano, 1 CUC ≡ 1 USD, câmbio fixo, Banco Central de Cuba)

A alternativa 1 (casos A e B) tem um custo de investimento e de O&M menor que a alternativa 3 (casos E e F), fundamentalmente porque na 3 é preciso investir e manter um Maci de maior potência. Os maiores benefícios se devem à economia de combustível convencional para produzir energia elétrica, e eles são maiores na alter-nativa 3, porque a produção de biogás e, portanto, de energia elétrica são maiores. Os benefícios dos casos financiados pelo Estado cubano para uma mesma alterna-tiva são menores que os dos financiados por um projeto MDL, porque estes últimos incluem os benefícios pela venda de EUA no mercado europeu. Portanto, atendendo somente aos benefícios totais, os casos financiados por um projeto MDL são, a priori, economicamente mais interessantes que os casos financiados pelo Estado cubano.

Por outro lado, se forem observados os resultados da Tabela 7, será possível com-provar que a alternativa 3 sempre é mais vantajosa que a alternativa 1 do ponto de vista dos parâmetros estudados (PR, VAN, TIR). Para determinada alternativa, sempre é mais vantajosa a opção de participar com 100% de capital alheio por meio


de mecanismos de financiamento de projetos MDL, que o investimento do próprio Es-tado cubano (100% de capital próprio). Isso se deve ao fato de que, apesar de contar com um empréstimo, implica o pagamento de juros. Gera-se um lucro pela venda de direitos de emissões EUA.

Uma análise mais detalhada da citada na Tabela 7 permite ressaltar que a VAN é sempre menor que zero para todos os casos, exceto para o caso F. Esses resultados são atribuídos à taxa de desconto fixada (15%), que é maior que a TIR que se obtém para todos os casos, menos para o F, donde o TIR supera a taxa de desconto (15,7% > 15%). Dos projetos de investimento é exigida uma rentabilidade alta, como se expli-cita nas condições estabelecidas pelo Estado cubano para a realização de estudos de viabilidade desse tipo. O fato de que o VAN na maioria das variantes de investimento é negativo não significa que elas serão rejeitadas porque não gerarão fluxos de caixa positivos nem muito elevados no final do período do estudo. É possível argumentar isso, porque o presente projeto não é um investimento com fins de lucrativos; antes disso, é um projeto de investimento com o objetivo de solucionar uma problemática ambiental e de demonstrar a viabilidade da tecnologia no âmbito nacional.

Por outro lado, todos os projetos obtêm TIR positivas (de 0,9%, 2,4%, 9,3% e 15,7%) e períodos de retorno menores a 15 anos, motivo pelo qual nenhum deles deixa de ser rentável e de se recuperar ao longo do tempo de vida útil da instalação. É louvável ressaltar que o PR de todos os casos é inferior a 20 anos, o que significa que os respectivos investimentos são amortizados antes dos 20 anos, com destaque para o caso F, com o menor de tempo de amortização de todos, 7 anos. O pior dos casos, a alternativa 1, financiada 100% com capital próprio cubano, tem um período de retorno de 15 anos. Isso é um resultado importante, porque permite afirmar que o dinheiro que for investido, seja pelo governo cubano, seja por um investidor externo, não se perderá e será recuperado ao longo da vida útil da instalação, prevista para 20 anos. Os investimentos não alcançam rentabilidades muito altas, no entanto são amortizados. Volta a se destacar o caso F, porque ele é o único que se amortiza e, ao mesmo tempo, alcança uma rentabilidade maior que a exigida, 15%.

Os resultados econômicos permitem afirmar que a alternativa 3 é a mais viável economicamente. Entretanto, dentro das variantes da alternativa 3, o cenário F é o mais interessante da perspectiva econômica, porque obteve o maior VAN, o maior TIR e o menor PR. No entanto, o cenário E também é amortizado em pouco tempo e é rentável, motivo pelo qual poderia ser escolhido como a melhor variante a ser financiada pelo Estado cubano.

Investir em uma tecnologia que não terá uma rentabilidade muito alta, mas que permitirá amortizar o investimento em um tempo menor ao estimado para a duração dele, e que, além disso, permitirá contribuir para a sustentabilidade de um setor pri-mário do país, é uma forma adequada de desembolsar capital. Isto é, outros critérios,

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diferentes do meramente econômico, também são válidos para optar pela alternati-va 3, em qualquer um de seus cenários.

Elementos sobre o impacto da tecnologia na EGP C.C. no âmbito setorial

Buscando a objetividade dos impactos positivos que a implementação desta tec-nologia teria em nível local e setorial, decidiu-se apresentar os resultados quantita-tivos, em função de seu caráter mais tangível e a partir do qual pode se desprender parte dos mais subjetivos. Por isso, para esta epígrafe seja quantificada, impactos desde os artistas principais: impacto econômico e ambiental.

Nas Tabelas 8 e 9 são resumidos alguns dos benefícios econômicos e ambientais, respectivamente, que haveria para a empresa e para o setor pecuarista da nação, representados neste trabalho pela rede de EPG, pela implementação da planta de biogás com a alternativa 3.

Tabela 8 - Impacto econômico

Benefícios econômicos EGP C.C. (CUC/CUP) Restante da EPG (CUC/CUP)

Benefícios anuais - economia de energia elétrica ($/ano)

8.595/214.872 85.950/2.148.720

Benefícios anuais - economia de gás liquefeito ($/ano)

7.849/188.366 78.490/1.883.660

Benefícios anuais - economia de carvão vegetal ($/ano)

83/2.068 830/20.680

BENEFÍCIOS TOTAIS 16.526/405.307 165.260/4.053.070

Tabela 9 - Impacto ambiental

Benefícios ambientais EGP C.C. Restante da EPG

Total de resíduos sólidos tratados (T/ano) 1.426 14.260

Total de resíduos líquidos tratados (m3/ano) 5.040 50.400

Total de emissões equivalente a CO2 evitadas (GEI) (T/ano)

586 5.860

Total de fertilizante mineral deslocado (N-P-K) por biofertilizante (sólido + líquido) (T/ano)

5-1-3 50-10-30

Para quantificar os impactos na rede de EPG do país, os resultados da EGP C.C. foram extrapolados para as outras 10 empresas, assumindo que elas têm uma estru-tura similar à da estudada, ou seja, que elas possuem instalações similares às traba-lhadas na EPG Camilo Cienfuegos, quanto à quantidade, atividade econômica que realizam, número de trabalhadores, etc. Portanto, elas gerariam uma quantidade e uma qualidade de resíduos similares, e do biogás que estes produziriam poderiam ser obtidos benefícios econômicos e ambientais iguais aos da EGP C.C.


A magnitude dos valores que são informados nas Tabelas 8 e 9 pode dar uma me-dida objetiva do impacto econômico e ambiental dessa tecnologia, tanto no âmbito local como no nacional. Infere-se também o impacto social como consequência dos motivos anteriores. Para se ter uma ideia do que tais números podem causar, anali-sando somente o impacto dos benefícios econômicos sobre o salário médio mensal dos trabalhadores de todas as EPG (513 CUP para o ano de 2012, atividade econô-mica: Agricultura – caça – silvicultura – pesca) [37], ele poderia aumentar 49%.

CONCLUSõES

Com o desenvolvimento deste trabalho e dos resultados alcançados, é possível chegar às seguintes conclusões sobre o projeto de investimento de uma planta de biogás centralizada na EGP C.C.:

1) a EPG tem uma séria situação ambiental pelo ineficiente manejo dos resíduos que são gerados durante sua gestão e requer um investimento em tecnologia que permita fazer o tratamento de tais resíduos de ma-neira mais comprometida com o meio ambiente, e que, ao mesmo tem-po, permita aproveitar seu potencial como fonte de energia renovável e como biofertilizante;

2) três variantes tecnológicas foram apresentadas como possíveis projetos da planta de biogás e cumpriram com o marco legislativo europeu quanto ao uso adequado à avaliação dos subprodutos animais;

3) duas das alternativas tecnológicas propostas (alternativas 1 e 3) são tec-nicamente viáveis de se implementar, uma vez que atendem às necessida-des energéticas da planta e das instalações da EGP C.C.;

4) a alternativa 3, financiada por um projeto MDL, é a mais interessante do ponto de vista econômico, sem descartar o financiamento com orçamento do Estado cubano;

5) o estudo demonstrou que a planta de biogás na EGP C.C. é viável do ponto de vista técnico, econômico e ambiental;

6) sem dúvida, a tecnologia a ser introduzida na EGP C.C. terá um impacto positivo do ponto de vista ambiental, econômico e social, que contribuirá para a melhoria da gestão da organização e, com isso, para o desenvolvi-mento sustentável da empresa e do setor pecuarista;

7) a realização deste projeto contribuirá para demonstrar a viabilidade de estender a tecnologia para o resto de empresas do Minag, e seu potencial para outros setores primários da economia da nação; com isso, contribuirá com o desenvolvimento sustentável e reverterá a dependência dos com-bustíveis fósseis; e

97

8) o desenvolvimento alcançado neste projeto fortaleceu a capacidade dos centros de pesquisa universitários do país para trabalhar em conjunto com o setor empresarial, visando desenvolver projetos com impacto local e nacional e, assim, demonstrar a necessária estreita cooperação entre governos, pesquisadores, empresários e elementos envolvidos em cada problema e em um projeto em particular, com soluções práticas aos pro-blemas nacionais.


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ANEXO 1

Esquema de integração das demandas e produção energética da alternativa 1.


Anexo 2

Esquema de integração das demandas e da produção energética da alternativa 3.

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>>> PRODUÇÃO DE HIDROGêNIO A PARTIR DE BIO-ÓLEO EM UM SISTEMA DE DUAS ETAPAS DE REFORMA COM VAPOR EM SéRIE

Claudia Lorena María Santiviago PetzoldtOrientadora: Ana G. GayuboCoorientadora: Beatriz Valle

RESUMO

Neste trabalho, foi estudada como alternativa de valorização do bio-óleo a pro-dução de H2 por meio de sua reforma com vapor em duas etapas catalíticas em sé-rie, precedidas de uma etapa térmica de separação de lignina pirolítica: na etapa 1, ocorreu uma pré-reforma com dolomita calcinada como catalisador de baixo custo em reator de leito fixo; e, na etapa 2, foi realizada a reforma com o catalisador Ni/La2O3-α-Al2O3 em leito fluidizado. O bio-óleo utilizado foi obtido por pirólise rápida de serragem de pínus e foi estabilizado com 20% de etanol (EtOH) em base seca. A temperatura da etapa principal de reforma foi fixada no valor ideal previamente determinado para a reforma com vapor de bio-óleo sobre catalisador Ni/La2O3-α-Al2O3 em um processo com duas etapas (tratamento térmico a 500 ºC + reforma a 700 ºC), que demonstrou ser eficaz na obtenção de rendimentos elevados de H2, e foi analisada a influência das condições (temperatura e velocidade espacial) da etapa de pré-reforma com dolomita sobre i) a composição da corrente de saída do pré-re-formador e ii) o comportamento do catalisador de Ni (conversões de bio-óleo e EtOH, e rendimentos de H2 e de subprodutos) na etapa de reforma principal posterior. Os resultados indicam que a dolomita promove a formação de compostos mais difíceis de serem reformados que os obtidos exclusivamente após uma etapa de tratamento térmico do bio-óleo e que também favorecem a desativação do catalisador de Ni no segundo leito de reforma, motivo pelo qual, nas temperaturas estudadas no processo global com duas etapas de reforma, são obtidas conversões menores da alimentação e rendimentos de H2 globais inferiores aos obtidos com uma única etapa de reforma com catalisador de Ni/La2O3-α-Al2O3.

PALAVRAS-CHAVE: Produção de hidrogênio. Bio-óleo bruto. Reforma catalítica com vapor. Dolomita.

UR

UG

UA

I


ABSTRACT

The hydrogen production by steam reforming of bio-oil in 2 catalytic steps in se-ries, preceded by a thermal stage to separate the pyrolytic lignin by heating, has been studied as an alternative to valorize the bio-oil: step 1) pre-reforming with cal-cined dolomite as inexpensive catalyst in a fixed bed, and step 2) reforming with Ni/La2O3-α-Al2O3 catalyst in a fluidized bed. The bio-oil used was obtained by the fast pyrolysis of pine sawdust, stabilized by using 20% ethanol (EtOH) (water free basis). The temperature used in the main reforming step (700 ºC) is that previously determined as optimum for the steam reforming of bio-oil with Ni/La2O3-α-Al2O3 in a 2-step process (thermal treatment at 500 ºC + steam reforming at 700 ºC), which has been proven to be efficient for obtaining high yields of hydrogen from bio-oil. It has been analyzed the influence of the operating conditions (temperature and space velocity) in the pre-reforming step with dolomite on both i) the composition of the pre-reformig products stream and ii) the conversions of bio-oil and EtOH and yields of H2 and byproducts obtained in the global process with 2 reforming steps in series. The results indicate that the dolomite promotes the formation of compounds that are more difficult to reform and also promote catalyst deactivation in the second reforming bed, so at the temperatures studied, lower conversions and lower global H2 yields are obtained compared to those obtained with only one reforming step with Ni/La2O3-α-Al2O3 catalyst.

KEYWORDS: Hydrogen production Crude bio-oil. Catalytic steam reforming. Dolomite.

105

INTRODUÇÃO

O aumento contínuo do preço do petróleo relacionado com o esgotamento de suas reservas e com razões especulativas e geopolíticas, unido às preocupações am-bientais com as emissões de CO2, obriga a diversificar as fontes de energia. Sob essa perspectiva, as energias procedentes de fontes renováveis se transformam em alter-nativas atrativas para conseguir a segurança de abastecimento energético, com o benefício adicional de descentralizar geograficamente a produção, permitindo um acesso energético mais equitativamente distribuído e reduzindo as emissões de ga-ses de efeito estufa.

Em um contexto mundial para o qual, no ano 2010, o consumo de petróleo era de aproximadamente 32 bilhões de barris (mais de 85% do consumo energético total) e com a estimativa de aumentar esse consumo em 40% até 2030 (BP, 2011), parece clara a necessidade de propor o desenvolvimento de outras fontes energéticas, lim-pas, confiáveis e sustentáveis. Uma das possíveis respostas para esse problema é o uso do H2 como fonte de energia.

O H2 é um vetor energético, não um recurso; é preciso produzi-lo. Será uma fonte energética limpa e sustentável na medida em que a matéria-prima a partir da qual for obtida também o for, motivo pelo qual, nas condições atuais, considerando que 96% de sua produção provêm de combustíveis fósseis (BOTAS, 2004), não o é. A água é o principal produto da combustão de H2. A produção a partir da biomassa pode reduzir as emissões de CO2 e NOx substancialmente, podendo inclusive alcançar um balan-ço neutro de CO2 (SHARMA et al., 1991). Adicionalmente a seu uso como portador energético, o H2 também é uma matéria-prima para a indústria química. O mercado mundial de H2 se divide nos setores de produção de NH3 para a indústria de fertilizan-tes (49%), refino de petróleo (37%), síntese de metanol (8%) e aplicações menores em indústrias como a alimentícia, eletrônica e metalúrgica (6%) (Stiegel e Ramezan, 2006). Atualmente, 48% do H2 produzido mundialmente é obtido por reforma catalí-tica de gás natural; 30%, por reforma de correntes de refinaria; 18% por gaseificação do carvão; e os 4% restantes por eletrólise da água (Balat e Kirtay, 2010).

Para se tornar uma realidade a economia de H2, que corresponde a uma visão de futuro na qual este gás é gerado de forma econômica e sustentável, permitindo satisfazer grande parte das necessidades energéticas da sociedade, é preciso supe-rar numerosos desafios técnicos, sociais e políticos. A melhor alternativa para evi-tar a geração de CO2 na produção é a eletrólise da água. Entretanto, esse processo tem um custo absurdo, associado a fortes limitações tecnológicas. A previsão até 2100 (Kirtay, 2011) é de um cenário de transição entre a obtenção de H2 a partir de gás natural (por reforma com vapor) e de água (eletrólise), em que a matéria--prima emergente seja a biomassa lignocelulósica. Essa alternativa é interessante para ser implantada imediatamente, em função de sua pequena contribuição para a


emissão de CO2, disponibilidade universal da biomassa, integração com a exploração de recursos naturais e por sua contribuição para uma economia social sustentável. Consequentemente, o desenvolvimento tecnológico das diferentes alternativas de obtenção de H2 a partir da biomassa mereceu uma notória atenção na bibliografia (Ni et al., 2006; Holladay et al., 2009; Balat e Kirtay, 2010; Kirtay, 2011). Dentro das alternativas de obtenção de H2 a partir de biomassa, pode-se distinguir entre alter-nativas de obtenção direta (gaseificação, pirólise a alta temperatura, pirólise catalí-tica e processos biológicos) e alternativas com etapas intermediárias de obtenção de oxigenados (etanol, metanol, bio-óleo, etc.) para sua posterior reforma.

Produção de H2 a partir de bio-óleo por meio de reforma catalítica com vapor

O interesse da alternativa de obtenção de H2 a partir de bio-óleo está fundamen-tado em uma estratégia de deslocalização geográfica dos pontos de obtenção do produto líquido (por meio da pirólise de biomassa lignocelulósica) e o posterior trans-porte para sua avaliação (por meio da reforma com vapor) centralizada e em gran-de escala. Esta é uma vantagem diante do processo de gaseificação direta, limitado principalmente pela baixa produção de H2 e pela elevada dispersão da biomassa, que gera custos de transporte elevados, associados a estruturas tecnológicas com-plexas e pouco adaptáveis a instalações pequenas (Wu et al., 2008). Desse modo, processar a biomassa in situ para transformá-la em bio-óleo, matéria-prima de maior uniformidade e densidade energética, é uma alternativa economicamente mais inte-ressante para produzir H2 que a gaseificação direta de biomassa.

O bio-óleo é uma microemulsão em que a fase contínua, constituída por uma solu-ção aquosa dos produtos derivados da decomposição de celulose e hemicelulose, es-tabiliza a fase descontínua, formada por oligômeros hidrófobos derivados da lignina. Essa microemulsão se estabiliza com a formação de pontes de hidrogênio e de nano e micromicelas (Fratini et al., 2005). Possui um conteúdo de água ≈ 25% na massa, que provém da umidade da biomassa de partida e do craqueamento da celulose e da hemicelulose. É um líquido marrom, viscoso e instável, composto de uma grande va-riedade de hidrocarbonetos oxigenados (mais de 300, entre ácidos, álcoois, cetonas, aldeídos, fenóis, ésteres, etc.) que se formam por meio da despolimerização e quebra das cadeias poliméricas naturais de celulose, hemicelulose e lignina na pirólise (Lu et al., 2009). O conteúdo mássico de oxigênio do bio-óleo é de aproximadamente 35% a 60% em massa de base seca, dependendo das condições da pirólise e da matéria--prima de partida ou de seu tratamento prévio (Lu et al., 2009).

Considerando os numerosos componentes do bio-óleo, este pode ser represen-tado, por simplificação, por meio da fórmula básica elementar CnHmOk. Por sua vez, a reação química de reforma catalítica com vapor de bio-óleo pode ser simplificada

107

como a reação endotérmica de reforma desse composto oxigenado representativo, como indica a Equação (1).

(1)

Esta reação é acompanhada pela reação exotérmica “water gas shift” (WGS):

(2)

motivo pelo qual a reação global de reforma com vapor de bio-óleo pode ser re-presentada como:

(3)

Entretanto, o rendimento de H2 é inferior ao rendimento estequiométrico indica-do na Equação (3) em consequência das reações de metanação (Equações (4) e (5)), da reação de Boudouart (Equação (6)) e das reações de craqueamento ou decompo-sição térmica, simplificadas na Equação (7).

(4)

(5)

(6)

(7)

O processo de produção de H2 a partir de bio-óleo por meio da reforma catalítica com vapor foi ganhando notoriedade. No entanto, existem inconvenientes operacio-nais relacionados a ele derivados da pirólise de lignina (componentes fenólicos prin-cipalmente), que repolimerizam durante o aquecimento do bio-óleo e originam um sólido carbonoso (lignina pirolítica, LP), que afeta a operacionalidade do reator e a desativação do catalisador por deposição de coque. Esta LP é constituída por oligôme-ros fenólicos de unidades básicas muito similares à lignina da madeira (Scholze et al., 2001; Bayerbach, 2006). A resolução desses problemas fez com que a maior parte dos estudos sobre a comparação de catalisadores e reatividade do bio-óleo tenham sido realizados com compostos-modelo do bio-óleo e de sua fração aquosa, cujo conteúdo de componentes polimerizáveis é visivelmente menor que no bio-óleo completo.

Foi estudada a reforma de numerosos compostos-modelo, que é a reação mais es-tudada que a da reforma de ácido acético com catalisadores de Ni (geralmente com La


ou Co como promotores) (Wang et al., 1997; Basagiannis e Verykios, 2006; Medrano et al., 2011). Com esse tipo de catalisadores também foi estudada a reforma de outros compostos-modelo, como a acetona e o fenol (Rioche et al., 2005), a hidroxiacetona (Ramos et al., 2007) e o tolueno (Zhao et al., 2010). Também foram utilizados na re-forma desse tipo de compostos-modelo catalisadores de metais nobres (Pt, Pd, Rh, Ru) suportados sobre γ-Al2O3, CeO2, ZrO2 (Rioche et al., 2005; Vagia e Lemonidou, 2008).

A reforma da fração aquosa de bio-óleo, obtida por meio da separação de fases pela adição de água, apresenta menos dificuldades que a reforma do bio-óleo com-pleto. Os catalisadores utilizados em trabalhos anteriores são de Ni suportados sobre α-Al2O3 (García et al., 2000; Medrano et al., 2011), sobre dolomita (Li et al., 2009; Wu et al. 2008) e sobre MgO (Zhang et al., 2011). Também foram incorporados metais nobres na fase ativa, como Ru suportado sobre MgO/γ-Al2O3 (Basagiannis e Verykios, 2007). Como resultado padrão se obtém um rendimento de H2 de até 65%, a tempe-raturas em torno de 800 ºC, relação molar vapor de água a carbono (S/C) superior a 10 e velocidades espaciais (WHSV) ≈ 1,0 h-1. O aumento de temperatura e de S/C favorece a gaseificação do coque, atenuando a desativação do catalisador. A reforma de bio-óleo completo foi estudada por poucos autores, devido a suas dificuldades. Io-joiu et al. (2007) estudaram a reforma do bio-óleo bruto com catalisadores de Pt e Rh suportados sobre Ce0.5Zr0.5O2, em um reator monolítico e obtiveram um rendimento máximo de H2 de 70% sobre catalisadores de Pt com S/C=10 a 780 ºC. Seyedeyn--Azad et al. (2011) obtiveram um rendimento potencial de H2 de 73% com catalisa-dor Ni/Al2O3, em reator de leito fixo a 950 ºC, com S/C=5 e WHSV de 13 h-1. Esses autores também comprovaram maior atividade do catalisador Ni/Al2O3 com Ru como promotor e conseguiram um rendimento potencial de H2 de 85% (Salehi et al., 2011).

Entre as estratégias utilizadas na bibliografia para resolver o problema da repoli-merização dos derivados da lignina presentes no bio-óleo se destacam as seguintes.

Coalimentação de álcool. A adição de alcoóis mostra um efeito significativo na estabilização do bio-óleo. Uma adição de 10% de metanol previne o envelhecimen-to do bio-óleo durante pelo menos um ano (Diebold e Czernik, 1997). Esse efeito obedece, além de à diluição física, a uma mudança na microestrutura da emulsão de bio-óleo e às reações entre os componentes do bio-óleo com o álcool (esterificação e acetilação), que limitam crescimentos da cadeia. Considerando sua simplicidade e seu baixo custo, este é um método muito prático. Tanto o metanol como o etanol podem ser adicionados ao bio-óleo com conteúdo moderado de água. Czernik et al. (2007) estabilizaram o bio-óleo com 10% de metanol e, com um catalisador de Ni comercial, alcançaram um rendimento de H2 de 90%, que diminui até 70% em 10 h, devido à desativação e atrição do catalisador.

Reforma em duas etapas. É uma estratégia interessante para a produção de H2 em grande escala. Foi escolhido um catalisador de baixo custo, para realizar uma re-

109

forma catalítica primária. A corrente gasosa resultante é purificada por meio de uma reforma adicional com um catalisador metálico, que minimiza a rápida desativação que este catalisador sofrerá pelo contato direto dos compostos oxigenados presentes no bio-óleo. Wu et al. (2008) realizaram a reforma em duas etapas catalíticas, com dois leitos fixos em série, utilizando primeiro a dolomita, que sofre a principal deposi-ção de coque, e depois um catalisador de Ni/MgO com temperaturas > 850 ºC e S/C > 12 para uma conversão elevada.

Objetivos

Neste projeto foram ampliados os estudos iniciados por Remiro (2012), nos quais foram determinadas as melhores condições de produção de H2 por meio da reforma com vapor do bio-óleo completo em um processo de duas etapas (térmica + catalíti-ca). Esse processo com duas etapas demonstrou ser eficaz para a valorização do bio--óleo por transformação catalítica em hidrocarbonetos sobre catalisadores de zeolita HZSM-5 (Gayubo et al., 2010), assim como para sua reforma em H2 sobre catalisador de Ni/La2O3-α-Al2O3 (Remiro et al., 2013), pois permite a deposição controlada da LP que se forma durante o aquecimento do bio-óleo.

Propõe-se como objetivo principal estudar o efeito de realizar a reforma catalítica de uma alimentação de bio-óleo estabilizada com etanol em duas etapas catalíticas de reforma em série: a primeira etapa de pré-reforma (E1), utilizando um catalisador de baixo custo (dolomita), seguida da reforma catalítica (E2) dos produtos obtidos na pré-reforma, utilizando catalisador de Ni/La2O3-α-Al2O3. Para realizar este estudo, foram propostos os seguintes objetivos parciais:

a) analisar o efeito da temperatura no reator da pré-reforma com dolomi-ta sobre a conversão da mistura bio-óleo/EtOH e sobre a composição de produtos emergentes desta primeira etapa, assim como o efeito que ela tem sobre o rendimento de H2 resultante do processo com duas etapas de reforma em série, e sobre a estabilidade do catalisador Ni/La2O3-α-Al2O3

da segunda etapa de reforma;b) analisar o efeito da velocidade espacial em cada etapa de reação (reator

de pré-reforma com dolomita e reator de reforma com Ni/La2O3-α-Al2O3) sobre a conversão da mistura bio-óleo/EtOH alimentada, o rendimento de H2 e a estabilidade do catalisador metálico; e

c) comparar os resultados obtidos neste projeto, quanto a conversões e ren-dimentos do processo com três etapas (térmica + pré-reforma + reforma) (com dolomita como catalisador na etapa de pré-reforma) com os resulta-dos obtidos em trabalhos anteriores para a reforma do bio-óleo com duas etapas (térmica + reforma com Ni/La2O3-α-Al2O3), com o objetivo de es-tabelecer a melhor estratégia de produção de H2.


METODOLOGIA

Caracterização do bio-óleo e da lignina pirolítica

O bio-óleo utilizado foi produzido no Centro de Pesquisas Tecnológicas Ikerlan, por meio da pirólise rápida de serragem de pínus a 525 ºC, em uma planta piloto, com reator de leito de jorro (spouted bed) cônico com N2 como agente fluidificante. Os principais compostos e famílias de componentes deste bio-óleo, determinados por GC/MS em um equipamento Shimadzu QP2010S, fornecido de uma coluna do tipo TBR-1MS, são detalhados na Tabela 1.

Tabela 1 - Principais grupos de componentes do bio-óleo bruto utilizado

Grupo ou composto % em massa

Ácido acético 12.8

Acetona 5,5

Outras cetonas 3,8

1-hidroxi-2-propanona 16,3

Hidroxiacetaldeído 8,5

Metanol 1,3

Outros álcoois 2,3

Levoglucosano 11,0

Outros ácidos 3,9

Ésteres 5,1

Outros aldeídos 6,5

Fenóis 16,6

Éteres 1,4

Outros 0,4

Sem identificar 2,6

O conteúdo de água determinado por valoração Karl Fischer em um titulador KF Titrino Plus 870 foi de 35% em massa. A análise elementar por via seca, expressa em massa percentual, foi determinada a partir das porcentagens mássicas dos compo-nentes que compõem o bio-óleo, obtendo-se uma composição de 50,5% de C, 7,1% de H e 42,4% de O. A partir deste resultado, obteve-se a fórmula teórica em base seca do bio-óleo bruto alimentado, considerando um único composto oxigenado re-presentativo (C4,21H7,14O2,65).

Com o objetivo de estabilizar o bio-óleo bruto, este foi diluído com o azeótropo EtOH/água, na proporção EtOH = 80:20 (base seca). Portanto, junto com a reação de reforma de bio-óleo, Equação (3), acontecerá a reforma de EtOH, segundo (8).

111

(8)

A quantidade de LP depositada em cada ensaio na primeira unidade do sistema (etapa térmica) foi determinada por meio da diferença de pesagem, utilizando-se uma balança digital (Electronic Balances EK-600H, Bradford, MA, USA), e sua análise elementar (necessária para fazer o fechamento dos balanços globais de matéria) foi realizada com um analisador elementar Elemental Analyzer (CHNS) de EuroVector.

Preparação e caracterização da dolomita e do catalisador metálico

Foi utilizada dolomita (fornecida por Calcinor) como catalisador de baixo custo na pré--reforma, com um tamanho de partícula de 1-2 mm, e calcinada a 850 ºC durante 5 h.

O catalisador metálico Ni/La2O3-α-Al2O3 da segunda etapa de reforma foi sele-cionado com base nos resultados obtidos por Valle et al. (2013) e foi preparado por meio de impregnação por umidade incipiente, segundo o descrito por Alberton et al. (2007). Primeiramente, foi realizada a impregnação a 70 ºC, em rotaevaporador BÜCHI R-114 a vácuo e com agitação contínua, de α-Al2O3 (Derivados do Flúor) com uma solução aquosa de La(NO3)3·6H2O (Alfa Aesar), com um conteúdo nominal de La2O3 de 10% de peso. O suporte foi calcinado a 900 ºC durante 3 h. A adição de La melhora a estabilidade do catalisador e diminui a formação de depósitos de carbono, pois aumenta a participação na gaseificação dos precursores de coque por meio de intermediários de oxicarbonatos de lantânio (Bangala et al., 1998; Fatsikostas et al., 2002; Sánchez-Sánchez et al., 2007). Posteriormente, o suporte obtido (a 70 ºC, a vácuo e com agitação contínua) foi impregnado com Ni(NO3)2·6H2O, para um con-teúdo nominal de Ni de 10% de peso, com relação ao catalisador final. A calcinação final foi realizada a 550 ºC durante 2 h. O tamanho de partícula do catalisador utili-zado foi de 150-250 µm. Os conteúdos mássicos reais de Ni e de La2O3, determinados por meio do ICP-AES, foram 9,2% e 8,2% respectivamente.

Foi determinada a área específica, o volume e o diâmetro médio de poros de am-bos os catalisadores por meio da adsorção-dessorção de N2 em um equipamento Au-tosorb iQ Quantachrome Instruments. Para o catalisador Ni/La2O3-α-Al2O3, foi feita uma redução a uma temperatura programada (TPR), em um equipamento Autochem II 2920 de Micromeritics, para determinar temperatura e capacidade de redução das espécies presentes. Por meio de uma análise de quimissorção de H2 (Autosorb iQ Quantachrome Instruments) foi determinada a superfície metálica ativa. Os resulta-dos estão resumidos na Tabela 2.

A redução no intervalo 330-630 ºC corresponde à redução do NiO a Ni metá-lico (Akande et al., 2005). Os picos, a temperaturas mais elevadas, correspondem


à redução do NiO incorporado ao Al3+ do suporte durante a fase de impregnação (Alberton et al., 2007). Diferentemente, Li e Chen (1995) afirmam que correspon-deriam à redução da espinela (NiAl2O4). A adição de La sobre o suporte aumenta a proporção de espinelas devido à forte interação entre o Ni e os íons de La (Sánchez--Sánchez et al., 2007).

Tabela 2 - Propriedades físicas dos catalisadores

Dolomita calcinada Ni/La2O3-α-Al2O3

SBET (m2/g) 10,4 33,9

Vporos (cm3/g) 0,29 0,16

Dporo (Å) 31,5 152

Número de picos - 4

T redução (ºC) - 330, 550, 630 e 740

Superfície metálica (m2/g) - 5,27

Dispersão (%) - 7,92

Equipamento de reação

Descrição

A Figura 1 mostra o esquema do equipamento de reação, que consta de duas uni-dades em série: a primeira unidade é um reator de tubo em U de aço com a entrada refrigerada por água, utilizada para realizar: i) o tratamento térmico (ET) da alimen-tação bio-óleo/EtOH; e ii) a primeira etapa catalítica (E1) de pré-reforma/craquea-mento da alimentação, utilizando dolomita calcinada disposta em leito fixo no ramo de saída da unidade. Na base do reator em U, anteposto ao leito fixo de dolomita calcinada, encontra-se um depósito retangular, que permite reter a deposição da LP. Nos casos em que foi utilizada dolomita calcinada nesse reator, esta foi suportada e retida pela lã de vidro. A segunda etapa de reação (E2) ou reforma catalítica principal é realizada em um reator de leito fluidizado, conectado com a saída do tubo em U por meio de uma linha termicamente isolada.

O equipamento dispõe de um sistema de alimentação independente da mistura bio-óleo/EtOH e da água, que utiliza bombas diferentes. A supervisão e o controle da unidade de processo e o registro de dados no tempo são feitos por meio do softwa-re de controle de processos Process@ v.2.0.

113

Figura 1. Esquema do equipamento de reação.

A amostragem da corrente de produtos é realizada de forma contínua. Um peque-no fluxo dos gases que sai do reator (40 mL·min-1) é diluído com He (66 mL·min-1) e arrastado por meio de uma linha termicamente isolada a 185 ºC até um croma-tógrafo de gases (Agilent Micro GC 3000), que coleta uma amostra a cada 2,5 min, para ser analisada. O Micro GC tem quatro módulos de análise, que incluem injetor fixo, coluna e detectores TCD. O primeiro canal permite fazer a análise de gases per-manentes (O2, N2, H2, CO, CH4); o segundo analisa oxigenados (MeOH, dimetil éter, CO2) e água; no terceiro canal, é determinado o conteúdo de hidrocarbonetos leves (C2–C6); e no quarto canal, de hidrocarbonetos pesados (C6–C12) e outros compostos oxigenados. Os dados são coletados e tratados pelos softwares de análise cromato-gráfica Soprane (versão 2.4.0b). A área de cada pico cromatográfico é proporcional à quantidade molar desse composto presente na amostra e deve levar em conta os fatores específicos de calibragem, que foram obtidos a partir da análise de diferen-tes amostras padrão. A partir das áreas cromatográficas integradas e dos fatores, calcula-se cada fração molar.

O fluxo restante que não foi desviado para o cromatógrafo é resfriado a 0 ºC em um condensador Peltier e obtém-se duas correntes: i) compostos incondensáveis, que abandonam o equipamento por uma saída para gases; e ii) fração condensada, coletada em um recipiente, que é finalmente pesado em uma balança digital (Elec-tronic Balances EK-600H, Bradford, MA, USA). A composição da corrente líquida é analisada por GC/MS em um equipamento Shimadzu QP2010S com uma coluna do tipo TBR-1MS.


Condições de operação

O efeito da temperatura sobre a atividade catalítica da dolomita na primeira eta-pa de reação (pré-reforma) foi estudado a 500 ºC, 600 ºC e 700 ºC, analisando-se a evolução da composição da corrente de saída e das conversões de bio-óleo e de EtOH e o rendimento de H2. Os ensaios foram realizados com base na relação S/C 6 (encontrada na saída da etapa térmica, isto é, calculada após subtrair o conteúdo de C depositado como LP na etapa térmica) e na velocidade espacial mássica horária de alimentação bio-óleo/EtOH (WFHSV1) de 0,42 h-1 (correspondente a 11,3 g de dolo-mita calcinada, massa suficientemente elevada para ter alta estabilidade durante o tempo de reação do ensaio). A corrente de saída do pré-reformador foi alimentada na segunda etapa (reforma com catalisador Ni/La2O3-α-Al2O3) nas seguintes condi-ções: 700 ºC; 1,3 g de catalisador; velocidade espacial equivalente de CH4 a 25 ºC e 1 atm (GC1HSV), 4.200 h-1.

Na Figura 2 é mostrado um esquema do processo com duas etapas catalíticas, precedidas da etapa térmica para deposição controlada de LP; e na Figura 3 é esque-matizado o processo de duas etapas, térmica (500 ºC) + catalítica (700 ºC). O depó-sito retangular que coleta a LP formada está localizado antes da unidade E1, e este é o fluxo saliente (LP) representado nas Figuras 2 e 3. No processo em três etapas, a temperatura da etapa térmica (ET) é necessariamente a mesma que a da etapa de pré-reforma (E1), pois ambas acontecem na mesma unidade (tubo em U).

Figura 2. Esquema do processo de reforma de bio-óleo com etapa catalítica dupla em série (ET + E1 + E2).

Figura 3. Esquema do processo de reforma de bio-óleo em duas etapas (térmica + catalítica), (ET + E2).

