UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA CIVIL

A INTERAO ENTREGERADORES SOLARES

FOTOVOLTAICOS E VECULOS ELTRICOS CONECTADOS REDE ELTRICA PBLICA

Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina com requisito parcial exigido pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil PPGEC, para a obteno do ttulo de MESTRE em Engenharia Civil.

Orientador: Prof. Ricardo Rther, Ph.D

LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR

Florianpolis, 2011

A INTERAO ENTRE GERADORES SOLARES FOTOVOLTAICOS E VECULOS ELTRICOS CONECTADOS

REDE ELTRICA PBLICA

LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR

Dissertao julgada adequada para a obteno do Ttulo de Mestre em Engenharia Civil, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil PPGEC da Universidade Federal de Santa Catarina UFSC.

______________________________ Prof. Dra. Janade Cavalcante Rocha

Coordenadora do PPGEC

_________________________ Prof. Ricardo Rther, Ph.D

Orientador

COMISSO EXAMINADORA:

____________________________ ____________________ Ricardo Rther, Ph.D Moderador Roberto Lamberts, Ph.D

ECV/UFSC ECV/UFSC

_____________________________ _________________ Antnio Augusto M. Frhlich, Dr Roberto Zilles, Dr INE/UFSC IEE/USP

DEDICATRIA

Aos meus familiares que sempre acreditaram em mim.

AGRADECIMENTOS

Deus, que nesse processo me fez mais humano. Ao Prof. Ricardo Rther, pelas crticas e pela confiana. Ao Prof. Trajano Viana, pelo apoio e pelas conversas nos momentos mais difceis. Aos membros da banca pelas contribuies para a verso final desta dissertao. Aos meus colegas Alexandre, Annelise, Clarissa, Lucas, Marlia, Paulo, sis, Isabel, Priscila e Jair pela amizade e disponibilidade ao longo deste trabalho. Aos meus amigos mais chegados que irmos, pelo privilgio de ter caminhado com cada um de vocs. Ao Giovanni Bratti, meu amigo do departamento de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, pelo auxlio com o Matlab. A todos os meus familiares aqui no citados nominalmente, pela preocupao e carinho. Amo todos vocs. Ao meu pai, Carlinhos Pereira, por ter acreditado em mim. minha me, Nice, aurora da minha vida, pelo exemplo de garra e f. minha irm, Abely, pelo carinho e cuidado. Serei eternamente devedor. Ao CNPq pelo suporte financeiro concedido ao longo desta dissertao.

No um dom que ensina seu possuidor. o seu possuidor quem precisa aprender a us-lo.

Caio Fbio DArajo

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Resumo da Dissertao apresentada Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos necessrios para a obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Civil

A interao entre geradores solares fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica pblica.

LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR

Florianpolis, 2011.

Orientador: Prof. Ricardo Rther, Ph.D

rea de Concentrao: Construo Civil

Palavras chave: Geradores solares fotovoltaicos conectados rede eltrica, veculos eltricos, gerao distribuda

Nmero de pginas: 137

Ao longo dos ltimos anos, a gerao centralizada de energia eltrica tem sido o modelo tradicionalmente utilizado no Brasil. Porm, com a crescente preocupao com as questes energticas e ambientais,a gerao distribuda tem despontado como uma opo para o setor eltrico, pois a gerao ocorre de forma descentralizada, com unidades geradoras de pequeno porte, que podem otimizar o sistema de gerao, transmisso e distribuio. Diferentes tecnologias podem ser utilizadas na forma de gerao distribuda e dentre elas pode-se destacar os geradores solares fotovoltaicos, que geram eletricidade a partir da luz do sol atravs do efeito fotovoltaico. Embora no sejam geradores, os veculos eltricos ao serem conectados em uma tomada eltrica residencial, comercial ou industrial que far parte de uma rede eltrica inteligente (smart grid), podero ser utilizados como um gerador distribudo em momentos estratgicos, podendo contribuir para a reduo do pico de demanda do alimentador no horrio de ponta. Este trabalho tem como objetivo avaliar a interao degeradores solares

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fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica pblica. Dessa forma, foi analisada a potencial contribuio energtica dos veculos eltricos, no horrio de ponta, para o alimentador TDE05 que abastece os bairros Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, na cidade de Florianpolis SC, e que apresenta pico de consumo noturno. Alm disso, foi analisado o potencial de gerao de geradores solares fotovoltaicos instalados nas coberturas dos prdios da Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, que abrigam os usurios de um grande grupo de veculos (os quais poderiam ser eltricos), a fim de verificar a sua contribuio para a recarga desses veculos e o impacto energtico para o alimentador TDE06 que atende a regio da universidade. Os resultados mostraram que a atuao dos veculos eltricos como geradores distribudos (V2G) pode modelar de forma positiva a curva de demanda do alimentador, quando conectados rede eltrica pblica. A partir das anlises verificou-se tambm que para a maior parte dos meses a recarga dos veculos eltricos no perodo da madrugada no representa um problema para a rede eltrica, pois no h ocorrncia de picos de demanda superiores ao pico de demanda noturno do alimentador, exceto em dias muito quentes, tipicamente verificados nos meses de vero. Os estudos mostraram tambm a potencialidade da utilizao dos veculos eltricos como dispositivos de armazenamento de energia gerada pelos geradores fotovoltaicos nas coberturas dos prdios da UFSC, visto que na maior parte do tempo os veculos permanecem estacionados. Observou-se que geradores solares fotovoltaicos integrados s coberturas dos prdios existentes na UFSC podem contribuir para a reduo da curva de demanda do alimentador TDE06, uma vez que a gerao solar concomitante com o horrio de maior consumo dos prdios da universidade (perfil de demanda diurno). Em vrios dias verificou-se a possibilidade de injetar na rede eltrica o excedente da gerao de energia, e caso houvesse um sistema de tarifao apropriado, essa energia poderia ser vendida concessionria local.

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Dissertation Abstract presented to Universidade Federal de Santa Catarina as a partial of the requeriments to obtain the Master degree in Civil Engineering

The interaction between solar generators and electric vehicle connected to the public grid

LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR

Florianpolis, 2011

Supervisor: Prof. Ricardo Rther, Ph.D Area of Concentration: Construo Civil Keywords: Grid-connected photovoltaic system, electric vehicle, distributed generation Number of pages: 137

However with the increasing preoccupation referring energy production and the environment, decentralized energy generation is appointing to an interesting alternative for the electrical grid. This because the small units of power generation units are able to contribute to the generation, transmission and distribution of electric energy. Different technologies can be used as distributed generation units and a favorite among them are photovoltaic solar generators, which generate to electricity from sunlight through the photovoltaic effect. Although they are not distributed generators, electric vehicles to be connected to an outlet of the residential commercial or industrial grid, can be used as a distributed generators at strategic times within a smart grid, contributing to the reduction of feeder peak demand at peak hours. This study aims to evaluate the interaction of photovoltaic generators and electric vehicles connected to the public grid. Therefore, for the feeder that supplies the neighborhoods TDE05 Santa Monica, Crrego Grande and Trindade, in Florianpolis - SC, which has peak evening consumption the potential energy contribution of electric vehicles during peak horary was analyzed. In addition, we analyzed the generation potential of photovoltaic systems on the roof tops of the buildings of the Universidade Federal de Santa Catarina UFSC which

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are supposed to feed charging units of a large group of electric vehicles, in order to verify the their contribution to recharge these vehicles and impact energy to the university grid feeder TDE06.The results showed that the usage of the energy from accumulators of electric vehicles for distributed generation (V2G) can positively shape the demand curve of the feeder, when connected to the public grid. It was also observed that for most months the recharging process of the electric vehicles during the early morning hours is not a problem for the residential grid. This because the peak power of the electrical was not increased except on very hot days, typically seen in the summer months. The potential use of electric vehicles as storage devices for power generated by photovoltaic generators on the roofs of the buildings of the UFSC, since most of the time vehicles are parked. It was also observed that rooftop integrated photovoltaic generators contribute to the reduction of the power demand curve at TDE06 feeder, since solar generation is concomitant with the time of highest consumption of university buildings. In several days there it was observed that the PV-power generation was higher than the power consumption of the University feeder TDE06 delivering a power surplus to the electrical grid.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Mapa da rede de transmisso de energia eltrica que abastece a cidade de Florianpolis-SC....................................................................7 Figura 2.1: Total anual de gerao de energia, por kWp instalado,com tecnologia de silcio monocristalino (m-Si), em Freiburg (a) e em Florianpolis (b).....................................................................................14 Figura 2.2. Gerador fotovoltaico de 2 kWp conectado rede e integrado a uma edificao, instalado em Florianpolis-SC, em operao desde 1997........................................................................................................16 Figura 2.3. Gerador fotovoltaico de 10,24 kWp instalado na cobertura do Centro de Cultura e Eventos da UFSC..............................................17 Figura 2.4. Parque fotovoltaico de Sarnia, no Canad...........................17 Figura 2.5: Ilustrao do modo de gerenciamento de energia em funo do estado de carga da bateria de um VEPH...........................................26 Figura 2.6. Ilustrao da interao de geradores solares fotovoltaicos e veculos eltricos com a rede inteligente...............................................32 Figura 4.1. Perfil de demanda do alimentador TDE05, em MW, no ano de 2008...................................................................................................54 Figura 4.2. Perfil de demanda do alimentador TDE06, em MW, no ano de 2008. .................................................................................................55 Figura 4.3. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Janeiro de 2008 no horrio das 19h s 24h.............................................57 Figura 4.4. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Fevereiro de 2008 no horrio das 19h s 24h..........................................................................................................57 Figura 4.5. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Maro de 2008 no horrio das 19h s 24h..............................................58 Figura 4.6. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Abril de 2008 no horrio das 19h s 24h................................................58 Figura 4.7. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Maio de 2008 no horrio das 19h s 24h................................................59 Figura 4.8. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Junho de 2008 no horrio das 19h s 24h...............................................59