115

Foi estudado o efeito da velocidade espacial no primeiro leito de reforma no pro-cesso com etapa catalítica dupla, com valores de WFHSV1≈ 0,42 h-1, 0,84 h-1 e 1,68 h-1, correspondentes a 11,3 g, 5,6 g e 2,8 g de dolomita respectivamente, mantendo--se fixo o valor de GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1 para a velocidade espacial na segunda etapa. Igualmente, foi analisado o efeito da velocidade espacial na segunda etapa de re-forma com valores de GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1 e 11.000 h-1, o que corresponde a massas de catalisador de 1,3 g e 0,5 g respectivamente, para um valor fixo de velocidade espacial na etapa de pré-reforma de WHSV1 ≈ 0,42 h-1.

Os ensaios cinéticos foram realizados durante 4 h, à pressão atmosférica, com caudal de alimentação de bio-óleo/EtOH de 0,1 mL·min-1 e caudal de água de 0,31 mL·min-1. O catalisador da unidade E2 foi reduzido in situ, antes de cada reação, em corrente de 63 mL·min-1 de H2 diluída em He (a 11% em volume) durante 2 h, acom-panhando uma rampa de temperatura de 10 ºC·min-1 até 700 ºC. Segundo estudos fluidodinâmicos prévios (Remiro, 2012), o leito catalítico consistiu em uma mistura de catalisador: carborundum com relação mássica 1:4. O carborundum (inerte) for-necido pela Prolabo, com tamanho de partícula médio de 0,037 mm, melhora visivel-mente as propriedades fluidodinâmicas do leito.

RESULTADOS

Índices de reação

Os índices para quantificar a atividade catalítica foram a conversão de bio-óleo, a conversão de EtOH, o rendimento de H2 e o rendimento dos produtos carbonosos CO2, CO, CH4 e hidrocarburos (HC), definidos por meio das Equações (9) a (12) res-pectivamente.

Conversão de bio-óleo (XBio-óleo): (9)

Conversão de etanol (XEtOH): (10)

Rendimento de H2 (RH2): (11)

Rendimento de produtos carbonosos (RCi): , (12)

onde: Bent e Bsal são os fluxos molares em base seca de bio-óleo na saída da etapa térmica (ET) e na saída do processo global; Eent e Esal são os fluxos molares de EtOH anidro na entrada e na saída do processo; nH2 é p fluxo molar de H2 obtido; nCent é o


fluxo molar de H2 que se obteria estequiometricamente por reforma de bio-óleo e de EtOH (Equações (3) e (8)); nCent é o fluxo molar de carbono na saída de ET; e ni é o fluxo molar de produto carbonoso “i” obtido. Os parâmetros indicados podem se referir ao sistema global ou ao sistema depois da etapa térmica (ET), ou seja, uma vez que a LP foi eliminada (Figuras 2 e 3). Neste trabalho, os parâmetros se referem exclusivamen-te ao sistema reativo após a separação da LP, motivo pelo qual tanto os fluxos molares como a fórmula empírica calculada para o bio-óleo que entra na unidade catalítica correspondente (E1 o E2) diferem em cada reação dos que entram no processo.

Efeito da temperatura sobre a atividade catalítica da dolomita (etapa de pré-reforma)

A Tabela 3 mostra as composições do líquido e do gás que saem da etapa de pré--reforma (ET + E1) em diferentes tempos de reação e para distintas temperaturas de operação, junto com as composições das correntes obtidas com uma etapa térmica exclusiva (ET).

A evolução com o tempo dos índices de reação definidos nas Equações (9) a (12), obtidos nestes mesmos ensaios, é mostrada nas Figuras 4 a 6.

A Tabela 3 mostra um aumento importante de produtos gasosos (H2, CH4, CO, CO2, parafinas e olefinas leves (C2–C4)), tanto na etapa térmica exclusiva como na pré-reforma, por aumentar o TE1. O maior aumento na formação de gases obtido com a etapa de pré-reforma com relação à etapa térmica exclusiva evidencia o efeito ca-talítico da dolomita para as reações de decomposição/craqueamento de oxigenados.

Quanto ao líquido, o ponto que mais se destaca é que, com dolomita, os ácidos se transformam praticamente por completo em todo o índice de temperaturas estuda-do, exceto no ácido propiólico, cuja concentração aumenta com a temperatura em presença de dolomita. Quanto menor a temperatura de pré-reforma, maior é o conte-údo de cetonas lineares (principalmente acetona) e cíclicas. Para que o EtOH e outros álcoois da alimentação reajam completamente, são necessárias temperaturas > 600 ºC. Ao aumentar a temperatura, o conteúdo de compostos oxigenados diminui, tanto pela pré-reforma como pelo próprio craqueamento térmico, que está favorecido em temperaturas elevadas (Equação 7). A formação de oxigenados aromáticos (fenóis) é promovida pela dolomita e maximizada a 600 ºC.

A pré-reforma com dolomita, portanto, origina uma importante variação, exclusi-vamente com relação ao efeito térmico, da composição da corrente de produtos que serão posteriormente transformados na unidade de reforma principal, e a tempera-tura tem grande influência na composição, como se discute a seguir.

117

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02

40

30

60

12

01

80

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06

01

20

18

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40

Tem

pera

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(T E

1),

(ºC

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00

60

05

00

70

06

00

50

0

GASH2

2,16

1,73

1,86

1,91

1,88

1,39

1,20

0,73

0,65

0,64

0,41

0,39

0,36

0,33

0,31

0,45

0,21

0,00

CH4

2,91

2,20

2,19

2,24

2,30

1,87

1,47

0,95

0,89

0,87

0,90

1,02

0,81

0,56

0,53

1,29

0,56

0,14

CO1,

722,

022,

763,

003,

302,

603,

203,

743,

743,

620,

651,

081,

121,

521,

374,

982,

851,

17CO

217

,01

14,9

517

,46

18,5

519

,05

1,12

1,61

6,93

6,70

6,53

0,06

0,07

0,12

6,62

6,05

4,18

2,45

2,59

Para

finas

leve

s (C 2

-C4)

0,23

0,18

0,19

0,19

0,20

0,21

0,21

0,21

0,20

0,19

0,18

0,25

0,22

0,22

0,21

0,18

0,11

0,01

Ole

finas

leve

s (C 2

-C4)

2,03

1,56

1,62

1,61

1,62

0,71

0,77

0,67

0,66

0,65

0,23

0,25

0,24

0,27

0,24

1,21

0,65

0,16

TOTA

L G

AS

(% m

assa

)2

6,0

72

2,6

52

6,0

72

7,5

02

8,3

57

,89

8,4

61

3,2

31

2,8

41

2,5

12

,44

3,0

62

,87

9,5

28

,70

12

,30

6,8

24

,07

LÍQUIDOÁgu

a7

2,1

77

5,4

77

2,1

57

0,8

77

0,0

99

0,2

08

7,7

58

0,4

88

0,8

98

1,3

58

6,0

08

6,4

78

6,9

97

9,9

48

1,3

78

4,1

58

6,8

98

6,3

5H

idro

carb

uros

0

,21

0,1

00

,05

0,0

50

,04

0,0

00

,02

0,0

40

,00

0,0

00

,06

0,0

40

,03

0,0

40

,02

0,0

20

,01

0,0

1O

utro

s0

,02

0,0

10

,03

0,0

00

,03

0,0

30

,03

0,0

80

,08

0,0

60

,02

0,0

10

,04

0,0

80

,11

0,0

30

,31

0,2

3O

xige

nado

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,52

1,7

61

,70

1,5

71

,49

1,8

83

,74

6,1

76

,19

6,0

81

1,4

71

0,4

21

0,0

71

0,4

29

,79

3,4

95

,97

9,3

3O

xige

nado

s lin

eare

s1,

340,

400,

230,

180,

170,

361,

493,

463,

763,

829,

127,

056,

556,

706,

462,

225,

268,

54O

xige

nado

s cíc

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0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,00

0,12

0,55

0,56

0,54

1,15

1,93

2,06

2,13

1,91

0,23

0,33

0,53

Oxi

gena

dos a

rom

átic

os0,

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73


Pré-reforma a 500 ºC (Figura 4)

A conversão de EtOH (Figura 4a) é inicialmente completa na presença de dolomi-ta, mas diminui rapidamente com o tempo (em paralelo à rápida queda inicial do ren-dimento de H2, Figura 4b) até um valor pseudoestacionário de 33%, superior a 11% obtido apenas com a etapa térmica. A evolução peculiar da conversão dos oxige-nados (passando por um máximo) parece indicar que a transformação catalítica do bio-óleo é promovida à medida que a reforma de EtOH é afetada pela desativação do catalisador. No entanto, a conversão de bio-óleo com dolomita (E1) é sempre inferior à conversão de bio-óleo obtida na etapa térmica, inclusive após a saturação da dolo-mita com CO2 (Figura 4a), o que indica que a esta temperatura a dolomita promove a interconversão de oxigenados, transformando éteres, aldeídos e álcoois em cetonas e oxigenados aromáticos, mais que sua reforma, decomposição ou craqueamento. A dolomita tem certa capacidade de reformar os oxigenados (principalmente o EtOH no início da reação), transformando-os em H2 e CO2. Diferentemente da operação só com ET, na qual o rendimento de H2 é nulo, a pré-reforma com dolomita produz um rendimento inicial de H2≈22%, que decai rapidamente com o tempo (o que evi-dencia uma rápida desativação do catalisador), alcançando um valor pseudoesta-cionário de ∼9%, que indica uma importante contribuição da dolomita nas reações de decomposição de oxigenados (principalmente EtOH), adicional ao próprio efeito térmico (Figura 4b).

No início da reação, a concentração de gases na saída da etapa E1 (Tabela 3) é in-ferior à obtida somente após a etapa térmica, devido à captura de CO2 pela dolomita. Uma vez saturada a capacidade de retenção de CO2 da dolomita (a partir de uns 150 min), aumenta o conteúdo de gases que saem de E1, que chegam a ser superiores a ET, e, com relação à etapa térmica, aumenta visivelmente o rendimento de CO2, pro-duzido por meio de reações de decarboxilação promovidas pela dolomita (Figura 4b), que alcança um valor pseudoestacionário de 18%. A 500 ºC, a dolomita favorece a formação de CH4, inclusive depois de saturada de CO2, enquanto a produção de HC é muito parecida com a da etapa térmica exclusiva, como ilustra a Figura 4c.

A dolomita aumenta a proporção de parafinas e olefinas leves (C2–C4) e provoca mudanças significativas na composição de oxigenados que passariam para o reator de reforma, com relação à composição da corrente de saída da etapa térmica. Entre os líquidos, o ácido acético praticamente desaparece e é favorecida a formação de cetonas lineares (principalmente acetona) e cíclicas e de oxigenados aromáticos (es-sencialmente fenol) (Tabela 3).

119

Figura 4. Comparação das conversões de bio-óleo e EtOH (a); dos rendimentos de H2, CO, CO2 (b) e de CH4 e HC (c) obtidos na pré-reforma com dolomita a 500 ºC (ET + E1) (WFHSV1 ≈ 0,42 h-1 e S/C ≈ 6 na

saída de ET) com relação aos obtidos somente com uma etapa térmica (ET).


A dolomita provoca um aumento na concentração de produtos gasosos com rela-ção à etapa térmica de 6,82% a 7,89% em tempo zero, e de até 12,51% após 4 h, além de mudanças na composição dos oxigenados (Tabela 3). Promove a formação de ácido propiólico e inicialmente é capaz de transformar completamente o ácido acético, assim como as cetonas lineares (embora não completamente), mas favorece, com o tempo, a formação de cetonas cíclicas e de oxigenados aromáticos (fenóis), cuja concentração alcança 79,64% (base seca) no líquido na saída de E1, no início da reação, e decresce até 27,97% após 4 h, devido à desativação (Tabela 3).




A composição de CO2 e seu rendimento na corrente de saída (Figura 5b) são infe-riores com a pré-reforma com relação à etapa térmica, devido à captura pela dolomita, até a saturação ser iniciada (70 min aproximadamente). O rendimento de CO é inferior no início, devido ao fato de que a captura de CO2 desloca a reação WGS, consumindo CO e aumentando o rendimento de H2. Quando a dolomita satura totalmente (120 min aproximadamente), o rendimento de H2 com E1 continua sendo superior ao da etapa térmica, devido ao fato de que a dolomita ainda é capaz de reformar o EtOH (Figura 5a), mas não o bio-óleo, cuja conversão após os 120 min é produzida exclusivamente por decomposição/craqueamento térmico. A presença de dolomita, mesmo saturada, favorece a formação de CH4 por reações de craqueamento (Figura 5c).


A 700 ºC na pré-reforma com dolomita, duplica-se a concentração de produtos gasosos com relação à etapa térmica (de 12,3% a 26% aproximadamente) e ocor-rem importantes mudanças na composição dos oxigenados. A Tabela 3 mostra que, na etapa de pré-reforma (E1), os ácidos carboxílicos reagem por completo, exceto

121

o ácido propiólico, cuja concentração aumenta significativamente. A proporção de acetona aumenta de forma importante com relação à etapa térmica, e desaparecem as demais cetonas lineares e cíclicas. A formação de compostos fenólicos também é favorecida pela dolomita a essa temperatura.

A Figura 6a mostra que, a 700 ºC, com dolomita, a conversão de bio-óleo (de 78% a 85%) e a conversão de EtOH (de 90% a 100%) aumentam com relação à etapa térmica e se mantêm constantes com o passar do tempo. Também se observa um au-mento notável no rendimento de CO2 com relação à etapa térmica, porque são favo-recidas as reações de descarboxilação e a reforma e o craqueamento de oxigenados (visto também no aumento do rendimento de H2 e de CH4) (Figura 6(b-c)); além disso, a esta temperatura, é pequena a capacidade de captura de CO2 para a dolomita. A saturação da dolomita começa desde o início da reação e se completa aos 110 min aproximadamente. O rendimento de CO diminui com a etapa de pré-reforma, o que evidencia a atividade catalítica da dolomita para a reação WGS, que ocorre especial-mente no início da reação, devido à captura de CO2 (Figura 6b).




EFEITO DAS CONDIÇõES DE OPERAÇÃO NO SISTEMA DE DUAS ETAPAS CATALÍTICAS

Influência da temperatura de pré-reforma

A Figura 7 compara a evolução das conversões de bio-óleo (a) e de EtOH (b), e a Figura 8 compara a evolução dos rendimentos de H2 (a), CH4 (b), HC (c), CO (d) e CO2 (e), para a pré-reforma (ET + E1) e para o processo que opera em dupla etapa catalítica de reforma (ET + E1 + E2), para diferentes temperaturas na pré-reforma.

Figura 7. Efeito da temperatura de pré-reforma na conversão de bio-óleo (a) e de EtOH (b) no processo com duas etapas de reforma em série (ET+E1+E2) e comparação com os resultados apenas com pré-reforma (ET + E1). Condições: S/C 6 na saída de ET; pré-reforma com dolomita, WFHSV1 ≈0,42 h-1;

reforma com Ni/La2O3-αAl2O3 a 700 ºC e GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1.

Quando a pré-reforma acontece a 700 ºC, as conversões de bio-óleo e de EtOH são quase idênticas no sistema com duas etapas catalíticas em série que utiliza somente a pré-reforma (Figura 7). Isso demonstra que o catalisador Ni/La2O3-αAl2O3 é pouco eficaz nessas condições para converter a corrente de produtos proveniente da pré-reforma, devido ao fato de que as mudanças de composição promovidas pela dolomita e a própria decomposição térmica a esta temperatura são muito importantes: aumentam o ácido propiólico (pela dolomita), o CH4 e os HC (pela dolomita e pela decomposição térmica), compostos dificilmente re-formáveis pelo catalisador de Ni a 700 ºC (o rendimento de CH4 com e sem E2 é praticamente o mesmo (Figura 8b)).

Com a adição da segunda etapa de reforma, aumenta levemente o rendimen-to de H2, provavelmente pela ação do catalisador metálico, que é capaz de refor-mar um pouco os HC, pois, como se pode visualizar na Figura 8c, o rendimento de HC é inferior para o sistema de dupla etapa catalítica, e os rendimentos de CO e de CO2 são superiores (Figura 8(d-e)).

O aumento nas conversões de bio-óleo e EtOH e no rendimento de H2 obser-vado no sistema (ET + E1 + E2) para as temperaturas de pré-reforma de 500 ºC e 600 ºC não se deve exclusivamente à atividade do catalisador metálico, pois a própria contribuição térmica na etapa de reforma secundária (que ocorre a 700 ºC) contribui para o aumento desses índices de reação. Para diferenciar a contri-buição concreta do catalisador metálico dos índices de reação, subtraindo-se a contribuição exclusivamente térmica, seria necessário fazer os mesmos ensaios para três etapas em série, mas realizando a última etapa (E2) sem o catalisador.

Figura 8. Efeito da temperatura de pré-reforma nos rendimentos de H2 (a), CH4 (b), HC (c), CO (d) e CO2 (e) no processo com duas etapas de reforma em série (ET+E1+E2) e comparação com os resultados

apenas com pré-reforma (ET + E1). Condições: S/C≈6 na saída de ET; pré-reforma com dolomita, WFHSV1 ≈ 0,42 h-1; reforma com Ni/La2O3-αAl2O3 a 700 ºC e GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1.


Quando a pré-reforma é realizada a 600 ºC, a conversão de bio-óleo (Figura 7a) e os rendimentos de H2, CH4 e CO2 (Figura 8(a-b, e)) são parecidos com ou sem a etapa secundária de reforma, E2, e há somente um leve aumento para o sistema que opera com E2. O efeito do catalisador metálico, neste caso, é o de manter a conversão completa do EtOH por mais tempo (100 min aproximadamente), em-bora a posterior desativação seja inclusive mais rápida que a observada na etapa de pré-reforma com dolomita, chegando a uma conversão estacionária em torno de 50% (superior aos 40% obtido após a etapa de pré-reforma) que é consequ-ência da contribuição da decomposição/craqueamento térmico a 700 ºC em E2 (Figura 7b). Quanto ao efeito do catalisador de Ni sobre a conversão do bio-óleo, é possível fazer uma análise idêntica: permite manter uma conversão de cerca de 92% durante mais tempo; e, uma vez desativado, produz um craqueamento térmico adicional a 700 ºC que explica a conversão final levemente superior à obtida na pré-reforma (Figura 7a).

Para 500 ºC na etapa de pré-reforma, o bio-óleo sofre majoritariamente uma interconversão de oxigenados e, ao entrar na etapa E2, estes oxigenados são refor-mados, aumentando de forma importante a conversão de bio-óleo, embora acon-teça uma desativação muito rápida do catalisador desde o início da reação (devido à presença de oxigenados aromáticos, acetona e outras cetonas lineares e cíclicas) (Figura 7a). O catalisador metálico também melhora a conversão de EtOH, que se mantém completa durante mais tempo (Figura 7b). Uma vez que o catalisador foi desativado, a conversão de bio-óleo e de EtOH com a etapa adicional de reforma é superior às conversões sem a etapa E2, devido ao já comentado efeito térmico a 700 ºC que ocorre nesta etapa, o que explica também o aumento nos rendimentos de CH4, HC, CO, CO2 com relação à operação sem E2 (Figura 8(b-e)).

Como consequência do aumento das conversões tanto de bio-óleo como de EtOH, consegue-se maiores rendimentos de H2 e de CO2 (Figura 8(a, e)) devido à atividade catalítica do catalisador metálico para a reforma de oxigenados e para a reação WGS a esta temperatura. No entanto, com o tempo, acontece uma diminuição muita rápida dos rendimentos de H2 e CO2, o que evidencia uma rá-pida desativação do catalisador metálico para as reações de reforma e de WGS. Inicialmente, enquanto ainda está ativo, o catalisador Ni/La2O3--Al2O3 a 700 ºC é capaz de reformar as pequenas quantidades de CH4 e de HC formados na eta-pa de pré-reforma a uma baixa temperatura, mas, ao desativar o catalisador, as reações de decomposição ou de craqueamento são potencializadas, motivo pelo qual os rendimentos destes produtos aumentam com o tempo. É importante co-mentar que, para a operação com duas etapas de reforma em série, e apesar de a segunda etapa de reforma ter acontecido em todos os ensaios à mesma tem-peratura de 700 ºC, as conversões finais tanto de EtOH como dos oxigenados

125

do bio-óleo, uma vez que o catalisador metálico foi totalmente desativado para as reações de reforma (a partir de uns 150 min de reação), são menores quanto menor é a temperatura da etapa de pré-reforma, devido ao fato de que, nesta etapa, ao diminuir a temperatura, a dolomita potencializa a interconversão entre os oxigenados, de modo que os oxigenados mais facilmente craqueáveis desapa-recem e se formam outros oxigenados mais difíceis de reformar e de craquear na etapa E2 posterior.

Comparação com a operação com uma única etapa de reforma

Os resultados obtidos no processo com duas etapas de reforma foram compa-rado com os obtidos com uma única etapa de reforma com catalisador metálico, realizada nas mesmas condições de operação que a etapa de reforma principal no processo com duas etapas de reforma: Ni/La2O3-αAl2O3 a 700 ºC e GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1. Os índices de reação obtidos para uma só etapa de reforma estão na Figura 9. A reforma da mistura bio-óleo/EtOH sobre catalisador metálico em uma única etapa catalítica (sem E1, Figura 3) apresenta boas características de operação: conversão completa da alimentação (bio-óleo/EtOH), elevado rendi-mento de H2, rendimentos praticamente nulos de CH4 e HC e desativação quase imperceptível nos primeiros 150 min de reação.

Figura 9. Conversões de bio-óleo e de EtOH, rendimento de H2 (a) e rendimentos de produtos de reação (b) no processo com uma só etapa de reforma (ET + E2). Condições: etapa térmica a 500 ºC, reforma:

Ni/La2O3-αAl2O3 a 700 ºC, com GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1 e S/C ≈ 6 na saída de ET.

A comparação destes resultados com os mostrados anteriormente nas Figuras 7 e 8, correspondentes ao processo com duas etapas em série (pré-reforma com dolomita + reforma com catalisador de Ni), mostra que a produção de H2 é des-favorecida no processo com duas etapas de reforma, para todas as temperaturas estudadas na etapa de pré-reforma (TE1): a conversão de bio-óleo não é completa,


o rendimento de H2 é inferior e é visível a desativação do catalisador metálico, sobretudo quando a temperatura da pré-reforma com dolomita é menor. Esta rá-pida desativação obtida quando se realiza uma pré-reforma a baixa temperatura é consequência da mudança produzida pela dolomita na composição da corrente que entra na etapa E2: promove-se a formação de oxigenados com maior poten-cial de desativação, como os fenóis e as cetonas, e se favorece a formação de CH4 e HC (Figura 8(b-c)) mais difíceis de reformar.

Portanto, nas condições estudadas, a pré-reforma com dolomita como catalisa-dor de baixo custo não representa uma melhora para a obtenção de H2 a partir de bio-óleo, mas, sim, o contrário, pois diminui a produção de H2 e aumenta a desa-tivação do catalisador metálico. Esse fato é consequência das transformações ca-talíticas que acontecem com a dolomita nessas condições de relativamente baixa velocidade espacial, que têm um efeito negativo sobre a etapa de reforma poste-rior. Assim, a uma baixa temperatura de pré-reforma, predominam as reações de interconversão de oxigenados, que originam oxigenados mais difíceis de reformar e que contribuem mais para a deposição de coque, enquanto, a uma alta tem-peratura, predominam as reações de decomposição/craqueamento, que levam à formação de CH4 e HC leves, também difíceis de reformar com Ni/La2O3-αAl2O3.

Velocidades espaciais nas duas etapas de reforma

Foi estudado o efeito da proporção utilizada de ambos catalisadores (dolomi-ta/catalisador de Ni) no processo com duas etapas de reforma, com o objetivo de comprovar se existem condições que permitam obter uma sinergia positiva, em vez de negativa, para o processo com duas etapas de reforma. Na Figura 10 é representada a influência das velocidades espaciais de cada etapa (WFHSV1 e GC1HSV2) sobre as conversões de bio-óleo (a) e de EtOH (b) e sobre os rendimen-tos de H2 (c), CH4 (d), HC (e) e CO2 (f) no processo com duas etapas de reforma: pré-reforma com dolomita a 500 ºC e reforma com Ni/La2O3-α-Al2O3 a 700 ºC.

Considerando somente a pré-reforma com dolomita, cabe esperar que uma redução na massa de dolomita (e, portanto, um aumento da velocidade espacial) leve a uma redução na retenção de CO2 e, consequentemente, a uma redução no rendimento de H2, porque a reação WGS não se desloca para a formação de H2. No entanto, para a operação com duas etapas catalíticas em série, observa-se que, ao aumentar a velocidade espacial WFHSV1 para uma velocidade espacial constante na etapa de reforma E2, GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1 (1,3 g de catalisador), aumentam as conversões de bio-óleo e de EtOH, atenua-se a desativação do ca-talisador de Ni (Figuras 10(a-b)) e aumenta o rendimento de H2 (Figura 10c).

A melhora dos índices de reação no processo global quando a velocidade es-pacial aumenta na etapa de pré-reforma (E1) se explica, porque, ao se reduzir a

127

massa de dolomita na pré-reforma, reduz-se também a formação dos oxigenados promotores da desativação do catalisador de Ni (cetona e fenóis, principalmente) e dos compostos de mais difícil reforma (CH4 e HC) que entram na etapa E2. À medida que aumenta o WFHSV1, os índices de reação se tornam semelhantes aos do sistema sem pré-reforma, mostrados na Figura 9.

Figura 10. Influência das velocidades espaciais nas etapa de pré-reforma (WFHSV1) e de reforma (GC1HSV2) sobre as conversões de bio-óleo (a) e EtOH (b) e sobre os rendimentos de H2 (c), CH4 (d), HC (e) e CO2 (f) no processo de reforma com vapor de bio-óleo com duas etapas catalíticas em série.

Condições: TE1 = 500 ºC; TE2 = 700 ºC e S/C ≈ 6 na saída de ET.


Para a mesma velocidade espacial no pré-reformador (WFHSV1 ≈ 0,42 h-1, 11,3 g de dolomita em E1, círculos na Figura 10), o aumento da velocidade espacial na etapa de reforma, GC1HSV2, acarreta uma drástica diminuição da formação de H2 e uma desativação quase imediata do catalisador de Ni desde o início da reação, que só é capaz de transformar o bio-óleo e o EtOH durante os primeiros minutos, desativa de forma especialmente rápida a atividade para a reforma de CH4 e é incapaz de reformar ou craquear outros HC desde o início.

Portanto, não se consegue uma sinergia positiva no processo com duas etapas de reforma em série com catalisador de dolomita na primeira etapa, independen-temente da proporção de catalisadores utilizada em cada uma das etapas.

CONCLUSõES

A reforma com vapor de bio-óleo em duas etapas catalíticas em série (pré--reforma com dolomita + reforma com Ni/La2O3-α-Al2O3) para a produção de H2 não melhora os resultados obtidos em uma única etapa com catalisador Ni/La2O3-α-Al2O3 a 700 ºC (S/C ≈ 6 e GC1HSV2 ≈ 4.200 h-1, com etapa térmica prévia a 500 ºC), pois a dolomita promove a formação de compostos de mais difícil refor-ma e de compostos que favorecem a desativação do catalisador do segundo leito, motivo pelo qual, globalmente, são obtidas menores conversões da alimentação (bio-óleo/EtOH) e rendimentos de H2 inferiores, para todas as temperaturas de pré-reforma estudadas (500 ºC, 600 ºC e 700 ºC).

A dolomita apresenta atividade catalítica para a reforma com vapor de bio--óleo, inclusive quando saturada sua capacidade de retenção de CO2 às tempera-turas de 500 ºC, 600 ºC e 700 ºC.

Ao elevar a temperatura, a própria decomposição térmica na pré-reforma, as-sim como o efeito catalítico da dolomita, acarreta diminuição na concentração de oxigenados que entram na etapa de reforma. O conteúdo de cetonas aumenta quando se diminui a temperatura de pré-reforma. À medida que se aumenta a temperatura, a dolomita favorece o craqueamento dos ácidos carboxílicos (salvo do ácido propiólico, cuja concentração aumenta).

As transformações promovidas pela decomposição térmica e pela atividade ca-talítica da dolomita fazem com que, com a pré-reforma a 700 ºC, a reforma poste-rior não seja efetiva, pois nestas condições o catalisador de Ni, na segunda etapa de reforma, só contribui para reformar levemente os HC provenientes da etapa prévia, sem uma contribuição maior para o rendimento de H2 além desta leve reforma.

Quando a pré-reforma acontece a 600 ºC, a principal contribuição do cata-lisador de Ni na etapa de reforma a 700 ºC é reformar o EtOH proveniente da

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etapa anterior, de modo que a segunda etapa funcione mais como uma etapa de decomposição/craqueamento do que como uma etapa de reforma catalítica.

Após uma pré-reforma a 500 ºC, a quantidade de compostos oxigenados que entra no reformador é muito grande (pois a conversão líquida destes compos-tos na pré-reforma é muito baixa), motivo pelo qual o catalisador de Ni contribui para um aumento importante nas conversões e rendimentos com relação à etapa de pré-reforma prévia. Entretanto, a desativação provocada por esses compostos oxigenados formados na etapa de pré-reforma é rápida e acentuada.

Aumentar a velocidade espacial no pré-reformador WFHSV1 melhora os índi-ces de reação (aumentam as conversões e o rendimento de H2), de modo que os índices de reação da operação vão se tornando semelhantes aos de uma única etapa catalítica (reforma com Ni/La2O3-α-Al2O3), precedida de uma etapa térmi-ca exclusiva, que é a melhor configuração de operação para a produção de H2 por reforma de bio-óleo com o catalisador de Ni/La2O3-α-Al2O3.

NOMENCLATURA

Bsal Fluxo molar de bio-óleo em base seca na saída do processo, mol·min-1.

Bent Fluxo molar de bio-óleo em base seca de saída da unidade ET, mol·min-1.

Dporo Diâmetro de poros, Å.

Eent Fluxo molar de etanol anidro de entrada no processo, mol·min-1.

Esal Fluxo molar de etanol anidro de saída do processo, mol·min-1.

GC1HSV2 Velocidade espacial do gás de entrada em E2, referente a CH4 a 25 ºC e 1 atm, h-1.

ni Fluxo molar do produto carbonoso i, mol·min-1.

nCent Fluxo molar de carbono de saída da etapa térmica ET, mol·min-1.

nH2,st Fluxo molar de H2 que seria obtido estequiometricamente por reforma de bio-óleo e de etanol, Equações (3) e (8) respectivamente.

nH2 Fluxo molar de hidrogênio obtido, mol·min-1.

RCi Rendimento do produto carbonoso “i”, (Equação 12).

RH2 Rendimento de hidrogênio, (Equação 11).

SBET Superfície BET, m2·g-1.

T Temperatura, ºC.

TE1 Temperatura de pré-reforma e da etapa térmica, ºC.

TE2 Temperatura de reforma, ºC.

Vporos Volume de poros, cm3·g-1.

WFHSV1 Velocidade espacial mássica de alimentação (bio-óleo + etanol) a E1, h-1.

WHSV Velocidade espacial mássica de bio-óleo, h-1.

XBio-óleo Conversão de bio-óleo, (Equação 9).

XEtOH Conversão de etanol, (Equação 10).


ABREVIATURAS

E1 Primeira unidade catalítica, pré-reforma com dolomita.

E2 Segunda unidade catalítica, reforma catalítica com Ni/La2O3--Al2O3.

ET Etapa térmica.

EtOH Etanol.

GC/MS Cromatografia de gases/espectrometria de massas.

HC Hidrocarbonetos.

LP Lignina pirolítica.

MeOH Metanol.

S/C Relação molar vapor de água a carbono.

TCD Detector de condutividade térmica.

TPR Redução à temperatura programada.

WGS Reação water gas shift ou de deslocamento água-gás.


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EFICIêNCIAENERGéTICA


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>>> CONTRIBUIÇõES PARA A AVALIAÇÃO ENERGéTICA DE EDIFÍCIOS: O CASO DE UM EDIFÍCIO UNIVERSITÁRIO

Carolina Del BelloOrientador: John Martín Evans

RESUMO

O presente estudo é uma contribuição para a avaliação energética dos edifícios com base no estudo do potencial de eficiência energética do primeiro edifício a ser construído no campus da Universidade Nacional de Rio Negro, em San Carlos de Bariloche, Argentina. O design passivo do projeto é analisado a fim de minimizar o consumo de energia, obtendo-se redução significativa da demanda, para que, pos-teriormente, a geração in situ de energias renováveis possa fornecer a energia res-tante. A modelação da construção e a simulação de seu rendimento energético por meio de softwares servem para identificar e avaliar a contribuição das estratégias utilizadas no design do edifício em relação à eficiência energética. Depois de anali-sar o edifício, são propostas estratégias e desenvolvem-se medidas para otimizar o consumo de energia com base na norma alemã Passivhaus, com o objetivo de reduzir as demandas máximas de energia para atender às necessidades de aquecimento e resfriamento.

PALAVRAS-CHAVE: Eficiência Energética. Edifício Universitário. Avaliação Energética.

AR

GE

NTI

NA


ABSTRACT

This paper is a contribution to the energy assessment of buildings, based on a study of the potential energy performance of the first building on the campus of the National University of Rio Negro in San Carlos de Bariloche, Argentina. The contribu-tion of project’s passive design is analysed in order to minimize energy consumption, achieving a significant reduction of demand so that on-site generation of renewa-ble energy can supply the remaining proportion. The modelling of performance by building energy simulation software identifies and assesses the contribution of the strategies used in the design of the building in relation to energy efficiency. After analysing the building, strategies are proposed and developed to optimize energy consumption based on the German Passivhaus standard, with the aim of reducing the maximum energy demands to meet the needs of heating and cooling.

KEYWORDS: Energy Efficiency. University Building. Energy Assessment.

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INTRODUÇÃO

A crise climática e o esgotamento dos recursos não renováveis promovem constru-ções sustentáveis. A matriz energética da Argentina [1] mostra alta dependência de energias fósseis, especialmente gás, que representa 51% do total. As reservas de gás diminuíram de forma constante desde 1984, e o país que outrora foi autossuficiente em matéria de energia tornou-se importador. Cerca de 23% da energia utilizada cor-responde à moradia e a edifícios não residenciais, e 60% dela corresponde ao gás. Nos edifícios públicos essa dependência é menor, diante do maior o uso de energia elétrica.

No presente trabalho identificam-se medidas necessárias a implementar-se para reduzir o consumo de energia em edifícios educacionais, sem afetar a qualidade de vida e as condições ambientais de seus habitantes, a partir do estudo de um caso de âmbito universitário.

Como assinala A. J. Marszal, “o conceito de edifício de energia zero (ZEB) recebeu atenção internacional nos últimos anos e agora é visto como o objetivo futuro para o design de edifícios” [2].

Um edifício de balanço energético zero (NZEB, de Net Zero Energy Building, em inglês) tem alto nível de eficiência energética, no qual a já reduzida quantidade de energia necessária tem de proceder de fontes renováveis, de modo que o balanço energético seja zero. O caminho para os NZEBs fundamenta-se na consecução de uma série de objetivos, mostrados na Figura 1.

Como primeiros passos situam-se as medidas destinadas à redução da demanda de energia, por meio de um design adequado dos edifícios que atenda às condicio-nantes climáticas. Nessa etapa, desempenham um papel fundamental as estraté-gias passivas, as ferramentas de simulação e o diálogo entre os agentes interessados no projeto dos edifícios. Uma vez minimizada a demanda energética (etapa 1), esta deve ser atendida com equipamentos e sistemas de eficiência energética (etapa 2). Finalmente, a realização de NZEBs implica a substituição das fontes energéticas con-vencionais por outras, de origem renovável (etapa 3).

A presente pesquisa focaliza-se na etapa 1, “Minimizar a demanda”.O desenvolvimento de softwares para simulações de comportamento energético

de edifícios constitui um avanço importante, especialmente em programas comple-xos, tais como o “DesignBuilder”, com base em Energy-Plus (DOE, 2013), do Depart-ment of the Environment dos Estados Unidos, Radiance (LBI, 2013), do Lawrence Berkeley Laboratory, e “Ecotect” (Autodesk, 2013), orientado a proporcionar ferra-mentas amigáveis de design. Os softwares mencionados são utilizados neste estudo.

A Argentina não possui sistemas de classificação do comportamento ecológico de edifícios que, em uma única ferramenta, sintetizem os numerosos aspectos en-volvidos. No campo do comportamento térmico de edifícios, as Normas IRAM de condicionamento térmico e isolantes térmicos apresentam uma série de normas de boas práticas para métodos de cálculo, valores admissíveis e recomendações de pro-


jeto em diferentes regiões do país. Para otimizar os valores de isolamento térmico e de consumo energético do projeto, no sentido de conseguir um edifício de emissões zero, considera-se como sistema de avaliação o padrão de origem alemã Passivhaus. A aplicação desse padrão dá origem a edifícios de consumo energético ultrabaixo, que exigem muito pouca energia para aquecimento ou resfriamento.

Figura 1 - Objetivos para alcançar um NZEB.Fonte: Salom e Cubi [3].

As exigências desse padrão são as seguintes [4]:a) as demandas anuais de aquecimento e de refrigeração não poderão ser

superiores a 15 kWh/m2ano;b) o coeficiente de transmitância térmica (K) dos componentes exteriores

opacos deve ser inferior a 0,15 W/(m²K); das janelas (vidros somados à esquadria da janela) e outros elementos construtivos translúcidos deve ser inferior a 0,8 W/(m2K);

c) as áreas translúcidas orientadas a oeste ou leste (em ± 50º) e as áreas translúcidas inclinadas em ângulo de 75º com respeito à horizontal não devem exceder a 15% das áreas úteis atrás delas. Para as janelas orienta-das para o lado com maior incidência solar (norte), o limite é de 25% das áreas úteis atrás destas áreas;

d) o fluxo de ar através da habitação deve ser possível;e) as temperaturas do ar de alimentação na saída do ar da habitação não

devem ser inferiores a 17º. Deve-se garantir um fluxo constante e unifor-me de ar por todas as áreas; é recomendável fazer a ventilação mecânica com permutador de calor, uma vez que se trata de um sistema muito efi-ciente, que utiliza o calor do ar viciado para transferi-lo ao novo ar fresco, permitindo-se, assim, boa qualidade de ar interior e economia de energia;

f) o consumo de energia primária para todas as aplicações do edifício (aque-cimento, água quente e eletricidade doméstica) não deve superar os 120 kWh/(m²ano) no total;

141

g) deve-se fazer um controle das infiltrações de ar. A estanqueidade do ar deve ser verificada por meio de um teste de pressurização que confirme um valor não superior a 0,6 renovações de volume de ar por hora, com um excesso de pressão ou com pressão negativa de 50 pascais; e

h) é recomendada ausência ou, pelo menos, minimização de pontes térmicas.Como objeto de estudo, utilizou-se um projeto para um edifício universitário: o

Pavilhão 1 da Universidade Nacional de Rio Negro (UNRN). Esse projeto é o resulta-do de um concurso público nacional, cujos principais critérios de avaliação foram o cumprimento de pautas ambientais e de eficiência energética.1

Figura 2 - Modelo 3D do edifício. Localização em relação ao norte e trajetória solar anual.

Dados do ProjetoAutores Arq. Paulo Gastón flores, Arq. Leandro Barreiro, Arq. Mariano S. Albornoz

Situação e Localização San Carlos de Bariloche - Província de Rio Negro ArgentinaLatitude: 49º 09’ Sul - Longitude: 71º 10’ OesteAltitude: 840 m

O complexo edilício, atualmente em construção em uma área de 25 ha, contem-pla uma superfície coberta total de 30.000 m2, sendo o Pavilhão 1 o primeiro edifício a ser construído. Será, principalmente, um edifício de salas de aula para a docência e laboratórios de ensino e pesquisa.

1 “Pliego de Bases y Condiciones” para o “Concurso Nacional de Plan Maestro, Ideas y Anteproyec-to” para o Campus Universitário em San Carlos de Bariloche da Sede Andina da Universidade Nacional de Rio Negro (UNRN). Rio Negro, Argentina. Novembro 2010. Disponível em: http://www.unrn.edu.ar/sitio/images/stories/documentos/campus/BasesConcurso.pdf.


Figura 3 - Fachadas.Fonte: Estúdio FAB

Figura 4 - Corte transversal representativo.Fonte: Estúdio FAB

METODOLOGIA DE ANÁLISE

A metodologia utilizada no estudo de caso consistiu nas seguintes etapas: a) coleta de dados climáticos de diferentes fontes e realização de uma plani-

lha de clima calibrada [5,6], com o apoio do software Meteonorm; b) utilização da planilha de clima e calibração de dados para análise, ges-

tão e visualização dos dados meteorológicos, com elaboração de gráficos

143

climáticos e realização de diagramas psicométricos (Excel, Meteonorm, Weather Tool, Climat Consultor);

c) modelação e simulação energética do edifício para obter análises térmi-cas (Ecotect, DesignBuilder);

d) aplicação de propostas de melhoria energética do edifício, com o objetivo de reduzir ao máximo sua demanda; e

e) modelação e simulação energética do edifício com melhorias, para obter um edifício de consumo energético quase nulo, com vistas a intervenções posteriores sobre as instalações do local.

ANÁLISE ENERGéTICA E RESULTADOS

Análises de Clima

Dados Climáticos

Como consequência das variações geomorfológicas, altimétricas e vegetativas que apresenta a região, o setor da cidade onde o edifício está implantado (extremo leste) é mais árido do que outras zonas de San Carlos de Bariloche. As precipitações chegam a 400 mm/ano. A temperatura máxima média anual é de 14 ºC, e a mínima média anual é de 3 ºC, com picos máximos de 40 ºC no verão e de -10 ºC no inverno. Existe uma percentagem maior de horas abaixo da faixa de temperatura de conforto, de modo que é importante levar em conta o ganho solar. A curva de radiação solar acompanha a curva de temperaturas, encontrando-se a radiação solar direta entre 0,4 e 0,75 kw/m2, e a radiação solar difusa entre 0,1 e 0,3 kw/m2 (Figura 5).

Figura 5 - Temperaturas e radiação médias anuais.


Somente nos meses de dezembro a março as temperaturas médias do meio-dia até às oito da noite encontram-se dentro dos intervalos de conforto, sendo conve-niente utilizar proteções solares para evitar os aumentos de temperatura (Figura 6).

Figura 6 - Temperaturas (ºC) horárias médias mês a mês

Os ventos predominantes são do oeste, noroeste e sudoeste (Figura 7). No outono vêm do leste, como ventos frios e secos.

Figura 7 - Diagramas de vento: frequências e velocidadesFonte: Aeroporto San Carlos de Bariloche (1981-1990)

Recomendações passivas e de conforto térmico

Durante os meses de primavera e verão, sem utilizar estratégias bioclimáticas no design, o edifício apenas garantiria 17,8% do tempo dentro da faixa de conforto. Apli-cando-se estratégias de design bioclimático, pode-se chegar a 64% do tempo dentro da faixa de conforto, o que significa maior eficiência energética na utilização de siste-

145

mas ativos de refrigeração para alcançar o conforto. As estratégias que servem para conseguir uma melhoria no conforto são os ganhos solares sobre elementos constru-tivos (24,2%), bom isolamento térmico para conservar os ganhos internos produzidos pelos ocupantes, iluminação e computadores (25,5%), boa ventilação para evitar o superaquecimento e proteção contra o vento em espaços exteriores (4,8%) (Figura 8).

Figura 8 - Diagrama psicométrico primavera-verão com estratégias passivas.

Durante os meses de outono e inverno, sem utilizar estratégias bioclimáticas no design, o edifício apenas garantiria 0,6% do tempo dentro da faixa de conforto. Por meio de mecanismos de design passivo, pode-se alcançar 25% do tempo dentro da faixa de conforto, caso sejam aplicadas as seguintes estratégias: ganhos solares so-bre os elementos construtivos (23,4%), bom isolamento térmico para não perder os ganhos internos produzidos pelos ocupantes, iluminação e computadores (5,3%) e proteção contra o vento nos espaços exteriores (8,6%) (Figura 9).

Figura 9 - Diagrama psicométrico outono-inverno com estratégias passivas.


Análise preliminar das propostas de design passivo

Observa-se que, em seus objetivos, o projeto incorpora critérios de design biocli-mático e de eficiência energética para alcançar uma solução sustentável no tempo, eficiente e econômica no uso dos recursos, e confortável para os usuários.

O edifício adapta-se ao declive natural do terreno, escalonando-se sobre ele, de modo que a fachada norte (captação) possui maior superfície que a sul (perdas), ficando esta última parcialmente enterrada. A volumetria com predomínio longitudinal orienta-se ao longo do eixo leste-oeste, com ligeiros desvios que não incidem de modo geral na captação solar, em função de que as fachadas de captação estão sempre bem orienta-das. A forma de implantação longitudinal do edifício diminui as possíveis perdas de ca-lor, devido às infiltrações de ar e à transmissão desde as superfícies, constituindo-se uma vantagem para um clima frio como o de Bariloche. Essa forma faz com que os ventos predominantes afetem apenas uma das fachadas, de menor superfície. A maior parte da envolvente do edifício não se encontra submetida a grandes pressões ou acelerações de vento. A entrada principal encontra-se a leste, favorecendo a proteção do vento.

Em uma primeira análise, observa-se que o projeto do edifício pretende: (a) redu-zir as perdas de energia através da envolvente; (b) aproveitar a incidência solar no inverno e nas estações intermediárias para aquecer naturalmente o edifício, maxi-mizando as superfícies de captação a norte; (c) aproveitar a iluminação natural nos espaços interiores de circulação e nas salas de aula; (d) buscar um equilíbrio entre os volumes estendidos no eixo leste-oeste, que maximizam a captação de sol sobre na fachada norte, e volumes compactos de planta profunda em vários níveis; e (e) redu-zir as perdas de energia nos acessos por meio de antecâmaras.

Análise térmica do edifício

A análise térmica do edifício realiza-se com o software DesignBuilder. O edifício é modelado com base em suas características atuais de design, para avaliar sua de-manda de climatização e identificar as perdas e ganhos de calor que ocorrem pela envolvente e pelas cargas internas dele.

Materiais e sistemas construtivos

A seguir, descrevem-se e estudam-se as características dos materiais com os quais o edifício foi projetado. Eles são comparados com o nível de transmitância térmica fixado na norma IRAM 11605 [7], para uma temperatura exterior de design de -5 ºC e com o padrão Passivhaus. A partir desses dados (fechamentos e aberturas) e outras características do edifício (atividade, horários de ocupação, controle ambien-tal, sistema de aquecimento, ventilação, refrigeração e iluminação), estudam-se as demandas de climatização (aquecimento e refrigeração).

147

Figura 10 - Esquema de estratégias bioclimáticas para inverno e verão.

Coberturas

Painéis de dupla face com isolante de 10 cm de lã de rocha, com ou sem câmera de ar de 50 cm, e 5 cm de isolamento de lã de vidro, colocado sobre os forros de pla-cas de gesso no último nível.

Cobertura com câmara de ar no último nível (salas de aula e laboratórios): K=0,232 W/m2K

Cumpre o melhor nível de transmitância térmica fixado na norma IRAM 11605, Nível A em coberturas (K=0,363 W/m2K). Não cumpre o padrão Passivhaus (K<0,15 W/m2K).

Cobertura sem câmara de ar (pátio central): K=0,363 W/m2KCumpre o melhor nível de transmitância térmica fixado na norma IRAM 11605,

Nível B em coberturas (K=0,69 W/m2K). Não cumpre o padrão Passivhaus (K<0,15 W/m2K).

Paredes

Paredes em salas de aula do nível 0 e laboratórios do nível 1 e 2


Painéis de dupla face semelhantes aos da cobertura, câmara de ar de 15 cm e uma parede de alvenaria de 10 cm de espessura de bloco de concreto celular (K=0,271 W/m2K).

Cumpre o melhor nível de transmitância térmica para paredes fixado na norma IRAM 11605 (Nível A, K=0,31 W/m2K). Supera o mínimo exigido nas regras do con-curso (Nível B, 0,83 W/m2), mas cumpre o padrão Passivhaus (K<0,15 W/m2K).

Paredes em salas de aula do nível -1 e as funções complementares do nível 0Parede de concreto armado contínuo, com isolante de 10 cm de poliestireno expan-

dido entre ela e o paramento interior de blocos de concreto celular (K=0,246 W/m2K).Cumpre o melhor nível de transmitância térmica para paredes fixado na norma

IRAM 11605, mas não cumpre o padrão Passivhaus.

Pisos

O projeto inclui 1” de isolamento térmico em poliestireno expandido de alta den-sidade do tipo sanduíche entre os dois contrapisos.

Janelas

As esquadrias são do tipo pele de vidro, com superfície mínima de alumínio expos-ta para o exterior, para reduzir a ponte térmica (K=5,21 W/m2-K). Todas as superfí-cies de vidro da envolvente são compostas de termopainel do tipo DVH e incorporam o tratamento “Low E”.

Vidros fachada norte (exceto pátio)

DVH 6/12/4+4: # Exterior: Vidro float do tipo SunGuard Neutral Plus 50, de 6 mm temperado. # Câmara de ar de 12 mm # Interior: laminado 4+4 composto de vi-dro de 4 mm, lâmina incolor de PVB de 0,76 mm, cristal de 4 mm (K=1,65 W/m2 ºC).

Nas salas de aula (orientação norte) o tamanho da área das janelas é de 50% da envolvente exterior, limite máximo recomendado para essa orientação. Consegue-se um equilíbrio entre as perdas de energia e iluminação natural.

Vidros fachada pátio, fachada leste, oeste e sul

DVH 6/12/4 +4: # Exterior: vidro float do tipo SunGuard Neutral Plus 70, de 6 mm temperado # Câmara de ar de 12 mm # Interior: laminado 4 +4 composto de vidro de 4 mm, lâmina incolor de PVB de 0,76 mm, vidro de 4 mm (K=1,90 W/m2 ºC).

Nos laboratórios (orientação sul) o tamanho das janelas corresponde a um per-centual próximo a 30% da envolvente exterior, adaptando-se à fachada sul, que possui incidência solar efetiva nula. As janelas superiores do espaço central de cir-culação em altura tripla (orientação norte) garantem iluminação natural suficiente

149

na circulação (Figura 11). Seu tamanho é de 20% da altura total, o que permite o aproveitamento das visuais e da iluminação natural sem produzir grandes perdas de calor. Nas fachadas laterais (orientações leste e oeste) os vidros ocupam a totalidade da superfície, gerando-se perdas extras de calor.

Figura 11 - Níveis de iluminação natural na circulação (lux).

Demandas de Aquecimento e Refrigeração

Durante todo o ano, a temperatura operativa do edifício está dentro dos valores de conforto, mesmo quando as temperaturas exteriores estão abaixo (Figura 12). A umidade relativa de meados de março a meados de setembro supera a faixa de con-forto, portanto é necessário desumidificar ou aumentar a ventilação cruzada durante esses meses.

Figura 12 - Conforto térmico mensal do edifício.

Os ganhos solares pelas janelas exteriores constituem o maior ganho de calor no edifício (Figura 13). A iluminação artificial não se constitui em um ganho de calor significativo. As perdas de calor são causadas pelo resfriamento sensível.


Figura 13 - Ganhos internos mensais do edifício.

Todos os elementos construtivos produzem perdas de calor, com exceção dos te-tos interiores nos meses de verão e dos pavimentos interiores nos meses de inverno. Os vidros são os elementos construtivos que produzem maiores perdas de calor no in-verno, seguidos pelas paredes, infiltrações de ar, coberturas e tetos interiores. Todos esses elementos estão diretamente relacionados com os aumentos e diminuições das temperaturas exteriores. Por outro lado, o solo age de modo correto, já que produz mais perdas de temperatura no verão que no inverno, enquanto não produzem os tetos interiores (Figura 14).

Os cálculos térmicos são realizados com a ventilação matinal e noturna no edifício nos meses de verão, para reduzir os ganhos de calor e, consequentemente, produzir uma economia energética no edifício.

Figura 14 - Ganhos e perdas de calor através dos elementos construtivos. Dados mensais do edifício.

151

Nas salas de aula, quando os ganhos solares superam os 5.000 Kwh, ocorre au-mento das temperaturas interiores. No mês de abril as temperaturas interiores au-mentam, no entanto esse não é um mês que apresente temperaturas maiores que outros meses de verão (Figuras 6, 15 e 16). Com base nas observações de diferen-tes gráficos, chega-se à conclusão de que no mês de abril os ganhos solares não são compensados com resfriamento noturno ou ventilação, o que produz um aumento considerável das temperaturas, situação que acontece nos outros meses do verão.

Figura 15 - Ar fresco total (ventilação mecânica + ventilação natural + infiltração).

Figura 16 - Temperaturas e ganhos de calor em salas de aula (orientação norte).

Isso poderá ser resolvido ou melhorando-se a proteção solar para obter menor radiação solar nas fachadas, ou aumentando-se a ventilação nos meses de abril; e, se-guindo a mesma análise, também nos meses de maio e setembro. Os laboratórios de ensino orientados ao sul encontram-se em conforto durante todo o ano (Figura 17).


Figura 17 - Temperaturas e ganhos de calor nos laboratórios de ensino (orientação sul).

Para o estudo térmico da circulação, considera-se o exemplo da circulação no ní-vel 0. Todas as circulações estudadas possuem as mesmas características térmicas. Pode-se ver que se encontram dentro da faixa de conforto, exceto no mês de abril, problema que foi detectado nas análises anteriores (Figura 18).

Figura 18 - Temperaturas e ganhos de calor em circulação.

Consumo energético

Anualmente, o edifício tem maior consumo de gás devido à geração de calor, e menor consumo de energia para resfriar-se. A necessidade de aquecimento é prati-camente o dobro da necessidade de resfriamento do sistema (Figura 19).

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Figura 19 - Temperaturas, ganhos de calor e consumo energético anual.

Resultados

Do estudo realizado, concluiu-se que o edifício foi projetado de modo eficaz em relação às estratégias de design passivo estabelecidas no Concurso. No entanto, não cumpre todas as exigências do padrão Passivhaus.

Comparação dos resultados com as exigências do padrão Passivhaus• Ao ser a análise do edifício apenas passiva, não foram considerados os sis-

temas ativos no cálculo. Para os cálculos considerou-se a ventilação natu-ral e mecânica noturnas no verão, com as características estabelecidas no padrão Passivhaus. Foram estabelecidos horários de uso, atividade, vestu-ário, sistemas de iluminação eficientes e de ventilação para obter os valo-res das demandas de aquecimento e refrigeração. O consumo de energia primária para todas as aplicações do edifício (aquecimento, água quente e eletricidade doméstica) não foi avaliado.

• A demanda anual de aquecimento e a de refrigeração não superam os 15 kWh/m2ano; encontrma-se em 12,85 kW/m2ano.

• Os critérios de conforto térmico em relação às temperaturas cumprem-se nos laboratórios e circulação durante todo o ano. As salas de aula, entre-tanto, evidenciam conforto no verão, mas ligeiros aumentos da tempera-tura no inverno.

• Os coeficientes de transmitância térmica (K) dos componentes exteriores opacos e das janelas ultrapassam os valores estabelecidos pelo padrão, no entanto cumprem as exigências estabelecidas nas regras do Concurso, que indicam que se deverão cumprir as “Normas sobre condicionamento térmico dos edifícios” do Instituto Argentino de Materiais – IRAM (1990-1999) [8].

• As áreas translúcidas não superam os percentuais de proteção solar.• Mesmo se evidenciando nos estudos térmicos que os componentes da en-

volvente produzem perdas de calor, os cálculos finais demonstraram que se alcança alta eficiência em relação ao consumo energético.


PROPOSTAS DE MELHORIAS

Embora os cálculos térmicos e a implementação ofereçam bons resultados, efi-cientes energeticamente, para poder alcançar um consumo mínimo são feitas as se-guintes propostas:

melhoria da envolvência para cumprir o padrão Passivhaus; emelhor design de elementos de proteção solar nas salas de aula orientadas a nor-

te e ao pátio central.

Melhoria da envolvente para cumprir o padrão Passivhaus

Para atingir os valores de transmitância térmica exigidos pelo padrão Passivhaus e para não modificar a estética, estudaram-se diferentes variáveis no programa de software DesignBuilder, a fim de chegar às seguintes propostas:

a) nas superfícies opacas, aumentar o isolamento térmico de lã de rocha passando de 10 cm para 25 cm, conseguindo-se, consequentemente, os seguintes valores de transmitância térmica:

• cobertura com câmera de ar 0,121 W/m2-K • cobertura sem câmera de ar 0,149 W/m2-K • parede 0,131 W/m2-K; e b) nas superfícies translúcidas, utilizar vidro de tripla camada, oferecendo

como resultado um valor de K=0,78 W/m2K. É composto das seguintes camadas: # Exterior: vidro genérico LoEClear 3 mm # Câmera de ARGON de 13 mm # Intermediária: Generic Clear 3 mm # Câmera de Argon de 13 mm # Interior Generic Loe Clear de 3 mm.

Melhor design de elementos de proteção solar nas salas de aulas orientadas a norte e ao pátio central

a) Salas de aulas orientadas a nortePara diminuir a intensa iluminação natural das salas de aula e evitar o supera-

quecimento devido aos ganhos internos nos meses mais quentes, propõe-se o uso de beirais, para proteger as janelas de 1,70 m de altura.

Para dimensionamento do beiral, utiliza-se o programa Ecotect, calculado sobre um período de tempo limitado, levando-se em conta os horários e os dias indicados na Figura 6, no início deste documento. Considerou-se o período de janeiro até mea-dos de abril, na faixa horária das 14 às 19 horas (Figura 20).

No cálculo evidencia-se que, quando as radiações são de 1.100 w/m2, para que o beiral possa proteger as janelas da radiação direta, precisa ser de 40 cm, e para radiações de 600 a 900 w/m2, um beiral de 80 cm. Foi selecionado, então, o beiral de 40 cm, utilizado para os novos cálculos térmicos.

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Figura 20 - Design e comprovação de beiral.

Na Figura 21 verifica-se que o beiral projetado aumenta em 22% a proteção da janela para o período projetado, sem aumentar o sombreamento durante os meses de inverno. As sombras projetadas pelas proteções solares no solstício de verão são de 78,4% nos horários mais críticos, enquanto no inverno não ocorrem.

Figura 21 - Coeficientes de sombra sem beiral e com beiral.

b) Pátio Central Para o design da proteção solar do pátio central, de modo a não afetar a esté-

tica do edifício, é proposta a utilização de um vidro eletrocrômico, o qual perde a transparência quando recebe uma corrente elétrica, sendo possível ajustar o grau de escurecimento até o nível desejado. Por meio da utilização de sistemas automáticos, esse escurecimento pode ser fornecido no pátio central nos momentos de maiores temperaturas exteriores.

Esses tipos de vidro têm a capacidade de regular a quantidade de luz e calor que chegam ao interior. Dessa forma, evita-se colocar persianas e reduz-se o gasto ener-gético em ar condicionado e iluminação.


Resultados

As temperaturas permanecem estáveis ao longo de todo o ano, a umidade inte-rior diminui nos meses frios (Figura 22). Os novos vidros (vidro de tripla camada) dei-xam de produzir perdas e contribuem para um bom isolamento térmico no inverno, mas produzem ganhos de calor durante os meses de verão. A envolvente tem melhor desempenho térmico (Figura 23).

Figura 22 - Conforto, temperatura e umidade.

Figura 23 - Temperaturas, ganhos de calor e consumos energéticos mensais.

Os meses de verão demonstram ter menos ganhos internos por radiação solar gra-ças à proteção solar e às novas características dos vidros. Os ganhos solares pelas janelas exteriores são reduzidos (Figura 24).

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Figura 24 - Ganhos internos mensais.

As demandas de potências máximas para a refrigeração aumentam, mas são re-duzidas para o aquecimento (Figura 25).

Figura 25 - Temperaturas, ganhos de calor e consumo energético anual.

CONCLUSõES

Uma vez introduzidas as variáveis para melhorias no design da envolvente, foi possível fazer uma comparação dos ganhos e perdas de calor através da envolvente (Figura 26), o que resultou na determinação do melhor desempenho. Na Figura 27 pode-se ver os consequentes aumentos de temperatura no interior do edifício.


Figura 26 - Ganhos e perdas de calor por envolvente e janelas antes e depois da modificação da envolvente.

Figura 27 - Comparação de temperaturas no interior do edifício antes e depois das modificações na envolvente.

As cargas de refrigeração e aquecimento invertem-se, sendo, na última análise, maior no verão que no inverno. O consumo elétrico torna-se maior, mas o consumo de gás para o aquecimento é reduzido (Figura 28). Isso é possível melhorando-se a ventilação noturna, ampliando-se toda a faixa horária da noite (antes era apenas das 23h à 1h e das 6h às 8h), reduzindo-se as cargas de refrigeração e o consequente consumo elétrico.

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Figura 28 - Comparação dos consumos para aquecimento e para refrigeração antes e depois das modificações na envolvente.

Demonstrou-se que as propostas de melhorias são pertinentes, conseguindo-se reduzir o consumo de gás. Destacam-se a melhora do isolamento da envolvente, a utilização de aberturas de alto desempenho e a incorporação de elementos de som-breamento na fachada.

É importante ressaltar que a diminuição do consumo energético total é mínima, o que demonstra que o projeto original estava muito bem realizado e cumpria com as estratégias de design passivo satisfatoriamente. Esse projeto, como mencionado no início deste documento, é o resultado de um concurso público que teve como eixo central parâmetros de sustentabilidade e de eficiência energética entre suas regras. É importante destacar o papel desse tipo de concurso e os seguimentos a posteriori por meio de ferramentas de simulação, para minimizar ao máximo a demanda energética.

Neste caso, conclui-se que foram alcançados os objetivos da etapa 1 do caminho para o NZEB pela Agência Internacional de Energia (EIA), desenvolvido no âmbito conceitual do presente documento.


[1] ARGENTINA. Balance Energético Nacional, B.E.N. (2010). Secretaría de Energía, Buenos Aires. Disponível em: http://energia3.mecon.gov.ar/contenidos/verpagina.php?idpagina=3366.

[2] MARZAL, A. J. et al. Zero energy building: a review of definitions and calculation methodologies. Energy Buildings, 2011.

[3] SALOM, J.; CUBÍ, E. El camino hacia edificios de balance energético cero. Ecoconstrucción, 2010.


[4] PASSIVHAUS INSTITUT. Disponível em: www.passiv.de.

[5] WUNDERGROUND. Valores de 2001-2012. Disponível em: http://espanol.wunderground.com/.

[6] ORGANIZAÇÃO METEOROLÓGICA MUNDIAL (1961-1990). Disponível em: http://www.wmo.int/pages/index_es.html.

[7] Norma IRAM 11605. Valores máximos admisibles de transmitancia térmica ‘K’ (como máximo los valores correspondientes a Nivel B). Instituto Argentino de Normalización. Buenos Aires, 1996.

[8] IRAM (1990-1999). Normas sobre acondicionamiento térmico de edificios. Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. Buenos Aires, 2012.

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Trabalho Premiado >>> MÓDULO MEDIDOR PARA SISTEMAS INTELIGENTES DE DISCRIMINAÇÃO DE CONSUMO DE ENERGIA POR APARELHO ATRAVéS DE ASSINATURA DE CARGAS

Rodrigo Moreira BacurauOrientador: Elnatan Chagas Ferreira

RESUMO

Neste trabalho apresenta-se o desenvolvimento de um módulo medidor de ener-gia residencial capaz de medir, além do consumo de energia total, os parâmetros elétricos necessários para a discriminação de consumo de energia por aparelho. Também se apresenta um levantamento de quais parâmetros elétricos derivados das curvas de tensão e corrente são úteis para a definição de assinatura de cargas residenciais. Os resultados dos experimentos indicaram a potência ativa, a potência reativa, o fator de potência, a tensão e corrente eficazes, e as cinco primeiras harmô-nicas ímpares do sinal de corrente como os parâmetros mais adequados em sistemas não intrusivos, para a identificação de consumo por aparelho. Graças a técnicas de programação e decisões de projeto acertadas, foi possível desenvolver um módulo medidor de alta precisão e de baixo custo, com um microcontrolador simples e de bai-xo consumo. Esse módulo é capaz de calcular todas as grandezas elétricas supramen-cionadas na frequência de 46 Hz. Os valores de tensão, corrente, fator de potência, potência ativa e potência aparente apresentaram erros inferiores a 0,3%, para car-gas resistivas. O erro nas componentes harmônicas do sinal de corrente foi de 0,03% para a componente fundamental, de 0,58% para a 3ª harmônica, de 3,69% para a 5ª harmônica, de 6,63% para a 7ª harmônica e de 11,81% para a 9ª harmônica. O medidor desenvolvido será usado no projeto “Sistema Inteligente de Gestão Energé-tica para Unidades Consumidoras de Baixa Tensão”, o qual consistirá em um sistema completo de gestão de consumo de energia residencial.

PALAVRAS-CHAVE: Assinatura de Cargas. Medidor Inteligente. Harmônicas.

BR

ASI

L


ABSTRACT

We present in this project the development of a residential power meter module capable of measuring besides the total energy consumption, the electrical param-eters needed for power consumption breakdown. We also present a study of which electrical features derived from current and voltage waveforms are more adequate to define signatures of residential loads. The experimental results indicated that the active power, reactive power, power factor, voltage, current and the first five odd harmonics of the current signal are good parameters to use in Non-Intrusive Load Monitoring Systems (NILM). Thanks to the use of advanced programming techniques and right design decisions, we developed, using a simple microcontroller, a high-pre-cision, low-power and low cost smart meter. This module is capable to calculate all electrical parameters above mentioned at 46 Hz frequency. The voltage, current, power factor active and apparent power presented errors lower than 0.3% for resis-tive loads. The error in the harmonics of the current signal was 0.03% for the funda-mental harmonic, 0.58% for the 3rd harmonic, 3.69% for the 5th harmonic, 6.63% for the 7th harmonic and 11.81% for the 9th harmonic. The smart meter presented here will be used in a larger project entitled "Intelligent Energy Management System for Low Voltage Consumer Units" which consists of a complete management system of residential energy consumption.

KEYWORDS: Power Signature. Smart Meter. Harmonics.

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INTRODUÇÃO

De acordo com o American Council for an Energy-Efficient Economy (ACEEE), o consumo de energia elétrica aumenta cerca de 1% ao ano em todo o mundo [1]. Esse é um fato preocupante, uma vez que 80% a 90% dessa energia é gerada mediante a queima de combustíveis fósseis [2]. Tais recursos não renováveis, além de estarem cada vez mais escassos e caros, causam uma série de problemas ambientais, entre eles o efeito estufa.

Buscando mudar esse cenário, concessionárias de energia e agências de governo de todo o planeta vêm implementando ao longo dos últimos trinta anos, mais expres-sivamente na última década, programas de eficiência energética, os quais objetivam desenvolver soluções que ajudem os usuários a gerenciar o uso da energia e, dessa forma, diminuir a respectiva conta [3].

A promoção de programas de eficiência energética tem custo, em média, três ve-zes menor do que gerar a quantidade de energia economizada por esses programas [1]. Em outras palavras, promover ações que minimizem o desperdício de energia é mais barato que produzir energia. Além de benefícios econômicos, como a redução do custo de geração, esses programas também proporcionam uma série de benefí-cios ambientais devido à diminuição de emissão de gases provenientes da queima de combustíveis fósseis.

Pesquisa realizada pelo ACEEE durante 15 anos (1995-2010), em vários países, indica que a quantidade de energia economizada com a mudança de comportamen-tos é proporcional à qualidade de informação que os consumidores recebem acerca do consumo [4]. O resultado dessa pesquisa, apresentado na Figura 1, indica que, quanto mais detalhadas são as informações recebidas, mais significativas são as economias. O conhecimento de onde (em quais aparelhos) e quando (em quais pe-ríodos do dia) a energia está sendo gasta leva tanto à redução do consumo quanto à mudança do uso da energia de períodos de pico para períodos fora de pico [4]. A economia mais expressiva é obtida mediante a disponibilização de informação em tempo real, com discriminação de consumo por aparelho (Real-Time Plus Feedback), que resulta em economia média de 12% [4]. Análises recentes de programas que oferecem informações de consumo em tempo real por aparelho apontam economia de até 19,5%, com média de 3,8% [1].

Os sistemas para discriminação de consumo por aparelho são divididos em dois grupos, intrusivos e não intrusivos. Sistemas intrusivos são aqueles em que o consu-mo de energia é medido em cada carga individualmente. Esses sistemas são compos-tos de uma rede de medidores de energia, e um aplicativo computacional é usado para obter os dados dos sensores, processá-los e exibi-los para os usuários. Devido ao fato de requererem vários medidores, esses sistemas são relativamente caros e difíceis de instalar e de manter.


Figura 1 - Economia média em unidades residenciais, com base em 36 estudos realizados entre 1995 e 2010 [4].

A outra forma de medir o consumo de energia elétrica por aparelho é com siste-mas de monitoramento não intrusivos (do inglês NILM, Non-Intrusive Load Monito-ring, ou NIALM, Non-Intrusive Appliance Load Monitoring). Neste caso, somente um medidor é necessário, o qual deve ser instalado na entrada de energia da residência, sendo a caixa de distribuição elétrica o local mais usado. Estes sistemas são, geral-mente, mais baratos e fáceis de instalar do que os intrusivos, porém ainda não são capazes de identificar o consumo de todas as cargas residenciais modernas [3,5-11].

O primeiro sistema não intrusivo para discriminação de consumo por aparelho foi proposto por cientistas do MIT na década de 1990 [10]. Na técnica desenvolvida, os níveis operacionais das cargas foram determinados identificando-se os instantes em que o consumo de energia muda de um valor estacionário para outro. Essas mu-danças de estados de operação, denominadas eventos, correspondem à carga sendo ligada ou desligada e podem ser caracterizados em magnitude e sinal. Na Figura 2 apresenta-se um gráfico de potência de uma geladeira e de um forno micro-ondas ao longo do tempo. Sabendo-se o consumo em estado ligado e a frequência de opera-ção do forno micro-ondas e do refrigerador é possível identificar os instantes em que cada aparelho está ligado ou desligado e o consumo de cada um a partir da curva de potência resultante da sobreposição das duas cargas.

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Figura 2 - Assinaturas de carga de um refrigerador e de um forno de micro-ondas l igados no mesmo circuito (adaptada de [28]).

Sistemas NILM usam o conceito de assinatura de carga para identificação dos apare-lhos em uso em cada instante. Assinatura de carga consiste em um conjunto de caracte-rísticas elétricas que podem ser usadas para diferenciação de cargas (eletrodoméstico, lâmpada, etc.). Ela pode ser definida de várias formas, sendo a mais comum por meio da curva da potência ativa consumida pelo aparelho ao longo do tempo. Praticamente to-dos os parâmetros elétricos derivados da tensão e corrente podem ser usados para defini-ção de assinaturas de cargas, como potências ativa, reativa e aparente, fator de potência, valor eficaz da tensão e corrente, e harmônicas agregadas ao sinal de corrente.

A assinatura de carga pode ser representada tanto no domínio do tempo [10,12-15] quanto no domínio da frequência [6,9,11,15-19], bem como pode ser representada matematicamente em termos de wavelets [20,21], autovalores [15] ou em decompo-sição em valores singulares (SVD) [22]. Independentemente do método usado para re-presentação das assinaturas, o algoritmo para reconhecimento de cargas pode operar com base em características do estado estacionário (quando a carga encontra-se em regime) [10,11,12,14,17] ou com características transientes (quando a carga é ligada) [5,6,7,9,20,21], ou, ainda, mediante uma combinação dos dois estados [8,15,23].

Apesar de os primeiros trabalhos com identificação de cargas por meio de siste-mas não intrusivos terem sido feitos há mais de 20 anos e ainda se tratar de uma área bastante explorada, não há uma solução que permita discriminar o consumo de todos os equipamentos modernos. Vários eletrodomésticos e eletroportáteis pos-suem características não lineares, utilizam fontes chaveadas e/ou têm um grande número de estados de operação, tornando difícil a caracterização de suas assinaturas e, consequentemente, culminando em menor exatidão ou mesmo impossibilitando o reconhecimento das cargas.

A medição adequada, e com acurácia, das características elétricas dos circuitos monitorados é essencial para a efetividade de sistemas NILM [17]. Portanto, para


que esses sistemas continuem evoluindo, é necessário o desenvolvimento de medi-dores de energia inteligentes para discriminação de cargas.

A medição das grandezas elétricas usadas em sistemas NILM pode ser feita com uma grande variedade de equipamentos. Estudo adotou medidores de energia ele-trônicos comerciais para a obtenção da potência ativa [24]. Também foram usados um analisador de harmônicas para a obtenção das componentes harmônicas do sinal de corrente [16], um registrador de qualidade de energia trifásico para a obtenção das componentes harmônicas do sinal de corrente [17], um osciloscópio e uma DAQ para a obtenção do espectro de frequência do sinal de corrente [9], um osciloscópio para amostrar as curvas de tensão e corrente, que foram posteriormente processadas por um software desenvolvido em MATLAB [21], um circuito integrado medidor de energia para a obtenção das potências ativa e aparente [14] e um módulo medidor microcontrolado para amostragem dos sinais de tensão e corrente, e cálculo das po-tências ativa e reativa e da 2ª e 3ª componente harmônica do sinal de corrente [11].

Cada uma dessas abordagens apresenta vantagens e desvantagens. Medidores de energia eletrônicos comerciais são de fácil instalação, porém permitem a medição apenas das potências ativa e aparente. O uso de registradores de qualidade de ener-gia, analisadores de harmônicas, osciloscópio e DAQs possibilita a coleta de um gran-de número de características elétricas. Porém, devido ao alto custo e às dimensões físicas desses equipamentos, eles não são adequados para instalação em grande es-cala em unidades residenciais – são apropriados somente para medição em pequena escala ou em laboratório. Já os circuitos integrados medidores de energia podem ser instalados em grande escala em unidades residenciais, devido ao baixo custo e às pequenas dimensões deles, porém apresentam pouca flexibilidade quanto à escolha de quais grandezas elétricas podem ser obtidas. Por sua vez, a utilização de micro-controladores para o desenvolvimento de medidores inteligentes permite a escolha de quais grandezas elétricas podem ser medidas e quais protocolos de comunicação podem ser adotados. Além disso, apresentam, geralmente, menor custo que circuitos integrados dedicados para medição de energia.

Objetivos

Os objetivos desta monografia são identificar quais grandezas elétricas derivadas das curvas de tensão e corrente são mais adequadas para a definição de assinatura de cargas residenciais, e desenvolver um módulo medidor de energia capaz de regis-trar todas as grandezas elétricas úteis para a identificação de cargas. Esse módulo medidor deve permitir o monitoramento individual de cada um dos circuitos elétricos de uma residência e possuir uma interface de comunicação que permita o envio em tempo real dos parâmetros calculados para o módulo que implementará o algoritmo de identificação de cargas, este fora do escopo deste trabalho.