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Figura 4.9. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Julho de 2008 no horrio das 19h s 24h...............................................60 Figura 4.10. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Agosto de 2008 no horrio das 19h s 24h..........................................................................................................60 Figura 4.11. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Setembro de 2008 no horrio das 19h s 24h..........................................................................................................61 Figura 4.12. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Outubro de 2008 no horrio das 19h s 24h..........................................................................................................61 Figura 4.13. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Novembro de 2008 no horrio das 19h s 24h..........................................................................................................62 Figura 4.14. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Dezembro de 2008 no horrio das 19h s 24h..........................................................................................................62 Figura 4.15. Perfil de demanda do alimentador TDE05, em MW, com contribuio V2G no ano de 2008........................................................................................................65 Figura 4.16. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Janeiro de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................68 Figura 4.17. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Fevereiro de 2008 no horrio da 0h s 06h.................................................................................................68 Figura 4.18. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior

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como suporte rede eltrica no ms de Maro de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................69 Figura 4.19. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Abril de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................69 Figura 4.20. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Maio de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................70 Figura 4.21. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Junho de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................70 Figura 4.22. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Julho de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................71 Figura 4.23. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Agosto de 2008 no horrio da 0h s 06h......................................................................................................71 Figura 4.24. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Setembro de 2008 no horrio da 0h s 06h.................................................................................................72 Figura 4.25. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Outubro de 2008 no horrio da 0h s 06h.................................................................................................72 Figura 4.26. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior

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como suporte rede eltrica no ms de Novembro de 2008 no horrio da 0h s 06h.................................................................................................73 Figura 4.27. Nmero de veculos eltricos possveis de serem recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como suporte rede eltrica no ms de Dezembro de 2008 no horrio da 0h s 06h.................................................................................................73 Figura 4.28. Perfil de demanda do alimentador TDE05 com a recarga de veculos eltricos, em MW, no ano de 2008........................................................................................................76 Figura 4.28 (cont.). Perfil de demanda do alimentador TDE05 com a recarga de veculos eltricos, em MW, no ano de 2008........................................................................................................77 Figura 4.29. Planta das edificaes do campus Trindade, UFSC, com os prdios selecionados em azul para o estudo em questo. ................................................................................................................78 Figura 4.30. Gerao de energia eltrica horria diria, em MW, considerando um gerador solar fotovoltaico (a-Si) de 3 MWp no ano de 2008........................................................................................................80 Figura 4.31. Gerao de energia eltrica horria diria, em MW, considerando um gerador solar fotovoltaico (p-Si) de 6,7 MWp no ano de2008....................................................................................................81 Figura 4.32. Comparao entre o perfil de demanda original do alimentador TDE05 e o perfil de demanda resultante com a contribuio solar fotovoltaica de um gerador de 992 kWp integrado s 496 residncias do bairro Santa Mnica....................................................................................................83 Figura 4.33. Comparao entre o perfil de demanda original do alimentador TDE05 e o perfil de demanda resultante com a contribuio solar fotovoltaica de um gerador de 992 kWp integrado s 496 residncias do bairro Santa Mnica....................................................................................................84 Figura 4.34. Perfil de demanda resultante do alimentador TDE 05 com a contribuio V2G para o ano de 2008........................................................................................................87 Figura 4.34 (cont.). Perfil de demanda resultante do alimentador TDE 05 com a contribuio V2G para o ano de 2008........................................................................................................88

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Figura 4.35: Perfil de demanda do alimentador TDE06, em MW, resultante da contribuio da gerao solar fotovoltaica (3 MWp de mdulos de a-Si) no ano de 2008...........................................................91 Figura 4.36: Perfil de demanda do alimentador TDE06, em MW, resultante da contribuio da gerao solar fotovoltaica (6,7 MWp de mdulos de p-Si) no ano de 2008...........................................................92 Figura 4.37. Contribuio de um gerador solar fotovoltaico hipottico de 3 MWp (a-Si) para a recarga de veculos eltricos...................................................................................................94 Figura 4.38. Contribuio de um gerador solar fotovoltaico hipottico de 6,7 MWp (p-Si) para a recarga de veculos eltricos...................................................................................................95

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LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1. Parmetros programados de uma rede inteligente (smart grid)........................................................................................................37 Tabela 3.2. Especificaes tcnicas de um modelo de veculo eltrico Nissan Leaf[www.nissan.pt]...................................................................42 Tabela 4.1. Nmero mximo de veculos eltricos possveis de serem utilizados como geradores distribudos ao longo do ano de 2008 no alimentador TDE05 no horrio das 19h s 24h......................................63 Tabela 4.2. Nmero mximo de veculos eltricos possveis de serem recarregados no alimentador TDE05 ao longo do ano de 2008 no horrio da 0h s 6h..............................................................................................74 Tabela 4.3. reas de coberturas disponveis para a instalao de geradores fotovoltaicos na UFSC...........................................................79 Tabela 4.4. Gerao solar fotovoltaica mensal e anual, em MWh, dos geradores solares hipotticos integrados nas coberturas das 496 residncias do bairro Santa Mnica........................................................85 Tabela 4.5. Nvel de penetrao energtica (NPE).................................90 Tabela 4.6. Balano energtico mensal e anual, em MWh, considerando um gerador solar fotovoltaico de 3 MWp com mdulos de a-Si.............................................................................................................96 Tabela 4.7. Balano energtico mensal e anual, em MWh, considerando um gerador solar fotovoltaico de 6,7 MWp com mdulos de p-Si.............................................................................................................97

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SUMRIO

1 INTRODUO 1

1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVNCIA DO TRABALHO ................. 4

1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO .................................................... 10

1.2.1 Objetivo principal ............................................................... 10

1.2.2 Objetivos especficos ........................................................... 10

2 REVISO DA LITERATURA 12

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA ....................................... 12

2.1.1 Clulas e Mdulos Fotovoltaicos ........................................ 12

2.1.2 Tecnologias fotovoltaicas .................................................... 12

2.1.3 Radiao solar .................................................................... 13

2.1.4 Geradores solares fotovoltaicos .......................................... 15

2.2 GERAO DISTRIBUDA ......................................................... 19

2.3 BATERIAS ................................................................................... 21

2.3.1 Bateria Chumbo-cido ........................................................ 22

2.3.2 Bateria Nquel-Cdmio (NiCd) ........................................... 22

2.3.3 Bateria Niquel-Metal-Hidreto (Ni-MH) .............................. 22

2.3.4 Bateria de ons de Ltio (Li-on) .......................................... 23

2.4 VECULOS ELTRICOS ............................................................ 23

2.4.1 Veculo eltrico hbrido (VEH) ........................................... 24

2.4.2 Veculo eltrico hbrido plug in (VEPH) ............................. 25

2.4.3 Veculo eltrico bateria (VEB) ......................................... 26

2.4.4 Veculo Eltrico de Clula de Combustvel (VEFC) ........... 27

2.5 PADRO DE CONDUO ........................................................ 27

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2.6 TEMPO DE RECARGA ............................................................... 28

2.7 DO VECULO PARA A REDE (VEHICLE TO GRID- V2G) ...... 29

2.8 ESTUDOS DE CASOS ENVOLVENDO VES ............................ 33

3 METODOLOGIA 36

3.1 LOCAIS DE ESTUDO ................................................................. 37

3.2 IDENTIFICAO E CARACTERIZAO DO PERFIL DE DEMANDA DO ALIMENTADOR .............................................. 38

3.3 ANLISE DO POTENCIAL DE INSTALAO FOTOVOLTAICA ........................................................................ 38

3.4 POTENCIAL DE GERAO SOLAR FOTOVOLTAICA NO CAMPUS DA UFSC E BAIRRO SANTA MNICA ................... 40

3.5 ESPECIFICAES TCNICAS DE UM MODELO DE VECULO ELTRICO ................................................................. 41

3.6 DETERMINAO E LIMITAES DA TRANSFERNCIA G2V E V2G ................................................................................... 42

3.7 ESTIMATIVA DO NMERO DE VECULOS ELTRICOS POSSVEIS DE SEREM UTILIZADOS COMO GERADORES DISTRIBUDOS (V2G) ................................................................ 45

3.8 ANLISE DO IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 UTILIZANDO O VECULO ELTRICO COMO GERADOR DISTRIBUDO (V2G) .............................................. 47

3.9 ANLISE DO IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 COM A RECARGA DO VECULO ELTRICO (G2V) .. 48

3.10 CONTRIBUIO FOTOVOLTAICA PARA O CARREGAMENTO DE VECULOS ELTRICOS ..................... 49

3.11 BALANO ENERGTICO ......................................................... 51

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4 RESULTADOS 53

4.1 CARACTERIZAO DO PERFIL DO ALIMENTADOR TDE05 ...................................................................................................... 53

4.2 ESTIMATIVA DO NMERO DE VECULOS ELTRICOS UTILIZADOS COMO GERADORES DISTRIBUDOS (V2G) .. 56

4.3 IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 COM A CONTRIBUIO DOS VECULOS ELTRICOS (V2G) .......... 64

4.4 CONTRIBUIO DO ALIMENTADOR TDE05 PARA A RECARGA DE UM MODELO DE VECULO ELTRICO ........ 66

4.5 IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 COM A RECARGA DE VECULOS ELTRICOS .................................. 75

4.6 ESTIMATIVA DO POTENCIAL DE INSTALAO E GERAO FOTOVOLTAICA DOS GERADORES INTEGRADOS AOS PRDIOS DA UFSC ................................. 77

4.7 NOVO PERFIL DE DEMANDA DO ALIMENTADOR TDE05 . 86

4.8 CONTRIBUIO ENERGTICA DE GERADORES SOLARES FOTOVOLTAICOS NO CAMPUS DA UFSC, CONSIDERANDO DUAS TECNOLOGIAS DE MDULOS FOTOVOLTAICOS: A-SI E P-SI ........................................................................................ 88

4.8.1 Caso 1: Contribuio energtica dos geradores solares para a reduo da curva de demanda do alimentador TDE06 ........................... 89

4.8.2 Caso 2: Potencial utilizao de veculos eltricos como dispositivos mveis de armazenamento de energia ..................................... 93

5 CONCLUSO 98

6 REFERNCIAS 101

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1 INTRODUO

O aumento da concentrao de gases do efeito estufa na atmosfera, o aquecimento global e a insegurana energtica esto entre os grandes problemas da atualidade. Esses temas tm sido amplamente discutidos no mundo todo, requerendo dos rgos governamentais e das instituies de pesquisas solues imediatas na mitigao desses efeitos sobre o planeta. A questo energtica, por exemplo, necessita de grandes mudanas na sua infraestrutura. O Brasil, quando o assunto a composio do seu setor energtico,tem se destacado da maioria dos pases por apresentar uma matriz eltrica na sua maior parte de origem renovvel, com gerao predominantemente hidrulica. Por outro lado, a matriz energtica da maioria dos pases do mundo, tem dependido em grande parte das fontes no renovveis, como petrleo, carvo e gs natural (BEN, 2010).