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IDENTIFICAÇÃO DAS GRANDEZAS ELéTRICAS MAIS ADEQUADAS PARA DEFINIÇÃO DE ASSINATURA DE CARGAS RESIDENCIAIS

Vários artigos foram publicados recentemente com propostas de sistemas NILM [9,11] e algoritmos para reconhecimento de padrões para identificação de cargas [12,16,17,24,25]. Porém, em nenhum deles é apresentado um estudo detalhado de quais grandezas elétricas derivadas das curvas de tensão e corrente são as mais ade-quadas para a identificação de cargas. Inclusive, os autores desses trabalhos diver-gem quanto à escolha desses parâmetros. Em praticamente todos os trabalhos são usados a potência ativa e a corrente para definição de assinaturas; alguns utilizam potência reativa [8,11,12,15,16], outros fator de potência [14] ou componentes harmônicas da corrente [6,9,11,15-19].

Um bom parâmetro elétrico para a definição da assinatura de cargas tem duas características básicas: apresenta valores bastante diferentes para aparelhos dife-rentes; e um único valor para o mesmo aparelho. Preferencialmente, deve-se poder calcular rapidamente esses parâmetros em sistemas embarcados.

A decisão de quais parâmetros devem ser usados para definir as assinaturas de cargas é um fator determinante no desempenho de sistemas NILM. Adotar poucos parâmetros reduz a acurácia da identificação, especialmente para cargas com assi-naturas complexas, como computadores. Por outro lado, a seleção de muitos parâ-metros torna os algoritmos de reconhecimento mais complexos e lentos, podendo tornar o custo do sistema elevado ou mesmo inviabilizar sua implementação. Como a maioria dos sistemas NILM comerciais são desenvolvidos com microcontroladores, a complexidade computacional dos algoritmos usados para calcular os parâmetros elétricos desejados é um fator limitante no desenvolvimento deles.

O uso das componentes harmônicas do sinal de corrente como parâmetro para dis-tinção de cargas residenciais tem-se mostrado bastante promissor. Contudo, não há um consenso de quais harmônicas são as mais adequadas para isso. Em dois estudos, foram utilizadas as oito primeiras harmônicas ímpares para análise de assinatura de cargas [6,16], em outro, as dezesseis primeiras harmônicas pares e ímpares [18], enquanto apenas a 2ª e a 3ª harmônicas foram analisadas num quarto trabalho [11]. Tendo em vista o relativo alto custo computacional dos algoritmos necessários para o cálculo da Transformada Discreta de Fourier (FFT, Goertzel, etc.), o cálculo de muitas harmônicas, a uma taxa elevada e em tempo real, torna-se impraticável. Por outro lado, a adoção de poucas componentes harmônicas pode dificultar a identificação de cargas.

É apresentada nesta seção uma série de experimentos com o objetivo de identificar quais parâmetros elétricos derivados das curvas de tensão e corrente elétrica são os mais adequados para a definição da assinatura de cargas residenciais. Uma atenção especial foi dada às componentes harmônicas do sinal de corrente devido à potenciali-


dade dessas informações em sistemas NILM. As informações apresentadas neste capí-tulo podem ser usadas como base para o desenvolvimento de qualquer sistema NILM.

Materiais e métodos

Uma montagem experimental foi desenvolvida para a obtenção das curvas de tensão e corrente de cargas residenciais. A partir dessas curvas calcularam-se os pa-râmetros mais comumente utilizados para identificação de cargas: potências ativa, reativa e aparente, fator de potência, tensão e corrente eficazes, e as 25 primeiras harmônicas dos sinais de tensão e corrente.

As curvas de tensão e corrente dos aparelhos analisados foram amostradas usan-do-se um módulo de aquisição de dados da National Instruments (DAQ) NI USB-6211, uma placa de condicionamento de sinais e um software de aquisição desenvolvido em LabVIEW. Os sensores de tensão e corrente bem como seus respectivos circuitos con-dicionadores foram acomodados na placa de condicionamento. O “software de aqui-sição de tensão e corrente”, implementado na plataforma LabVIEW, foi desenvolvido para controlar a DAQ e gerar e armazenar as amostras de tensão e corrente elétrica dos aparelhos analisados. Um software foi desenvolvido em MATLAB para calcular os parâmetros elétricos a partir das amostras de tensão e corrente, e exibi-los em gráfi-cos. São apresentadas na Figura 3 as componentes da montagem experimental e as etapas desse experimento (condicionamento, aquisição e processamento).

Figura 3 - Montagem experimental proposta para levantamento de parâmetros elétricos de cargas residenciais.

Os experimentos foram executados no Laboratório de Computadores do Depar-tamento de Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica (Demic), da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Os eletrodomésticos analisados foram conectados à rede elétrica de tensão nominal 127 VRMS.

As cargas analisadas nesse experimento foram selecionadas conforme a taxono-mia proposta por Sultanem [26]. Nesse artigo, o autor dividiu os aparelhos em gru-

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pos com comportamento elétrico similar e, consequentemente, curvas de tensão e corrente semelhantes. Foram feitos experimentos com pelo menos um aparelho de cada categoria: uma lâmpada incandescente e um ferro de passar roupas (cargas re-sistivas); duas lâmpadas fluorescentes compactas de 13 W e uma de 20 W; um moni-tor LCD de 19”; um computador desktop e um notebook (eletrônicos); um ventilador de três velocidades (cargas motorizadas); um refrigerador e um bebedouro (equipa-mentos operados por bombas); e um forno de micro-ondas (este não se enquadra em nenhuma das categorias).

As medidas em estado estacionário foram executadas após as cargas estarem li-gadas por pelo menos por 10 minutos . Cada carga foi analisada separadamente. O tempo de aquisição em todas as medidas foi de 1 segundo.

A partir das amostras de tensão e corrente foram calculadas as potências ativa, reativa e aparente, o fator de potência, a tensão e corrente eficazes, e as 25 primei-ras harmônicas dos sinais de tensão e corrente. Esses parâmetros foram calculados para cada ciclo de rede (60 Hz). Na análise em estado estacionário, com uma popu-lação de 60 amostras, calcularam-se os valores médios e os desvios padrão de cada um dos parâmetros gerados.

Resultados

Na Tabela 1 são apresentadas as médias e os desvios padrão dos parâmetros elé-tricos medidos com as cargas em estado estacionário.

Tabela 1 - Parâmetros elétricos das cargas obtidos em regime

Parâmetros VRMS (V) IRMS (A) P (W) Q (Var) S (Va) FP

Lâmpada Incandescente 60 W124,65 ±

0,070,489 ± 0,000

60,93 ± 0,06

2,01 ± 0,04

60,96 ± 0,06

1,00 ± 0,00

Lâmpada Fluorescente 1 13 W124,98 ±

0,230,178 ± 0,000

15,65 ± 0,04

15,79 ± 0,06

22,23 ± 0,07

0,70 ± 0,00

Lâmpada Fluorescente 2 13 W125,52 ±

0,200,179 ± 0,000

15,96 ± 0,05

15,90 ± 0,05

22,53 ± 0,05

0,71 ± 0,00

Lâmpada Fluorescente 20 W125,37 ±

0,060,302 ± 0,002

23,59 ± 0,16

29,69 ± 0,19

37,92 ± 0,21

0,62 ± 0,00

Monitor LCD126,39 ±

0,130,406 ± 0,002

35,06 ± 0,27

37,40 ± 0,28

51,26 ± 0,24

0,68 ± 0,00

Computador Desktop125,85 ±

0,140,747 ± 0,006

60,44 ± 0,60

72,03 ± 0,58

94,02 ± 0,80

0,64 ± 0,00

Ventilador (Velocidade 1)126,90 ±

0,090,293 ± 0,000

36,72 ± 0,06

5,69 ± 0,03

37,16 ± 0,06

0,99 ± 0,00


0,060,309 ± 0,000

38,79 ± 0,06

4,26 ± 0,02

39,02 ± 0,06

0,99 ± 0,00


0,090,343 ± 0,000

43,23 ± 0,06

3,00 ± 0,02

43,33 ± 0,06

1,00 ± 0,00


Parâmetros VRMS (V) IRMS (A) P (W) Q (Var) S (Va) FP

Ferro de Passar109,06 ±

0,117,966 ± 0,008

868,65 ± 1,74

15,51 ± 0,24

868,79 ± 1,74

1,00 ± 0,00

Micro-ondas106,19 ±

0,1010,538 ±

0,017943,81 ±

2,96601,27 ±

0,871119,06 ±

2,580,84 ± 0,00

Geladeira123,09 ±

0,151,553 ± 0,002

174,71 ± 0,30

77,72 ± 0,36

191,22 ± 0,28

0,91 ± 0,00

Bebedouro125,54 ±

0,141,620 ± 0,002

116,57 ± 0,53

166,62 ± 0,37

203,35 ± 0,40

0,57 ± 0,00

Notebook (sem bateria)127,32 ±

0,100,368 ± 0,011

26,59 ± 0,99

38,64 ± 1,02

46,91 ± 1,39

0,57 ± 0,01

Celular Carregando126,61 ±

0,090,090 ± 0,001

7,12 ± 0,06

8,87 ± 0,10

11,37 ± 0,09

0,63 ± 0,01

Observou-se que cargas de alta potência, como o ferro de passar roupas e o for-no de micro-ondas, podem causar quedas de tensão significativas. Na rede elétrica usada, por exemplo, o acionamento do forno de micro-ondas levou a tensão de 127 VRMS para 109 VRMS, e o do ferro de passar, para 106 VRMS. Essa variação de tensão pode dificultar ou até mesmo impossibilitar a identificação de algumas cargas, pois, na maioria das técnicas de reconhecimento de cargas, assume-se que a amplitude e a forma do sinal de tensão são constantes. Assim, justifica-se o uso da tensão como um dos parâmetros úteis na identificação de cargas, especialmente quando a rede elétrica analisada apresenta variações de tensão significativas.

O fator de potência e a potência reativa mostraram-se bastante úteis na diferen-ciação de cargas lineares e não lineares. Por exemplo, o ferro de passar e o forno de micro-ondas, apesar de possuírem potências ativas semelhantes, podem facilmente ser diferenciados por meio de suas potências reativas e fatores de potência distintos.

Na Tabela 2 são apresentados os valores médios e respectivos desvios padrão das oito primeiras componentes harmônicas ímpares do sinal de corrente das cargas analisadas. O sistema desenvolvido é capaz de obter até a 25ª harmônica desse sinal, porém, devido ao fato de os valores das harmônicas superiores à 15ª serem muito pequenos, eles não foram apresentados.

Tabela 2 - Oito primeiras harmônicas ímpares da corrente das cargas em regime

Harmônicas da Corrente (ARMS) 1ª 3ª 5ª 7ª 9ª 11ª 13ª 15ª

Lâmpada Incandescente 60 W 0,489 ±0,000

0,006 ±0,000

0,010 ±0,000

0,001 ±0,000

0,002 ±0,000

0,000 ±0,000

0,001 ±0,000

0,001 ±0,000

Lâmpada Fluorescente 1 13 W 0,130 ±0,000

0,085 ±0,000

0,051 ±0,000

0,040 ±0,000

0,037 ±0,000

0,027 ±0,000

0,021 ±0,000

0,018 ±0,000

Lâmpada Fluorescente 2 13 W 0,132 ±0,000

0,085 ±0,000

0,050 ±0,000

0,041 ±0,000

0,036 ±0,000

0,025 ±0,000

0,019 ±0,000

0,016 ±0,000

Lâmpada Fluorescente 20 W 0,199 ±0,001

0,142 ±0,001

0,093 ±0,001

0,071 ±0,001

0,070 ±0,001

0,063 ±0,001

0,054 ±0,001

0,051 ±0,001

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Harmônicas da Corrente (ARMS) 1ª 3ª 5ª 7ª 9ª 11ª 13ª 15ª

Monitor LCD 0,286 ±0,002

0,222 ±0,001

0,152 ±0,002

0,081 ±0,003

0,032 ±0,003

0,032 ±0,002

0,032 ±0,001

0,019 ±0,001

Computador Desktop 0,495 ±0,005

0,413 ±0,004

0,310 ±0,002

0,197 ±0,002

0,089 ±0,003

0,012 ±0,002

0,026 ±0,001

0,031 ±0,001

Ventilador (Velocidade 1) 0,292 ±0,000

0,011 ±0,000

0,015 ±0,000

0,002 ±0,000

0,002 ±0,000

0,000 ±0,000

0,001 ±0,000

0,001 ±0,000


0,010 ±0,000

0,012 ±0,000

0,001 ±0,000

0,002 ±0,000

0,000 ±0,000

0,001 ±0,000

0,001 ±0,000


0,010 ±0,000

0,010 ±0,000

0,001 ±0,000

0,002 ±0,000

0,000 ±0,000

0,001 ±0,000

0,001 ±0,000

Ferro de Passar 7,963 ±0,008

0,132 ±0,006

0,164 ±0,005

0,023 ±0,004

0,045 ±0,003

0,006 ±0,002

0,018 ±0,003

0,018 ±0,002

Micro-ondas 9,534 ±0,026

4,336 ±0,022

0,772 ±0,026

0,509 ±0,012

0,148 ±0,008

0,123 ±0,008

0,075 ±0,007

0,045 ±0,006

Geladeira 1,537 ±0,002

0,166 ±0,004

0,116 ±0,002

0,078 ±0,001

0,030 ±0,001

0,004 ±0,001

0,013 ±0,001

0,007 ±0,001

Bebedouro 1,617 ±0,003

0,086 ±0,004

0,047 ±0,002

0,004 ±0,001

0,015 ±0,001

0,002 ±0,001

0,004 ±0,001

0,003 ±0,001

Notebook (sem bateria) 0,216 ±0,008

0,180 ±0,007

0,154 ±0,005

0,125 ±0,003

0,093 ±0,002

0,066 ±0,002

0,048 ±0,002

0,037 ±0,002

Celular Carregando 0,057 ±0,001

0,030 ±0,001

0,023 ±0,001

0,014 ±0,001

0,010 ±0,001

0,010 ±0,001

0,009 ±0,001

0,007 ±0,001

Esse experimento permitiu constatar que as harmônicas mais úteis para a defi-nição de assinaturas de cargas (aquelas que apresentaram maior variação entre os aparelhos) são as cinco primeiras harmônicas ímpares (1ª, 3ª, 5ª, 7ª e 9ª).

Alguns padrões foram identificados nos espectros de frequência do sinal de cor-rente das cargas analisadas. Esses padrões, que podem ser usados para distinção de cargas, são mais facilmente observados mediante comparação da amplitude das componentes harmônicas apresentadas em gráficos. Sendo assim, foram plotados gráficos das curvas de tensão e corrente tanto no domínio do tempo quanto no do-mínio da frequência discreta para todas as cargas analisadas. Para facilitar a visu-alização das componentes harmônicas de baixa amplitude, os gráficos do espectro de frequência foram apresentados também em escala logarítmica. Na Figura 4 são apresentados os gráficos das curvas de tensão e corrente do forno de micro-ondas.

Entre todas as cargas analisadas, o forno de micro-ondas foi o único que apresen-tou sinal de corrente com terceira harmônica de valor elevado (na ordem de ampe-res). Essa característica única pode ser usada para a identificação desse aparelho.

Constatou-se também que o forno de micro-ondas causa elevada distorção na curva de tensão. Foram observadas componentes significativas de 3ª e 5ª harmô-nicas no sinal de tensão quando esse aparelho está ligado. A presença de harmô-nicas na curva de tensão dificulta o processo de identificação, pois componentes harmônicas podem ser geradas na curva de corrente de cargas lineares, o que difi-culta suas identificações.


Figura 4 - Gráficos de um ciclo de rede das curvas de tensão e corrente do forno de micro-ondas no domínio do tempo e da frequência discreta.

Na Figura 5 são apresentados os espectros do sinal de corrente de duas lâmpadas fluorescentes compactas de diferentes fabricantes e potências. Apesar de apresen-tarem espectros diferentes, em ambos os gráficos, a 1ª, 3ª e 5ª harmônicas caem de forma quase linear, diminuindo a inclinação na 7ª e mantendo-se praticamente constante na 9ª harmônica. Essa característica pode ser usada na identificação de lâmpadas compactas; se não para todas, pelo menos para uma parte delas. Mais tes-tes devem ser realizados para verificação dessa característica em lâmpadas de outras marcas, modelos e potências.

Figura 5 - Componentes harmônicas do sinal de corrente da lâmpada fluorescente compacta de 13 W (a) e da lâmpada fluorescente compacta de 20 W (b).

Como se pode observar na Figura 6, os refrigeradores também apresentam carac-terísticas peculiares. Os dois aparelhos analisados, uma geladeira e um bebedouro, apresentaram 3ª e 5ª harmônicas com amplitudes semelhantes e consideravelmen-te menores que a da harmônica fundamental.

173

Figura 6 - Componentes harmônicas do sinal de corrente do: (a) refrigerador e (b) bebedouro.

O monitor LCD e o computador desktop apresentaram características bastante semelhantes. Em ambos, as cinco primeiras harmônicas ímpares apresentam com-portamento descendente linear, como pode ser observado na Figura 7(a) e (b). Ca-racterística semelhante foi observada no notebook, porém o comportamento linear descendente ocorre até a 13ª harmônica e com menor inclinação.

Figura 7 - Componentes harmônicas do sinal de corrente do computador de mesa (a) e do monitor LCD (b).

DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO MEDIDOR PARA SISTEMAS NILM

O módulo medidor apresentado nesta seção é parte do projeto de doutorado em andamento intitulado “Sistema Inteligente de Gestão Energética para Unida-des Consumidoras de Baixa Tensão”, no qual está sendo desenvolvido um sistema completo de gestão de consumo de energia elétrica em unidades residenciais. Esse sistema será composto de vários módulos de software e hardware, que juntos serão capazes de informar ao usuário, em tempo quase real, o consumo de cada aparelho elétrico da residência e, quando aplicável, possibilidades de economia de energia.

O Sistema Inteligente de Gestão Energética para Unidades Consumidoras de Baixa Tensão baseia-se em medição centralizada (não intrusiva) no circuito. Cada circuito elétrico da residência será monitorado por um medidor dedicado, instalado nas saídas de cada um dos disjuntores da caixa de distribuição elétrica. Esse sistema será composto das seguintes componentes físicas: módulo de processamento, placa concentradora e módulos medidores.


O módulo de processamento consistirá em um computador PC mini-ITX, o qual executará um software LabVIEW, que implementará o algoritmo de identificação de cargas. Esse programa fará requisições periódicas dos dados gerados pelos módulos medidores e, através de técnicas baseadas em Lógica Fuzzy e assinatura de cargas, fará a identificação das cargas em uso, bem como o cálculo de seus consumos ins-tantâneos. Um servidor web, responsável por prover a interface com o usuário, será implementado neste módulo.

A placa concentradora será responsável pela obtenção dos parâmetros elétricos gerados pelos módulos medidores e envio dessas informações para o módulo de pro-cessamento. Essa placa poderá ser usada para monitor até 16 módulos medidores concomitantemente, conectados em soquetes PCI Express 1x. Além de servir de su-porte para os módulos medidores, os soquetes PCI-E fornecerão tensões de alimen-tação, vias para comunicação SPI e os sinais de tensão das três fases e do neutro da rede elétrica (para medição de tensão). A placa concentradora será equipada com um microcontrolador, responsável por gerenciar a comunicação SPI com os módulos medidores, bem como para fornecer uma interface USB 2.0, usada para comunicação com o módulo de processamento.

Os módulos medidores serão usados para registrar os parâmetros elétricos de cada um dos circuitos monitorados. Será instalado um módulo medidor por circuito. Esses medidores, equipados com sensores de tensão e corrente elétrica, são capazes de calcular potência ativa, fator de potência, tensão e corrente eficazes, e as cinco primeiras harmônicas ímpares do sinal de corrente. Os parâmetros obtidos são envia-dos para a placa controladora através de interface SPI. Na Figura 8 é apresentado o módulo medidor desenvolvido, que possui 36 mm de largura por 38 mm de altura.

Figura 8 - Módulo medidor: leiaute da PCB (a), representação tridimensional (b) e placa final (c).

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Hardware do Módulo Medidor

Na Figura 9 apresenta-se o diagrama de blocos da placa concentradora e do mó-dulo medidor. Os sinais de tensão das três fases da rede elétrica são obtidos pela placa concentradora. Esses sinais são isolados, condicionados e repassados para os módulos medidores. Transformadores com entrada nominal de 110/220 VRMS e saí-da 8 VRMS foram usados para prover isolação elétrica e proteção do circuito de medi-ção. As amplitudes dos sinais de tensão de saída dos transformadores são atenuadas por divisores resistivos, compostos de resistores de 24 kΩ e 1 kΩ, o que resulta em uma tensão nominal de saída de 320 mVRMS (452,5 mV de pico). Usando conversores A/D de 16 bits efetivos, com fundo de escala em ±600 mV, é possível medir tensões de até 145 VRMS, com resolução de 4,42 mVRMS, ou tensões de até 290 VRMS, com re-solução de 8,85 mVRMS.

O sinal de corrente é obtido por um transformador de corrente de relação entrada/saída igual a 50:0,106 A, precisão de 1% e fundo de escala de 50 ARMS. Esse sensor é instalado logo após a saída do disjuntor do circuito monitorado, conforme mostrado na Figura 9. A corrente induzida no TC é medida por meio de um resistor de borda de 5,6 Ω. Usando um conversor A/D de 16 bits efetivos, com fundo de escala em ±600 mV, é possível medir correntes de até 50 ARMS, com resolução de 1,53 mARMS.

Figura 9 - Diagrama de blocos da placa concentradora e do módulo medidor.


O módulo medidor é composto basicamente de circuitos de condicionamento dos sinais de tensão e corrente e de um microcontrolador, responsável pelo cálculo e transmissão dos parâmetros elétricos para a placa concentradora.

O microcontrolador da Texas Instruments MSP430AFE253 foi escolhido para im-plementar o módulo medidor. Este microcontrolador de baixo custo e consumo foi projetado especialmente para a construção de medidores de energia monofásicos. O MSP430AFE253 é equipado com uma unidade de processamento RISC de 16 bits capaz de operar até 12 MHz, 16 KB de memória de flash, 512 MB de memória SRAM, interfaces de comunicação UART e SPI, multiplicador em hardware de 16 bits, timer de 16 bits, 11 pinos de entrada e saída digital e três conversores A/D sigma-delta independentes de 24 bits [27]. Esses conversores possuem entradas diferenciais sincronizáveis, de forma a permitir amostragens simultâneas. Além disso, possuem referência de tensão interna de 1,2 V, com variação de 50 ppm/ºC, amplificador de ganho integrado, programável, de até 32 vezes, e podem operar com uma taxa de sobreamostragem de até 1.024 vezes. Todas essas características tornam esse con-trolador adequando para a implementação do módulo medidor.

Na Figura 10 é apresentado o diagrama esquemático do módulo medidor. Este circuito é composto de um microcontrolador MSP430AFE253, dois multiplexadores analógicos 4x1 HCT4052M, um conector PCI Express 1x, cristal oscilador e compo-nentes passivas (resistores, capacitores, indutores e diodos).

Figura 10 - Diagrama esquemático do módulo medidor.

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As tensões de alimentação usadas no módulo medidor (3,3 VDC, 5 VDC, -5 VDC) e a referência de terra são fornecidas pela placa concentradora. A tensão de 3,3 VDC (DVCC e AVCC) é usada para alimentação do microcontrolador, e as tensões de 5 VDC (+5AVCC) e -5 VDC (AVEE) são usadas para alimentar os multiplexadores ana-lógicos. Para evitar interferências devido aos chaveamentos dos circuitos digitais so-bre os analógicos, as tensões de alimentação e terra da parte analógica (conversores A/D e multiplexadores) são separadas do circuito digital.

Os multiplexadores analógicos 4x1 HCT4052M são usados para seleção do sinal de tensão usado para medição. Como se pôde observar na Figura 9, o medidor de-senvolvido é capaz de medir seis diferentes combinações de tensão: Neutro – Fase A, Neutro – Fase B, Neutro – Fase C, Fase A – Fase B, Fase B – Fase C, e Fase A – Fase C. Esses multiplexadores são controlados pelo microcontrolador através de quatro vias de controle. O microcontrolador, por sua vez, recebe, a partir de comando SPI, a informação de quais fases devem ser selecionadas.

Conversores A/D e Filtros Anti-Aliasing

Neste projeto, dois conversores A/D independentes foram usados para amostra-gem simultânea dos sinais de tensão e corrente, necessária para o cálculo da potên-cia ativa e fator de potência. Esses conversores foram configurados para operar com 16 bits de resolução, entradas diferenciais bipolares, que permitem leitura de valores positivos e negativos, com fundo de escala em ±600 mV e ganho unitário.

Para que o erro no cálculo da potência ativa seja minimizado, os conversores A/D devem operar com taxa de amostragem múltipla da frequência da rede elétrica [28]. Considerando que a frequência da rede elétrica no Brasil é de 60 Hz, os converso-res A/D usados no módulo medidor foram configurados para operar com taxa de amostragem de 3,84 kS/s (64*60 Hz). De acordo com o Teorema de Nyquist, essa frequência de amostragem permite leitura das componentes harmônicas de tensão e corrente de até 31ª ordem. O uso de taxa de amostragem alta resulta em maior precisão nos cálculos das grandezas elétricas, sobretudo em cargas não lineares, que apresentam valores significativos de componentes harmônicas de elevada ordem.

Os conversores A/D Sigma-Delta utilizados para amostragem dos sinais de ten-são e corrente foram configurados para operar com taxa de sobreamostragem de 512 vezes. Dessa forma, para que sejam obtidos dados a uma taxa de 3,84 kS/s, o conversor A/D deve operar a uma taxa efetiva de 1,96608 MS/s.

A adoção de conversores A/D Sigma-Delta com alta taxa de sobreamostragem possibilitou o uso de filtros anti-aliasing passivos de baixa ordem, que, implementa-dos (representados em forma de blocos na Figura 9), são filtros RC passa-baixas com frequência de corte de -3 dB em 15,9 kHz. Cada um deles é composto de um resistor de 1 KΩ e de um capacitor de 10 nF. Na faixa de interesse de 60 Hz a 1,86 kHz


(frequência da 31ª harmônica), esses filtros causam atenuação máxima de -0,06 dB (0,7%). Com uma taxa de amostragem de 1,96608 MS/s, esses filtros são capazes de atenuar os sinais nas frequências causadoras de aliasing (superiores a 1,964220 MHz) em pelo menos -37,78 dB (98,7%).

Metodologia de Teste do Módulo Medidor

O módulo medidor foi testado com o objetivo de avaliar a acurácia e precisão dos parâmetros elétricos calculados e verificar se a comunicação com a placa concentra-dora ocorre corretamente.

Um programa Labview foi desenvolvido para requisitar os dados gerados no mó-dulo medidor e exibi-los em gráficos. O painel de controle desse programa é apre-sentado na Figura 11. Quatro gráficos, atualizados em tempo real, exibem potência ativa, fator de potência, tensão e corrente eficazes, e módulo das cinco primeiras componentes harmônicas ímpares do sinal de corrente. Na parte inferior do painel, o valor numérico desses parâmetros é exibido em tempo real.

Figura 11 - Painel de controle do programa Power Meter Acquisition Software.

Como carga de teste foi selecionada uma lâmpada incandescente de 100 W (car-ga resistiva), uma lâmpada fluorescente compacta de 20 W (carga não linear) e um motor de máquina de lavar roupas de 240 W (carga indutiva).

As cargas foram analisadas separadamente, em regime, durante o período de 1 minuto. Um único módulo medidor foi usado em todos os ensaios. Durante os testes, a tensão de alimentação das cargas analisadas, providas pela fonte de tensão AC programável, foi mantida constante no valor nominal de 127 VRMS e 60 Hz. A obten-

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ção dos parâmetros elétricos das cargas só foi iniciada após as cargas entrarem em equilíbrio térmico, pelo menos 5 minutos após serem ligadas.

Para verificação da acurácia dos parâmetros calculados pelo módulo medidor, foram usados como referência de tensão e corrente dois multímetros Keithley 197. Para verificação das componentes harmônicas do sinal de corrente, usou-se como referência um osciloscópio LeCroy WS24MXs-B. Para o cálculo da potência ativa foi usado o mesmo osciloscópio, com um canal medindo tensão e outro medindo corren-te. O fator de potência foi calculado usando-se os valores de potência aparente (obti-da pela multiplicação do sinal de tensão e corrente) e da potência ativa. Como fonte de tensão foi usado um gerador AC programável Supplier FCATHQ6 00 3850PFCA.

Analisou-se a acurácia de cada uma das grandezas elétricas mediante compara-ção do valor médio dos parâmetros obtidos pelo módulo medidor com o valor obtido pelos equipamentos de referência. O erro absoluto e o erro percentual entre os valo-res medidos e os valores de referência foram usados como estatísticas para análise de exatidão das medidas.

Para análise de precisão dos parâmetros medidos, foram calculados os desvio pa-drão de cada uma das grandezas elétricas obtidas pelo módulo medidor. Nesta aná-lise, assumiu-se que as condições de testes são mantidas constantes durante todo o intervalo de ensaio (1 minuto). Dessa forma, quanto menores forem os valores dos desvios padrão dos dados gerados, mais constantes e confiáveis serão os valores ge-rados pelo módulo medidor.

Resultados

Na Tabela 3 exibe-se o resultado do ensaio com a lâmpada incandescente. Obser-va-se que todas as grandezas elétricas, com exceção da componente fundamental da corrente, apresentaram erros e desvios padrão bastante baixos.

Tabela 3 - Resultados do ensaio usando como carga uma lâmpada incandescente de 100 W

Grandeza ElétricaValor de

Referência

Valor Médio (Módulo Medidor)

Desvio Padrão (Módulo Medidor)

Erro Absoluto

Erro Percentual (%)

Potência ativa (W) 94,948 94,819 0,165 0,129 0,135

Potência aparente (VA) 95,279 95,076 0,167 0,203 0,213

Fator de potência 0,997 0,997 0,000 0,000 -0,048

Tensão eficaz (VRMS) 123,900 123,959 0,090 -0,058 -0,047

Corrente eficaz (ARMS) 0,769 0,767 0,001 0,002 0,260

1ª Harmônica da corrente (ARMS) 0,717 0,766 0,001 -0,049 -6,881

3ª Harmônica da corrente (ARMS) 0,005 0,000 0,001 0,005 100,000



Referência



Erro Absoluto

Erro Percentual (%)




Na Tabela 4 mostra-se o resultado do ensaio com a lâmpada fluorescente com-pacta. Os erros percentuais na potência ativa, fator de potência e corrente eficaz apresentaram valores consideráveis. Isso se deve ao fato de a lâmpada analisada apresentar valores significativos de corrente nas componentes harmônicas de alta ordem. Conforme explicado anteriormente, o módulo medidor é capaz de obter in-formações de harmônicas de até no máximo a 31ª ordem. Sendo assim, cargas que gerem componentes harmônicas no sinal de corrente de ordem superiores a 31 apre-sentarão erros devido à não medição dessas harmônicas.

Tabela 4 - Resultados do ensaio usando como carga uma lâmpada fluorescente compacta de 20 W.


Referência



Erro Absoluto

Erro Percentual (%)

Potência ativa (W) 19,375 18,984 0,176 0,391 2,019


Fator de potência 0,452 0,499 0,002 -0,047 -10,498








Na Tabela 5 exibe-se o resultado do ensaio com motor da máquina de lavar. Todos os parâmetros medidos, com exceção do fator de potência e da potência ativa, apre-sentaram erros baixos. O erro elevado no fator de potência e, consequentemente, na potência ativa deve-se ao deslocamento no sinal de corrente causado pelo sensor de corrente TC. No deslocamento, o sinal de corrente causado pelo TC foi compen-sado por um atraso de 139 ns (equivalente a 3 graus) no conversor A/D usado para medição de tensão. Após essa correção, todos os experimentos foram refeitos. Não se observaram mudanças significativas nas grandezas elétricas medidas nas lâmpa-das. Porém, no motor, o erro no valor da potência ativa, que era de -9,3%, caiu para -1,8%, e o erro no fator de potência, que era de -9,5%, caiu para -1,5%.

181

Tabela 5 - Resultados do ensaio usando como carga um motor de máquina de lavar roupas


Referência



Erro Absoluto

Erro Percentual (%)

Potência ativa (W) 111,668 122,083 0,469 -10,415 -9,327



Tensão eficaz (VRMS) 123,800 123,687 0,101 0,113 0,091







Para melhor avaliação dos valores das componentes harmônicas do sinal de cor-rente, realizou-se um ensaio com lâmpada incandescente como carga alimentada por um sinal de tensão composto de 127 VRMS de componente fundamental, 25% de 3ª harmônica, 20% de 5ª harmônica, 15% de 7ª harmônica e 10% de 9ª harmônica. O resultado desse ensaio é apresentado na Tabela 6. O erro máximo no valor das componentes harmônicas foi de 5,22 LSB (8 mA).

Tabela 6 - Resultados do ensaio para avaliação da medida das componentes harmônicas


Referência



Erro Absoluto

Erro Percentual (%)

Potência ativa (W) 102,942 100,308 0,097 2,634 2,559


Fator de potência 0,994 0,993 0,000 0,001 0,148

Tensão eficaz (VRMS) 130,700 128,414 0,071 2,286 1,749







A precisão e a acurácia da medição de tensão eficaz foram avaliadas através de um ensaio usando como carga a lâmpada incandescente alimentada por sinal de


tensão composto apenas da componente fundamental com amplitudes iguais à ten-são nominal (127 VRMS), 110% da tensão nominal (139,7 VRMS) e 90% da tensão nominal (114,3 VRMS). Os resultados deste ensaio, apresentado na Tabela 7, indicam que o erro máximo do valor medido da tensão elétrica no intervalo de ±10% do valor nominal é de 0,34%.

Tabela 7 - Resultados do ensaio para avaliação do valor da tensão eficaz

EnsaioValor de

Referência



Erro Absoluto

ErroPercentual (%)

Tensão nominal (VRMS) 123,900 123,959 0,090 -0,058 -0,047

10% acima da tensão nominal (VRMS) 135,700 135,242 0,088 0,458 0,338

10% abaixo da tensão nominal (VRMS) 110,900 111,158 0,098 -0,258 -0,233

Dois ensaios foram realizados para avaliação da influência da variação da frequ-ência da rede elétrica na acurácia dos valores medidos. Em ambos os experimentos, uma lâmpada incandescente de 100 W foi usada como carga. No primeiro teste a carga foi alimentada com uma tensão senoidal de valor nominal (127 VRMS) e frequ-ência de 60,6 Hz (10 % acima do valor nominal). No segundo teste, aplicou-se um sinal de tensão com frequência de 59,4 Hz (10% abaixo do valor nominal). Os resul-tados desses experimentos, apresentados nas Tabelas 8 e 9, indicam que pequenas variações na frequência de rede não alteram significativamente a acurácia e a preci-são das medições efetuadas pelo módulo medidor.

Tabela 8 - Resultados do ensaio para avaliação da influência da variação da frequência da rede (frequência da rede 10% acima do valor nominal – 60,6 Hz)


Referência



Erro Absoluto

Erro Percentual (%)

Potência ativa (W) 94,111 94,260 4,280 -0,149 -0,158










183

Tabela 9 - Resultados do ensaio para avaliação da influência da variação da frequência da rede (frequência da rede 10% abaixo do valor nominal – 59,4 Hz)


Referência



Erro Absoluto

Erro Percentual (%)

Potência ativa (W) 94,099 94,251 0,188 -0,152 -0,162










CONCLUSõES

Esta pesquisa foi dividida em duas etapas: primeiro, foram realizados experimen-tos para identificação de quais grandezas elétricas derivadas das curvas de tensão e corrente são mais adequadas para a definição de assinatura de cargas; em seguida, implementou-se um medidor de energia inteligente capaz de calcular todos esses parâmetros e enviá-los mediante comunicação SPI.

Os experimentos indicaram as potências ativa e reativa, o fator de potência e as componentes harmônicas ímpares do sinal de corrente como os parâmetros mais adequados para a identificação de cargas residenciais.

Verificou-se que a maior parte de informação útil para a identificação de cargas através do espectro de frequência encontra-se nas cinco primeiras harmônicas ímpa-res (1ª, 3ª, 5ª, 7ª e 9ª) do sinal de corrente.

Observou-se também que a amplitude e o formato da curva de tensão podem va-riar consideravelmente em função das cargas em uso; portanto, esse fenômeno deve ser levado em consideração no processo de identificação de cargas.

Neste trabalho, desenvolveu-se um medidor de energia inteligente para uso em sistemas de identificação de cargas residenciais por meio do reconhecimento de suas assinaturas elétricas. Esse medidor é capaz de operar em redes monofásicas e bifási-cas de tensão nominal de até 220 VRMS, e corrente de até 50 ARMS por circuito. Ele é capaz de medir potência ativa, corrente eficaz, tensão eficaz, fator de potência e as cinco primeiras componentes harmônicas ímpares do sinal de corrente. Os módulos medidores podem ser conectados em uma placa concentradora, que possibilita o mo-nitoramento das grandezas elétricas de até 16 circuitos consecutivamente.


Graças a técnicas de programação e decisões de projeto acertadas, foi possível de-senvolver um módulo medidor de alta precisão, baixo custo, usando um microcontro-lador simples, de baixo consumo, capaz de calcular vários parâmetros elétricos a uma taxa elevada. O módulo desenvolvido é capaz de calcular todas as grandezas elétricas supramencionadas e transmiti-las por meio de protocolo SPI a uma frequência máxima de 46 Hz (a cada 21,67 ms), viabilizando seu uso para análise de transientes.

Vários testes foram realizados com o objetivo de verificar a acurácia e a precisão dos parâmetros elétricos medidos. As medidas realizadas com carga resistiva de 100 W apresentaram erros de 0,14% na potência ativa, 0,21% na potência aparente, -0,05% no fator de potência, -0,05% no valor da tensão eficaz e 0,26% na corrente eficaz. Os experimentos para avaliação da acurácia das componentes harmônicas do sinal de corrente indicaram erros de 0,03% para a componente fundamental, 0,58% para a 3ª harmônica, 3,69% para a 5ª harmônica, 6,63% para a 7ª harmônica e 11,81% para a 9ª harmônica.

Em todos os testes realizados, os valores dos desvios padrão das grandezas medi-das apresentaram valores baixos, indicando alta precisão do sistema desenvolvido.

Pequenas variações (inferiores a 10%) na amplitude e na frequência da tensão da rede elétrica não diminuíram a acurácia e a precisão das medidas.


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>>> GESTÃO ÓTIMA DA POTêNCIA ELéTRICA EM MICROGRIDS, BASEADA EM COMPUTAÇÃO EVOLUTIVA E INTELIGêNCIA DE ENXAMES

Danny Mauricio López SantiagoOrientadores: Eduardo Caicedo e John Sanabria

RESUMO

A energia elétrica, recurso indispensável ao homem moderno, ainda hoje é fornecida através de redes de geração, transmissão e distribuição (GTD), que ope-ram com um desenho obsoleto, pródigo, insustentável e altamente ineficiente. Embora a investigação e a tecnologia tenham formulado importantes avanços para transformar essas redes elétricas antigas em redes elétricas inteligentes ou smartgrids, a implementação das smartgrids é um desafio tecnológico que deve fundamentar-se na escalabilidade e autonomia. Uma resposta a esse desafio se baseia na adoção de redes elétricas menores, conhecidas como microgrids. Em-bora as microgrids sejam uma solução em redes de GTD, autônomas e escaláveis, envolver diversas fontes energéticas distribuídas (DER) na geração elétrica impli-ca o problema de gerir eficientemente os pontos de operação dessas DER, a fim de atender a um a um ou mais critérios globais de otimização. Esse trabalho abor-da a gestão otimizada da potência elétrica em microgrids, através do uso de um sistema de gestão de energia (EMS) desenhado sobre uma arquitetura hierárqui-ca de controle. O esquema está baseado nas técnicas de optimização multiobjeti-vo MO por computação evolutiva NSGAII e de inteligência de partículas (particle swarm optimization ou PSO), para otimizar os custos econômicos da operação do microgrid e reduzir simultaneamente as emissões de gases contaminantes. O tra-balho mostra que, no geral, incluir MO baseado em inteligência computacional (IC) no EMS alcança reduções consideráveis tanto em custos de operação como em emissões. Contudo, a investigação propõe um estudo contextualizado de de-sempenho das estratégias de otimização implementadas mediante IC e oferece uma metodologia comparativa que permite encontrar a dos comportamentos globais mais eficientes, até uma adoção de microgrids com operação otimizada, que possam ser incluídas em implementações reais no futuro.

PALAVRAS-CHAVE: Gestão otimizada de potência. Microgrids. Otimização multiobjetivo.

CO

LÔM

BIA


ABSTRACT

The electric power is an essential resource in the modern human life, however is even today supplied trough generation, transmission and distribution networks (GTD) operating with an obsolete, wasteful, highly inefficient and unsustainable design. Although research and technology have made significant progress in transforming those old electrical networks in smartgrids, the real implementation is a technologi-cal challenge which must be based on scalability and autonomy. One answer is based on the adoption of smaller electrical networks, known as microgrids. Microgrids are a solution in GTD, autonomous, scalable, by involving various distributed energy sources (DER) in generation. However, microgrids lead to a problem because is nec-essary to manage efficiently the setpoints of these DER, since some performance and global optimization criteria are required. This paper addresses optimal management of electric power in microgrids, through the use of an energy management system EMS, based on a hierarchical control architecture. The EMS is based on multi-objec-tive optimization (MO) algorithms by evolutionary computation and swarm intelli-gence: NSGAII and improved MOPSO, respectively. The scheme allows to optimize the operation economic costs of the microgrid and simultaneously reduce emissions of polluting gases. The results show good performance in both intelligence compu-tational techniques studied. Nevertheless, the research proposes a contextualized study and one methodology to find the most efficient strategy of management. This methodology can facilitate the future implementation of microgrids by use of intel-ligence techniques in optimal power management.

KEYWORDS: Optimal power management. Microgrids. Multi-objective optimization.

189

INTRODUÇÃO

Powergrids

Com a promessa de um progresso pujante, as powergrids, ou redes elétricas tradi-cionais, conectadas aos sistemas de geração, converteram-se há décadas nas maio-res máquinas já construídas (Amin, 2001). Mesmo hoje, continuam se expandindo para atender às demandas dos usuários cada vez mais heterogêneos em suas ne-cessidades e exigentes em qualidade e serviços. Contudo, essas máquinas elétricas, que em alguns lugares foram construídas há quase 100 anos, foram desenhadas apenas de forma hierárquica para dar resposta a requerimentos de outras épocas (Hossain et al., 2010), elaboradas a partir de um ponto de vista funcional e sem que fossem levados em conta conceitos de sustentabilidade, escalabilidade e eficiência (Massoud Amin; Wollenberg, 2005). Especificamente, o principal problema da rede elétrica atual é a ineficiência que oferece uma arquitetura centralizada, já que se-para, às vezes por distâncias que superam centenas de quilômetros, os centros de geração dos centros de consumo (Massoud Amin; Wollenberg, 2005), provocando que os modelos de geração, transmissão e distribuição GTD, não se ajustem às novas necessidades de comportamento do mercado (Divan; Johal, 2006). Contudo, outros inconvenientes não topológicos, como o uso de tecnologias obsoletas, altas impo-sições legais e regulatórias heterogêneas, baixa interconexão, altas emissões em centrais de geração térmica baseada em combustíveis fósseis e estratégias de uso orientadas a controlar na oferta e não na demanda (Xin et al., 2010), convertem-se também em verdadeiros problemas econômicos, ecológicos e sociais, que devem ser resolvidos tão rápido quanto seja possível (European Comission, 2006). Diante dessa problemática, a indústria elétrica requer, hoje em dia, que se aproveite ao máximo os recursos disponíveis ao otimizar e tornar mais eficientes seus processos de GTD, considerando ao mesmo tempo a energia elétrica como um valor comercial regido pelas leis e interesses do mercado (Massoud Amin; Wollenberg, 2005). O roteiro pro-posto pelo Instituto de Investigações em Potência Elétrica dos Estados Unidos da América – EPRI [Electric Power Research Institute] – por exemplo, contempla uma visão para o ano de 2025 – com os seguintes objetivos gerais – que deverá incluir a nova powergrid (EPRI, 1999):

1) Fortalecer o sistema elétrico: incrementando a capacidade para atender às futuras demandas de competitividade. Igualmente aumentado sua capa-cidade para suportar desastres naturais e ameaças humanas.

2) Promover uma rede de serviços centrada no consumidor: que explore as possibilidades de intercâmbio de energia em um mercado baseado em serviços.


3) Impulsionar a prosperidade e a produtividade econômica: fortalecendo o desenvolvimento de novas tecnologias que aportem significativamente em uma economia digital.

4) Resolver o problema das emissões: propondo um esquema de geração mais eficiente, que controle as emissões causadoras do efeito estufa e da chuva ácida.

Essas novas diretrizes em matéria de conservação do meio ambiente e do desen-volvimento sustentável envolvem todos os atores sociais sem importar se eles têm ou não uma relação direta com o setor elétrico, a tal ponto que a eficiência e o uso racional dos recursos energéticos convertam-se inevitavelmente em um interesse prioritário em âmbito mundial.

Smartgrids

A introdução de uma nova área de investigação que persiga a descentralização das operações de geração, automatização, sistematização e monitoramento das redes elétricas, como um de seus principais problemas ante as necessidades apontadas pelo EPRI, é uma opção muito interessante para a indústria elétrica (Lu et al., 2009), já que abre numerosas possibilidades para desenvolver um mercado de energia com modelos adaptados a um novo contexto mais competitivo (Lee et al., 2010; Xue-Song, 2010).

Para alcançá-lo, será necessária uma visão compartilhada, de geração, transmis-são e consumo inteligentes (Senssing; Bose, 2008), que transforme as arquiteturas atuais em redes de fluxo bidirecional de potência, que sejam próximas aos centros de consumo e que incluam os conceitos de eficiência, escalabilidade, sustentabilidade, flexibilidade, acessibilidade, compatibilidade, confiabilidade e economia (European Comission, 2006; Zhang; Du, 2010): redes inteligentes ou smartgrids (#DOE; Litos Strategic Communications, 2008). Além disso, um conceito de rede inteligente deve atender tanto aos desafios ambientais relacionados não somente com altas emissões de gases de efeito estufa e chuva ácida como também às possíveis catástrofes natu-rais, que podem potencialmente destruir redes de transmissão e comprometer seu desenho (Li et al., 2010):

• aos usuários sob um mercado transparente e altamente competitivo; • à infraestrutura, incluindo aquela que já possui muitos anos de uso, junto

à escassez de recursos para seu melhoramento, e à pressão por fazer fren-te à demanda que cresce superando a oferta; e

• à inovação e às investigações, já que boa parte do que se precisa ainda não se apresenta como uma tecnologia disponível.

Na busca pela eficiência e pela qualidade do serviço de fornecimento cada vez mais requisitado, é necessário estabelecer novas estratégias que permitam a alta escalabilidade, um nível de emissões contaminantes baixos ou igual a zero e a adap-

191

tabilidade a diversas aplicações (Colson; Nehrir, 2009). Essas qualidades poderiam estar presentes não somente em um nível de descentralização macro, como tam-bém em escala de consumo e gerações menores. A internet é uma fonte de inspi-ração para o encaminhamento dos objetivos da smartgrid; suas características de tomada de decisão distribuídas e fluxos bidirecionais de informação (Tanenbaum; Steen, 2007) a tornam atrativa como modelo de desenvolvimento para uma smar-tgrid. Esse modelo conceitual deriva em arquiteturas que facilitam a tomada de decisão a um nível local, conservando toda a capacidade de operação, qualidade e fornecimento. Nesse sentido, uma solução lógica diante desses desafios é a im-plementação não de uma gigantesca rede única, e sim de pequenas sub-redes em grande proximidade dos centros de consumo, capazes de adaptar seus estados de operação às necessidades destes, inclusive trabalhando tanto isoladamente quanto conectadas à rede principal. A partir desse enfoque é esclarecedor que, para alcan-çar o desenvolvimento esperado, manifeste-se a imperativa necessidade a adoção de uma rede distribuída e inteligente do futuro através de um conceito-chave: as Microgrids1 (European Comission, 2006).

Microgrids

Os microgrids são pequenas redes de baixa voltagem (LV), desenhadas para forne-cer energia elétrica, geralmente alternada (AC), e, em certas ocasiões, energia calóri-ca (através de plantas de geração de ciclo combinado #CHP), a centros de consumo de caráter industrial, comercial, residencial, entre outros. Basicamente, são compos-tas de um ou mais geradores distribuídos DG (Distributed Generator), de natureza di-versa, interconectadas entre si para dar resposta energética a um conglomerado de cargas ou consumidores de potência elétrica (Chowdhury et al., 2009). As microgrids frequentemente são versáteis quando acompanhadas de conceitos de isolamento ou acoplamento controlado da rede pública de fornecimento ou rede principal, adiante grid, para produzir o que falta de potência ou oferecer seus excedentes de produção de energia como um valor comercial (Chowdhury et al., 2009).

O Problema da Gestão Otimizada da Potência Elétrica em Microgrids

Em um ambiente de produção de energia elétrica descentralizado, ao intervirem vários DG com natureza, capacidade e distâncias heterogêneas, que devem ser atri-buídos como provedores de potência a consumidores com necessidades diversas, um dos problemas é prover um sistema de gestão autônomo, seja o local ou distribuído

1 Não existe atualmente uma definição precisa para o termo, contudo é comum aceitar que seu tamanho varie entre vários kW a alguns MW.


(ou, ainda, um que tenha ambas as características), que encontre a melhor combina-ção possível de potência dos DG, a fim de atender a uns requerimentos generalizados de qualidade e eficiência. Em resumo, esses requerimentos poderiam ser alguns dos seguintes (Colson et al., 2010):

Objetivos principais

• Maximizar a disponibilidade de potência (relacionar necessidades de car-ga com geradores)

• Minimizar fatores econômicos (combustíveis empregados, nível de opera-ção, níveis de manutenção, custos por efeitos transitórios)

• Minimizar o impacto ambiental dos geradores (emissões, ruídos, resíduos perigosos, etc.)

• Maximizar o despacho de cargas capazes de responder a sinais de resposta• Maximizar rendimentos derivados da entrega de serviços relacionados

com a energia (inclusive serviços auxiliares, reservas de energia, etc.) • Minimizar a compra de energia importada (a que provém da grid principal)• Maximizar a eficiência total da microgrid (por exemplo kWh vs kJ de com-

bustível usado) • Maximizar a relação de energia disponível vs energia gerada • Minimizar o número de mudanças nos níveis de potência na rede • Minimizar os períodos transitórios como resposta a sinistros ou interrupções • Objetivos secundários• Maximizar fator de carga (suavizar os picos e vales de geração)• Minimizar a necessidade de armazenamento do recurso • Maximizar a capacidade da microgrid para reduzir a tensão entre geração

e transmissão • Maximizar o suporte à potência reativa • Maximizar a redução de perdas nas linhas • Permitir a estabilização e suave acoplamento de novas cargas e geradores

da microgrid (plug-and-play) • Restrições • Balanço e limites de potência • Disponibilidade dos recursos renováveis (eólicos, solares, etc.) • Voltagem, frequência e condições de estabilidade • Características elétricas da microgrid • Estado da interconexão

O anterior atende ao que é um problema de otimização multiobjetivo MO (Colson et al., 2009), já abordado desde vários ângulos por Colson et al. (2009), Ding et al. (2010), Faisal (2008), Bazmohammadi (2012) e Pindoriyae Singh (2009). Contudo,

193

ao enfrentar a alta complexidade de otimização que notam as características anteri-ormente descritas, essas aproximações incorporam somente de modo parcial alguns aspectos contextuais, tais como o controle hierarquizado (Wang; Guerrero, 2010; Guerrero; Vasquez, 2011), o papel do tomador de decisão DM (decision maker) e a modelagem das tecnologias renováveis com relação à região de aplicação. Também neles não se oferece uma metodologia para a comparação de resultados que permita verificar a prevalência de uma técnica sobre as demais.

METODOLOGIA

Otimização Multiobjetivo

Na MO (multiobjective optimization) cada uma das funções objetivo alcança so-mente uma otimização relativa, já que é comum que não exista uma solução global que leve ao mínimo todos os objetivos involucrados ao mesmo tempo. Dessa manei-ra, o resultado se baseia em considerar um conjunto de pontos, otimizados somente até que algum dos outros objetivos comece a piorar (Coello; Lamont, 2004). Um dos conceitos mais conhecidos para esse raciocínio é o Ótimo de Pareto, o qual se pode entender mediante as seguintes definições formais:

Definição 1 – Otimização Multiobjetivo

A forma geral de um problema MO é a seguinte: Minimizar:

(1)

Sujeita a:(2)

(3)

onde k é o número de funções objetivo; m é o número de restrições de desigual-dade; e e é o número de restrições de igualdade; x En∈ é um vetor de variáveis de decisão (conhecidas também como variáveis de desenho), onde n é o número de vari-áveis independentes; F x Ek( )∈ é o vetor de funções objetivo , também chamados objetivos, critérios, valores ou funções de custo. O gradiente de F xi ( ):com respeito a x, se escreve como , é o ponto que minimiza a função objetivo F xi ( ). O espaço factível de desenho x ou espaço de decisão está definido como o conjunto:


(4)

Definição 2 – Dominância

Dados dois vetores x y k, ∈ , se diz que x y″ si e que x domina y denotado como x y si x y″ e x y↑ .

Definição 3 – Não Dominância

Dizemos que um vetor de variáveis de decisão x n∈ ⊂ é não dominado com respeito a X, se não existe outro vetor ′∈x tal que F x F x′( ) ( ) .

Definição 4 – Ótimo de Pareto

Dizemos que um vetor de variáveis de decisão x n* ∈ ⊂ (x n* ∈ ⊂ é a região factível de desenho) é um Ótimo de Pareto se é não dominado com respeito a x n* ∈ ⊂ .

Definição 5 – Conjunto Ótimo de Pareto

O Conjunto Ótimo de Pareto denotado como está definido por:

Definição 6 – Fronteira de ParetoA chamada Fronteira de Pareto, denotada como , está definida por:

Desde aqui, uma técnica MO consistirá na busca do Conjunto Ótimo de Pareto , que produz o conjunto não dominado x n* ∈ ⊂ entre todos os vetores de variáveis de

decisão que satisfazem as restrições (2) e (3). É possível classificar as diversas técnicas de MO de acordo ao momento em que

quem “toma a decisão final” aponta as preferências ou pesos sobre os objetivos a otimizar; este papel é conhecido em inglês como decision maker – DM. A partir desse critério, as técnicas são classificadas assim (Marler; Arora, 2004):

• a priori: se o DM deve introduzir suas preferências de objetivos antes que a técnica comece seu processo de otimização;

• interativa: se existe uma articulação de preferências entre a técnica de MO e o DM enquanto corre o algoritmo; e

• a posteriori: se, com base em outros critérios, o DM introduz suas preferên-cias diretamente sobre o conjunto solução logo que a estratégia de MO tenha corrido completamente. Esse é o caso do estudo aqui apresentado.

195

Modelo de Microgrid

Uma microgrid encontra-se tipicamente formada por um grupo de cargas, neste caso elétricas, alimentadas por um conjunto de fontes energéticas distribuídas DER (distributed energy resource) e conectadas através de uma rede ou bus de baixa vol-tagem LV (Chowdhury et al., 2009). Na Figura 1 se pode ver um esquema conceitual geral para uma microgrid com consumo e geração elétrica que podem ser de diversas fontes e que podem ser escaláveis. Seus elementos construtivos, listados na Tabela 1, estão descritos na continuação.

Tabela 1. Convenções para o esquema geral de microgrid mostrado na Figura 1

Elemento Descrição

AEDGAlternative Energy Distributed Generator: fonte de geração de energia

alternativa (renovável)

CB Circuit Breaker: interruptor de circuito

EMS Energy Management System: sistema de administração de energia

DER Distributed Energy Resource: fonte distribuída de energia

DS Distributed Storage: sistema de armazenamento com baterias

MC Microsource Controller: controlador da microfonte

PL Power Load: carga elétrica

TR Transformer: transformador de distribuição

EMS

Um controlador central, também chamado sistema de gestão de energia EMS (ener-gy management system) (Zhang et al., 2008), é encarregado tanto de manejar os es-tados de operação dos DER como de facilitar a tomada de decisões de importação ou exportação de energia desde e até a grid principal. Esse sistema faz parte de uma ar-quitetura hierárquica de controle (Figura 2). Suas camadas podem citar-se como:

• controle primário: controle descentralizado usado para ajustar a frequên-cia, voltagem e para mudar potência ativa e reativa entre os geradores, oferecendo estabilidade e desempenho ao conjunto, etc.;

• controle secundário: encarrega-se de corrigir o erro do estado estacionário introduzido pelo controle primário e da sincronização com a grid principal antes de estabelecer uma possível conexão, etc.; e

• controle terciário: será encarregado de formular o conjunto de pontos de operação, assistir às decisões globais de importação/exportação de ener-gia, etc. (Guerrero; Vasquez, 2011).

O controle terciário ou EMS aqui apresentado requer, para sua operação, as se-guintes variáveis em tempo real:


• demanda de potência elétrica total na carga;• oferta disponível de potência elétrica em AEDG;• estado do sistema de armazenamento distribuído DS;• preço de importação da potência elétrica;• preço de exportação da potência elétrica;• custos externos pela emissão de gases; e • custos de operação e manutenção de DER.

El EMS operará sob as regras básicas do algoritmo mostrado na Figura 3.

Figura 1. Esquema conceitual geral para uma microgrid elétrica.

DM: este poderia ser um agente humano sistematizado (adicionado ao EMS), lo-

calizado no topo do controle hierarquizado. Na Figura 2 podem-se apreciar as ações de caráter executivo que o DM terá a cargo. Esse deverá tomar as decisões finais so-bre os resultados jogados pelo EMS, com base em informação complementar, como o preço atual da energia, etc. (Figuras 2 e 3).

197

Figura 2. Arquitetura hierárquica de controle em uma microgrid.

Geradores Distribuídos de Energias Alternativas – AEDG

Consideram-se aqui de uso prioritário pelo uso de recursos energéticos renová-veis, como são os eólicos, de radiação solar ou de energia potencial hidráulica. Para o caso geral da América Latina ou, em particular, da Colômbia, a modelagem dessas tecnologias foi baseada em casos de oportunidade e desenvolvimento como os ci-tados por Jannuzzi et al. (2010) e Carpio e Coviello (2009). Desse conjunto fazem parte o sistema de armazenamento distribuído, o gerador eólico, o fotovoltaico e a pequena central hidrelétrica.

Gerador Eólico – WT: a potência de saída pode ser calculada de acordo a equação (5) (Diaf et al., 2007).

(5)

onde:

3 3 r

r ci

PaV V

=− (6)


Figura 3. Algoritmo geral de operação do sistema EMS somado à operação do DM.

199

(7)

onde Pr é a potência medida; e Vci, Vco e Vr são as velocidades de corte de entrada, corte de saída e atual do vento respectivamente. A potência disponível obedecerá à equação (8).

P t P A NWG W W WG( ) = η (8)

onde AW é a área total de exploração do WT; P N A GPV g PV m t=η é o coeficiente de eficiência do aerogerador e de seus subsistemas acoplados (conversores, acoples, etc.); e NWG é o número de aerogeradores disponíveis no local.

Gerador Fotovoltaico – PV: a potência de saída de um gerador fotovoltaico PV pode ser calculada de acordo as equações (9) e (10) (Diaf et al., 2007).

P N A GPV g PV m t=η (9)

onde P N A GPV g PV m t=η é a eficiência instantânea do gerador PV; Am é a área de um único módu-lo usado (medido em m2); Gt é a irradiação global incidente no plano principal, medi-da em w/m2; e NPV é o número de módulos de PV com os quais o gerador fotovoltaico conta. Na equação (9) pode-se achar a eficiência instantânea P N A GPV g PV m t=η mediante (10):

η η η βg r pt t c rT T= − −( ) 1 (10)

onde η η η βg r pt t c rT T= − −( ) 1 é a eficiência de referência do gerador PV; η η η βg r pt t c rT T= − −( ) 1 é a eficiência do sistema de seguimento solar (que é igual a 1 se garante um ótimo ponto de irradiação em todo o intervalo de geração); η η η βg r pt t c rT T= − −( ) 1 é a temperatura de funcionamento de PV medida em ºC; η η η βg r pt t c rT T= − −( ) 1 a temperatura de referência da operação de PV; e η η η βg r pt t c rT T= − −( ) 1 é o coeficiente de temperatura para a eficiência.

Pequena Central Hidroelétrica – SHP: sua utilização depende das características geográficas da zona, da topografia, do recurso fluvial e do regime de precipitações na zona. A produção de potência elétrica variará com a disponibilidade de água. A potência de saída para uma turbina hidráulica pode calcular-se com a equação (11):

P QH g= ηρ (11)


onde P é a potência de saída medida em W; Q é a taxa de fluxo de água medida em m3/s; H é a carga efetiva medida em m; P N A GPV g PV m t=η é a eficiência geral do conjunto; P QH g= ηρ é a densidade da água (1.000 kg/m3); e P QH g= ηρ é a aceleração gravitacional. A equação (11) aponta a possibilidade de incrementar a potência de saída aumentando-se a carga efetiva ou o fluxo de água (Schwartz; Shahidehpour, 2005).

Sistema de Armazenamento – DS: seu uso está baseado na necessidade de sus-tentar a potência dos AEDG, a qual é produzida somente em certos intervalos do dia. Em termos gerais, o sistema DS fará uma correção ao fator de carga nas unidades de geração com energias renováveis. A equação (12) mostra a capacidade disponível (medida em Wh) em uma hora para o banco de baterias. A equação (13) refere o estado de descarga, uma vez que o sistema DS é requerido (Diaf et al., 2007):

C t C tE t E t

E t E tbat batload grid

invPV WT( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( )

− ( ) + ( )1 1 ση

++ ( )( )

E tSHP batη (12)

C t C t E t E t E tE t E

bat bat PV WT SHPload( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +

1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη (13)

C t C tE t E t


invPV WT( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( )

− ( ) + ( )1 1 ση

++ ( )( )

E tSHP batη e C t C t

E t E tE t E tbat bat

load grid

invPV WT( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( )

− ( ) + ( )1 1 ση

++ ( )( )

E tSHP batη representam a capacidade disponível no intervalo entre t e

C t C tE t E t


invPV WT( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( )

− ( ) + ( )1 1 ση

++ ( )( )

E tSHP batη, a saber, uma hora para o sistema DS, o qual é medido em Wh; C t C t E t E t E t

E t Ebat bat PV WT SHP

load( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη é a eficiência

do sistema DS; C t C t E t E t E tE t E

bat bat PV WT SHPload( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +

1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη representa a taxa de autodescarga do banco de baterias; C t C t E t E t E t


load( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη é

a demanda de carga da microgrid em uma hora; C t C t E t E t E t


load( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη

é a eficiência do sistema conver-sor; e, finalmente, C t C t E t E t E t


load( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη e C t C t E t E t E t


load( ) = −( ) −( ) − ( ) + ( ) + ( )( ) − ( ) +1 1 σ ggrid

invbat

t( )

ηη são as energias geradas pelos AEDG fotovoltaicos

(PV), eólico (WT) e hidráulico (SHP) respectivamente. Uma vez carregado o sistema DS, este atuará como outro gerador.

Tecnologias DER

Para o grupo de geradores diesel, gerador de microturbina, gerador de célula de combustível e gerador biodiesel, apresenta-se um modelo de custos e emissões.

Custos de combustível: para facilitar a nomenclatura, o termo DER distingue-se dos AEDG por serem os DER produtores de emissões de gases de efeito estufa: dióxi-do de carbono CO2, e os gases causadores da chuva ácida, óxidos de nitrogênio NOx e óxidos de sulfeto SOx, além de consumirem algum tipo de combustível. Contudo, estritamente falando, os AEDG também são tecnologias DER.

Gerador Diesel/Biodiesel – DG/BG: baseado em Wood e Wollenberg (1996) se pode afirmar que o consumo total do combustível para um gerador diesel medido em litros por hora (L/h) para o i-ésimo gerador do conjunto pode ser expresso segundo

201

a equação (14). Alguns geradores biodiesel são certificados hoje em dia para utilizar combustíveis 100% de origem vegetal (B100) e alcançam rendimentos iguais, ou até superiores, aos dos geradores diesel (Rojas-González et al., 2011):

(14)

onde é o número de geradores diesel/biodiesel; y são coeficientes que caracterizam a natureza do gerador; e com é a saída de potência do gerador medida em kW. É comum que o fabricante proporcione esses coeficientes característicos, além de fornecer as taxas de consumo medidas em L/h para regime de ¼, ½, ¾ e plena potência (por exemplo, ver Cummins Power Generation, 2007).

Microturbina – MT: a eficiência total da MT pode ser escrita segundo a equação (15) (Noroozian; Vahedi, 2010).

(15)

onde é a saída líquida de potência elétrica; é a potência térmica recupe-rada (medida em kW); é a taxa calórica mais baixa para o combustível (medida en kJ/kgf); e é o fluxo mássico do combustível (kg/s). O custo de combustível pode ser visto na equação (16).

C C PMT nl

J

J

lJ

= ∑η

(16)

onde é o preço do gás fornecido à MT; é a saída líquida de potência produ-zida no intervalo ; e é a eficiência no intervalo .

Célula de Combustível – FC: nesse caso se considera uma FC do tipo membrana de troca de prótons, o PEMFC, que oferece uma eficiência entre 30% e 35% da energia que queimaria diretamente o combustível. Mas, além disso, as FC variam sua eficiên-cia de acordo com o ponto de operação na qual trabalham. Diferentemente das mi-croturbinas, a eficiência de uma FC diminui com o incremento de potência. Em geral, a eficiência das células de combustível é dada por uma relação medida em kW entre a potência elétrica de saída e a potência de combustível ingressado (Azmy; Erlich, 2005). A equação (17) mostra essa relação.

C C PFC nl

J

J

J

= ∑η

(17)


onde é o preço do gás fornecido (hidrogênio, etc.) à FC; é a potência elétrica líquida produzida no intervalo de tempo ; e é a eficiência da FC no intervalo .

Custos de Operação e Manutenção – OM: estão relacionados com o nível de potên-cia gerada pelos DER e podem ser expressos mediante uma simplificação adaptada ao contexto elétrico (equação (18)).

OM K Pi OMi

N

i==∑

1(18)

onde é a constante de IM; seu valor de... é medido em $/kWh e é diferente para cada uma das tecnologias DER; es é o número de geradores DER, e é a po-tência do gerador .

Custos por Prejuízos das Emissões: em Pipattanasomporn (2005) expõe-se uma síntese desses custos, os quais se formalizam na equação (19). É possível encontrar tabelas sobre taxas comparativas sobre custos de emissão para cada uma das tecno-logias de produção de energia DER de maneira isolada.

(19)

onde é o custo externo medido em $/h associado às emissões de gases de efeito estufa e chuva ácida CO2,NOx; e SOx, como uma função diretamente propor-cional à potência de saída ; é o custo externo para a emissão do tipo ; é o tipo de emissão; é o número da unidade de geração; e é o número de unidades de geração que emitem os gases assinalados.

Main Grid

Uma rede pública de energia elétrica, suportada pela geração de uma central térmica, é modelada através do circuito mostrado na Figura 4. Pode considerar-se nas perdas técnicas relacionadas à distância cujo modelo é introduzido segundo a equação (20).

IP E EEG

in out

in

=−

×100% (20)

203

onde representa o índice do nível de perdas para a rede de distribuição princi-pal grid, desde o ponto de vista comercial; e e são as energias de entrada e saída do sistema, sendo esta última a realmente faturada (CREG, 2002).

Figura 4. Representação esquemática geral para a grid principal.

Por outro lado, o custo total de energia comprada da grid pode calcular-se através da equação (21).

CEI GC PDt t= ( ) (21)

onde é o custo em $/h de energia importada desde a grid principal; é a tarifa a que a grid principal está disposta a vender sua energia no instante ; e é a quantidade de potência deficitária por hora (kWh) que há de ser importada e que pode calcular-se também a partir de (23). O valor de energia exportada até a grid pode calcular-se a partir da equação (22).

CEE GV PSt t= ( ) (22)

onde é o valor de venda em $/h da energia importada até o grid principal; é a tarifa a que a grid principal está disposta a comprar a energia no instante

; e é a quantidade de potência por hora (kWh) de superávit (quer dizer, os exce-dentes, logo, se suprir completamente a carga) que pode ser exportada e que pode calcular-se também a partir dos balanços de potência.

Carga Elétrica – PL

Os perfis de carga elétrica dependem do tipo de aplicação do microgrid considera-da, seja urbana, industrial, comercial, militar, entre outras, e servem como ponto de


partida para levar a cabo todas as estratégias de gestão aqui expostas. Um perfil de carga similar é apresentado na Figura 5. Pode-se ver a evolução dos requerimentos de potência, que cria uma curva de demanda com horas de pico e horas de vale esca-lada para a operação de uma microgrid em 24 h.

Figura 5. Exemplo de perfil de carga hora por hora em um dia típico de consumo.

Restrições

É introduzido um modelo de restrições relacionadas ao balanço de potência e à potência máxima para manter segura a operação na microgrid. Tal balanço está re-lacionado com o cenário de simulação escolhido.

Balanço de Potência: o balanço de potência deve reger-se por (23) em modo isola-do e por (24) em modo conectado.

i

N

i L PV WT SHP DSP P P P P P=∑ = − − − −

1 (23)

i

N

i L PV WT SHP DS GP P P P P P P=∑ = − − − − −

1(24)

onde é a soma total de potência gerada pelos DER (não AEDG); é o total de potência demandada pela carga (consumidores); é a saída de potência do arranjo fotovoltaico PV; é a saída de potência do aerogerador WT; é a

205

saída de potência da pequena hidroelétrica SHP; é a potência disponível na saída do sistema distribuído de armazenamento DS; e é a potência importada da grid.

Potência Máxima: esta restrição limita o espaço factível da MO e proporciona con-dições seguras de operação (equação (25)).

(25)

onde é o ponto mínimo de operação da unidade ; e é o ponto máximo de operação da unidade , tudo medido em kW.

Algoritmo NSGAII

A partir do trabalho desenvolvido em Srinivas e Kalyanmoy (1994), relacionado com a otimização multiobjetivo através da técnica de algoritmos genéticos para a classificação de soluções não dominadas NSGA, no ano 2002, foi estendida dita heu-rística com a intenção de dotá-la de maior eficiência no uso do recurso computacio-nal, oferecer excelência e qualidade aos resultados e variedade, ou distribuição das soluções finais entregues (Deb et al., 2002). O resultado dessas extensões foi o algo-ritmo NSGAII do ano 2002, o qual, desde sua criação, ganhou popularidade, sendo conhecido como uma técnica capaz de oferecer uma rápida convergência, com boa qualidade e variedade em soluções. Vários estudos, inclusive sobre novos algoritmos da MO, melhoras do próprio algoritmo e casos particulares, são apresentados nes-sa técnica evolutiva como comparação (Sierra; Coello, 2005; Kachroudi; Grossard, 2010; Toscano-Pulido, 2005).

Em primeira estância, inicia-se um povoamento aleatório de tamanho . Esse pri-meiro povoamento é classificado segundo o critério de não dominância. Na primeira categoria de classificação encontram-se aqueles indivíduos que são completamente não dominados, quer dizer, que não têm valores objetivos simultaneamente maiores que qualquer outra solução. No segundo grupo (segunda categoria) estão aquelas soluções que só são dominadas por outras soluções de primeira categoria, e assim sucessivamente, até classificar todas as soluções obtidas, as quais, em conjunto, inte-grarão a solução da primeira geração.

Cada indivíduo de cada categoria é classificado de acordo com a aptidão ou fi-tness desse indivíduo-solução. Dita classificação é precisamente a categoria à qual essa solução pertence. Na primeira classificação estarão as soluções com aptidão igual a 1; na segunda, aquelas com aptidão igual a 2, e assim sucessivamente, até completar todas as soluções do conjunto.

Também ao critério de não dominância adiciona-se um parâmetro conhecido como distância de superlotação ou crowding distance. Esse parâmetro é uma medida


da proximidade que tem um indivíduo-solução com seus vizinhos. Quando o parâme-tro da distância de superlotação é maior, significa que essa solução oferece maior diversidade ao conjunto para encontrar-se distanciada do resto.

Em seguida, são selecionados os pais da seguinte geração, mediante uma função de torneio binário (entre dois indivíduos do conjunto). A população de pais escolhi-dos gerará uma população de descendentes (offsprings) mediante os mecanismos de cruzamento e mutação (crossover e mutation). Esta nova população é reclassificada novamente através do critério de não dominância, ingressando ao conjunto somente os melhores indivíduos (o parâmetro não varia). Novamente são calculadas as aptidões (categorias) e as distâncias de superlotação dessas soluções, para começar um novo ciclo de reprodução. O algoritmo se detém quando é alcançado o máximo de interações propostas desde o início.

Algoritmo MOPSO Melhorado

A aproximação MOPSO se baseia na dominância de Pareto, a escolha de líderes para guiar a busca otimizada em cada interação. Apesar de sua recente operação, a técnica MOPSO já foi investigada consideravelmente para melhorar o desempenho e ampliar seu espectro de aplicações.

MOPSO foi levantado originalmente em Coello et al. (2004) e logo uma melhora foi introduzida em Sierra e Coello (2005), com a ideia de aumentar suas capacidades exploratórias e de limitar o conjunto de soluções entregues pelo esquema, a tempo de oferecer mais qualidade nelas. Na melhora apresentada aqui, empregam-se as características de superlotação e є-dominância (crowding e є-dominance), por razões de desempenho. Com o ânimo de restringir ainda mais a quantidade de elementos na fronteira de Pareto, uma variação à є-dominância proposta por Sierra e Coello (2005) é introduzida aqui segundo a seguinte definição.

Definição 7 – є-dominância

Um vetor de decisão se diz que є-domina a um vetor de decisão por algum se e somente se:

(26)

Para melhorar o desempenho do voo das partículas, se inclui uma variante à equação original com a qual se atualiza o vetor velocidade para cada partícula segundo (27).

v t Wv t C r x x t C r x x ti i pbest i i gbest i( ) = −( ) + − ( )( ) + − ( )( )1 1 1 2 2, (27)

207

onde é a atualização do vetor velocidade para a partícula ; é a velocidade da partícula na interação anterior; é o coefi-ciente inercial; são os coeficientes cognitivo (próprio) e social (compartido); são os coeficientes aleatórios; é a posição atual da partícula; é a posição com melhor aptidão (fitness) até o momento encontrada para a partícula; e é a posição com melhor aptidão até o momento encontrada para todas as partículas do enxame (Sierra; Coello, 2005).

Modelo de Otimização

Com base tanto em um perfil de demanda de potência elétrica como em uma ofer-ta por parte das microfontes de energia renovável AEDG, apresentam-se as funções de custo e emissões junto a uma estratégia de gestão de potência elétrica auxiliar para o conjunto de fontes DER.