Ao longo dos ltimos anos a gerao centralizada de energia eltrica tem sido o modelo tradicionalmente utilizado no Brasil. Em 2009a capacidade instalada das centrais de gerao de energia eltrica alcanou 106,2 GW, incluindo as centrais de servio pblico e autoprodutoras. A gerao de energia eltrica atingiu 466,2 TWh, 0,7% superior ao ano de 2008 (BEN, 2010). Acrescente demanda energtica obriga o setor eltrico a aumentar a oferta de energia para possibilitar e assegurar o avano e o desenvolvimento da sociedade. No entanto, para atingir estes objetivos so necessrios elevados investimentos na rea de infraestrutura com a construo de novas unidades geradoras de energia e ampliao das linhas de transmisso.

Os riscos que novos empreendimentos enfrentam so enormes devido s novas exigncias ambientais e s externalidades negativas tais como: desapropriao de terra; inundao de reas para construo de reservatrios; impactos na fauna e flora da regio; aumento do efeito estufa e aumento dos custos de operao e de manuteno. Diante deste cenrio a gerao distribuda desponta como uma opo para o setor eltrico, pois a gerao ocorre de forma descentralizada, com unidades geradoras de pequeno porte que ocasionam menor impacto ambiental e podem oferecer benefcio so sistema de gerao, transmisso e distribuio. A energia gerada entregue diretamente ou prximo ao ponto de consumo, reduzindo os elevados custos com as linhas de transmisso bem como as perdas associadas.

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A gerao distribuda caracteriza-se pela utilizao de diferentes tecnologias, dentre as quais se destacam os geradores a diesel, as turbinas a gs, as pequenas centrais hidreltricas, os geradores elicos, os geradores solares(heliotrmicos e fotovoltaicos) e as clulas de combustvel. O potencial para os avanos na gerao distribuda imenso do ponto de vista tecnolgico.

A tecnologia fotovoltaica, utilizada na forma de gerao distribuda, uma opo complementar gerao hidrulica e pode ser considerada uma alternativa para medidas de gerenciamento pelo lado da demanda (GLD), quando conectada aos alimentadores urbanos1. Os geradores solares fotovoltaicos geram eletricidade a partir da luz do Sol por meio do efeito fotovoltaico. Essa gerao ocorre de maneira esttica, silenciosa, sem emisso de gases e os geradores podem ser integrados s edificaes gerando energia eltrica prxima ao ponto de consumo.

As edificaes de servio e comrcio so propcias integrao de geradores solares fotovoltaicos, pois os picos de demanda histricos dos alimentadores responsveis pelo abastecimento dessas regies tm ocorrido no perodo diurno, devido principalmente s demandas energticas causadas por cargas de ar condicionado. Observa-se que o elevado consumo de energia eltrica est diretamente ligado ao elevado nvel de radiao solar, principalmente em dias de vero. Assim, possvel notar uma concomitncia entre o consumo e a gerao solar fotovoltaica (RTHER et al., 2008).

Por outro lado, as edificaes residenciais em zonas urbanas mistas, prximas de reas de servio e comrcio, apresentam consumo energtico significativo ao longo do dia, porm o maior consumo verificado durante a noite, devido principalmente a demandas energticas causadas por cargas de chuveiros eltricos. Neste caso, a gerao solar fotovoltaica integrada a este tipo de edificao modelaria somente a curva de demanda do alimentador no horrio em que h a ocorrncia da gerao solar, mas no seria possvel modelar o pico de demanda que ocorre noite.

1Alimentador urbano componente do sistema de distribuio em tenso primria

com valores mximos operativos de 15 kV ou 24,5 kV e que alimenta diretamente, ou atravs de derivaes primrias, os transformadores de distribuio ou consumidores (ANEEL, 2011).

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Muitos so os pases que tm incentivado por meio de polticas pblicas a gerao de energia eltrica a partir de fontes renovveis, com a finalidade de reduzir as emisses de gases de efeito estufa. O setor de transporte, no entanto, enfrenta ainda grandes desafios quanto reduo das emisses de CO2, um dos principais gases de efeito estufa, emitidos pelos veculos com motor a combusto interna.

Depois de quase um sculo de domnio do motor combusto interna no setor de transporte, o ressurgimento dos veculos eltricos (VEs) no cenrio mundial, com produo em srie, recente e pode contribuir na reduo das emisses de gases de efeito estufa, desde que a energia eltrica utilizada para recarregar as baterias seja proveniente de fontes renovveis e no poluentes.

Os veculos eltricos so caracterizados pela utilizao de um motor eltrico em lugar do motor de combusto interna. O motor alimentado pela energia armazenada em um banco de baterias, que pode ser recarregado ao ser conectado em uma tomada eltrica comum, residencial, comercial ou industrial. No passado o conceito de veculo eltrico teve vrias tentativas de insero no mercado automobilstico sem obter sucesso, apesar das suas vantagens sob o ponto de vista ambiental. Atualmente existe uma grande mobilidade no sentido de promover a sua utilizao em grande escala em funo dos considerveis avanos que esta tecnologia vem experimentando.

Embora no sejam geradores, os veculos eltricos podem ser inseridos no sistema eltrico e atuar como se fossem geradores distribudos, fornecendo parte da energia armazenada nas suas baterias para a rede eltrica pblica em momentos estratgicos. Este conceito conhecido como V2G (do ingls, vehicle to grid, do veculo para a rede).

Na situao tpica de uso de um veculo eltrico no conceito V2G, o usurio se deslocar no incio da manh at o local de trabalho e deixar seu veculo estacionado,conectado em uma tomada eltrica disponvel no estacionamento. O veculo eltrico permanecer estacionado durante a maior parte das horas de incidncia solar e, nesse perodo, um gerador solar fotovoltaico integrado cobertura do estacionamento, ou integrado a uma edificao do local de trabalho, poder fornecer energia para recarregar as baterias do veculo.Dessa forma, o veculo eltrico atua como um dispositivo mvel de armazenamento de energia. Ao final da jornada de trabalho o usurio

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utilizar o veculo eltrico, com a bateria completamente carregada, para se deslocar de volta residncia, e ao chegar ao seu destino conectar o veculo rede eltrica. Ao conectar o veculo eltrico em uma tomada eltrica residencial, que far parte de uma rede eltrica inteligente (smart grid)com sistema de medio e deciso para gerenciar a carga e a descarga da bateria, ser possvel utiliz-lo como um gerador distribudo em momentos estratgicos, para auxiliar a rede eltrica pblica.

Nesse processo gerenciado pela rede inteligente, a energia armazenada nas baterias do veculo eltrico fluir para a rede eltrica, contribuindo para a reduo do pico de demanda do alimentador no horrio de ponta2. De forma automtica, a recarga das baterias ser realizada nos horrios de menor demanda da rede eltrica, durante a madrugada, logo aps o servio V2G. Todo o processo ser gerenciado pela rede inteligente, cujos parmetros de operao sero definidos pela concessionria local, com quem o proprietrio do veculo eltrico ter um contrato especfico de V2G e G2V (do ingls, grid to vehicle, da rede para o veculo).

Dessa forma, nesta dissertao optou-se por analisar a contribuio dos geradores solares fotovoltaicos e a potencial utilizao dos veculos eltricos como dispositivos mveis de armazenamento de energia e como geradores distribudos no horrio de ponta.

1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVNCIA DO TRABALHO

Neste trabalho so abordados o setor eltrico, o potencial da gerao solar fotovoltaica e o setor de transporte. O setor eltrico brasileiro apresenta grandes extenses de linhas de transmisso,o que explicado pela configurao do segmento de gerao, constitudo principalmente por usinas hidreltricas localizadas distantes dos centros consumidores, tecnicamente chamados centros de cargas. De acordo com o Banco de Informaes de Gerao (BIG) da ANEEL, o setor de gerao de energia eltrica brasileiro possui um total de 2405empreendimentos em operao. A principal caracterstica deste

2 O horrio de ponta o perodo definido pela concessionria, considerando as caractersticas do seu sistema eltrico, composto por 3 (trs) horas dirias consecutivas, exceto sbados, domingos, tera-feira de carnaval, sexta-feira da Paixo, dia de finados e os demais feriados definidos por lei federal (ANEEL, 2010). A Celesc Distribuio adota como horrio de ponta o perodo compreendido entre 18h30 e 21h30 (CELESC, 2010).

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segmento a sua diviso em dois blocos: o Sistema Interligado Nacional (SIN) e os Sistemas Isolados (SISOL)(ANEEL, 2011).

O SIN um sistema de coordenao e controle formado pelas regies Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da regio Norte, que congrega o sistema de produo e transmisso de energia eltrica do Brasil. Apenas 3,4% da capacidade de produo de eletricidade do pas encontram-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados, localizados principalmente na regio amaznica.

Do outro lado, encontram-se as distribuidoras, que so empresas de grande porte que funcionam como elo entre o setor de energia eltrica e a sociedade, visto que suas instalaes recebem das companhias de transmisso todo o suprimento destinado ao abastecimento no pas. Aps deixar as usinas, a tenso nas redes de transmisso varia de 88 kV a 750 kV. Ao chegar s subestaes das distribuidoras, a tenso rebaixada e, por meio de um sistema composto por transformadores, fios e postes, chega unidade final em 127 V ou 220 V. Exceo a essa regra so unidades industriais que operam com tenses mais elevadas (2,3 kV a 88 kV) e recebem energia eltrica diretamente da subestao (ANEEL, 2011).

O estado de Santa Catarina possui uma rede de transmisso ramificada, que parte integrante do SIN. A cidade de Florianpolis possui cinco subestaes (SE), sendo quatro da concessionria Centrais Eltricas de Santa Catarina S.A. (CELESC) e uma da ELETROSUL Centrais Eltricas, as quais so abastecidas a partir das subestaes Palhoa e Biguau, localizadas na parte continental da regio metropolitana de Florianpolis.

Uma linha de transmisso area com dois circuitos de 138 kV parte da SE Palhoa, com traado que segue paralelo rodovia BR-101, at a SE Coqueiros onde h a transio para cabos subterrneos para a travessia ContinenteIlha. A SE Coqueiros utilizada apenas para permitir a converso da linha area em subterrnea, no havendo conexo eltrica com a linha de transmisso. Dessa subestao os dois circuitos saem em cabos isolados e atravessam a ponte Colombo Machado Salles e chegam subterrneos Ilha, onde um circuito se dirige para a SE Ilha Centro e o outro para uma estao de chaveamento, onde se torna novamente areo e segue at a SE Trindade.A partir da SE Trindade, o norte e o sul da Ilha so alimentados em 138 kV, atravs da SE Ilha Norte e SE Ilha Sul.

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A SE Desterro, recentemente instalada, tambm alimentada pela SE Palhoa, porm a partir de um cabo subaqutico de 230 kV. Essa SE responsvel pela alimentao das SE Ilha Sul e SE Trindade interconectando-as (ELETROSUL, 2010).

Cada subestao da CELESC distribui energia eltrica na parte insular de Florianpolis atravs de alimentadores que partem dos transformadores de transmisso.Das quatro subestaes CELESC, trs apresentam trs transformadores de transmisso: SE Ilha Centro, SE Trindade e SE Ilha Norte, das quais partem, respectivamente,13, 10 e 11 alimentadores por transformador. Os alimentadores so distribudos para cada transformador de modo que o carregamento no ultrapasse a capacidade de transformao do equipamento. A SE Ilha Sul apresenta apenas dois transformadores de transmisso e cinco alimentadores, compondo juntamente com as demais SEs, a rede de distribuio da Ilha de Santa Catarina (BRAUN-GRABOLLE, 2010).

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Figura 1.1. Mapa da rede de transmisso de energia eltrica que abastece a cidade de Florianpolis-SC.

Fonte: BRAUN-GRABOLLE, 2010

Os alimentadores TDE05 e TDE06 analisados neste trabalho esto conectados subestao Trindade e so responsveis por fornecer energia eltrica aos bairros Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, e para a Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), respectivamente. O alimentador TDE05 foi escolhido por apresentar

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pico de consumo noturno. Com isso ser possvel analisar a potencial contribuio dos veculos eltricos no horrio de ponta. O alimentador TDE06 foi escolhido por apresentar pico de consumo diurno concomitante com a mxima gerao solar fotovoltaica e por abrigar um grande nmero de usurios de veculos, que ficam estacionados a maior parte do dia.

O setor de transporte brasileiro, de acordo com o Departamento Nacional de Trnsito (DENATRAN) registrou um total de 66 milhes de veculos movidos a motor combusto interna ano de 2011. Destes, aproximadamente 38 milhes so automveis. A cidade de Florianpolis possui uma frota de mais de 180 mil automveis (DENATRAN, 2011).

A crescente preocupao com as questes energticas e ambientais proporciona motivao cada vez maior para utilizao das chamadas tecnologias verdes, o que cria um cenrio favorvel aos geradores elicos, geradores fotovoltaicos e veculos eltricos, uma vez que o uso destas tecnologias contribuir para a reduo das emisses de gases causadores de efeito estufa.

Diante deste cenrio, este trabalho analisa o potencial energtico dos geradores fotovoltaicos integrados s reas de coberturas disponveis em edificaes que concentram um grande nmero de veculos, os quais poderiam ser veculos eltricos bateria. Ao mesmo tempo os geradores fotovoltaicos podem auxiliar na reduo do pico diurno de demanda do alimentador de uma regio urbana. Ou ainda, contribuir para a recarga das baterias dos veculos eltricos estacionados nessa regio durante o perodo diurno.

No entanto, faz-se necessria uma avaliao do limite mximo de veculos que podem ser recarregados no perodo noturno pelo alimentador, a fim de no ultrapassar o seu limite de carregamento, nem representar uma situao de prejuzo para a rede eltrica. Outra considerao a nova demanda energtica representada pela introduo dos veculos eltricos. Ao considerar o veculo eltrico como um dispositivo de armazenamento de energia, que pode desempenhar o papel de um gerador distribudo, torna-se importante analisar o potencial de contribuio energtica dos veculos eltricos para a rede eltrica no perodo de ponta. Assim, chegou-se ao objetivo deste trabalho: avaliar a interao entre geradores fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica pblica, avaliando tambm as possveis dinmicas de

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carga/descarga das baterias destes veculos eltricos e sua potencial contribuio e efeitos sobre a rede eltrica pblica.

O trabalho avalia tambm a nova demanda energtica (MWh/ano) representada por uma frota de veculos eltricos e compara esta nova demanda com o potencial de gerao fotovoltaica integrada edificaes que abriguem esta mesma frota.

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1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO

1.2.1 Objetivo principal

O objetivo deste trabalho avaliar a interao de geradores solares fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica pblica, analisando a potencial contribuio energtica dos veculos eltricos, no horrio de ponta, para o alimentador que abastece os bairros Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, que apresenta pico de consumo noturno. tambm um objetivo analisar o potencial de gerao de geradores solares fotovoltaicos instalados nas coberturas dos prdios da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), que abrigam os usurios de um grande grupo de veculos (os quais poderiam ser eltricos),e verificar sua contribuio para a recarga desses veculos.

1.2.2 Objetivos especficos

- Caracterizar o perfil dos alimentadores TDE05 e TDE06 responsveis pelo fornecimento de energia eltrica aos bairros Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, e Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), respectivamente, localizados na cidade de Florianpolis - SC;

- Estimar o nmero de veculos eltricos que podem ser utilizados como geradores distribudos no alimentador TDE05 em funo das caractersticas atuais deste alimentador;

- Analisar o impacto energtico com a utilizao de veculos eltricos como geradores distribudos (V2G) quando conectados ao alimentador TDE05;

- Analisar o impacto energtico ocasionado pela recarga (G2V) de um modelo de veculo eltrico no alimentador TDE05;

- Levantar a rea de cobertura disponvel nas edificaes da UFSC e nas residncias do bairro Santa Mnica, visando integrao de geradores solares fotovoltaicos conectados rede eltrica pblica, com tecnologia de silcio policristalino (p-Si);

- Estimar o potencial de instalao e de gerao de geradores solares fotovoltaicos integrados s reas de cobertura disponveis na UFSC, considerando duas tecnologias de mdulos fotovoltaicos (silcio policristalino e silcio amorfo);

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- Estimar o potencial de gerao de geradores solares fotovoltaicos instalados nas reas de cobertura disponveis da UFSC (TDE06);

- Estimar o potencial de gerao de geradores solares fotovoltaicos instalados em residncias unifamiliares de uma zona urbana mista (TDE05);

- Analisar o impacto energtico da gerao fotovoltaica das reas de cobertura disponveis sobre o alimentador que abastece a UFSC (TDE06);

- Analisar a potencial contribuio energtica de geradores solares fotovoltaicos instalados em coberturas de edificaes localizadas nas reas atendidas pelos alimentadores TDE05 e TDE06 para o carregamento de um modelo de veculo eltrico, considerando o nmero de vagas disponveis no estacionamento da UFSC (TDE06) e a quantidade de residncias unifamiliares no bairro Santa Mnica, atendido pelo alimentador TDE05;

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2 REVISO DA LITERATURA

2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

2.1.1 Clulas e Mdulos Fotovoltaicos

A converso direta da energia solar em eletricidade ocorre por meio do efeito fotovoltaico, devido interao da radiao solar com uma clula solar. A clula solar fotovoltaica a unidade bsica da converso da energia do Sol em eletricidade e consiste de uma estrutura compostatipicamente por uma juno p-n de material semicondutor recoberto por uma pelcula anti-refletora na face frontal, econtatos eltricos nas superfcies frontal e posterior destinados a fornecer tenso e corrente uma carga.

A juno de vrias clulas solares, interligadas eletricamente e encapsuladas, d origem ao mdulo fotovoltaico. Os mdulos so formados por um determinado nmero de clulas conectadas em srie de modo a aumentar a sua tenso.

2.1.2 Tecnologias fotovoltaicas

O atual mercado apresenta uma srie de tecnologias fotovoltaicas que podem ser agrupadas em: clulas de silcio cristalino e clulas de filmes finos. Dentre os semicondutores mais utilizados destacam-se, por ordem decrescente de maturidade (RTHER, 2004):

silcio cristalino (c-Si); silcio amorfo hidrogenado (a-Si:H ou a-Si); telureto de cdmio (CdTe); disseleneto de cobre e ndio (CIS), glio e ndio (CIGS).

A produo atual dominada pelas clulas solares de juno nica baseadas no silcio, nas formas monocristalina (m-Si) ou policristalina (p-Si) (BAGNALL e BORELAND, 2008).