Objetivo de Custos

A partir do modelo de microgrid, apresentado anteriormente, se agregam os cus-tos econômicos: por combustíveis, por OM, por danos de emissões e de importação/exportação em uma única função sintetizada em (28).

CF C F P OM P CEI CEE EF Pi

N

i i i i ij

N

k

M

k jk jP( ) = × ( ) + ( ) + −( ) + (= = =∑ ∑∑

1 1 1

α )) (28)

onde é o custo de operação da microgrid, medido em $/h; é o custo do combustível do gerador ; é a taxa de consumo do combustível do gerador

é o custo de operação e manutenção do gerador ; é a variável de deci-são da potência de saída do gerador ; é o vetor de variáveis de decisão; é o custo externo para a emissão ; é o fator de emissão tipo na unidade ; é o tipo de emissão (NOx, SOx e CO2); e é o número de geradores DER da microgrid.

Objetivo de Emissões

É importante considerar as emissões daqueles gases conhecidos por seus efeitos nocivos sobre a chuva ácida e o aquecimento global: óxido de sulfuro (SOx), óxidos de nitrogênio (NOx) e dióxido de carbono (CO2), os quais podem modelar-se através de (29) (Abido, 2003).

(29)


onde é a quantidade de emissão de gases NOx, SOx e CO2 jogados na atmos-fera como uma função de potência de operação (medidos em kg/h); e , , , e

são coeficientes não negativos das características de emissões do gerador i-ésimo.

Estratégia de Gestão

1) Ao início da hora, calcular a potência elétrica das fontes AEDG: WT, FC e SHP a partir das equações (8-11). Obter os preços de compra e venda de energia à grid principal.

2) Calcular a potência elétrica no sistema DS, seja positiva (gerador) ou ne-gativa (carga).

3) Dado que as fontes AEDG são consideradas limpas e sem custos de opera-ção, calcular a demanda líquida de potência por parte da carga.

4) Executar o algoritmo MOPSO melhorado, sobre os objetivos de custos e emissões de (28) e (29) respectivamente, e obter dele um repositório (chamado є-arquivo ou bem, população de Pareto).

5) Escolher no repositório anterior um ponto de operação já combinado, seja pelas fontes DER unicamente ou com ajuda da grid principal, com base na aplicação de um critério fundado nas seguintes regras:

• Calcular o custo econômico de importar toda a energia deficitária para quando a potência de saída nos DER foré igual a zero: Estratégia Full Grid.

• Selecionar do repositório o primeiro elemento cujo valor de custo econô-mico seja menor (ou maior mais próximo) que o valor calculado em i.

6) Fixar o ponto de operação aos DER.Repetir o procedimento para a seguinte hora.Para o modo isolado, no passo 6, relacionado com a seleção final que faz o DM

sobre o ponto de operação a ser aplicado, as regras de escolha variam de acordo a equação de pesos complementares a partir da aplicação de um critério diferente do balanço de pesos baseado em (30):

(30)

onde é o compromisso entre os objetivos perseguidos, é o parâ-metro de ajuste com o qual, se , considera-se totalmente a otimização de cus-tos e, se , considera-se totalmente a otimização de emissões. Para este estudo em particular, toma-se em uma estratégia de importância equitativa entre objetivos (Estratégia 50/50 MOPSO, ou bem, Estratégia 50/50 NSGAII).

Ambas as estratégias são avaliadas sobre um cenário dinâmico de flutuação de preços de compra e venda do kWh, assinalado pela Figura 6, separadas ambas as curvas por uma taxa de intermediação comercial próxima aos 30%.

209

Figura 6. Flutuação dos preços de compra e venda de energia $/kWh, à grid principal.

Metodologia de Comparação

No aspecto elétrico este trabalho apresenta uma comparação direta de cada uma das estratégias de otimização baseadas nos algoritmos implementados, ao confron-tar os resultados obtidos, sob as mesmas condições de operação. Dessa maneira, cri-térios como o total de custos em 24 h de operação, emissões arrojadas nesse mesmo período e a maneira como a carga elétrica se distribui, ao longo da mescla de tecno-logias de geração disponíveis, permitem fazer uma pequena localização das capaci-dades de cada técnica. Contudo, apresenta-se também a inclusão de uma métrica especializada para considerar aspectos de ordem computacional, com o objetivo de oferecer uma comparação também neste particular.

Do ponto de vista teórico, a complexidade dos algoritmos NSGAII e MOPSO po-deria ser tomada desde o início como um critério de seleção. Deb et al. (2002) e Reyes-Sierra e Coello (2006), respectivamente, referem-se aos esforços computa-cionais como para NSGAII e para a estrutura geral MOPSO, onde 1 representa o número de interações, M o número de objetivos e a quantidade de partículas ou tamanho da população inicial. No caso deste estudo, , e , com o que se adverte um menor custo computacional para NSGAII que para MOPSO.

Contudo, definir um critério de qualidade nas soluções é um pouco mais complexo para os algoritmos de MO do que para as técnicas de um só objetivo, principalmente devido a que será necessário comparar, no caso de MO, vários elementos de um con-junto-solução. De fato, as investigações a respeito se encontram todavia em curso de


encontrar uma métrica que ofereça uma comparação coerente na convergência e na diversidade de soluções (Yan et al., 2007).

Nesse sentido, uma métrica alternativa, capaz de incorporar o conceito de não dominância, pode mostrar-se conveniente para a comparação de dois conjuntos so-lução. Em Zitzler et al. (2000) apresenta-se uma métrica útil para definir o desempe-nho dos resultados produzidos por uma técnica de MO. O esquema consiste em tomar um par ordenado ou vetor de decisão (objetivos) produto da otimização, com algu-mas das técnicas, e compará-lo ao símile da técnica enfrentada. O propósito é medir a porção de cada conjunto de soluções da outra técnica (Zitzler et al. 2000), a saber, verificar qual é a fração de soluções, do total delas, que em uma técnica determinada não estão dominadas pela outra, e vice-versa. Essa métrica foi considerada primeiro em Fonseca e Fleming (1996) e está apoiada na seguinte definição.

Definição 8 – Comparação da Não Dominância

Sejam dois conjuntos de vetores de decisão, a função C mapeia o par ordenado ao intervalo [0, 1]:

(31)

Um valor de significa que todas as soluções em x" são dominadas ou são iguais às soluções em x'. Pelo contrário, quando , nenhuma solu-ção em x" está coberta pelo conjunto x'. O anterior aumenta a necessidade de verifi-car tanto como , já que o conceito não implica necessariamente que . O uso dessa métrica permite verificar a existência de uma hierarquia de uma técnica de MO sobre a outra.

DESENVOLVIMENTO

Custos

Nas Figuras 7 e 8 observa-se, tanto de modo isolado como em modo conectado, uma vantagem econômica da técnica MOPSO, mais acentuada no primeiro modo (isolado), com 8,9% menos de custo que no segundo, 2,4% (conectado). Pode notar--se como os custos de operar unicamente a microgrid originam custos em geral mais altos que o modo isolado, em que a grid principal oferece energia relativamente ba-rata, sem custos de operação e manutenção.

211

Figura 7. Comparativo de custos para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo isolado.

Figura 8. Comparativo de custos para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo conectado.

Emissões

No caso das emissões, igualmente as Figuras 9 e 10 mostram valores obtidos para a técnica MOPSO, tanto em modo isolado como em modo conectado. Contudo, novamente, torna-se mais acentuada a diferença no primeiro modo, 27,1% menos emissões, que no segundo, 2,5% menos emissões. Somado ao fato de que a técnica MOPSO supera a técnica NSGAII no registro de custos, uma das explicações desse


fenômeno está no fato de que, em geral, as soluções escolhidas na técnica MOPSO são não dominadas, com respeito às previstas pela estratégia NSGAII.

Figura 9. Comparativo de emissões para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo isolado.

Figura 10. Comparativo de emissões para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo conectado.

213

Participação da Energia

Especificamente para o modo conectado, a redução em emissões pode se explicar através de uma menor utilização da energia importada da grid (em geral barata, mas muito contaminante, dada sua origem de central térmica com fonte de energia fóssil), para o caso da estratégia MOPSO. Essa redução se produz pela geração de 37,8 kWh aportados pelas tecnologias distribuídas DG, não importadas desde a grid principal (Figuras 11 e 12).

Figura 11. Comparativo de participação total percentual da energia por grupos de tecnologias, para as estratégias NSGAII em modo conectado.

Figura 12. Comparativo da participação total percentual da energia por grupos de tecnologias, para as estratégias MOPSO em modo conectado.

Desde o ponto de vista da gestão de potência elétrica, a Figura 12 mostra como, ainda que a técnica NSGAII tenha feito uma distribuição de carga nas tecnologias DER favorecendo o uso de tecnologias menos contaminantes, é mais notável este feito no caso da estratégia MOPSO, a qual destaca ainda mais a participação de tec-nologias microturbina MT e célula de combustível FC. Essa preferência observa-se tanto em modo isolado como conectado, mas com um isolamento total das tecnolo-gias mais carburantes (diesel/biodiesel) para este último modo.


Figura 13. Comparação da distribuição da energia de tecnologias DG a) Estratégia NSGAII em modo isolado, b) Estratégia NGSAII em modo conectado, c) Estratégia MOPSO em modo isolado

e d) Estratégia MOPSO em modo conectado.

Não Dominância Média

Nas Figuras 14 e 15 observa-se uma hierarquia do critério de não dominância que favorece a técnica MOPSO tanto em modo isolado como conectado. Contudo, para o modo isolado, destaca-se uma prevalência maior em média de 0,73 a 0,08. No modo conectado, a relação é de 0,23 a 0,03.

Figura 14. Comparativo das médias de não dominância obtidas para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo isolado.

215

Figura 15. Comparativo das médias de não dominância obtidas para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo conectado.

Dispersão da Não Dominância

As Figuras 16 e 17 mostram, entretanto, como se encontram distribuídos os cri-térios de não dominância tanto para a técnica NSGAII como para MOPSO nos modos isolado e conectado. No modo isolado observa-se uma prevalência da não dominân-cia da técnica MOPSO sobre a NSGAII. Na Figura 16 existe maior dispersão dos pares do critério, com o qual a técnica MOPSO prevalece, além de uma técnica NSGAII com soluções mais competitivas neste modo.

Figura 16. Comparativo da dispersão do critério de não dominância para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo isolado.

Figura 17. Comparativo da dispersão do critério de não dominância obtido para as estratégias NSGAII e MOPSO em modo conectado.


CONCLUSõES

O objetivo principal deste trabalho foi propor uma estratégia para a gestão da potência elétrica em ambientes de microgrids, mediante a otimização de índices glo-bais de desempenho. Um modelo de microgrid elétrica, com uma topologia flexível, descentralizada e escalável, como resposta aos inconvenientes da grid tradicional, foi apresentado. Esse modelo foi criado com os elementos contextuais de hierarquia de controle, uso de geradores distribuídos de energias alternativas e papel de toma-da de decisão no sistema. O estudo esboçou uma metodologia geral para avaliar a prevalência de uma técnica de MO sobre a outra com base em 96 simulações, dividi-das 24 h para cada técnica empregada, e pelos cenários de operação da microgrid, isolado e conectado a uma grid principal.

A partir dos resultados da investigação é possível concluir o seguinte: a) o índice de custos indicou uma prevalência da estratégia MOPSO melho-

rado tanto em modo isolado como conectado, contudo se destaca seu comportamento em modo isolado ou de emergência;

b) quanto ao índice de emissões, as estratégias MOPSO utilizadas oferece-ram melhores resultados ao finalizar as 24 h de simulação tanto em modo isolado como no conectado;

c) o estudo da distribuição de energia para ambas as técnicas utilizadas explica como, em geral, a técnica MOPSO favoreceu com maior alcance o uso das tecnologias de geração menos contaminantes e como, para o modo conectado, reduziu, além disso, o uso de energia importada da grid, em comparação com seu equivalente NSGAII;

d) ao estudar o conceito de não dominância, conclui-se que a estratégia MOPSO melhorado ofereceu mais soluções não dominadas que a estraté-gia NSGAII – de uma maneira destacável para o modo isolado, mas igual-mente notável para o modo conectado. No modo conectado a técnica NS-GAII observou-se um pouco mais competitiva em soluções;

e) além desses resultados, em que as estratégias MOPSO melhorado pre-valeceram, ambas as técnicas de inteligência computacional exploradas mostraram capacidades consideráveis para otimizar simultaneamente os índices de desempenho globais representados nos objetivos de custo e de emissões, tornando competitiva sua utilização em cenários de isolamento ou conexão da grid principal;

f) a inclusão dos aspectos contextuais, hierarquia de controle, papel do DM e uso de AEDG, locais somados ao entorno do Sistema de Gestão de Ener-gia, EMS, que opera a partir da demanda de potência, pavimentou o ca-minho para a construção da metodologia geral de experimentação com a qual as técnicas foram avaliadas sob as mesmas condições;

217

g) todas as estratégias de gestão abordadas neste trabalho incluíram a ar-quitetura de camadas de controle, com a qual as soluções da gestão óti-ma da potência elétrica em microgrids têm sido emolduradas nas tarefas próprias da camada superior ou controle terciário. O modelo de microgrid, por sua vez, favoreceu a escalabilidade do conjunto através do uso de uma topologia distribuída, na qual as tarefas básicas de controle, relacionadas com as dinâmicas transitórias e a estabilidade, são locais e claramente diversificadas para as camadas inferiores da hierarquia;

h) um segundo aspecto contextual, relacionado ao incorporar estratégias de MO a posteriori, favoreceu o papel do tomador de decisão (operador do sistema, DM) no esquema. Esse logrou mediante uma classificação EMS e DM, na qual o papel do segundo identificou-se com seu próprio con-junto de tarefas a realizar. A consideração desse aspecto brindou a possi-bilidade de complementar os esquemas de otimização, tornando-os mais adaptáveis a um entorno de alto dinamismo, o qual pode derivar-se do intercâmbio do recurso energético entre consumidores e geradores, em um possível cenário comercial desregulado de oferta e demanda; e

i) o terceiro elemento contextual, a adoção de tecnologias AEDG relacio-nadas com o potencial elétrico de nosso país, como foram as tecnologias distribuídas eólicas, fotovoltaicas e de pequena central hidroelétrica, so-madas ao modelo de geradores biodiesel, permitiu levar a cabo uma expe-rimentação mais próxima da realidade nacional, favorecendo a qualidade e aplicação do estudo comparativo das técnicas de MO e seus resultados.


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>>> CONSTRUÇÃO, IMPLEMENTAÇÃO E AVALIAÇÃO DA EFICIêNCIA DE UMA ESTUFA CONSTRUÍDA COM LENHA NA COMUNIDADE DE TIERRA BLANCA, MUNICÍPIO DA INDEPENDêNCIA, CHIAPAS

Lorena Del Rocío Ramírez RodasOrientador: Joel Moreira Acosta

RESUMO

O desenvolvimento energético é um dos principais problemas enfrentados pelas comunidades rurais no México. Esse problema está estreitamente ligado à falta de recursos econômicos. Embora em muitas comunidades isso seja evidente, o potencial energético dos recursos naturais nelas encontrados também é visível. A biomassa é um dos principais e pode ser aproveitada de múltiplas formas, desde no cozimento de alimentos até na produção de energia elétrica. Como Chiapas é um dos estados que sofrem atualmente com o problema do desenvolvimento energético que se reflete nas comunidades que o integram, torna-se necessária a transferência de tecnologias que atendam ao princípio básico de sustentabilidade, que estabelece que as tecno-logias devam ser amigáveis com o meio ambiente, socialmente acetáveis e econo-micamente atrativas. É por isso que a implementação de estufas ecológicas é uma alternativa, cuja finalidade é reduzir o consumo de lenha e as emissões de CO e CO2. O presente estudo teve como principais objetivos a construção e a avaliação de um protótipo de estufa economizadora de lenha com materiais altamente resistentes às condições de operação, assim como a aplicação das estufas na comunidade selecio-nada e a avaliação comparativa entre o fogão típico utilizado na comunidade rural e a estufa desenvolvida, e apresentou como resultado a eficiência do dispositivo, que satisfaz a necessidade de cozimento de alimentos e diminui a quantidade de lenha utilizada e a emissão de gases nocivos à saúde, em comparação com o fogão típico.

PALAVRAS-CHAVE: Biomassa, Potencial Energético, Estufa Ecológica.

Mé

XIC

O


ABSTRACT

Energy development is one of the main problems faced by rural communities in Mexico. This issue is closely linked to the lack of financial resources. While in many communities this is evident, it also is the energy potential of its natural resources. Biomass being one of the (resources) that can mainly take advantage of multiple ways, from cooking to electricity production. As Chiapas one States currently suffer-ing problems with energy development which are reflected in the communities that compose it, becomes necessary the transfer of technologies that comply with the basic principle of sustainability that includes that technologies should be environ-mentally-friendly, socially acceptable and economically attractive. That is why the implementation of ecological stoves is an alternative that aims to reduce firewood consumption and emissions of CO and CO2. The implementation of this study was specific objectives leading construction and evaluation of a prototype saving stoves with highly resistant materials operating conditions, and the application thereof in the selected community and benchmarking between the stove typically used in the rural community and developed stove, resulting in device efficiency that satisfies the need of cooking decreasing the amount of wood used and the emission of harmful gases to health compared to the typical stove.

KEYWORDS: Biomass, Energy Potential, Ecological Stove.

225

INTRODUÇÃO

Em muitas comunidades rurais do estado de Chiapas e de todo o México podem ser observadas as carências econômicas e sanitárias, originadas pela distância com relação aos núcleos de população, que provoca a inacessibilidade aos serviços bási-cos necessários para um adequado desenvolvimento social.

O desenvolvimento energético é um dos principais problemas que as comunida-des rurais enfrentam no México. Esse problema está estreitamente ligado à falta de recursos econômicos. Embora em muitas comunidades isso seja evidente, o potencial energético dos recursos naturais nelas encontrados também é visível. A biomassa é um dos principais e pode ser aproveitada de múltiplas formas, desde no cozimento de alimentos até na produção de energia elétrica.

No México existem dois tipos principais de biocombustíveis utilizados: a lenha (in-cluindo o carvão vegetal e os resíduos florestais e agrícolas); e o bagaço de cana, que é utilizado essencialmente na indústria açucareira. Juntos eles contribuíram com 5% da energia final nacional em 2008 [1].

Atualmente, no país, do ponto de vista energético, a lenha fornece 80% da ener-gia consumida em comunidades, cerca de 4.000 GJ/ano [2].

O uso de lenha predomina sobre o uso total de energia tanto nas casas como em milhares de microempresas, como padarias, fábricas de tijolos, olarias, destiladoras, fábricas de tortilhas (cozimento de nixtamal e elaboração à mão) e produções arte-sanais em geral [3]. Porém, a atividade que emprega a maior quantidade de lenha coletada é o cozimento de alimentos [4].

Por isso, o estudo foi realizado na comunidade de Tierra Blanca, município de La Independencia, no estado de Chiapas, que apresenta imensa riqueza florestal, que pouco a pouco está desaparecendo devido ao desmatamento indiscriminado para o uso da lenha, utilizada principalmente para o cozimento de alimentos.

A maioria das residências do lugar conta com um fogão tradicional que não utiliza o calor da combustão da lenha de forma eficiente, libera monóxido de carbono, dió-xido de carbono e partículas finas, suja tanto os recipientes usados no cozimento de alimentos como as residências, além de utilizar quantidades excessivas de lenha (22 kg por residência em algumas comunidades do estado de Chiapas).

Quanto mais lenha se consome em um fogão tradicional, maior é a quantidade de gases nocivos para a saúde, como o monóxido e o dióxido de carbono, motivo pelo qual a saúde é afetada em maior medida do que em um ambiente onde não se entra em contato com esses tipos de gases.

Foram diversos os esforços para oferecer uma solução para os problemas anterior-mente descritos. Como resultado disso, surgiu uma ampla gama de estufas ecológi-cas. No entanto, a maioria delas demonstrou ser termicamente ineficaz ou não levar em conta os aspectos culturais, tanto ao realizar o projeto do dispositivo quanto no


momento de sua implementação. Em consequência disso, havia rejeição à adoção desse tipo de tecnologia onde ela foi implementada.

Visando contribuir para a solução dos problemas anteriormente mencionados, mais especificamente para diminuir os impactos negativos para o ambiente e a saú-de humana em função do uso do fogão típico na comunidade de Tierra Blanca, foi desenvolvido, construído, avaliado e implementado um modelo de estufa economi-zadora de lenha eficiente.

Para saber qual era a eficiência da estufa com relação ao fogão típico da comuni-dade, foram realizadas medições comparativas de diversos parâmetros, como tempo de cozimento dos alimentos típicos, quantidade de lenha utilizada para o cozimento de alimentos, concentração de monóxido de carbono (CO) e de dióxido de carbono (CO2), temperatura e umidade relativa.

DESENVOLVIMENTO

Critérios de escolha da comunidade

Para escolher a comunidade onde realizou-se a implementação das estufas eco-nomizadoras de lenha, foi necessária uma análise das condições de diferentes comu-nidades rurais existentes no estado de Chiapas.

A primeira condição foi que pelo menos 90% da população local utilizasse o fo-gão tradicional. Uma parte importante deste estudo é a comparação de diversos aspectos do dispositivo desenvolvido com relação ao fogão, motivo pelo qual uma comunidade onde algum tipo de estufa ecológica estivesse sendo utilizada de forma massiva não seria útil para os fins do estudo.

Além disso, outro fator importante foi que a comunidade tivesse consciência da existência do problema e o desejo de solucioná-lo, pois nem todas as populações aceitam a introdução de um novo dispositivo, e outras, embora o aceitem, não reco-nhecem os diversos problemas que o uso tradicional da lenha acarreta.

A disposição dos habitantes para apoiar e respeitar o trabalho do pesquisador de campo foi importante para cumprir todo o cronograma de trabalho, pois era neces-sário interromper durante um curto espaço de tempo a vida cotidiana da população, para solicitar e receber informações, e também para avaliar diferentes parâmetros.

Descrição da área de estudo

A comunidade de Tierra Blanca localiza-se no município da Independencia, esta-do de Chiapas. O município encontra-se nos limites do Planalto Central e das Monta-nhas do Oriente, e a metade de seu território é montanhosa. Suas coordenadas geo-

227

gráficas são 16º 15' N e 92º 02' W; sua altitude é de 1.550 msnm; seus limites são, ao norte e leste, com o município das Margaritas, ao sul, com a República da Guatemala e com o município da Trinitaria, e, a oeste, com Comitán de Domínguez [5].

Figura 1 - Localização da comunidade de Tierra Blanca.

Tem uma extensão territorial de 1.704,10 km², que representa 13,32% da área da região fronteiriça e 2,25% da área estadual. A área do município tem 25,43 km² de bosque e 0,27 km² de selva [5]. O plano poligonal da comunidade de Tierra Blanca mostra que ela conta com uma área de 600 hectares, dos quais 250 são destinadas originalmente à conservação, 300 para cultivo e 50 para a construção de residências e áreas comuns.

De acordo com os mapas territoriais, a parte oeste do município caracteriza-se por ser uma sucessão de planícies que se alternam com colinas e fazem parte do Planal-to Central, formado por terrenos acidentados, que representam a transição para as Montanhas do Oriente.

O município é constituído geologicamente por terrenos dos períodos cretáceo in-ferior e quaternário, cujos tipos de solo predominantes são luvissolo, leptossolo e regossol. Seu principal uso é agrícola, pecuário, florestal e lago de selva. Corresponde um quarto do território a terrenos de ejidos, e o resto a terrenos de propriedade priva-da, comunitária e nacional [5].

Segundo as entrevistas feitas ao comissariado ejidal e aos professores da comu-nidade, foram coletados os seguintes dados: a população total da comunidade de Tierra Blanca é de 516 habitantes, o que representa 1,25% da população municipal;


41,86% dela são homens e 58,14%, mulheres; sua estrutura é predominantemente jovem; 70% de seus habitantes são de menores de 30 anos; e a idade média da po-pulação é de 23 anos. No período compreendido entre 1990 e 2000, foi registrada uma taxa média anual de crescimento (TMAC) de 1,80%, e o indicador no âmbito regional e estadual foi de 1,62% e 2,06% respectivamente.

Em entrevistas realizadas na comunidade, foram obtidos os seguintes dados so-bre as atividades econômicas do lugar: a população economicamente ativa (PEA) é composta de 114 habitantes, o que representa 22,1% da população; 94,73% da PEA dedica-se à agricultura, tendo como principais cultivos o milho, o feijão e o café – outros produtos cultivados e comercializados são chuchu, batata e banana; e 5,27% dedica-se à prestação de serviços.

As principais doenças encontradas na localidade são do tipo respiratório, sendo as mais comuns a tosse e o resfriado comum; e entre as mais complexas estão as doenças pulmonares crônicas, sobretudo em mulheres maiores de 28 anos. Dentro da comunidade há o que eles denominam “casa de saúde”, que é um cômodo de con-creto, onde há uma maca, um lavatório e uma gaveta para os medicamentos básicos e precários aos quais se tem acesso.

Para a representação externa e a organização da comunidade, ela conta com três representantes avalizados por autoridades municipais, que são o comissário ejidal, o tesoureiro e o agente municipal. Para os problemas específicos e comuns a todos os habitantes, foram criados diversos comitês: comitê de energia elétrica, comitê de água, comitê de saúde, comitê escolar para a educação primária, comitê escolar para a educação infantil e comitê do campo.

A vegetação da comunidade é exuberante, composta principalmente de floresta alta perenifólia, grande variedade de epífitas, árvores frutíferas, pinheiros e plantas ornamentais. A fauna é típica da região de selva; são encontradas diversas espécies animais, como paca, macaco-aranha, jararaca e gambás.

Projeto da estufa

Para o projeto da estufa, levou-se em consideração que o dispositivo deveria aten-der aos seguintes aspectos fundamentais:

• ser tecnologicamente apropriada: termicamente eficiente e altamente resistente às condições de operação, e ter elementos fundamentais que garantissem alta durabilidade;

• ser economicamente viável: custo abaixo do das estufas existentes no mercado e feita de materiais acessíveis à população beneficiada;

• ser ecologicamente responsável: eficiência que economize ao menos 70% de lenha com relação ao fogão tradicionalmente utilizado; e

229

• ser socialmente aceitável: do ponto de vista de sua estética, dimensões (al-tura e diâmetro), capacidade de extração da fumaça do cômodo e pouca radiação térmica emitida pelas laterais.

Em função disso, a estufa foi desenhada utilizando-se um sistema para design grá-fico assistido por computador, “SolidWorks”. Nas Figuras 2, 3 e 4 é mostrada a vista isométrica da parte posterior da estufa, vista frontal (na qual podem ser observados seus principais componentes externos) e vista em corte lateral da estufa rural (na qual podem ser observados seus principais componentes internos).

Uma das características de design fundamentais desse dispositivo é que cada par-te ou componente é feita separadamente, o que permite, além de sua produção em série, o transporte em grandes densidades por unidade de volume para as comunida-des, pois geralmente o acesso às comunidades marginais do estado é relativamente complexo, o que encarece, em muitos dos casos, o custo final da estufa instalada.

Figura 2 - Vista isométrica da parte posterior da estufa rural com câmara de combustão

economizadora de combustível.

Figura 3 - Vista frontal da estufa rural com câmara de combustão economizadora de

combustível, na qual se podem observar seus principais componentes.

A câmara de combustão (1), cujo desenho é apresentado na Figura 5, é cons-truída com um material metálico de alta durabilidade, o que permite a combustão da lenha ou de outra biomassa sólida e a manutenção da energia calorífica, que é utilizada por uma superfície metálica horizontal (10), onde é realizado o processo


de cozimento de alimentos, o que permite a durabilidade e a eficiência, por dimi-nuir o consumo energético.

Figura 4 - Vista em corte lateral da estufa rural com câmara de combustão economizadora de combustível, na qual se podem observar seus principais componentes internos.

Figura 5 - Vista isométrica da câmara de combustão.

A câmara de combustão (1) é constituída por dois componentes metálicos cilín-dricos ocos de alta resistência à temperatura, um cilindro interno oco (2), colocado de forma horizontal, que é utilizado para depósito de lenha e onde é realizada a com-

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bustão, e outro cilindro oco, de maior diâmetro (4), que contém este e que é utilizado para manter a temperatura calorífica, sobre o qual se apoia a superfície plana de co-zimento (10), preferencialmente circular, tradicionalmente conhecido como comal, traduzido aqui como disco de metal (Figura 6), cujo diâmetro é calculado para que possam ser colocadas 15 tortilhas de 15 cm de diâmetro simultaneamente.

Figura 6 - Vista superior e isométrica do disco de metal. Pode ser observada a quantidade de tortilhas que podem ser cozidas por vez.

Na parte frontal, há uma janela (14) formada pelo cilindro interno (2) estendido, pelo qual se introduz a lenha ou o combustível em questão, e um tubo metálico (5), colocado de forma perpendicular ao cilindro interno (2) na parte inferior da câmara de combustão, que recebe ar do exterior, melhorando a combustão da lenha e au-mentando seu poder calorífico.

Os gases gerados são extraídos da câmara de combustão por meio de um tubo metálico (6) adaptado à parte superior da superfície plana. Esses gases são levados para o exterior da residência por meio de uma chaminé (7), que se conecta ao tubo e, na parte superior, tem uma tampa (8), que protege o dispositivo da chuva e do pó. Ela permite a extração de gases para o exterior, evitando que esses gases sejam inalados dentro da residência.


Entre a parede cilíndrica metálica (4) da câmara de combustão e a parede externa (15), preferencialmente de madeira, para evitar acidentes com queimaduras para os usuários, é colocado um isolante interno térmico (3), sustentado por braçadeiras (11). No fundo da câmara de combustão, é colocado um isolante térmico (12), que evita a perda de calor para o exterior por entre suas partes (Figura 7).

Figura 7 - Vista isométrica da câmara de combustão com o sistema de isolamento.

Para conseguir que o isolamento de madeira seja suficientemente redondo e alto, foi necessário cortar a madeira com as dimensões e a forma mostradas na Figura 8. Tanto a câmara de combustão como a chaminé são sustentadas por uma base (9) de três elementos rígidos separados a 120º entre si. Esses elementos de madeira têm a altura necessária para que a estufa, em seu conjunto, seja adequada para que as mulheres realizem o trabalho de cozimento de forma confortável e segura.

Figura 8 - Vista isométrica dos lingotes de madeiras utilizados para fazer o isolamento lateral da câmara de combustão e dos suportes ou base da estufa.

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Finalmente, a integração de todas as partes mencionadas resultou em uma estufa que, do ponto de vista do design, atende às exigências propostos (Figura 9). Como se pode observar na Figura 6, o diâmetro da estufa (disco de metal) foi estabelecido levando-se em consideração a quantidade média de habitantes por residência na comunidade de Tierra Blanca. A altura do piso até a superfície do disco de metal foi de 0,90 m, determinada pela altura média das mulheres da comunidade, com a faci-lidade de que ela pode ser alterada para casos muito específicos. A madeira utilizada para o revestimento externo e para as bases da estufa foi selecionada não só para garantir um isolamento térmico de alta eficiência, mas também por se tratar de um elemento abundante e usualmente empregado na construção dos fogões tradicio-nais do tipo gaveta, o que facilitou o processo de apropriação da tecnologia.

Figura 9 - Vista isométrica da integração da estufa.

O formato compacto e móvel permite a colocação da estufa em qualquer lugar do cômodo e, inclusive, seu transporte no caso da construção de uma nova cozinha, como ocorreu logo após a implementação dessa tecnologia, quando vários habitan-tes decidiram construir uma nova cozinha, devido às más condições dos tetos, pare-des, utensílios, etc., em função do uso de fogões tradicionais.

Optou-se por um design circular, para permitir que as famílias pudessem ficar ao redor da estufa, tanto para ingerir os alimentos como para realizar atividades sociais, desfrutando da temperatura agradável criada pela radiação térmica.


Construção das estufas

As partes básicas foram construídas em uma oficina previamente selecionada para esse fim, com a participação dos integrantes do grupo de trabalho, assim como de alguns membros da comunidade, o que constituiu parte da preparação dos técni-cos comunitários que se encarregariam da manutenção e dos reparos futuros desses dispositivos. É importante destacar que o processo de ajuste das estufas foi realizado na comunidade com a participação de seus membros. Isso fez parte do processo de apropriação, sustentabilidade tecnológica e independência que se pretendeu alcan-çar no médio e longo prazo nessa comunidade.

A partir deste projeto, foram estabelecidos os materiais com os quais foi feito cada um dos elementos (câmara de combustão, sistemas de isolamento e de prote-ção, entrada e saída de gases, e base da estufa) que integram o dispositivo.

A câmara de combustão é o elemento fundamental da estufa Lekil Vaj, não só porque é o mais caro, mas também porque nela é realizada a função fundamental do dispositivo, que é o processo de combustão da lenha, por meio do qual se gera a temperatura necessária para o cozimento de alimentos e outras aplicações. Ela é composta basicamente do miolode, uma roda de caminhão de carga, pelo disco de metal e pela entrada e saída de oxigênio e gases de combustão.

O miolo da roda de caminhão de carga, com dimensões de 0,635 m de diâmetro, 0,39 m de altura e 0,02 m espessura, é constituído de ferro com alto índice de car-bono, o que permite que seja altamente resistente à degradação por temperatura, qualidade que é muito conveniente para a função que realiza. Esse elemento, por já não ser útil à aplicação para a qual foi originalmente projetado, acumula-se em gran-des quantidades em locais de depósito e venda de materiais conhecidos comumente como “desmanches” ou “ferros-velhos”, pois sua reciclagem implica o consumo de grandes quantidades de energia térmica.

O disco de metal, com dimensões 0,66 m de diâmetro e 0,003 m de espessura, é de lâmina de aço com alto conteúdo de ferro. Ao seu redor, há uma faixa metáli-ca (soleira) de 0,03 m de largura, 0,66 m de comprimento e 0,003 m de espessura, soldada de forma perpendicular, para realizar duas funções fundamentais: evitar o afundamento da parte central do disco de metal, devido à dilatação térmica durante o processo de cozimento de alimentos; e, ao mesmo tempo, impedir a saída dos gases de combustão por entre a interface miolo de roda-disco de metal.

É importante destacar que, para o caso em estudo, na escala do protótipo, não só foi desenhado um disco de metal de superfície plana, mas também um disco de metal com superfície envolvente, que consistiu em um orifício com diâmetro de 0,25 m, feito so-bre a superfície do disco de metal plano, ao qual foi soldado um tubo de ferro na parte inferior, cujas dimensões são 0,004 m de espessura e 0,2 m de comprimento, selado na parte inferior. Esse conceito constitui uma das inovações fundamentais da estufa, pois,

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diferentemente do disco de metal plano, permite que os recipientes ali introduzidos recebam calor não só pela parte inferior, mas também pela superfície lateral, o que implica um menor tempo de cozimento e uma consequente economia de lenha.

Para a entrada do oxigênio e a saída dos gases de combustão, foram feitos dois ori-fícios alinhados, um de 0,15 m de diâmetro, na parte lateral inferior do miolo de roda, e outro de 0,10 m de diâmetro, a uma distância de 0,02 m da borda do disco de metal.

Para o primeiro, cortou-se um tubo de ferro de 0,15 m de diâmetro e 0,25 m de comprimento, com calibre 30 de espessura, como mostra a imagem superior. O tubo ficou com bordas cortantes, que precisaram ser esmerilhadas, como mostra a foto in-ferior. Este foi soldado à câmara de combustão. Tal tubo, além de permitir a entrada de ar, serve como base ou suporte para a colocação da lenha no interior da câmara. No segundo orifício foi soldado um tubo de ferro de 0,10 m de diâmetro, 0,11 m de comprimento e 0,04 m de espessura, que, além de permitir a extração dos gases gerados durante a combustão da lenha, também serve de base para a colocação da chaminé (Figura 10).

Figura 10 - Construção do tubo de entrada da estufa Lekil Vaj. Corte e esmerilhação. Fotos Neín Farrera.

Na parte inferior da câmara de combustão foram soldados três tubos de ferro de 0,10 m de diâmetro, 0,15 m de comprimento e calibre 30, colocados a 120º um do outro, com a finalidade de distribuir o peso da estufa de maneira uniforme e, com isso, evitar possíveis acidentes. Os tubos serviram para colocar os postes de madeira usados como base da estufa.

O sistema de isolamento, como seu nome indica, impede a saída do calor gerado na câmara de combustão para os lados e para a parte inferior da estufa, permitindo, assim, que ele se concentre no disco de metal, onde é feito o cozimento de alimentos.


Paralelamente, esse sistema permite que os usuários trabalhem na estufa com certo conforto, por não receber incidência térmica em seu corpo e por evitar algum tipo de queimadura acidental, especialmente em crianças.

O sistema de isolamento é composto de fases: um isolante interno, composto de barro ou pedra vulcânica (pode variar em função da zona edafológica), com espessu-ra de 0,10 m tanto no fundo como na superfície lateral da câmara de combustão; e um isolante externo, composto de madeira típica da região.

As tábuas usadas para o sistema de isolamento foram previamente lixados, para eliminar algumas imperfeições em sua estrutura. Eles foram cortados com a ajuda de uma serra para madeira da marca Ryobi, em tábuas menores, com as seguintes dimensões: 0,07 m de largura, 0,30 m de comprimento e 0,03 m de espessura. Cada estufa precisou de 35 tábuas para poder cobrir a circunferência completa dela.

Foram tomadas diversas medidas de segurança durante o trabalho, como o uso de máscaras para boca e nariz, para impedir que o pó produzido peleo desbaste da madeira pudesse ser inalado e causasse problemas de saúde.