Rther et. al (2003) discutiram a variao da perda de eficincia dos mdulos de filmes finos de a-Si em funo do efeito StaeblerWronski, que pode ser revertido quando os mdulos so expostos por duas horas a uma temperatura de 150 C no escuro(STAEBLER e WRONSKI, 1977). Esse efeito ocasiona perda de eficincia no primeiro ano de exposio radiao solar e tende a se estabilizar ao fim deste

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perodo. Este estudo mostrou que os mdulos com tecnologia de filmes finos de a-Si apresentam menor degradao quanto maiores forem suas temperaturas de exposio, sendo esta portanto, uma tecnologia apropriada para climas quentes como o brasileiro.

2.1.3 Radiao solar

O conhecimento da disponibilidade de radiao solar fundamental para a utilizao dos geradores fotovoltaicos. No Brasil, o Projeto SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) estimou e mapeou o potencial solar e elico do territrio brasileiro e apontou para grandes potenciais solares por todo o territrio. O projeto SWERA teve tambm como foco o levantamento de uma base de dados confivel e de alta qualidade visando auxiliar no planejamento e desenvolvimento de politicas pblicas de incentivo a projetos na rea de energia solar e elica (PEREIRA et al, 2006).

O trabalho de Burger e Rther (2006) analisou a variao nos nveis de radiao recebida por uma superficie conforme sua inclinao e azimute, tendo como referncia a cidade de Florianpolis (Brasil) e a cidade de Freiburg (Alemanha). Neste trabalho pode-se verificar e quantificar que baixas latitudes so menos sensveis a desvios de azimute, j que Florianpolis a 27S apresentou menores variaes que Freiburg a 48N, conforme Fig.2.1. Diferentes posicionamentos dos mdulos acarretam perdas no potencial de gerao, mas para baixas inclinaes, como o caso tpico das coberturas das edificaes no Brasil, estas perdas podem ser consideradas pequenas.

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(a)

(b)

Figura 2.1: Total anual de gerao de energia em kWh, por kWp instalado,comtecnologia de silcio monocristalino (m-Si), em Freiburg (a) e em Florianpolis(b).

Fonte: BURGUER e RTHER, 2006

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2.1.4 Geradores solares fotovoltaicos

Osgeradoressolares fotovoltaicosso um conjunto de elementos compostos de mdulo(s) fotovoltaico(s), podendo incluir dispositivos para controle, condicionamento, superviso, proteo e armazenamento de energia eltrica (quando necessrio), fiao, fundao e estrutura. Os geradoressolares fotovoltaicos so classificadosem:geradores isolados, sem conexo eltrica com rede de distribuio, e em geradores conectados rede, cuja energia gerada injetada na rede eltrica de distribuio (ABNT, 2008).

Os geradoressolares fotovoltaicos isolados (SFVI) necessitam de elementos para armazenar a energia fotogerada (normalmente um banco de baterias) e so muito utilizados em regies remotas nas quais, por razes tcnicas e/ou econmicas, no vivel a extenso da rede eltrica. A energia armazenada consumida posteriormente de acordo com as necessidades dos consumidores. Um exemplo da ampla utilizao dos geradores isolados no Brasil se deu com o programa Luz para Todos, do governo federal, que teve como objetivo fornecer energia eltrica s regies que ainda no tinham acesso rede pblica.

Os geradoressolares fotovoltaicos conectados rede (SFVCR) podem ser integrados a edificaes urbanas (gerao distribuda), ou em grandes reas de terreno, constituindo uma usina geradora centralizada. Os SFVCR no necessitam de elementos armazenadores pois a energia gerada, em corrente contnua (CC), convertida em corrente alternada (CA) pelos inversores e injetada diretamente na rede. A Fig. 2.2 mostra o primeiro gerador solar fotovoltaico conectado rede e integrado a uma edificao no Brasil,com tecnologia de a-Si, em operao desde 1997 na cidade de Florianpolis (RTHER, 1998). Esse gerador,com 2 kWp3 de potncia instalada, composto por 65 mdulos fotovoltaicos sem moldura de silcio amorfo, sendo 53 mdulos opacos e 12 mdulos semitransparentes, distribudos em 5 sriescom 13 mdulos cada. O gerador fotovoltaico encontra-se instalado com uma inclinao de 27

3Wp smbolo utilizado para especificar a potncia nominal, ou potncia de pico, de

um mdulo fotovoltaico, que a potncia de sada sob as condies-padro de referncia para ensaio, STC (do ingls, Standard Test Conditions -). As STC: temperatura de juno da clula de 25C; irradincia total de 1.000 W/m2 normal superfcie de ensaio e espectro solar AM 1,5(ABNT, 2006)

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voltado para o norte no prdio da Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Santa Catarina.

Figura 2.2. Gerador fotovoltaico de 2 kWp conectado rede e integrado a uma edificao, instalado em Florianpolis-SC, em operao desde 1997.

Alm do gerador solar fotovoltaico apresentado na Fig. 2.2, existem outros geradores conectados rede eltrica pblica no campus da UFSC: Centro de Cultura e Eventos (10 kWp), Hospital Universitrio (2 kWp), Colgio de Aplicao (2 kWp) e Centro de Convivncia (1 kWp).

O Centro de Cultura e Eventos da UFSC (Fig. 2.3) possui um gerador solar fotovoltaico integrado sua cobertura de 10,24 kWp composto por 80 mdulos de silicio amorfo flexvel de 128 W cada um. O gerador ocupa 173 m e est inclinado a 27 e voltado para o norte (VIANA et al.; 2007).

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Figura 2.3. Gerador fotovoltaico de 10,24 kWp instalado na cobertura do Centro de Cultura e Eventos da UFSC.

O parque fotovoltaico de Sarnia,no Canad, um exemplo de uma grande usina fotovoltaica centralizada com uma capacidade instalada de 80 MWp (ENBRIDGE, 2011).

Figura 2.4. Parque fotovoltaico de Sarnia, no Canad.

Segundo Salamoni (2004) e Santos (2009), os setores residenciais de reas urbanas so propcios instalao de sistemas fotovoltaicos, pois apresentam grande rea de cobertura disponvel. No entanto, por no apresentarem curva de demanda com pico diurno, a gerao fotovoltaica no contribuiria para alvio de sobrecarga do alimentador. Porm, devido quantidade de rea disponvel, este setor poderia ser aproveitado como uma mini-usina descentralizada, aliviando a sobrecarga em alimentadores urbanos adjacentes com a energia gerada.

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Com a penetrao de energia proveniente de geradores distribudos, como os geradores solares fotovoltaicos conectados rede eltrica, o impacto dessa energia na rede de distribuio passou a ser o foco de diversas discusses (LAUKAMP et al,2007; LIU e BEBIC, 2008; SANDIA, 2008).Hernndez et al (2008) identificaram as variveis para estimar o impacto da integrao dos geradores solares fotovoltaicos em diferentes alimentadores. Essas variveis esto relacionadas com as caractersticas de projeto e desempenho dos alimentadores. As principais delas abrangem as condies meteorolgicas (nvel de irradincia solar) do local de instalao, carregamento da rede, local de integrao do gerador solar fotovoltaico no alimentador e nvel de penetrao, com o objetivo de garantir a qualidade da energia entregue rede.

A Comisso Europia fixou uma meta para produo de energia estabelecendo que, at o ano de 2020,20% da energia da Unio Europia dever ser gerada a partir de fontes renovveis (UE, 2008). Emparticular, graas ofertaderadiao solar em todo o mundo, a gerao de energia por meio de geradores fotovoltaicos uma opo de energia limpa para o futuro, pois no provoca emisses durante a fase de gerao. Esseperfilambiental positivofoiconfirmadoem estudos recentes,relatando tambmretornoscada vez maioressobreo investimento de energia (FTHENAKIS e ALSEMA, 2006; FTHENAKIS et al, 2008).

As fontes de energias renovveis tm sido consideradas estratgicas na composio da matriz eltrica em diversas partes do mundo devido preocupao com o aquecimento global e os geradores fotovoltaicos configuram-se como opo vivel para integrar a matriz energtica gerando energia de forma distribuda e reduzindo as externalidades negativas.

Mesmo com uma participao reduzida no suprimento da demanda energtica mundial, a energia fotovoltaica tem apresentado um alto crescimento nos ltimos anos. Pases como Alemanha, Espanha e Japo tomaram a iniciativa com relao tecnologia fotovoltaica implementando programas de incentivos a esta tecnologia, o que contribuiu para o aumento da capacidade acumulada, que registrou em 2010 um total de 35 GWp (EPIA, 2011).

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2.2 GERAO DISTRIBUDA

O conceito de gerao distribuda (GD) tem um significado diferente para cada concessionria de energia, no apresentando uma definio nica. Em alguns pases a GD definida em funo dos parmetros tcnicos como nvel de tenso, tecnologia empregada e modo de operao (despacho de energia centralizado e programado ou no). Para outros a gerao conectada a circuitos em que as cargas dos consumidores so supridas diretamente (ACKERMANN et al., 2001). J outros definem a GD levando em considerao se suas instalaes fazem uso de fontes renovveis ou de cogerao.

O Conseil International ds Grands Rseaux lectriques (CIGRE) define GD como a modalidade que utiliza unidades de gerao com capacidade mxima de 50 a 100 MW, geralmente conectadas rede de distribuio e que no tm seu despacho centralizado (CIGRE, 2011). O Institute of Eletrical and Eletronics Engineers(IEEE), define GD como uma unidade de gerao que apresenta uma potncia de instalao muito inferior s grandes centrais de gerao, e que permite a conexo em um ponto prximo aos centros de carga (IEEE, 2011). J para o Instituto de Eficincia Energtica (INEE) a GD uma expresso utilizada para designar a gerao eltrica realizada junto ou prximo do(s) consumidor(es), independente da potncia, tecnologia e fonte de energia (INEE, 2011).