As tábuas foram perfuradas com o auxílio de uma furadeira, nas partes inferior e superior, a uma distância de 0,05 m das bordas de sua largura. A espessura da per-furação foi definida com base no parafuso que seria usado para sustentá-las à faixa metálica da câmara de combustão.

As faixas colocadas ao redor do miolo de roda foram perfuradas com uma furadei-ra a uma distância de 0,07 m entre cada perfuração, usando-se como guia as tábuas perfuradas, para depois poder colocá-las, já que serviriam como isolante e para dar a forma circular à estufa que foi proposta no início do trabalho. Cada tábua foi unida à faixa metálica utilizando-se parafusos e porcas colocados em ambas as extremidades da tábua, o que pode ser observado na imagem da direita.

Uma vez colocadas todas as tábuas do sistema de isolamento, retiramos o disco de metal e colocamos um pedaço de lâmina galvanizada de 0,558 m de diâmetro no fundo da câmara de combustão e uma camada de barro de 0,10 de espessura sobre a lâmina.

Sobre as abas metálicas da parte inferior da câmara de combustão foram coloca-dos pedaços selecionados de lâmina e, sobre eles, o barro que serviria como isolante.

Foram colocados três postes de madeira com dimensões de 0,10 m de diâmetro e 0,60 de comprimento, que funcionariam como base. Foram instalados dois pedaços de tubo de aço galvanizado, que serviram como chaminé.

Seleção de parâmetros a avaliar

Na determinação de parâmetros a serem medidos foram levados em conta dois fatores principais: a saúde das mulheres, que são as que cozinham; e a eficiência da estufa [6].

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Para determinar a concentração de CO, CO2, temperatura e umidade relativa nas cozinhas das residências, foram feitas medições a diferentes distâncias (0,0; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0), tomando-se como o ponto de origem o fogão, a uma altura de 1,40 m do chão.

Para medir o CO, utilizou-se um medidor de monóxido de carbono com as seguin-tes características gerais:

• Dígito 3 1/2 Supercomprimento (contador 1999) multifunção vídeo in-verso LCD

• Tamanho: de bolso e fácil de usar • Teste Rápido Max Assimilação e Assimilação de Dados • Corte de energia automático • Acima de 200 PPM, o beeper soa continuamente com a concentraão de CO • Completo com bateria de 9V • Dimensões: 160x56x40 mm • Peso: 180 g

Para determinar o CO2, utilizou-se um medidor de dióxido de carbono com as se-guintes características:

• Índice de CO2 = 0 ~ 6.000 ppm • Tela LCD dividida em três partes (para CO2, %RH umidade e temperatura

do ar) • Manutenção da longitude de onda dual livre NDIR, sensor infravermelho

de CO2 (infravermelho não dispersivo) • Registro de dados manual ou contínuo• Os dados capturados Máximo/Mínimo com a marca de tempo• Memória de dados e função de leitura • Configuração de alarme e de tempo • Função de RS-232 e software • Função de demonstração de fundo luminoso • Simples e seguro de usar

RESULTADOS

Para o teste de medição de temperatura do disco de metal, utilizou-se a câma-ra termográfica Flir E40, descrita anteriormente, para medir a temperatura em três pontos do disco de metal, que são os dois extremos e o centro.

O comportamento térmico no disco de metal da estufa ecológica Lekil Vaj divide--se em três fases, que são: fase de aquecimento; fase de estabilização térmica; e fase de resfriamento. No Gráfico 1, é mostrado o comportamento na fase de aquecimen-to, que se comporta como logaritmo e fornece a seguinte equação:


T = 258,44 ln (t)+37,9 Com um R² = 0,9991

Grafico 1 - Comportamento térmico da estufa ecológica Lekil Vaj na fase de aquecimento.

No Gráfico 2 e na Figura 11, é mostrada a temperatura alcançada no disco de metal da estufa ecológica Lekil Vaj durante o tempo de cozimento. Como se pode observar, existem três fases bem definidas. Na primeira fase, a temperatura aumenta de forma logarítmica com relação ao tempo, descrita pela equação:

T= 258,44 ln (t)+37,9,

onde Tc é a temperatura do disco de metal dada em oC; 258,44 é a inclinação tér-mica dada em oC/h; e t é o tempo dado em horas (h). Como se pode observar, a tem-peratura do disco de metal alcança os 300 oC aos 25 min e supera os 400 oC aos 40 min, estabilizando-se a uma temperatura média de 430 oC. Com valores extremos de 400 oC e 442 oC, as oscilações entre picos máximos ocorrem devido ao fornecimento de lenha. É importante destacar que a essas temperaturas superiores a 400 oC torna--se muito difícil para as mulheres realizar o cozimento das tortilhas. Nesse sentido, só se recomenda, durante esse período de temperaturas estáveis da estufa, realizar o cozimento de alimentos que precisem de maior intensidade e tempo de cozimento, como o feijão e o milho.

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Gráfico 2 - Comportamento da temperatura no disco de metal da estufa ecológica Lekil Vaj.

Figura11 - Comportamento da temperatura no disco de metal da estufa ecológica Lekil Vaj.

Durante o período de resfriamento, ou seja, a partir do momento em que já não se coloca mais lenha na estufa, a temperatura do disco de metal comporta-se de forma linear com inclinação negativa, como mostra o Gráfico 3, segundo a seguinte equação:

T = 389,28e-0,074t (R² = 0,9959),

diminuindo até os 100 ºC em 200 min, o que indica que durante esse processo existe temperatura e tempo necessários para realizar a preparação de outros tipos de alimentos, como tortilhas e sopas, ou para ferver ou aquecer água.


Gráfico 3 - Comportamento da temperatura na fase de resfriamento.

Os testes de cozimento de alimentos e economia de lenha foram realizados com milho e feijão preto, como mencionado anteriormente. Os testes foram realizados da seguinte maneira: no fogão tradicional, foi cozido 1 kg de feijão em uma panela sem tampa, medida a quantidade de lenha empregada especificamente para esse alimento e o tempo (minutos necessários); posteriormente, foram cozidos 2 kg de milho e igualmente medidos os mesmos parâmetros usados para o feijão. A dura-ção do cozimento desses dois alimentos durou 206 min, e a quantidade de lenha utilizada foi de 15,5 kg.

Na estufa ecológica Lekil Vaj, foram realizados vários testes de cozimento de alimentos e medido tanto o tempo como a quantidade de lenha utilizada durante o processo dos testes. Neste dispositivo, foram cozidos de 2 kg de milho e 1 kg de feijão preto, cada um em uma panela sem tampa. Posteriormente, foram cozidas as mesmas quantidades de feijão e de milho, mas em panelas com tampas. Por último, foram cozidos 2 kg de tortilhas. Isso foi feito em um intervalo de tempo de 255 min, e utilizou-se um total de lenha de 10 kg.

No gráfico a seguir são mostrados os resultados obtidos da quantidade de alimen-tos (quilos de produtos) e da quantidade de lenha utilizada.

Como mencionado anteriormente e como pode ser observado no Gráfico 4, o ren-dimento da estufa ecológica Lekil Vaj é superior em economia de lenha, pois se utili-zou uma média de 1,5 kg de lenha para cada quilo de alimento cozido em compara-ção com o fogão tradicional, que utilizou 5,2 kg de lenha para cada quilo de alimento cozido. Ou seja, a estufa ecológica economiza aproximadamente 70% de lenha em comparação com o fogão tradicional. Da mesma forma, o tempo de cozimento pode diminuir, pois na estufa Lekil Vaj é possível colocar várias panelas e, ao mesmo tem-po, cozinhar as tortilhas, o que não pode ser feito no fogão tradicional.

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Gráfico 4 - Comparação da quantidade de alimentos cozidos e da lenha utilizada em cada dispositivo.

É importante mencionar que, para obter um tempo melhor para o cozimento de alimentos na estufa ecológica Lekil Vaj, é recomendável utilizar panelas com tampa.

Na tabela a seguir, mostra-se o tempo de cozimento dos alimentos tradicionais com os quais foram feitos os testes nas diferentes fases térmicas da estufa.

Tabela 1 - Tempo de cozimento dos produtos nas diferentes fases térmicas

kg de produto tempo (min) fase térmica

Milho 2 120 fase de aquecimento

Milho 2 50 fase de estabilização

Feijão 1 150 fase de aquecimento

Feijão 1 130 fase de estabilização

Tortilhas 2 14 fase de resfriamento

Como se pode observar na tabela anterior, levar em conta as fases térmicas da es-tufa ecológica Lekil Vaj na hora de cozinhar os alimentos permite administrar melhor o tempo destinado ao cozimento de alimentos e organizar quando serão realizados outros trabalhos domésticos, levando em consideração que é possível cozinhar os alimentos que requerem maior tempo de cozimento e, por último, na fase de resfria-mento, preparar as tortilhas, o que resulta em uma economia importante de lenha.

CONCLUSõES

A eficiência do dispositivo conseguiu provar que a estufa construída pode satisfa-zer a necessidade de cozimento de alimentos e, ao mesmo tempo, diminuir a quanti-dade de lenha utilizada e a emissão de gases nocivos para a saúde em comparação com o fogão tradicional.


Na construção da estufa ecológica Lekil Vaj, foram empregados materiais de alta durabilidade, que garantem sua resistência às condições de operação – ne-cessitam de manutenção em um prazo não menor que 5 anos (a substituição do disco de metal).

Na avaliação comparativa entre o fogão típico utilizado na comunidade e a es-tufa economizadora de lenha, demonstrou-se que a economia de lenha é extrema-mente considerável, pois se trata de porcentagens em torno de 70%. Quando a estufa alcança os 420 ºC (depois de 35 min de iniciada a combustão), a tempera-tura entra em uma fase de “estabilidade térmica”, flutuando entre os 420 e os 440 ºC. Contar com diferentes fases térmicas facilita o cozimento de diferentes tipos de alimentos. Ao diminuir os tempos de cozimento dos alimentos (sobretudo o das tortilhas), as mulheres podem usar esse tempo em outras atividades do lar ou em atividades sociais.

Ter levado em consideração a estética da estufa e o design móvel teve um impac-to muito positivo, porque vários dos habitantes mudaram a cozinha para um novo cômodo, para não cozinhar mais naquele em que as partículas sólidas haviam aderi-do às paredes.

De maneira concreta, foram alcançados os seguintes resultados com a estufa eco-nomizadora de lenha Lekil Vaj:

• desenvolveu-se e implementou-se com sucesso um novo modelo de estufa economizadora de lenha, do modelo Lekil Vaj;

• o dispositivo representa uma economia mínima de 70% de lenha em com-paração com o uso do fogão tradicional;

• o modelo garante 0% de emissões de monóxido de carbono dentro da resi-dência e contribui para a diminuição da emissão de gases de efeito estufa por empregar uma quantidade menor de lenha;

• possui elevada concentração de temperaturas na superfície do disco de metal (superiores aos 400 ºC) e amplo lapso de estabilidade;

• há capacidade de cozimento simultâneo devido à área do disco de metal; • aceitação do modelo e apropriação da tecnologia por parte dos usuários; e • design ergonômico, econômico, fácil de transportar e altamente durável.

243


[1] MASERA; O. et al. La bioenergía en México: situación actual y perspectivas. México, ago. 2011.

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>>> AVALIAÇÃO DO RECURSO SOLAR POR SATéLITE:UMA BASE SÓLIDA PARA A INCLUSÃO DA ENERGIA SOLAR NA MATRIZ ENERGéTICA DO URUGUAI

Rodrigo Alonso SuárezOrientador: Gonzalo Abal

RESUMO

O Uruguai enfrenta uma transição em sua forma de gerar e utilizar energia. As energias renováveis têm papel central na política energética do país em médio e lon-go prazo. Nesse marco, demonstra-se a forte necessidade de melhorar o conhecimen-to do recurso solar, já que este é fundamental para o planejamento e desenho de dis-positivos para o aproveitamento da energia solar. O primeiro Mapa Solar do Uruguai foi concluído em 2009 e, devido à metodologia utilizada, a informação gerada tem limitações importantes, que podem ser resolvidas utilizando-se um modelo baseado em imagens de satélite, validados por dados de terra de alta qualidade. Ajustou-se às particularidades do território uruguaio uma modificação de um modelo estatísti-co previamente existente. O mesmo se modificou introduzindo uma dependência de seus coeficientes com o brilho observado por satélite, o que melhorou sensivelmente seu desempenho. A ferramenta desenvolvida nos permite gerar séries horárias de irradiação de mais de 14 anos em qualquer ponto do território, de forma a tornar possível uma caracterização climatológica do recurso solar. Trabalhar em escala ho-rária permite modelar adequadamente os componentes da radiação solar que são aproveitáveis por aplicações de energia solar. O modelo é aplicado para construir uma série de mapas mensais e anuais de potência solar, com resolução espacial efetiva de 2 km. Tais mapas representam um avanço substancial na quantidade e qualidade da informação disponível para o desenho de aplicações de engenharia no Uruguai. Apesar de sua simplicidade, todas as comparações realizadas, no curto ou longo prazo, em relação aos dados ou outros modelos de satélite, levam a concluir que o desempenho do modelo é excelente e comparável ao de modelos proprietários muito mais sofisticados.

PALAVRAS-CHAVE: Energia solar. Imagens de satélite. Avaliação do recurso.

UR

UG

UA

I


ABSTRACT

Uruguay is facing a transition in the way that energy is used and generated. Re-newable energies play a central role in the country's medium and long-term energy policies. In this context, there is a strong need to improve the knowledge of the solar resource, as this is essential for planning and designing solar energy facilities. Uru-guay's first Solar Map was finished in 2009 and, due to the methodology used, the information provided has important limitations. These limitations can be solved us-ing a satellite-based solar resource model validated with high-quality ground data. A previously existing statistical model was adjusted to the particular conditions of the Uruguayan territory. This basic model was improved by introducing a brightness dependence into its coefficients. The improved model has a reduced bias and a much better agreement with ground data. The resulting tool allows us to use satellite in-formation to generate time series of more than 14 years of irradiation data at any site in the territory, with 2-km resolution. A climatological characterization of the solar resource is now possible. The hourly resolution allows a proper modelling of the different solar radiation components relevant to solar energy applications. The model is used to generate monthly or yearly solar potential maps. This represents a significant improvement in the amount and quality of solar information that is avail-able for solar engineering applications in Uruguay. In spite of its simplicity, the com-parisons made with other data, either short or long-term measurements, or other satellite-derived data, show an excellent performance, comparable to that of more sophisticated proprietary models.

KEYWORDS: Solar energy. Satellite images. Resource assessment.

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INTRODUÇÃO

A energia solar como alternativa viável

Há décadas, a demanda mundial de energia permanece em ascensão. Hoje, assim como foi historicamente, essa demanda segue sendo atendida principalmente com combustíveis fósseis e outras fontes de energia não renováveis [1]. A utilização de combustíveis fósseis impacta fortemente o meio ambiente, através da emissão de gases à atmosfera causadores de contaminação e aquecimento global, entre outros fenômenos. A energia nuclear, que em algum momento foi considerada “limpa”, de-monstrou uma vez mais a extrema gravidade dos danos que pode ocasionar ao meio ambiente e aos seres humanos, com a recente catástrofe de Fukushima. Devido a es-ses e outros fatores, como a alta volatilidade dos preços internacionais da energia em geral e do petróleo em particular, ou a intenção de reduzir efetivamente as emissões de gases de efeito estufa, foram processadas lentas mudanças em âmbito mundial, em busca de realizar uma transformação da matriz energética global. As energias re-nováveis constituem uma alternativa válida, limpa e sustentável na busca em solucio-nar a crise energética internacional e assegurar o abastecimento de energia. Atual-mente, enfrentamos uma transição em escala mundial que está alterando a forma de produzir, transportar e utilizar a energia. Essa transição começa a manifestar-se com força na América Latina, particularmente no Uruguai, um país sem reservas próprias de petróleo, carvão mineral, urânio ou gás natural, onde a energia nuclear é proibida por lei e os recursos hídricos são explorados em sua quase totalidade há décadas.

A quantidade de energia solar que chega à Terra supera em três ordens de mag-nitude a demanda mundial de energia. Anualmente, chegam à superfície terrestre 23.000 TW/ano, enquanto a demanda de energia do planeta é de 16 TW-ano [2]. No ano de 2007, a energia total alcançável das reservas conhecidas das quatro fon-tes de energia não renovável de maior utilização mundialmente, petróleo, gás natu-ral, carvão e urânio, era de aproximadamente 240, 215, 900 e 300 TW/ano respec-tivamente [2]. Quanto às energias renováveis, estima-se que o recurso eólico poderia aportar anualmente até 70 TW/ano, e o resto das energias renováveis (geotérmica, biomassa, hidráulica, energia maremotriz e ondomotriz, etc.) até 23 TW/ano. [2] Ao comparar esses números, fica claro que a energia solar não só é a principal fonte de energia primária do planeta, mas também é a maior fonte potencial de energia, seja renovável ou não, disponível. O fato de essa energia chegar à Terra com baixa den-sidade é um problema que pode ser solucionado com a tecnologia atual. Portanto, é lógico imaginar que a energia solar, em médio ou longo prazo, ocupará um lugar de crescente relevância na geração de energia utilizável.


Existem diversas formas de aproveitar a energia solar que chega à superfície ter-restre. Uma primeira grande distinção pode ser realizada entre as aplicações térmi-cas e fotovoltaicas. As aplicações térmicas são aquelas em que se transforma ener-gia solar em energia térmica mediante o aquecimento de água ou de algum fluido portador de calor. A energia armazenada no fluido é logo utilizada para diversos fins. Dependendo da tecnologia, essas aplicações vão desde dispositivos para aquecer água para uso doméstico (baixa temperatura) até a geração de calor para processos industriais (alta e média temperatura) ou a geração de energia elétrica (alta tempe-ratura), substituindo a fonte de energia tradicional pela energia térmica obtida da captação de energia solar. Destacam-se nesse grupo as tecnologias com concentra-ção, como as de tubo receptor linear, em que se concentra a radiação solar em um tubo pelo qual circula o fluido portador de calor, e as centrais de torre, que constam de um vasto campo de helióstatos, que concentram a radiação em um receptor loca-lizado no alto de uma torre central. As centrais de torre alcançam maiores tempera-turas e são utilizadas para a geração de energia elétrica, enquanto as tecnologias do tipo tubo receptor (parabólico linear, fresnel, etc.) são frequentemente utilizadas para gerar calor em processos industriais, podendo também servir para a geração de energia elétrica. Nas aplicações fotovoltaicas, um dispositivo semicondutor transfor-ma diretamente a energia solar em uma corrente elétrica. Essas aplicações podem ser domésticas – com ou sem conexão à rede elétrica – ou configurar-se em grandes centrais de produção de eletricidade conectadas à rede elétrica. Existem outras apli-cações que não podem ser incluídas dentro das já mencionadas: centrais dessaliniza-doras e de purificação de água, fogões solares, aplicações de secagem, refrigeração solar, condicionamento bioclimático, entre outros.

Entre 2001 e 2011, o mercado mundial de aplicações térmicas de energia solar cresceu a partir de uma capacidade instalada de aproximadamente 7 GW a 43 GW, sendo as primeiras aplicações domésticas para aquecimento de água a tecnologia de maior crescimento [3]. Desde 2006, a geração de energia elétrica por aplicações tér-micas (adiante CSP, Concentrating Solar Power) tem tido um forte desenvolvimento, especialmente em países como Espanha, Estados Unidos [4] e, mais recentemente, Chile. Por sua vez, a indústria fotovoltaica, em 2012, superou os 100 GW de capaci-dade instalada no mundo. Esse processo, liderado originariamente pela Alemanha, que, em 2010, já contava com uma capacidade instalada de 17 GW [5], atualmente transcende a Europa, que passou de 74% da nova capacidade instalada, em 2011, a 55%, em 2012 [6]. Isso se deve ao rápido crescimento de instalações na China, Índia, Estados Unidos e América Latina durante o ano de 2012, tendência que se espera manter nos próximos anos [6]. O crescimento de capacidade instalada dessa tecnologia está associado aos recentes avanços tecnológicos na concepção e pro-cessos de fabricação das células fotovoltaicas. Espera-se que o custo da eletricidade

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fotovoltaica continue descendente, a uma taxa de aproximadamente 8% ao ano. No mercado dos Estados Unidos, entre 2011 e 2012, verificou-se declínio do custo dos módulos fotovoltaicos comerciais entre 11% e 12% [7]. Todos esses exemplos mostram o rápido crescimento da contribuição da energia solar à matriz energética mundial. Previsões da IEA [8] apontam para um cenário, em 2035, em que as ener-gias renováveis alcançarão 31% do total de geração de energia elétrica, e a gera-ção fotovoltaica representará 7% dessa porcentagem. Essas projeções indicam que a capacidade instalada de geração fotovoltaica cresceria 42% anualmente e que a capacidade instalada de CSP equivaleria aos 72 GW.

Contexto do Uruguai

Há mais de 20 anos, o Uruguai tem forte dependência dos combustíveis fósseis [9]. Como se trata de um país sem reservas locais de fontes de energia tradicionais, configura-se uma situação de alta vulnerabilidade ante as variações do preço inter-nacional do petróleo. O recurso hídrico tem sido historicamente a principal fonte de geração de energia elétrica no país e o responsável por parte importante de geração de energia elétrica quando as condições climáticas são favoráveis. Por exemplo, em 2010, a demanda de energia elétrica foi coberta em 66% por geração hidroelétrica. Devido aos baixos níveis dos reservatórios durante os anos seguintes, essa porcenta-gem diminuiu para 43% em 2011 e para somente 32% em 2012 [9]. Na ausência de fontes nativas convencionais de energia, essas quedas de geração precisaram ser supridas, principalmente pela geração baseada no petróleo importado e seus deri-vados, com grandes custos associados ao processo. Devido a esses e outros fatores, o Uruguai encontra-se atualmente em um processo de mudança de sua matriz ener-gética, em busca de maior diversificação de fontes de energia, que garantam esta-bilidade e autonomia [10]. A incorporação de fontes nativas e renováveis tem um papel fundamental. A política energética do país conta com um plano estratégico nacional de longo prazo, acordado entre todo o sistema político nacional. O primeiro marco é que, para o ano de 2015, a participação de energias renováveis supere os 50% da matriz energética primária e alcance 90% da matriz de geração elétrica. Espera-se que a participação das energias renováveis não tradicionais, como a ener-gia eólica, geração com base de resíduos de biomassa, microgeração hidroelétrica, etc., alcance 15% da geração elétrica [10]. Como marco de referência, é interessante observar os objetivos propostos pelo governo alemão, que projetou, para 2040, 45% de energias renováveis no consumo final de energia e, para 2050, uma participação de 80% na geração de energia elétrica [11]. Para alcançar esses objetivos foram de-senvolvidas no Uruguai políticas de promoção da eficiência energética e a inclusão de energias renováveis tanto na geração como no setor residencial. Já se avançou consideravelmente na incorporação de energia eólica à geração elétrica, já que o


país conta com um bom recurso eólico e os custos são competitivos. Durante o ano de 2012 instalaram-se quase 53 MWp de geração eólica, o que representou no mesmo ano 0,2% do abastecimento total de energia [9]. A projeção para 2015 prevê insta-lar 300 MWp adicionais a esse tipo de energia.

Embora se encontrem em licitação as primeiras centrais fotovoltaicas a ser cons-truídas com capital privado, a contribuição de energia solar a esse processo de trans-formação ainda é de pouca significância. Existem poucas instalações fotovoltaicas no país, e as aplicações térmicas recentemente começaram seu caminho. Em 2009, a energia solar térmica cumpriu um de seus primeiros marcos, com a aprovação da Lei nº 18.585, na qual se estabelece especificamente que o desenvolvimento, a in-vestigação e a formação no uso da energia solar térmica é de interesse nacional e que as novas construções para hotéis, clubes esportivos e hospitais somente serão autorizadas se 50% de sua demanda de água quente for coberta com aplicações de energia solar térmica [12]. A partir de março de 2012, o governo impulsionou o Pla-no Solar, que está desenhado para fomentar a instalação de coletores solares para água quente de uso sanitário no setor residencial [13]. Em junho de 2010, o Uruguai transformou-se no primeiro país da América do Sul a autorizar e a promover a micro-geração mediante energias renováveis do setor residencial [14]. Quanto à geração de energia solar de grande porte, recentemente se anunciou, por parte da empresa elétrica estatal, a licitação de cinco plantas fotovoltaicas privadas, para um total de 200 MWp, que, espera-se, sejam capazes de cobrir ao menos 3,3% da demanda de energia elétrica do país.

A avaliação do recurso solar

Para o desenvolvimento de qualquer tecnologia que transforma a energia solar em energia útil, é fundamental que se tenha conhecimento do recurso solar. A reali-zação de estudos de viabilidade de tecnologias solares, cálculo de custos de investi-mento, cálculo de taxas de recuperação de investimento, avaliação da produção de energia de determinada tecnologia, etc., sempre exige contar com informações de qualidade sobre a radiação solar disponível no nível do solo. A qualidade e, eventual-mente, a viabilidade financeira dos dados são aspectos importantes. Um dos fatores de maior risco em um projeto solar é que se calcule erroneamente o recurso solar disponível no lugar, já que isso afetaria diretamente a energia produzida e o retorno econômico do projeto [15]. Além disso, o desenvolvimento da capacidade de predi-ção do recurso solar, intimamente ligada à capacidade de caracterização dele, é críti-co em um cenário de ampla penetração fotovoltaica e eólica na rede elétrica. A alta variabilidade espaço-temporal do recurso solar gera fortes flutuações na geração voltaica que é injetada na rede. A previsão dessas flutuações é de suma importân-cia para prever outros mecanismos de geração de respaldo durante os períodos nos

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quais o recurso solar não estiver disponível. A informação detalhada sobre o recurso solar de um país é de caráter estratégico para membros do governo, operadores do mercado elétrico e/ou pessoas em posição de tomada de decisões, seja em empresas públicas ou privadas.

A primeira variável que interessa caracterizar é a irradiância global que incide sobre um plano horizontal ao nível da superfície terrestre (GHI, Global Horizontal Ir-radiance). O termo “irradiância” é utilizado quando nos referimos à potência por uni-dade de área (W/m2), e o termo “irradiação” é utilizado quando nos referimos à quan-tidade de energia incidente por unidade de área (J/m2) em determinado período. A irradiância incidente pode ser separada em dois componentes: a irradiância direta (fluxo de fótons que chegam diretamente desde o disco solar); e a irradiância difusa (fótons que chegam ao observador desde o resto da abóboda celeste, os quais foram dispersados e refletidos na atmosfera) [16,17]. Em um dia ensolarado, a irradiância que chega ao nível do solo é, em sua maioria, direta, com um pequeno componente difuso. A presença de turbidez na atmosfera intensifica os fenômenos de dispersão, o que aumenta o componente difuso e diminui o direto. A nebulosidade tem o duplo efeito de bloquear a irradiância direta e aumentar a contribuição da irradiância difu-sa. Em condições de dia claro (céu limpo) é possível conhecer a irradiância solar que chega à superfície com incerteza da ordem de 3% mediante um modelo adequado de atmosfera. Os processos de formação, dispersão e movimento das nuvens são os responsáveis pela complexidade na caracterização e predição do recurso solar, e pela alta variabilidade espaço-temporal da irradiância ao nível do solo.

As diferentes tecnologias aproveitam de forma diversa os vários componentes da radiação solar. Por exemplo, as aplicações de concentração aproveitam unicamente o componente direto, com a complexidade adicional de que os espelhos concentra-dores devam seguir a posição do Sol. Esse componente da radiação solar é conhecido como irradiância direta em incidência normal e denota-se usualmente pela sigla DNI (Direct Normal Irradiance). Em troca, os painéis fotovoltaicos ou os captadores sola-res como os usualmente utilizados nas aplicações térmicas residenciais são capazes de aproveitar a irradiância global (direta mais difusa). A complexidade, neste caso, é que usualmente as superfícies de captação não se encontram em plano horizon-tal, e sim apontando para norte/sul (no caso dos hemisférios Sul/Norte), formando um ângulo fixo com a superfície. Existem modelos bem documentados [17] para a passagem de GHI à irradiância global em plano inclinado (GTI, Global Tilted Irra-diance). Todos eles requerem previamente que o componente global horizontal seja separado em seus subcomponentes: direto e difuso em plano horizontal. Para tais efeitos, também existem modelos bem conhecidos na literatura, de caráter genérico. Contudo, se contarmos com uma série de medidas de radiação difusa ou direta junto à radiação global, é possível melhorar substancialmente os métodos de separação, já


que a fração de radiação incidente dispersada depende da composição média da at-mosfera, que é um fator local. Uma completa caracterização do recurso solar requer que todos esses componentes sejam adequadamente modelados e mapeados para a alocação de interesse.

Neste trabalho descrevem-se os esforços sistemáticos que realizamos nos últimos anos no Laboratório de Energia Solar (LES/UdelaR, Uruguai, http://les.edu.uy/), tendendo a utilizar a informação de satélite para estimar o recurso solar na superfí-cie. Esta monografia organiza-se da seguinte maneira: na próxima seção resume-se a confecção do primeiro Mapa Solar do Uruguai, suas limitações e como estas podem ser resolvidas utilizando-se imagens de satélite; na seção 3 apresentam-se uma in-trodução à informação de satélite disponível e uma breve resenha dos modelos de satélite para estimativa do recurso solar que atualmente se encontra em operação no mundo em instituições públicas e/ou universidades; na seção 4 descreve-se a me-todologia utilizada, os resultados obtidos e a avaliação da incerteza da nova infor-mação gerada; finalmente, na última seção, apresentamos nossas conclusões, com ênfase especial no impacto potencial do novo conhecimento gerado. É dada atenção especial à geração de produtos que são de primeira necessidade para a avaliação, investigação e desenvolvimento de aplicações de energia solar no Uruguai.

ANTECEDENTES SOBRE A CARACTERIZAÇÃO DO RECURSO SOLAR NACIONAL

Os esforços sistemáticos para melhorar o conhecimento do recurso solar no Uru-guai são relativamente recentes. O primeiro Mapa Solar do Uruguai (adiante, MSUv1) foi elaborado por um grupo de investigadores da Faculdade de Engenharia da Uni-versidade da República entre 2008 e 2009 [18,19]. Esse trabalho tomou como en-trada as poucas séries de dados confiáveis de longo prazo de irradiação solar diária que existiam para o território nacional e integrou uma série de radiação solar do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET, Brasil) para a localidade fronteiriça de Livramento. A metodologia utilizada baseou-se na correlação de Angström-Prescott [20,21], a qual requer somente médias diárias de irradiação solar global em plano horizontal para cada mês e a média das horas diárias do sol do mês. As horas de luz do sol (ou insolação) são o tempo durante o qual a GHI supera o limiar de 120 W/m2, de acordo com a definição aceita pela WMO (World Meteorological Organization). A insolação, ao contrário da irradiância solar, é uma variável geralmente registrada nas estações meteorológicas há muitas décadas, por isso existem séries históricas com mais de 40 anos de dados dessa variável para vários pontos do território. Na metodologia de Angström-Prescott, a média mensal de insolação em um lugar cor-relaciona-se muito bem com a irradiação diária média desse lugar. Em locais onde

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se conhece tanto a insolação quanto a radiação, pode-se estimar os coeficientes da correlação. O método é eficiente para realizar uma caracterização de longo prazo de irradiação diária média em um território extenso contando somente com medidas de irradiância em terra para poucos locais. No caso do MSUv1, são geradas estimativas de médias mensais de irradiação diária em doze pontos distribuídos no território e, a partir deles, são gerados os mapas mensais e um mapa anual utilizando técnicas padrão/padronizadas de interpolação. Na Figura 1 mostram-se o mapa anual e o mapa de janeiro, onde se pode apreciar a distribuição espacial da irradiação global horizontal diária média, expressa em kWh/m2.

Figura 1 - Distribuição espacial da irradiação diária média obtida a partir do MSUv1. Esquerda: média anual. Direita: média mensal correspondente ao mês de janeiro.

O MSUv1 implicou um avanço de ao menos 30 anos na avaliação e modelagem do recurso solar no Uruguai, estabelecendo um marco de alta importância para as ener-gias renováveis. Contudo, a metodologia utilizada no MSUv1 tem fortes limitações. Em primeiro lugar, não permite ter uma resolução temporal maior que a das médias mensais1. Não é possível, portanto, usá-la para gerar uma série de dados diários e ho-rários. Em segundo lugar, salvo os 12 pontos dos territórios utilizados como suporte do MSUv1, o resto dos pontos são estimados por interpolação de dados. Isso implica que a resolução espacial real do mapeamento seja de aproximadamente 100 km [22]. Em terceiro lugar, a incerteza declarada nas estimativas que surgem do MSUv1 está em torno de 15%, uma estimativa alta se levarmos em conta que se trata de médias men-

1 A correlação entre a insolação e a irradiação solar diária sobre plano horizontal não é boa, a me-nos que se considerem as médias de vários dias.


sais históricas a serem oficializadas como insumo para aplicações de engenharia, cujo modelo somará sua própria incerteza associada. Finalmente, o único componente de radiação mapeada pelo MSUv1 é a GHI. Não se proporcionam estimativas de DNI (requerido para aplicações de concentração) ou de GTI (requerido para aplicações tér-micas domésticas fotovoltaicas). Essas limitações podem ser eliminadas ou, ao menos, drasticamente reduzidas utilizando-se a informação do satélite.

ESTIMATIVA DE IRRADIÂNCIA SOLAR POR SATéLITE

Desde a década de 1960 os satélites meteorológicos monitoram continuamen-te o planeta e geram informações em tempo real sobre as condições atmosféricas [23]. Há pelo menos 50 anos que existem propostas para a estimativa do recurso solar por satélite. Utilizando a informação de satélite é possível gerar estimativas de irradiação solar na superfície terrestre em escala horária (ou intra-hora), com uma resolução espacial de poucos quilômetros. Trabalhar com dados em escala horária permite modelar mais adequadamente as distintas componentes da radiação solar, permitindo a geração de dados de alto impacto no desenvolvimento dos empreen-dimentos solares. Além disso, pode-se contar com um banco de imagens de vários anos, pode-se armar uma série longa de estimativas de irradiação solar e caracterizar climatologicamente o recurso. Isso permite revelar comportamentos de longo prazo, assim como gerar dados ad hoc para um ponto dado e um período de tempo espe-cificado. Existem empresas privadas que adotam os modelos mais exitosos, as quais proporcionam estimativas mais ou menos confiáveis de radiação solar em qualquer ponto do globo. Essas estimativas estão baseadas em observações de satélite, um modelo com diferentes graus de sofisticação e uma validação contra dados de alta qualidade adquiridos em superfície terrestre.

Satélites para observações da Terra

Os radiômetros com os quais estão equipados os satélites para observações da Terra medem a radiância saliente do planeta em diferentes bandas espectrais. Esses satélites se dividem em grupos de acordo com a altura de sua órbita [24]. Os saté-lites orbitam a uma altura entre 600 km e 800 km, dependendo do período orbital para o qual estão desenhados e, devido a sua proximidade da Terra, alcançam reso-luções espaciais da ordem dos 100 m. Por exemplo, os satélites Aqua e Terra, am-bos operados pela National Aeronautics and Space Administration (Nasa), contam com sensores que geram imagens com uma resolução espacial de 250 m ou 500 m, dependendo de qual seja a banda espectral [25]. Em contrapartida, para dado ter-ritório, geram uma ou duas imagens por dia, o que implica uma resolução temporal

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baixa. Por isso, são de utilidade limitada para caracterizar variáveis meteorológicas que variam em escalas de tempo da ordem de minutos, como é o caso da irradiância solar. Em contrapartida, os satélites em órbita alta e, em particular, os de órbita geo-estacionária são capazes de gerar imagens com maior resolução temporal. Também, como se encontram em grande altura, i.e. a órbita estacionária encontra-se a uma altura de 36.000 km [24], permitem observar simultaneamente um território muito mais extenso. Tipicamente geram mais de uma imagem por hora, com uma resolu-ção espacial nominal de 1 km. Utilizando imagens de satélites geoestacionários, é possível estimar o recurso solar em escala horária ou intra-hora, com uma resolução espacial de poucos quilômetros.

Como exemplo, na Figura 2 são mostradas imagens full disk (mapeamento de todo o globo) do satélite Goes12 e do satélite Meteosat. A imagem é do dia 7 de ju-lho de 2010, às 14h00 UTC (Tempo Universal Coordenado, ou anteriormente tempo do meridiano de Greenwich). Naquela data o satélite Goes12 ocupava uma posição geoestacionária distinta das de operação normal, Goes-East e Goes-West, e estava dedicado em forma exclusiva para a América do Sul.

Figura 2 - Imagens de todo o globo dos satélites Goes12 (esquerda) e Meteosat (direita).

A estimativa do recurso solar por satélite

A nebulosidade é o fator determinante na quantidade de radiação solar que che-ga à superfície da Terra. A atmosfera dinâmica e os níveis de nebulosidade sobre um ponto determinado são altamente variáveis, pelo que, inclusive em regiões pe-quenas, os esquemas baseados na interpolação de medidas adquiridas em alguns pontos dispersos produzem resultados de baixa exatidão. A incerteza da estimativa aumenta à medida que se incrementa a distância entre os pontos das medidas (usa-dos como sustento da interpolação) e o ponto onde se deseja realizar a estimativa. A estimativa do recurso solar por satélite também tem uma incerteza associada, que


depende do tipo de modelo utilizado para converter a leitura do satélite em um valor de irradiância solar ao nível de solo.