Na primeira metade do sculo XX, a gerao eltrica prxima ao consumidor chegou a ser regra no Brasil, quando a energia industrial era praticamente toda gerada localmente. A partir da dcada de 40 a gerao em centrais de grande porte ficou mais barata, reduzindo o interesse dos consumidores pela GD e, como consequncia, o incentivo ao desenvolvimento tecnolgico cessou (INEE, 2011).

Com a crescente necessidade de expanso do sistema eltrico a GD tm sido uma opo para que as diferentes fontes de energia possam ser conectadas ao longo das redes de distribuio. A GD torna-se atraente quando comparada s grandes centrais geradoras, pois requer baixos investimentos, apresenta reduzido impacto ambiental, possibilita a inovao tecnolgica e a utilizao de novas tecnologias (veculos eltricos e veculos de clula a combustvel), flexibilidade de implementao, reduo da necessidade de novas linhas de transmisso, alm de aumentar a confiabilidade do sistema eltrico.

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Spier et al (2001) pontuaram algumas desvantagens na utilizao de GD no sistema de distribuio como: aumento no nvel de curto circuito, competio por regulao de tenso e harmnico e flutuao de potncia ativa na rede de distribuio. Um importante estudo de Caamao et. al (2007) concluiu com base em estudos e projetos especficos que a gerao fotovoltaica como GD no contribui para a capacidade de curto circuito da rede.Alm disso, os inversores possuem dispositivos que interrompem a conexo no caso de perturbao na rede.

Diversos trabalhos cientficos tm sido publicados sobre o impacto da GD no sistema de distribuio. A experincia acumulada com geradores fotovoltaicos distribudos mostra que a tecnologia amadureceu muito nas ltimas dcadas. A possvel ocorrncia de ilhamento no intencional (injeo contnua de energia na rede, mesmo quando a rede est desligada) nas redes de distribuio uma questo importante e resolvida, bem como a qualidade da energia entregue rede (sobretenses, quedas de tenso, variao de freqncia, distores harmnicas na tenso e na corrente). As investigaes mostram que com a tecnologia e o conhecimento atual essa questo no deve ser vista como uma barreira ou um fator de limitao para o desenvolvimento da gerao distribuda utilizando geradores solares fotovoltaicos. Quando comparados a outras tecnologias, como por exemplo, com os geradores elicos, nota-se que os geradores solares fotovoltaicos causam um menor impacto ao injetarem energia na rede eltrica (CAAMAO et al., 2007).

Algumas tecnologias de GD esto sujeitas s influncias meteorolgicas e sazonais, ou seja, so vulnerveis variabilidade dos fenmenos naturais como vento (no caso dos geradores elicos) e incidncia de sol (no caso dos geradores fotovoltaicos) (SENJYU et al., 2008).

Os geradores solares fotovoltaicos so considerados como fontes no despachveis de energia e possuem fatores de capacidade baixos por apresentarem caractersticas exclusivamente diurnas de gerao. Entretanto, se analisados pelo lado da demanda, principalmente em regies comerciais, onde os picos de demanda (devido principalmente utilizao de ar-condicionado) coincidem com a mxima gerao fotovoltaica, os geradores fotovoltaicos podem contribuir efetivamente na reduo deste pico, podendo sob algumas condies ser at considerados como uma fonte despachvel de energia (RTHER et al., 2008).

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medida que estudos so aprofundados com o intuito de eliminar as barreiras tcnicas, tecnolgicas e de mercado, a GD pode contribuir para que as energias renovveis tenham uma maior penetrao no setor eltrico brasileiro.

2.3 BATERIAS

As concessionrias de energia so obrigadas a oferecer um abastecimento estavl de eletricidade para atender a constante variao da demanda. Muitas vezes, as concessionrias tm de recorrera mtodos caros e ineficientes para cumprir com suas obrigaes. Neste caso, para atenderem os picos de demanda colocam em operao usinas termeltricas movidas carvo ou gs natural, que apresentam uma resposta rpida ao fornecimento de energia. Porm, tais medidas tm consequncias diretas no custo da energia eltrica, bem como impacto negativo no meio ambiente.

Segundo Lindley (2010) as fontes renovveis de energia, como por exemplo a energia elica e a energia solar, devido ao carter intermitente, no so viveis para atender a essa finalidade a no ser que a energia gerada seja armazenada em grande escala. A falta de boas opes de armazenamento tem sido um desafio para as concessionrias de energia. Neste caso, o amadurecimento tecnolgico das baterias uma possibilidade para poder armazenar energia em grande escala e disponibiliz-la nos horrios crticos do sistema eltrico. Por outro lado, podem desempenhar um papel importante para a adoo generalizada dos veculos eltricos.Atualmente, as baterias encontram-se em desvantagem em relao aos combustveis lquidos, por exemplo, pois apresentam baixa densidade energtica (BROWN et al, 2010).

Todas as baterias so formadas por dois eletrodos conectados por um condutor inico, denominadas eletrlito. Os eletrodos tm diferentes potenciais qumicos determinados pela reao qumica que ocorre em cada um deles. Quando eles so conectados a um dispositivo externo, eltrons fluem do potencial negativo para o positivo, e ons se movimentam no eletrlito para manter o balano de carga e a energia eltrica pode ser consumida no circuito externo. No caso de baterias secundrias, quando o sistema chega ao equilbrio no pode mais extrair energia, mas pode-se aplicar uma tenso na direo oposta para recarregar a bateria. A quantidade de energia eltrica por massa ou volume que pode ser extrada depende da tenso da clula e de sua

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capacidade, que por sua vez dependem da qumica dos eletrodos. Outro parametro a potncia, que depende em grande parte da engenharia da bateria, alm dos parmetros mencionados anteriormente (TARASCON e ARMAND, 2008). Em linhas gerais, as baterias so dispositivos que armazenam energia qumica e a tornam disponvel na forma de energia eltrica.

As crescentes preocupaes energticas e ambientais tm acelerado o processo evolutivo tecnolgico em diversas reas e de igual modo na inovao das baterias recarregveis, com profundo interesse em utiliz-las no somente para dispositivos pequenos mas tambm na propulso de veculos eltricos. Certamente que o sucesso dos veculos eltricos est relacionado com o armazenamento de energia (TOLLEFSON, 2008).

2.3.1 Bateria Chumbo-cido

A seguir so descritos alguns dos principais tipos de baterias utilizados para os fins descritos neste trabalho.

As baterias do tipo chumbo-cido tm sido as mais utilizadas pela indstria automotiva, possuindo vantagem em relao s demais tecnologias devido ao baixo custo. No caso da utilizao em veculos eltricos apresentam desvantagem, pois oferecem baixa densidade de energia (BOSSCHE et al., 2006). A energia especfica dessas baterias est na ordem de 33 Wh/kg, sua densidade energtica de 75 Wh/L e potncia especfica de 75 W/kg (CHEN et al., 2009).

2.3.2 Bateria Nquel-Cdmio (NiCd)

A tecnologia de NiCd possui energia especfica igual a50Wh/kg (BOSSCHE et al, 2006) e tem sido utilizada em veculos de trao eltrica devido disponibilidade de carga rpida. Possui uma potncia especfica de 120 W/kg, densidade energtica da ordem de 80 Wh/L e um bom ciclo de vida (CHEN et al., 2009). Todavia, apresenta elevados custos e preocupaes ambientais com a presena de cdmio em sua composio, alm do efeito memria(VIERA et al., 2006).

2.3.3 Bateria Niquel-Metal-Hidreto (Ni-MH)

A bateria de NiMH tem desempenho comparvel de NiCd e, tem sido utilizada em veculos hbridos como o Toyota Prius. Os

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componentes da NiMH so inofensivos ao meio ambiente. Alm disso, as baterias podem ser recicladas (FETCENKO et al., 2007), apresentam ciclo de vida longo e so resistentes a carga e descarga (LI et al., 2009).

2.3.4 Bateria de ons de Ltio (Li-on)

As baterias deLi-on so leves, compactas e apresentam uma densidade energtica na faixa de 100 a 150 Wh/L(BURKE e MILLER, 2011) sendo, portanto, bastante atrativas para os VEsdevido sua alta densidade de energia. Apresenta uma potncia especfica de 370 W/kg e energia especifica em torno de 120 Wh/kg (CHEN et al., 2009).

Uma preocupao fundamental em relao ao aumento da escala de produo das baterias de Li a disponibilidade dos elementos utilizados para sua fabricao, bem como o elevado custo das clulas da bateria, que est na faixa de 150 a 1000 US$/kWh (WADIA et al., 2011).

Peterson et al (2010) mostraram os efeitos do deslocamento de um VE e o uso V2G sobre o desempenho da vida de uma clula de Li. Foram impostas sobre as clulas diferentes graus de descargas contnuas a fim de imitar a transferncia de energia rede de um V2G, concluindo que os efeitos da utilizao V2G sobre as clulas existem, porm as perdas na capacidade da bateria aparecero depois de alguns anos de uso.

2.4 VECULOS ELTRICOS

O veculo eltrico (VE) caracterizado pela utilizao de motor eltrico no lugar do motor de combusto interna destinado propulso. Existem modelos que apresentam uma combinao de motor eltrico e de combusto interna. Kempton (2000) apresenta a seguinte classificao para os VEs:

veculos eltricos hbridos gasolina (VEH); veculos eltricos hbridos plug in (PHEV); veculos eltricos bateria (BEV); veculos eltricos de clula de combustvel (VEFC)

De acordo com Steenhof e Mclnnis (2008) a transio dos veculos convencionais (com motor combusto interna) para os VEs dever ser conduzida pelos VEHs, seguida pelos PHEVs e finalmente pelos BEVs.

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Um dos grandes desafios na utilizao dos veculos eltricos em larga escala est na criao de pontos estratgicos de recarga, a fim de que estes no se limitem baixa autonomia. Israel o primeiro pas a criar uma estratgia para eliminar a dependncia de combustveis fsseis no setor de transporte. O foco, porm, no est no veculo eltrico propriamente dito, mas sim na infraestrutura de recarga, onde as baterias podem ser recarregadas ou trocadas facilmente e rapidamente (ANDERSEN et al, 2009).

Em 2009, a JP Morgan realizou um estudo e estimou que at o ano de 2020 aproximadamente 11 milhes de VEs sero vendidos no mundo, sendo 6 milhes na Amrica do Norte. Isto significa que os veculos eltricos representaro 20% do mercado norte americano e 13% do mercado mundial(AUTOMOTIVE NEWS, 2009).

A oportunidade de utilizar os VEs para revolucionar os setores de transportes e os sistemas de distribuio de energia imensa. Em particular, o surgimento de novas tecnologias oferece um grande potencial para o estabelecimento dos VEs como parte integrante do sistema eltrico, ou seja, alm de serem usados como veculos de transportes, podero atuar como geradores distribudos, utilizando a energia armazenada a bordo para contribuir com a rede eltrica em perodos crticos do dia (pico de carga).

2.4.1 Veculo eltrico hbrido (VEH)

O VEH um veculo que utiliza um motor eltrico acionado pela energia armazenada em um pequeno banco de baterias e um motor combusto interna (usado em veculos convencionais) alimentado por combustvel lquido (gasolina, etanol, diesel) e/ou gasoso (gs natural veicular).

O conjunto motor a combusto interna e motor eltrico que caracteriza os VEHs, permite uma reduo no consumo de combustvel quando comparados aos veculos convencionais que s utilizam o motor combusto interna. O VEH pode apresentar duas configuraes: srie e paralelo.

Na configurao em srie, o motor combusto move um gerador com a finalidade de gerar energia eltrica e o gerador pode tanto carregar as baterias ou alimentar o motor eltrico. J na configurao em

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paralelo, o motor combusto e o motor eltrico so conectados transmisso e, ambos podem fornecer energia para movimentar o veculo.

O modelo Prius da empresa Toyota o exemplo mais bem sucedido de automvel hbrido compacto, movido gasolina e eletricidade. Apresenta um consumo mdio de 26 km/l, muito inferior ao consumo da maioria dos veculos convencionais que utilizam apenas o motor combusto (TOYOTA, 2011).

2.4.2 Veculo eltrico hbrido plug in(VEPH)

Os VEPHs so semelhantes aos VEHs, porm podem ser conectados a uma tomada eltrica para recarregar as baterias, e ainda podem operar em vrios modos de gerenciamento de energia, dentre os quais se destacam:

Charge Sustaining Mode (CS): Modo no qual o estado de carga da bateria controlado para permanecer dentro de uma faixa de operao. Como o estado de carga da bateria no muda com o tempo, o motor a combusto o responsvel pela propulso do veculo.

Charge Depleting Mode (CD): Modo no qual uma parte da energia fornecida pela bateria. Com isso o estado de carga da bateria diminui at atingir um nvel mnimo.

Electric Vehicle Mode: Modo no qual somente o motor eltrico est em funcionamento. A energia armazenada na bateria a fonte principal de energia.

Engine Only Mode: Modo no qual o sistema de trao eltrico no opera.

A alternncia entre os modos de gerenciamento de energia controlada automaticamente em funo do estado de carga da bateria, velocidade do veculo, temperatura da bateria, temperatura ambiente, torque e velocidade de rotao do motor (EPRI, 2001).

A Fig. 2.5 ilustra o funcionamento do modo de gerenciamento de energia em funo do estado de carga da bateria de um veculo eltrico hbrido plug-in.

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Figura 2.5: Ilustrao do modo de gerenciamento de energia em funo do estado de carga da bateria de um VEPH

Fonte: (SHIAU et al., 2009)

No modo CD, o veculo percorre uma determinada distncia com ambos os motores ligados ao mesmo tempo (motor a combusto e motor eltrico). A energia armazenada nas baterias utilizada para movimentar o motor eltrico, porm quando o estado de carga da bateria atinge um limiar de 20%, o motor eltrico desligado e o veculo funciona apenas com o motor a combusto interna (modo CS).

2.4.3 Veculo eltrico bateria (VEB)

Os VEB utilizam a energia armazenada num banco de baterias como fonte de energia primria na alimentao do motor eltrico. As questes relacionadas infraestrutura de recarga e ao desenvolvimento tecnolgico em baterias ainda so limitaes para utilizao dos VEBs, que ficam restritos a trajetos urbanos devido baixa autonomia. Os VEBs necessitam ser recarregados com grande freqncia e isto implica em longos perodos de recarga. A recarga pode ser feita durante a noite (fora do horrio de pico noturno) ou no perodo diurno durante o tempo em que o veculo ficar estacionado, a partir de uma tomada de tenso tpica residencial, comercial ou industrial. No entanto, se for desejado que a recarga seja realizada num intervalo curto de tempo ser necessria uma infra-estrutura eltrica diferenciada, com conexes eltricas adequadas a este tipo de servio, pois as elevadas correntes relacionadas grande potncia requerida, excedem a capacidade eltrica das tomadas convencionais.

Distncia percorrida

Est

ado

de C

arga

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2.4.4 Veculo Eltrico de Clula de Combustvel (VEFC)

O veculo de clula de combustvel um veculo em que a energia eltrica gerada a bordo atravs de um processo eletroqumico em que a energia do hidrognio transformada diretamente em eletricidade. A energia eltrica gerada alimenta o motor eltrico e recarrega a bateria.

Diferentemente das baterias que fornecem energia eltrica atravs de materiais ativos armazenados em eletrodos slidos, as clulas de combustvel geram eletricidade medida que so alimentadas de materiais ativos e reagentes, que pode ser o carvo, hidrocarbonetos, alcois, aldedos e hidrognio.

2.5 PADRO DE CONDUO

O padro de conduo ou perfil de conduo do usurio de VE produzir um impacto na rede de distribuio, simplesmente pela definio da localidade em que estar no momento da recarga. O padro de conduo muito varivel ao longo do dia; um deslocamento tpico dirio inicia-se geralmente partir da residncia, seguido de um deslocamento em direo ao trabalho e, no final da tarde, um retorno residncia. Em alguns casos pode haver um pequeno deslocamento em situaes emergenciais. Isto significa que a qualquer momento do dia um VE pode estar na garagem, no estacionamento de uma empresa, num restaurante, no estacionamento de um shopping center, ou mesmo na estrada. Os padres de conduo so altamente estocsticos, sendo difcil responder onde os VEs estaro no momento da recarga (GREEN et al., 2010).

Alguns estudos semelhantes a Huston et al (2008) devero ser realizados no Brasil a fim de determinar onde os VEs sero recarregados. Pesquisas devero ser realizadas a fim de determinar o local onde estes VEs estaro agrupados (estacionados) e como a elevao da concentrao destes afetar a rede de distribuio local. Isto poder ter um impacto drstico sobre os alimentadores dependendo da rea em que estaro concentrados, pois contribuiro para o aumento do pico de carga durante o dia ou durante a noite, uma vez que representaro uma carga adicional ao sistema de distribuio.

A base para responder algumas destas questes tem sido desenvolvida por Huston et al (2008). Estudos analisando os efeitos

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sobre a rede de distribuio tero de ser realizados em reas que abrigam os usurios de VEs, sendo interessante analisar o impacto que causaro ao sistema considerando os padres de conduo de forma estocstica, ou seja, ao invs de utilizar os valores mdios e esperados do deslocamento mdio dirio de um veculo, utilizar modelos estocsticos para ter uma viso mais realista da situao (GREEN et al., 2010)

2.6 TEMPO DE RECARGA

Segundo Clement et al (2008) o nvel de carga ser um indicador importante na avaliao do impacto dos PHEVs no sistema de distribuio, bem como o momento em que as recargas sero efetuadas. De igual modo, a anlise do impacto deve considerar as estaes do ano e as tendncias dirias de recarga. Geralmente, nos perodos de vero e inverno que h um aumento na demanda de energia devido s cargas de ar condicionado e calefao. A adio de uma nova carga (PHEV) junto s cargas sazonais existentes pode comprometer a segurana e a confiabilidade do sistema eltrico.

Diversos estudos tm apresentado diferentes cenrios quanto ao tempo de recarga, desde os mais simples at os mais complexos. Alguns apresentam cenrios com recargas controladas e/ou descontroladas; recargas regulamentadas e/ou desregulamentadas; recargas rpidas; recargas no horrio de ponta e/ou fora do horrio de ponta; recargas inteligentes ou uma combinao destas na tentativa de simular o impacto no sistema de distribuio.

O cenrio de recarga mais simples a recarga descontrolada, quando o usurio conecta o veculo eltrico na rede a qualquer hora do dia, desconectando-o quando a bateria estiver totalmente carregada (HADLEY, 2006; CLEMENT et al., 2008 e PUTRUS et al., 2009). Este tipo de recarga tambm conhecida como recarga no inteligente (dumb charging), a qual assume que os custos de energia so constantes ao longo do dia.

De acordo com Shao et al (2009) a recarga rpida permite ao veculo drenar mais carga da rede para ser carregado em um intervalo curto de tempo, utilizando para isso uma tomada com conexes eltricas especiais. Karnama (2009) apresenta a definio de recarga regulamentada e desregulamentada. A recarga regulamentada definida como a recarga baseada em incentivos ou informaes que poderiam

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incentivar ou inibir os usurios a carregar seus VE naquela hora especfica do dia. A recarga desregulamentada a recarga no momento em que h pouca ou nenhuma informao sobre o preo da energia.

O mais avanado perfil de recarga aquele que incorpora uma tecnologia inteligente que escalona a carga do veculo eltrico e controla as demais cargas domsticas (SHAO et al., 2009). A carga escalonada caracterstica de uma recarga inteligente, onde o veculo eltrico desacelera sua recarga com base nos nveis de energia pr definidos comunicados atravs da rede eltrica. O controle de cargas domsticas permite que as residncias lancem mo de cargas no essenciais naquele momento para recarregar seus veculos eltricos totalmente ou mais rapidamente. Tcnicas de recarga inteligente usando tecnologia embarcada so examinadas em Acha et al (2010). O tempo de carga baseado nos hbitos de conduo; todavia, os usurios tendero a se comportar de forma aleatria quanto recarga dos veculos eltricos, sendo este um parmetro importante nas anlises quanto ao impacto na rede de distribuio.