Durante a década de 1990, dedicou-se considerável esforço para decidir que téc-nica resultava em uma estimativa de maior qualidade, se a interpolação de dados a partir de medidas em Terra ou a estimativa por satélite. Esses esforços terminaram com o trabalho de R. Perez [26] e A. Zelenka [27], nos quais se estabeleceu que, desde o ponto de vista de um usuário final, é mais confiável a estimativa de satélite do que a utilização de dados de uma estação vizinha, a menos que esta seja muito próxima ao ponto de interesse. Na realidade, em escala horária, a incerteza típica dos modelos de satélite simples é menor que a interpolação de dados de pontos distantes mais de 30 km do local onde se quer estimar a radiação [26]. Como consequência, uma rede de medidas que tenha uma incerteza comparável à de uma estimativa de satélite sobre um território dado deveria ter densidade de radiômetros de 1 a cada 30 km aproximadamente, o qual a faz inviável por custos e dificuldade de operação. À escala diária, a distância entre pontos de medida aumenta a 50 km [27], o que leva à mesma conclusão lógica. Com a melhora que se tem experimentado nos últimos 20 anos das capacidades dos satélites para a observação da Terra e o aumento da pre-cisão de modelos de satélite para estimativa do recurso solar, essas distâncias carac-terísticas são ainda menores. Pode concluir-se que os modelos de satélite são a me-lhor alternativa para gerar dados de irradiância solar sobre extensões territoriais ou pontos isolados. Por outro lado, os modelos requerem medidas de radiação solar em superfícies para seu desenvolvimento e validação, de modo que é preferível contar com uma rede de medidas de alta qualidade e baixa densidade do que o contrário.

A ideia básica de um modelo de estimativa do recurso solar por satélite é conver-ter uma imagem de satélite em uma imagem que represente os níveis de energia so-lar que incidam sobre a superfície terrestre. Uma forma usual de fazê-lo é, a partir da informação do satélite, gerar informação relativa à nebulosidade e com ela aplicar um modelo para obter o valor da irradiância ou irradiação –segundo corresponda – ao nível de solo. Na Figura 3 mostra-se, como exemplo, uma imagem com formação de nebulosidade média horária (esquerda), que é convertida na correspondente esti-mativa de irradiação horária (direita).

Historicamente, os modelos de satélite para a estimativa da irradiância solar foram classificados em suas categorias: os modelos estatísticos [28]; e os modelos físicos [29]. Os modelos estatísticos são aqueles que dependem de uma série de pa-râmetros ajustáveis para determinada região a partir de dados registrados na Terra. Esses parâmetros são ajustados geralmente por regressão [30-32]. Já os modelos físicos tentam descrever, em detalhe ou em diferentes aproximações, os processos de transferência radiativa no sistema Terra-atmosfera. Para isso, requerem um conhe-cimento permanente do estado da atmosfera e de sua composição. A grande van-tagem dos modelos físicos diante dos modelos estatísticos é que aqueles podem ser

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aplicados diretamente sobre um território sem um ajuste prévio, quer dizer, ainda que não existam medidas de irradiância solar no território objetivo da estimativa. Em contraposição, a vantagem dos modelos estatísticos reside em sua simplicidade e na escassa quantidade de variáveis de entrada.

Figura 3 - Exemplo de utilização de um modelo de satélite para realizar uma estimativa do recurso solar sobre um território dado. Esquerda: imagem de nebulosidade horária. Direita: imagem de

irradiação horária.

Hoje existem vários modelos de satélite para a estimativa do recuso solar [33,34]. A classificação histórica entre modelos físicos e estatísticos é muito rígida para ca-tegorizar alguns dos modelos atuais. Os modelos modernos têm geralmente uma natureza híbrida, cuja base é física, mas têm um ou vários parâmetros ajustáveis a partir de dados de superfície. Diferentes modelos estão atualmente em aplicação em agências nacionais e/ou universidades. O projeto Surface Meteorology and Solar Energy (SSE) utiliza uma variante do modelo físico de Pinker e Laszlo [35,36] para dar estimativas globais. Este modelo é conhecido como NASA/SSE e se mantém ope-rativo através de um serviço de dados no site da Divisão de Ciências Aplicadas da Nasa (https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/). É importante destacar também o mode-lo Suny [37] e a família de modelos Heliosat [30,38,39]. As versões atuais de ambos os modelos estão baseadas em modelos físicos de céu claro altamente calibrados. A cobertura nebulosa é tida em conta através de um índice de nebulosidade obtido a partir de imagens de satélite. O modelo Heliosat atualmente em operação na Europa é o Heliosat-3. Essa família de modelos tem crescido em complexidade à medida que as versões anteriores foram substituídas por outras mais modernas. Na América Lati-na e Caribe, encontram-se em uso os modelos físicos GL [40] e Brasil-SR [41]. Ambos são utilizados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe, Brasil). O primeiro


é um modelo operacional que está colocado em linha no site do Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC/Inpe, Brasil, http://satelite.cptec.inpe.br), e o segundo foi utilizado para realizar o Atlas Brasileiro de Energia Solar [41,42]. Recentemente, o Chile passou a realizar seu mapeamento nacional do recurso solar tomando como base o modelo modificado, conhecido como Chile-SR, que foi adapta-do às particularidades do território chileno [43].

AVALIAÇÃO DO RECURSO SOLAR POR SATéLITE NO URUGUAI

Rede de medidas do recurso solar

A partir da elaboração do MSUv1, constatou-se a necessidade crítica de contar com uma rede de medidas de radiação solar de qualidade controlada, a qual era inexistente até então no país [18]. O problema se apresenta ainda com mais força no contexto da estimativa do recurso solar por satélite, uma vez que as medidas são absolutamente necessárias, seja para ajustar modelos, seja para avaliar seu desempenho. Os dados gerados para esses fins devem ser adquiridos com instru-mental de boa qualidade e calibrados a cada dois anos, como indicam as recomen-dações de boas práticas da WMO [44]. Além disso, esses dados devem ser subme-tidos a estritos controles de qualidade e integridade. Seguindo-se esse protocol, tem-se trabalhado desde 2009 na elaboração de uma rede de medida que cumpra com todos esses requisitos [22,45].

Existem atualmente no Uruguai duas redes de medida do recurso solar com carac-terísticas diferentes: a rede de medidas da Faculdade de Engenharia (Fing/UdelaR, Uruguai); e a rede de medidas da UTE, a empresa de eletricidade estatal. Ambas as redes iniciaram sua operação em 2010 e, por acumularam aproximadamente ape-nas três anos de medidas, ainda não é possível uma caracterização climatológica da radiação solar. Além disso, existem três séries com informações histórias de boa qua-lidade. A localização desses pontos de medida no território do Uruguai está ilustrada no mapa da Figura 4.

A série de “Estanzuela”, com código ZU no mapa, foi registrada pelo Instituto Na-cional de Investigação Agropecuária (Inia, Uruguai) em sua estação experimental com o mesmo nome. A série “Livramento”, com código LV, foi registrada pelo Institu-to Nacional de Meteorologia (Inmet, Brasil), que conta com uma estação meteoroló-gica permanente nessa localidade. Finalmente, a poucos quilômetros da estação AS, a Direção Nacional de Meteorologia (DNM, Uruguai) registou uma série de 5 anos de irradiância de qualidade aceitável, que denominamos “Salto Aeropuerto”.

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A rede de Fing é administrada pelo nosso grupo (LES) e conta atualmente com 6 pontos de medida distribuídos no país. Em 2014 se ampliará a 8 pontos. Essas medi-das se realizam em todos os casos utilizando piranômetros2 Kipp & Zonen CPM6 ou CMP11, dependendo do local de medida. Na classificação de piranômetros da WMO [44], o CMP6 qualifica como um instrumento de primeira classe, e o CMP11 é um piranômetro capaz de atuar como padrão secundário. As estações contam com ad-quirentes automáticos capazes de registrar dados a cada 1 ou 3 min, dependendo do tipo de adquirente de cada estação. Os dados são enviados diariamente de forma automática a um servidor central pela rede telefônica. Os equipamentos estão guar-necidos com painéis solares e baterias, de modo que são completamente autônomos. A cada 2 anos, os piranômetros são calibrados segundo normativa vigente, intercom-parando suas medidas com um padrão secundário (CPM22 de Kipp & Zonen), que o LES mantém calibrado com traçabilidade ao World Radiation Center, em Davos, na Suíça. Atualmente, a rede se encontra em processo de reestruturação, que evolui para integrar uma rede com adquirentes e formatos padronizados, medidas redun-dantes e maiores capacidades no sistema de comunicações.

A rede de medida de UTE foi desenhada principalmente para medir direção e ve-locidade do vento em várias alturas, com fins de caracterização do recurso eólico. Em vários de seus pontos, está equipada, além disso, com sensores fotovoltaicos Li-Cor. Esses sensores são uma boa opção devido a seu baixo custo e geram medidas de qualidade aceitável. Os adquirentes nessas estações registram dados a cada 10 min.

Figura 4 - Localização das estações de medida das duas redes operativas no Uruguai e as séries de medidas históricas. Azul: rede de medidas Fing. Laranja: rede de medidas UTE. Verde: séries históricas.

2 Instrumentos que medem irradiância a partir da diferença de temperatura entre os elementos de uma termopilha, alguns expostos ao sol e outros em sombra.


Informação de satélite

Existem cinco satélites geoestacionários que conformam o Sistema Global de Ob-servação da WMO e que se encontram dispostos de forma tal que suas imagens co-brem todo o globo [23]. Em particular, desta rede de satélites, o satélite GOES-East – controlado pelos EUA – e o satélite Meteosat – controlado pela União Europeia – geram imagens que incluem o território do Uruguai.3 GOES-East é a forma de deno-minar a posição geoestacionária localizada sobre o meridiano 75º W, onde, ao longo do tempo, operaram diferentes dispositivos físicos. Nosso grupo confeccionou um banco de imagens deste satélite cuja janela espacial abarca o território do Uruguai e as zonas circundantes, como a província de Buenos Aires, o estado do Rio Grande do Sul e a pampa úmida. Trata-se de um banco de dados de aproximadamente 100 mil conjuntos de imagens que cobre o período temporal desde 1º de janeiro de 2000. Cada conjunto de imagens é composto de uma imagem no canal visível e de quatro imagens provenientes de canais infravermelhos. A estatística da informação de saté-lite supera amplamente a das medidas em Terra disponíveis, contando-se com mais de 14 anos de imagens de satélite até esta data. Em regime de operação normal, o satélite gera duas imagens por hora, com uma resolução espacial que, ao longo do território nacional, é de aproximadamente 2 km. Por não existir um receptor GOES operativo no Uruguai, as imagens foram adquiridas via web através do serviço de do-wnload CLASS/NOAA (http://www.class.ngdc.noaa.gov), disponível publicamente. O processo de download tem uma parte manual e permite obter até 100 conjuntos de imagens por pedido. Na Tabela 1, mostra-se um detalhe do banco de imagens confeccionado pelo grupo em 31 de dezembro de 2013. Esse banco de imagens é único no país e trabalha agora em uma interface que permite disponibilizá-lo a qual-quer comunidade científica interessada.

Tabela 1 - Descrição da base de imagens GOES-East do LES/UdelaR

Satélite Data inicial Data final Imagens

GOES 8 01/01/2000 31/03/2003 24755

GOES 12 01/04/2003 14/04/2010 51889

GOES 13 14/04/2010 31/12/2013 26753

Total 01/01/2000 31/12/2013 103397

As imagens são descarregadas originariamente em brilhos ou counts de 10 bits (valores entre 0 e 1.024) sem calibragem. Antes de serem utilizadas como entrada

3 O satélite Meteosat está localizado sobre o Norte da África, e o Uruguai está no ângulo inferior esquerdo de seu campo, por isso os erros de estimativa a partir de suas imagens são grandes.

261

para um modelo de estimativa do recurso solar por satélite, devem ser calibradas.4 O objetivo da calibração é transformar os counts digitais em um valor de radiância vista por satélite. Ao ser a radiância uma unidade com sentido físico, permite trabalhar com toda a estatística de satélite, independentemente do dispositivo físico particular que capturou a mensagem. Para obter a verdadeira radiância por satélite, a leitura deve ser compensada, devido à degradação que sofre o radiômetro durante a colo-cação em órbita e ao longo da operação com condições extremas no espaço. Existem diversas técnicas para alcançar essa calibração [46-50], todas tendo como base uma referência, que se assume verdadeira. A partir de uma intercomparação estatística entre a referência e a medida do radiômetro, gera-se uma curva de compensação da medida. Com os efeitos da calibração de nossas imagens, implementaram-se as curvas de calibração que são utilizadas em forma operacional pela NOAA, com sua metodologia [47-50].

O resultado final da calibração das imagens do canal visível é a radiância obser-vada, Ls medida em W/m2str. Essa variável é a radiação solar refletida na Terra tal como a vê o radiômetro do satélite. O modelo de satélite que implementamos utiliza como entrada o fator de reflectância FR, que se define como

(1)

onde o fator π responde à conversão de radiância em irradiância utilizando-se uma hipótese de reflexão isotrópica da radiação solar na Terra; Fn é o fator de cor-reção pela distância Terra-Sol devido à excentricidade da órbita terrestre; cos(z) é o cosseno do ângulo zenital [17]; e Sl é o espectro solar modulado pela resposta espec-tral do canal visível do radiômetro do satélite. Em resumo, FR dá uma indicação do “brilho” da cena no visível, com informação espaço-temporal e normalizando entre 0 e 1. Utilizamos os valores percentuais dessa magnitude entre 0 e 100. A refletivi-dade das nuvens é maior que a do terreno de fundo, portanto os pixels com nebulo-sidade apresentam um fator de reflectância mais alto, e o terreno de fundo, um mais baixo, seja na superfície terrestre ou em massas de água. As imagens mostradas na Figura 2 são imagens de fator de reflectância percentual. O processamento das 100 mil imagens da base para a aplicação da calibração e geração de produtos como o fator de reflectância está implementado mediante o uso de técnicas de programa-ção paralela (padrão MPI [51]), de modo a minimizar ao máximo possível os tempos de processamento [52]. O processamento de toda a base de satélite para algumas dezenas de pontos isolados tipicamente requer algumas horas de processamento em um PC de escritório com processador do tipo i7 e memória RAM suficiente. O mesmo

4 De outro modo, não é possível utilizar no mesmo conjunto de imagens provenientes de satélites físicos diferentes, devido à diferente sensibilidade de seus radiômetros.


processamento para a obtenção de um processamento regular sobre o território na-cional pode precisar de alguns dias de cálculo, dependendo do espaçamento entre pontos que se requeira. Em todo o caso, esse tipo de processamento realiza-se uma única vez para a base completa de imagens.

Estimativa de irradiação global horizontal: modelo JPT melhorado

Um dos primeiros modelos para a estimativa da irradiância solar por satélite foi o modelo estatístico proposto por Tarpley, em 1979 [31], que permite encontrar va-lores horários de irradiação global em plano horizontal para um ponto especificado. Esse modelo foi originalmente aplicado à região das grandes planícies centrais nos EUA. Em sua primeira versão, apresentava um desvio sistemático, que foi corrigido em uma segunda versão do modelo, apresentada por Justus, Paris e Tarpley, em 1986 [32]. A esta última variante do modelo damos o nome de modelo JPT, e sua expressão para obter a irradiação horária Ih é:

(2)onde Isc é o valor horário da constante solar, quer dizer, a quantidade de energia

por metro quadrado que chega em uma hora ao topo da atmosfera; seu valor é Isc = 4.921 kJ/m2; Fn e cos(z) são, respectivamente, a correção pela distância Terra-Sol e o cosseno do ângulo zenital; FR é o fator de reflectância médio em uma célula de 10x0 min em latitude e longitude em torno do ponto onde se deseja realizar a estimativa; e FR0 é o fator de reflexão para uma mesma célula e hora, mas em condições de céu claro. FR0 pode ser determinado mais intuitivamente como fator de reflexão de fundo. Os parâmetros do modelo a, b, c e d devem ser ajustados utilizando-se medidas de irradiação horárias adquiridas em superfície.

Os dados de irradiância solar em superfície utilizados na proposta original foram adquiridos sobre o território estadunidense. Uma comparação entre a estimativa por satélite e as medidas em Terra reportaram um desvio quadrático médio (rRMSD, re-lative Root Mean Square Deviation) de 16,2% em escala horária, e de 10,8% para os acumulados diários. Essas porcentagens estão referidas à média das medidas uti-lizadas para a avaliação. Logo, o modelo foi aplicado a todo o território dos EUA, México e partes da América do Sul sobre a hipótese de que os parâmetros encontra-dos eram de caráter universal. Diferentes avaliações de desempenho do modelo JPT foram realizadas para a Argentina [53-55] e Brasil [56]. Estas avaliações reportaram desvios superiores aos que se haviam encontrado no trabalho original, sugerindo que os coeficientes não eram de caráter universal e que deviam ser ajustados para cada território de forma particular.

263

Em 2011, com base na nova informação que surgia da rede de medida de Fing, ajustaram-se os coeficientes desse modelo às particularidades do território nacional, sendo essa a primeira implementação no Uruguai de uma ferramenta para a estima-tiva do recurso solar por satélite [57]. Os resultados da avaliação de desempenho do modelo foram muito promissores e justificaram seguir trabalhando para melhorá-lo. Dividiram-se os dados existentes em um conjunto de treinamento e em um conjunto de avaliação, independentes entre si. O conjunto de treinamento, utilizado para ajustar parâmetros do modelo, estava composto das medidas de alta qualidade da rede Fing. O conjunto de avaliação se compôs com as medidas de quatro estações na rede de UTE. A avaliação de desempenho sobre o conjunto de test obteve um rRMSD de 19,8% ao nível horário, de 11,8% ao nível diário, e de 7,0% para as médias mensais [57].

Contudo, observou-se que o modelo JPT apresenta uma sobrestimação sistemá-tica em condições de céu coberto e uma subestimação sistemática em condições de céu claro [31,58]. Para minimizar esses desvios sistemáticos, propomos que os coefi-cientes do modelo passem a depender do nível de brilho em uma forma simples [58]. O novo modelo, melhorado, denomina-se BD-JPT, da sigla Brightness Dependent JPT. O modelo original JPT e suas implementações posteriores utilizavam a informação de satélite em forma de counts e, por essa razão, sua operação limitava-se a ima-gens de um único satélite físico. O modelo BD-JPT está expresso em condições de fator de reflexão percentual, de modo a poder integrar toda a estatística de satélite disponível. A parametrização desse modelo para a irradiação solar global em plano horizontal à escala horária Ih é

(3)

onde FRth é um valor umbral que separa as horas principalmente claras das horas principalmente nubladas. Como limiar tomou-se a média dos fatores de reflexão do conjunto de treinamento, o que resultou em um valor de FRth de 15%. Essa eleição para o limiar é uma das mais simples e está suportada pelos bons resultados obtidos. O mapa de irradiação mostrado na Figura 3 foi obtido utilizando-se esse modelo de sa-télite e é o resultado de aplicar a equação 3 sobre um processamento igualitariamen-te distribuído no território nacional, com espaçamento de aproximadamente 2 km.

A determinação dos fatores de reflectância de fundo tem certa complexidade e deve realizar-se com muito cuidado. A correta determinação desses valores tem forte impacto no desempenho do modelo. Este brilho de fundo evoluciona ao longo do dia, conforme a muda a posição relativa entre a Terra e o Sol. Além disso, é depen-dente do ponto geográfico: as massas de água têm refletividade distinta das pasta-gens, bosques ou cidades. Como brilho de fundo temos utilizado a parametrização da equação 4, proposta originalmente por Tarpley [31]. O ângulo γ, que aparece na


referida expressão, é o ângulo azimutal entre os meridianos do Sol e do satélite. Essa equação deve ser ajustada independentemente para cada ponto do território, resul-tando em no set de coeficientes A, B, C e D, distinto para cada um.

(4)Só valores de fatores de reflectância que correspondem a condições de céu claro

devem ser utilizados para ajustar os valores de A, B, C e D, já que se trata de descrever o brilho da superfície terrestre sem “contaminação” por nuvens. A forma de realizar isso, a partir do conjunto total de fatores de reflectância para um ponto dado, é atra-vés de um filtrado interativo de mostras com nebulosidade. O processo inicia-se com um primeiro filtrado do conjunto de dados, onde se selecionam grossamente aquelas amostras candidatas a serem de céu claro. Logo, ingressa-se em um processo interativo em que se ajusta a parametrização e descar-tam-se aqueles valores que tenham grandes resíduos com respeito ao modelo encontra-do. O processo culmina quando nenhum re-síduo é encontrado e seu produto final é um conjunto de valores A, B, C e D para o ponto geográfico específico. A semente para o fil-trado inicial é um valor de fator de reflectân-cia baixo, que foi fixado por inspeção visual de vários histogramas. Um esquema desse procedimento mostra-se na imagem à direi-ta. Esse esquema foi avaliado utilizando-se um método estatístico mais potente, Ransac [59]. Ajustada a parametrização, esta pode ser utilizada para encontrar a série temporal de brilho de fundo. Na Figura 5 mostra--se um exemplo para a localidade de Rincón de Bonete (código RB no mapa da Figura 4). É possível observar como em condições de céu desejado a parametrização repre-senta adequadamente a medida do satélite.

A única informação de satélite que requer o modelo BD-JPT – assim como o mo-delo JPT – é uma série temporal de fator de reflectância e brilho de fundo para um ponto determinado. Conhecida essa informação e o valor dos coeficientes, o modelo pode ser utilizado sensivelmente para encontrar séries temporais de irradiação horá-ria. O treinamento dos coeficientes é obtido mediante uma regressão múltipla, utili-zando-se medidas de irradiação horária ao nível de solo como dados de treinamento. Para esse fim, utilizaram-se as medidas de alta qualidade da rede de medidas de Fing,

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resultando no set de coeficientes da Tabela 2, que se considera válido para todo o território do Uruguai e zonas vizinhas. Na Figura 6 mostra-se uma série temporal de estimativas de satélite e medidas em Terra para a estação de Rincón de Bonete. O período temporal coincide com o da Figura 5. Essa estação pertence à rede de UTE, cujas medidas não foram utilizadas para treinar os parâmetros do modelo. Deve-se notar a excelente concordância entre a saída do modelo de satélite e as medidas, de caráter independente, dessa estação.

Figura 5 - Série temporal do fator de reflectância e do brilho de fundo. Localidade RB.

Figura 6 - Série temporal de medida na Terra e estimativa de satélite. Localidade RB.

Tabela 2 - Parâmetros do modelo BD-JPT ajustados para o território uruguaio e zonas vizinhas. (Equação 3)

Parâmetros a b c d

Zona 1 (FR < Frth) 0.363 0.923 -0.539 -3.005

Zona 2 (FR > Frth) -0.089 1.400 -0.634 -0.551


Desempenho do modelo melhorado

A avaliação de desempenho do modelo é feita comparando-se, em uma série de pontos distribuídos no território, as estimativas de irradiância contra uma referência assumida verdadeira. Com a informação disponível, a incerteza das estimativas pode ser avaliada em duas escalas temporais: em curto prazo, utilizando-se os dados das novas estações de medidas disponíveis desde 2010; e no longo prazo, utilizando-se as séries de dados de Estanzuela, Salto Aeropuerto e Livramento. Devido às poucas séries históricas existentes, a comparação foi complementada com as estimativas do modelo Nasa/SSE em um processamento regular de 1 grau por 1 grau. O modelo, que não deve ser considerado como ground truth, é amplamente reconhecido e acei-to, e inclui informação história para elaborar suas estimativas de satélite. Suas esti-mativas para as médias mensais de irradiação diária na superfície estão baseadas em informações de ao menos 22 anos de observações de satélite e de medidas em terra.

A avaliação de curto prazo realizou-se com os dados da rede de medida de UTE. A razão para realizá-lo dessa maneira é que os dados da rede de Fing foram usados para o treinamento do modelo, e utilizá-los para fins de avaliação reportaria desvios menores que os reais. A estimativa da performance do modelo utilizando aproxima-damente 22.500 horas de avaliação reportou desvio médio (rMBD, relative Mean Bias Deviation) de 1%, rRMSD de 14% e coeficiente de ajuste linear R2 de 0,941 [58]. Na Figura 7, mostra-se o gráfico da estimativa de satélite em função da medida em Terra e a escala horária, para duas estações de avaliação (RB e JI). A linha negra (x = y), desenhada como guia, representa a situação ideal de concordância perfeita. Pode-se observar que os pontos estão principalmente localizados em torno da dita reta, com certa dispersão associada à incerteza da estimativa. Em relação aos acu-mulados diários e médias mensais, o desempenho é ainda menor. À escala diária, os indicadores reportados, utilizando um total de 964 dias de avaliação, foram 1% para rMDB e 7% para rRMSD, com R2 de 0,984 [58]. A incerteza das médias mensais foi avaliada entre 3% e 4% da média anual das séries de medida de 15,9 MJ/m2 [60].

A avaliação de longo prazo é, quiçá, a mais relevante para efeitos da caracteri-zação climatológica do recurso solar. A intercomparação entre as médias mensais de longo prazo obtidas a partir do modelo BD-JPT e as séries históricas já menciona-das reportaram desvio médio de 0,1% [61]. Contudo, o rRMSD obtido foi de 3,2%, valor que é declarado como incerteza dos mapas mensais e anuais obtidos a partir da utilização do modelo BD-JPT. Deve-se notar nesse ponto a melhora substancial que representa a utilização do modelo de satélite em comparação aos estimados do MSUv1, cuja incerteza declarada para a mesma informação é de 15%. A compara-ção com o modelo Nasa/SSE foi feita em 22 locais geográficos, correspondentes aos pontos sobre superfície territorial do Uruguai do processamento da Nasa. Na média anual dos acumulados diários (informação do Mapa Solar anual), o modelo BD-JPT

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gera estimativas 1% superiores que o modelo Nasa/SSE. O rRMSD estimado entre ambos é também de 1%. Essas porcentagens referem-se à média espacial de 16,9 MJ/m2. A concordância entre as saídas de ambos os modelos é excelente e ainda mais surpreendente, considerando que as metodologias e dados em que se baseiam sejam diferentes. Na Figura 8 mostra-se a comparação entre as estimativas anuais de ambos os modelos para os 22 locais, e a comparação com os valores obtidos através das três séries de medidas de longo prazo.

Figura 7 - Comparação entre medidas em Terra e estimativas de satélite. Esquerda: RB. Direita: JI.

Figura 8 - Comparação dos valores anuais de irradiação do modelo BD-JPT com as estimativas da Nasa em 22 locais e com as medidas de três séries históricas disponíveis.

Todas as avaliações realizadas, tanto em relação às medidas em Terra como ao modelo Nasa/SSE, levam à conclusão de que as estimativas do modelo BD-JPT adap-tam-se muito bem às particularidades do território uruguaio e zonas vizinhas. Com essa segurança, pode-se proceder à elaboração de uma nova versão dos mapas de potencial solar, tal como se discute posteriormente.


Estimativa de componentes da irradiação solar

O modelo de satélite BD-JPT permite obter GHI em escala horária. Para estimar a irradiação em incidência normal (DNI) e a irradiação global sobre um plano incli-nado5 (GTI), o primeiro passo consiste em separar os componentes direto e difuso da irradiação global em plano horizontal. Para isso, utiliza-se uma função heurística que vincula6 a fração difusa horária (fd) com o índice de claridade horário (kt). A fração difusa horária define-se como o quociente entre a irradiação difusa horária em plano horizontal e a GHI. Por sua parte, o índice de claridade é o quociente entre a GHI e a irradiação extraterrestre em plano horizontal (irradiação solar no topo da atmosfe-ra). Como a irradiação extraterrestre é bem conhecida, a partir da GHI é possível cal-cular o índice de claridade kt e, através de um modelo de fração difusa, obter fd. Isso permite calcular a irradiação difusa e lograr a separação de componentes desejada.

Para aplicações de engenharia geralmente se utiliza a correlação de Erbs e cola-boradores [62] para estimar a fração difusa. Existem na literatura da área diversas propostas para correlacionar essas duas variáveis [63-69]. Como a radiação difusa depende do estado da atmosfera, o melhor é utilizar um modelo ajustado localmente com medidas do componente difuso [69] contra nossos dados terrestres. A avaliação realizou-se mediante medidas de GHI e irradiação difusa adquiridas em Terra em três locais: (i) a estação de Fing/UdelaR (código FI) controlada por nosso grupo; (ii) a estação Salto Aeropuerto, anteriormente mencionada; e (iii) a estação de medida do Grupo de Estudos da Radiação Solar (GERSolar) em Luján, Argentina. Para mais detalhes sobre a estação de Luján pode-se consultar a referência [71]. Essa avaliação preliminar concluiu que o modelo que melhor se adapta à região é o modelo de Ruiz--Arias [68], com os parâmetros localmente ajustados. A incerteza horária avaliada para dito modelo foi de 23,3% [69], o qual está dentro das margens aceitáveis para um modelo de tais características. Esse modelo é utilizado para efeitos estimativos de fração difusa a partir dos valores de satélite de GHI.

Uma vez obtida a fração difusa a partir da GHI estimada por satélite, pode-se calcular a irradiação difusa horária em plano horizontal como Id = fd x GHI. A DNI horária é então calculada simplesmente através da relação geométrica entre es-sas quantidades:

(5)

5 Convencionalmente, calcula-se a irradiação global sobre um plano inclinado (GTI) considerando uma superfície plana orientada ao Equador (ao norte, no Hemisfério Sul), com uma inclinação igual à latitu-de. Essa orientação é a que maximiza a irradiação incidente fora da atmosfera. 6 A fração difusa depende do estado da atmosfera e não é função unicamente de kt. Deve entender-se este método somente como uma aproximação racional ao problema de separar os componentes de radiação.

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Para efeitos de irradiância global horária em plano inclinado, utilizou-se um mo-delo para obtê-la a partir da GHI e seus componentes em plano horizontal. Basica-mente, as distintas alternativas existentes modelam de diferente maneira a contri-buição das distintas fontes de irradiação que chegam ao plano inclinado; a irradiação direta e circunsolar, a irradiação difusa e a irradiação refletida na superfície do solo [17]. Para efeitos de estimativa de GTI a partir de GHI de satélite, utilizou-se o mo-delo Hay e Davies, devido a seu bom balanço entre exatidão e simplicidade, uma vez que não há estudos locais7 sobre a convivência de um modelo ou outro.

Distribuição espacial do recurso solar estimado por satélite

A partir do modelo de satélite pode-se gerar séries de GHI horária para cada ponto de uma panorâmica regular sobre o território nacional. À escala horária, são aplicados os modelos para obter séries temporais de igual duração de DNI e GTI. Como já se mencionou, essas séries temporais contemplam mais de 14 anos de dados de irradiação, o que permite uma caracterização climatológica do re-curso solar. Logo, para cada ponto, são calculados os acúmulos diários, as médias mensais e a média anual. Interessa em particular o mapeamento da média anual, de onde se podem extrair conclusões sobre a distribuição espacial do recurso so-lar no Uruguai. Na Figura 9, mostra-se o mapa anual de GHI obtido, e na Figura 10, os de DNI e GTI. Os departamentos do Noroeste do país são os que têm maior disponibilidade do recurso solar.

Os níveis de radiação solar aumentam em direção sudeste-noroeste, como já era antecipado pelo MSUv1. Contudo, essa nova informação indica que o recurso solar é 7% maior que o previamente estimado com base nas horas de sol. A média anual estimada de GJI varia sobre o território nacional de um valor mínimo de 15,9 MJ/m2 a um valor máximo de 17,7 MJ/m2, sendo essa uma variação de 10% da média espacial de 16,9 MJ/m2. A DNI e GTI apresentam uma distribuição espacial simi-lar, entre 15,3 MJ/m2 e 18,6 MJ/m2, com uma variação de 20%, e entre 17,1 MJ/m2 e 19,0 MJ/m2, com uma variação de 10% respectivamente. Isso implica que um empreendimento de energia solar de concentração localizado no Noroeste e no Su-deste do país, com igual capacidade instalada, terá de suprir a variação de 20% do recurso com maior área de espelhos de concentração, o que leva a maiores custos de investimento. No caso de um empreendimento fotovoltaico, o aumento de área de captação será menor, para compensar a variação de 10% do recurso.

7 Nosso grupo mede GTI continuamente na estação Fing desde 2010, para realizar tal estudo em um futuro próximo.


Figura 9 - Distribuição da GHI diária média anual estimada por satélite.

Figura 10 - Distribuição da irradiação diária média anual estimada. Esquerda: DNI. Direita: GTI.

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CONCLUSÃO

A nova informação gerada com base na técnica de satélite implementada permi-te extrair informação útil do recurso solar nacional para a planificação e desenvolvi-mento de sistemas de conversão de energia solar em energia útil. Com a modificação introduzida no modelo original, o novo modelo BD-JPT mantém sua natureza simples e tem desempenho similar ou melhor que modelos de satélite mais complexos, admi-nistrados por empresas privadas. De fato, o modelo é capaz de gerar séries temporais horárias de mais de 14 anos, com uma concordância muito boa com as medidas da Terra. A incerteza nas estimativas do recurso solar foi notoriamente melhorada em relação à situação prévia, passando de 15% a aproximadamente 4% nas estimati-vas mensais de longo prazo. Mais ainda, constata-se que o MSUv1 era uma estimati-va conservadora do recurso solar no Uruguai. A nova informação indica que os níveis de irradiação solar no Uruguai são 7% mais altos que os previamente estimados. Este trabalho representa a primeira tentativa de mapear os componentes DNI e GTI da irradiação solar, magnitudes que são de primeira necessidade para aplicações de concentração e aplicações em que a superfície de captação forma um ângulo fixo com a superfície, como tipicamente são as aplicações fotovoltaicas e as aplicações técnicas residenciais. Essas estimativas podem ser geradas em qualquer ponto do território, com uma resolução espacial de aproximadamente 2 km.

Ao tratar-se de um modelo estatístico, sua aplicação está limitada ao território do Uruguai, à pampa úmida, à província de Buenos Aires e ao estado do Rio Grande do Sul, este no Brasil. O conhecimento adquirido sobre técnicas de satélite contou com a colaboração da Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais do CPTEC (DSA/CPTEC/Inpe, Brasil). Este trabalho levou à colaboração binacional com o grupo de trabalho GERSolar, da Universidade Nacional de Luján, da Argentina, e atualmente se traba-lha em conjunto com eles para realizar uma avaliação de desempenho do modelo na província de Buenos Aires. Está previsto também avaliar o modelo usando os dados que geram as novas estações de medida que se instalarão no interior da Argentina, em particular na pampa úmida.

Essas estimativas já foram utilizadas no Uruguai para diversos estudos acadê-micos ou tecnológicos. Os dados de satélite foram gerados a pedido8 para diversos fins, que vão desde a avaliação de centrais fotovoltaicas a estudos sobre melhoras de qualidade no vinho. Quiçá o mais relevante deles tenha sido justamente a geração de séries temporais para a avaliação de rendimento das primeiras centrais fotovol-taicas piloto do Uruguai, instaladas pela Direção Nacional de Energia (MIEM/DNE, Uruguai), doadas pelo Japão por intermédio de sua Agência de Cooperação JICA.

8 Nosso grupo gera estimativas de radiação solar sem custo algum para instituições educativas ou governamentais, que as utilizam para atividades de investigação e desenvolvimento, educativas ou de inte-resse social, sem fins lucrativos.


Atualmente, está-se iniciando um projeto em conjunto com o Instituto de Energia Elétrica da Fing para a elaboração de um mapa de fatores de central para centrais fotovoltaicas a serem instaladas no Uruguai. Este mapa será um derivado dos mapas de radiação mostrado antes.

Como aporte complementar, a partir da experiência adquirida nessa linha de trabalho, constatou-se que no Uruguai existe pouca experiência no manejo de in-formação de satélite de baixo nível. Não existe um receptor operativo de imagens (de nenhum satélite) que abranja todo o país, e geralmente as imagens chegam em forma já processada, desde Argentina ou do Brasil. Nosso grupo encontra-se atual-mente trabalhando em colaboração com Antel, a empresa telefônica estatal, para a instalação de um receptor de imagens GOES-East no país. Isso permitirá operar em tempo real produtos de satélite, como, por exemplo, o produto da irradiação solar aqui descrito, para a tomada de decisões. Se o Uruguai aspira a integrar-se à comunidade de países de maior desenvolvimento relativo nos próximos anos, deve avançar em infraestrutura tecnológica e adquirir know-how nas áreas estratégicas, como, por exemplo, o uso, processamento e manipulação das imagens de satélite de seu próprio território.

A implementação e adaptação local desse modelo de estimativa de irradiação solar por satélite é um salto qualitativo no conhecimento do recurso solar no Uruguai e adianta o país em ao menos 20 anos na obtenção de um conhecimento detalhado de seu próprio recurso. Contudo, há um longo caminho para se percorrer. Este traba-lho deve ser complementado com a implementação e adaptação de outros modelos para a estimativa do recurso solar, de natureza física, para poder decidir qual gera melhores estimativas para a região, com um conhecimento mais preciso. Mais esfor-ço deve ser investido – e já está sendo – no ajuste de modelos de fração difusa e de conversão de irradiação solar em plano horizontal e plano inclinado. A geração de medidas de alta qualidade durante largos períodos de tempo (da ordem de décadas, sendo 10 anos o mínimo requerido) é fundamental para lograr esses objetivos. O resultado final dessa linha de trabalho é um Mapa Solar do Uruguai de segunda ge-ração (MSUv2), baseado em informação de satélite. Como todo processo incremen-tal, as ferramentas, modelos, parametrizações, etc., vão-se refinando e adaptando à medida que o novo conhecimento vá sendo gerado.

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