2.7 DO VECULO PARA A REDE (VEHICLE TO GRID- V2G)

Um aspecto interessante dos veculos eltricos a possibilidade de integrao com a rede eltrica. O conceito V2G poder criar um sistema de energia flexvel que permitir uma melhor utilizao das fontes de energias renovveis (LUND e KEMPTON, 2008).

O recurso energtico que cada veculo eltrico pode oferecer bastante limitado, sendo sua carga individual (kW) desprezvel para a rede eltrica. Guile e Gross (2009) em seu trabalho procuraram fornecer uma construo conceitual para servir de ferramenta na concepo e implementao de uma plataforma para a integrao efetiva de VEs na rede de distribuio. A idia est em criar um agregador que coletar uma srie de veculos eltricos, a fim de criar um grupo para atuar como uma fonte de energia distribuda.

Desta forma, os veculos eltricos so o centro do conceito V2G. O conceito bsico de V2G a possibilidade de utilizar o veculo eltrico como um dispositivo para armazenar a energia ociosa da rede no perodo noturno ou armazenar a energia de fontes renovveis (elica e solar) e utiliz-la durante o dia para aliviar ou deslocar a curva de carga do sistema eltrico ou utiliz-la no horrio de ponta durante a noite.

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Um estudo realizado nos EUA mostrou que a penetrao de 25% de veculos eltricos em 13 regies americanas em 2020, obrigar as concessionrias de energia a construrem 160 novas usinas geradoras, caso todos os usurios conectem seus veculos eltricos no incio da noite, por volta de 17 horas para recarregarem suas baterias. No entanto, com a tecnologia de rede inteligente (smart grid) as concessionrias podero ajustar o tempo de recarga dos veculos eltricos e ainda oferecer taxas mais baratas aos consumidores no horrio fora de ponta, incentivando a recarga nesse perodo (AMIN e WOLLENBERG, 2005)

O veculo eltrico deve apresentar trs requisitos para ser utilizado no conceitoV2G conforme definido por (KEMPTON e KUBO, 2000; KEMPTON e TOMIC, 2005; TOMIC e KEMPTON, 2007; GUILLE e GROSS, 2010):

i) uma conexo rede para fluxo bidirecional de energia eltrica,

ii) controle ou conexo lgica necessrio para a comunicao com o operador central da rede de distribuio e,

iii) um sistema de medio de preciso a bordo do veculo.

A conexo bidirecional rede permitir que o usurio tanto carregue o veculo eltrico numa tomada residencial, comercial ou industrial (carga adicional ao sistema eltrico), quanto utilize-o como um gerador distribudo (veculo eltrico como um recurso de energia) injetando energia na rede eltrica e recebendo um valor diferenciado por este servio.

A idia de utilizar os PHEVs como um dispositivo de armazenamento de geradores distribudos tm sido levada a srio, necessitando apenas de um projeto piloto de demonstrao.

A smart grid desempenhar um papel importante no setor eltrico em relao ao gerenciamento de energia devido possibilidade de comunicao entre o usurio do veculo eltrico e a rede de distribuio, aumentando a competitividade das energias renovveis e de armazenamento, pois os produtores locais podero vender a energia quando os preos forem elevados (picos de demanda) e compr-las com taxas mais baixas em perodos fora do pico de demanda (BUTLER, 2007).Em casos de picos de demanda ou sobrecarga no alimentador, o operador central da rede poder enviar um sinal de solicitao de servios a um escritrio central onde uma frota de veculos eltricos estaro estacionados(GUILLE e GROSS, 2009) ou ainda emitir um sinal

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para usurios individuais, a fim de utilizar a energia armazenada nas baterias (V2G) como um recurso ao sistema eltrico. O sistema de medio a bordo do veculo permitir ao usurio ter controle de parmetros importantes como temperatura da bateria, autonomia do veculo eltrico, pontos de recargas prximos, estado de carga da bateria (SOC), energia disponvel e benefcios com a venda da energia concessionria.

A Fig.2.6ilustra a interao entre geradores solares fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica.Neste contexto os veculos podem ser utilizados no apenas como um meio de transporte, mas tambm como um dispositivo de potncia e energia. As fontes renovveis de energia como elica e solar so intermitentes e no constituem-se como uma energia firme, fortemente susceptveis a sazonalidade. Porm, a intermitncia pode ser gerenciada atravs de duas formas:back up e/ou armazenamento. O back up refere-se a geradores que podem ser acionados para providenciar potncia quando a fonte de energia renovvel insuficiente. O armazenamento tem a vantagem de adicionalmente ser capazde absorver o excesso de energia edevolv-la em horrios crticos de demanda.

No perodo da madrugada os veculos eltricos so recarregados pela rede eltrica em suas residncias e pela manh, no trajeto residncia trabalho,os veculos consomem uma parcela da energia armazenada nas baterias, assim ao chegarem no local de trabalho, os veculos so conectados em uma tomada eltrica para recarregarem a energia consumida durante o percurso.Essa energia pode ser proveniente de um gerador solar fotovoltaico ou um gerador elico, armazenando energia nas baterias do veculo.

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Figura 2.6. Ilustrao da interao de geradores solares fotovoltaicos e veculos eltricos com a rede inteligente.

Fonte: Elaborao prpria

Kempton e Tomic (2005) criaram modelos de custos e sugestes de mercados de energia (baseload, peak power, regulation, spinning service) onde o conceitoV2G poder ser utilizado. Os trabalhos realizados por Clement et al (2009), Sutanto (2004), Brooks (2006) e Srivastava et al (2010) levam em considerao as questes tcnicas, as vantagens, as falhas e a economia na utilizao do conceito V2G.

A opo V2G poder contribuir para melhorar a eficincia da rede eltrica e sua confiabilidade. Uma simulao envolvendo uma anlise diria (um dia todo) essencial para obter uma avaliao precisa do impacto dos veculos eltricos. importante saber quando,estatisticamente, os veculos estaro disponveis para descarga e recarga. Uma recarga no controlada pode ocasionar problemas rede de distribuio, no entanto, a otimizao de estratgias de recarga pode trazer muitos benefcios. A utilizao dos veculos eltricos pode melhorar a relao entre consumo e gerao (NYNSet al., 2011).

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2.8 ESTUDOS DE CASOS ENVOLVENDO VES

Os efeitos sobre a rede eltrica esto diretamente relacionados com as caractersticas dos veculos eltricos. Estas caractersticas esto divididas em: caractersticas do veculo (peso, tecnologia das baterias, potncia do motor eltrico), nvel de carga, local e horrio de recarga (residncia, postos de recargas, local de trabalho). Os impactos sero determinados considerando o nmero de veculos conectados rede num dado instante, o perfil de demanda do alimentador da rea em questo e os efeitos da demanda no transformador (HADLEY, 2006).

O impacto da adio de uma nova carga (PHEV) no transformador de distribuio sob diferentes cenrios de recarga em Blacksburg, VA, foram tratados por Shao et al (2009) considerando uma curva tpica de demanda residencial. As simulaes indicaram que novos picos de carga so gerados com a adio dos PHEV. A fim de manter o sistema seguro e eficiente foram considerados diferentes cenrios de recarga e algumas solues de gerenciamento de demanda, como o escalonamento de carga dos PHEV e o controle da carga residencial.

A simulao considerou um transformador de 25 kVA responsvel pelo abastecimento de cinco residncias e analisou dois PHEV com baterias de ltio-on de 16 kWh. No estudo foram consideradas duas estratgias de carregamento. Na primeira, todos os veculos foram carregados aps as 18 horas, o que representou um aumento de 68/52% na carga do transformador no inverno/vero. Na segunda, todos os veculos foram carregados fora do horrio de maior demanda e, resultou num aumento de 58/52% na carga do transformador no inverno e vero. Em nenhum dos casos analisados houve sobrecarga do transformador. Assim, os cenrios foram reconsiderados utilizando recarga rpida com o objetivo de diminuir o tempo de recarga dos veculos e com isso verificou-se uma sobrecarga no transformador com os veculos carregados aps as 18 horas. No caso de recarga fora do horrio da ponta, o transformador passou a trabalhar no limite da sua capacidade.

Embora alguns transformadores operem sobrecarregados num intervalo pequeno de tempo, isso poder tornar-se um problema quando um grande nmero de veculos eltricos for conectado. O cenrio final investigado envolveu cinco PHEV e duas metodologias de gerenciamento de demanda foram apresentadas: a primeira foi o

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escalonamento de carga do PHEV e a segunda, o controle de carga residencial.

No escalonamento de carga os veculos foram carregados quando a demanda do transformador era menor do que um valor especificado. J o controle de carga residencial foi uma forma de economia de energia a fim de que os veculos pudessem ser recarregados rapidamente sem sobrecarregar o transformador. Com o carregamento rpido e com a aplicao do gerenciamento de demanda residencial o trabalho mostrou que no houve sobrecarga do transformador. A recarga dos PHEVs representa uma nova carga para a rede de distribuio e isso acarretar uma ligeira diminuio na eficincia de operao dos transformadores de distribuio, e em alguns casos poder causar a sobrecarga dos transformadores. No entanto, estas cargas podero ser gerenciadas atravs de tcnicas existentes nas redes inteligentes.

O impacto na rede eltrica de distribuio da Blgica foi discutido por Clement et al (2008) considerando os dados atuais de trfego e o perfil de conduo dos usurios. Este trabalho investigou o fluxo de carga quando os PHEVs eram adicionados rede de distribuio. Alm disso, foram investigados trs diferentes casos de recarga descontrolada: recargas entre 0h e 2h, recargas entre 6 h e 8 h e recargas durante o di