estudo de viabilidade técnica e econômica da instalação de ... · completa análise técnica e...

AGRENER GD 2015

10º Congresso sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural

11 a 13 de novembro de 2015

Universidade de São Paulo – USP – São Paulo

1

Estudo de Viabilidade Técnica e Econômica da Instalação de

Sistemas Fotovoltaicos com e sem Armazenamento Auxiliar de

Energia

Autores: Augusto C.V. Silva1, Carlos H.M. Rocha2 , Prof. Dr. Luiz C. P. Silva3

1 2 3 Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação – FEEC , Departamento de Sistemas e Energia – DSE,

Av. Albert Einstein - 400 Cidade Universitária Zeferino Vaz Distrito Barão Geraldo - Campinas-SP Brasil

CEP: 13083-852 E-mail autor: [email protected]

Resumo

Com a crescente preocupação na busca de novas fontes de energia, mais limpas e

renováveis, a necessidade de estudos para a implantação desta nova fonte de geração se

mostra cada vez mais urgente, este estudo busca concentrar as atenções em sistemas de

geração de energia fotovoltaica residenciais, de pequeno porte, já imaginando o cenário de

geração distribuída, onde cada consumidor passaria a ter papel ativo no sistema de

distribuição de energia, ajudando assim a desafogar o sistema atual, baseado em grandes e

centralizadas usinas de geração. Ao concentrar os estudos em sistemas de pequeno porte,

este trabalho busca auxiliar na tomada de decisões sobre o investimento neste tipo de

sistema, considerando, inclusive, possíveis mudanças na tarifa sobre a energia elétrica, já

simulando a cobrança de uma tarifa horária (chamada Tarifa Branca). Além da possível

mudança na tarifa de energia aplicada, o estudo também simula um cenário com

armazenamento auxiliar de energia, onde a energia gerada seria armazenada utilizada

quando o consumo fosse maior que a geração do sistema fotovoltaico, ou ainda, em outro

cenário, a energia armazenada só seria utilizada quando a tarifa de energia fosse maior,

evitando assim o uso de energia da rede.

Palavras-chave:

Geração de Energia, Sistema Fotovoltaico, Armazenamento de Energia.

1. Introdução

O grande incentivo à energia solar foi dado durante a crise do petróleo dos anos 70,

onde a necessidade de obtenção de energia por outras fontes além do petróleo ficou em

destaque. Desde então, o preço da fabricação e instalação de tais sistemas só vem caindo

(varia entre R$8,00/W e R$12,00/W, contra R$613,54/W, valor atualizado, em 1966), o que

só facilita o acesso à tecnologia e incentiva a aplicação nos mais variados usos,

principalmente residencial, já que é uma energia limpa.

AGRENER GD 2015




2

No contexto nacional, alguns aspectos que contribuem para o aumento da presença

da geração de energia solar fotovoltaica, como: a divulgação da resolução normativa no.

482 da ANEEL em abril de 2012; a definição das normas técnicas publicadas por cada

concessionária distribuidora; a queda vertiginosa dos preços dessa tecnologia; e o

surgimento de diversas empresas no Brasil capacitadas para a formação e treinamento de

mão de obra técnica especializada para instalação e manutenção dos tetos solares. Uma

vez que as barreiras regulatórias, tecnológicas e econômicas vão sendo gradativamente

transpostas não há porque duvidar que a aplicação desse tipo de tecnologia ganhe força no

Brasil nos próximos anos, assim como já é realidade em outros países.

Pensando no mercado de pequenos e médios sistemas de energia solar, o fator

decisivo, muitas vezes, continuará sendo o fator econômico. Logo, este estudo, além de

atentar para aspectos técnicos, também se propõe a discriminar todos os custos e o

investimento necessário para implantar tal sistema em uma residência, no nosso caso.

Assim, o conjunto de simulações realizadas no programa GridLAB-D (ferramenta, de

código aberto e gratuita, de modelagem e simulação de sistemas de potência), aliado com

pesquisa de mercado sobre os preços dos componentes do sistema fotovoltaico, além de

pesquisa junto à CPFL (distribuidora de energia do local hipotético de instalação do sistema

simulado, a qual nos forneceu dados climático) nos deram base suficiente para uma

completa análise técnica e econômica sobre a viabilidade de tal sistema no cenário atual

brasileiro, tal como em um possível quadro sob a atuação de uma tarifa horária (Tarifa

Branca).

2. Metodologia

Premissas foram adotadas para determinar alguns parâmetros da simulação no programa

GridLAB-D, tal como utilização de fonte externa de dados, como as informações sobre o

clima.

2.1. Características de consumo da residência

Neste estudo, buscou-se realizar a simulação de duas residências com duas faixas

de consumo distintas Para determinar estas faixas de consumo, utilizamos indicadores

econômicos que relacionam de maneira estatística aproximada o consumo de energia com a

renda domiciliar, conforme a Tabela 1.

Na Tabela 2 é mostrada a relação entre a renda domiciliar e a classe econômica.

AGRENER GD 2015




3

Tabelas 1 e 2: Relação aproximada do consumo de energia – renda domiciliar e relação classe

econômica – renda domiciliar.

Renda Média [R$] Consumo médio [kWh]

500 – 1.200 70 – 220

1.200 – 2.000 220 – 270

2.000 – 6.500 270 – 410

6.500 – 11.000 410 – 910

Logo, concentramos nossos estudos em domicílios onde o consumo de energia era

aproximadamente ao consumo relativo à residência pertencentes à classes C/D (“Casa

Renda Média” ) e, em outra simulação, classes A/B (“Casa Renda Alta” ).

2.2. Característica física da residência e produtos utilizados em seu interior

Neste tópico, serão descritas as características das duas residências emuladas no

software GridLAB-D.

2.2.1. Residência

Foram analisadas uma casa de renda média e uma casa de alto padrão. Para essa

diferenciação foram determinadas famílias de mesmo número de pessoas (quatro

integrantes), porém tamanhos de casa diferentes, e aparelhos domésticos de consumo

relativo a cada uma das casas.

A casa de renda média foi definida como uma residência de dois andares, 80m² de

chão por andar, e possuindo iluminação fluorescente, televisores, geladeira, chuveiro

elétrico, ferro de passar roupas, computador, maquina de lavar roupa e cargas conectadas

às tomadas.

A casa de alta renda foi definida como uma residência de dois andares, 120m² de

chão por andar, e possuindo, além dos produtos presentes na Casa de Renda Média, um ar

condicionado. Foram alteradas curvas de consumo para cada aparelho, em relação à Casa

de Renda Média.

2.3. Sistema de energia fotovoltaica e armazenamento de energia

Para a escolha dos componentes do sistema, verificamos quais as opções disponíveis

para modelagem no programa GridLAB-D e, dentre as opções, escolhemos os produtos que

se melhor encaixavam nas características buscadas em sistemas de pequeno/médio porte

residenciais, aspectos como: disponibilidade no mercado brasileiro, facilidade de instalação

e manutenção, custos e tecnologia madura.

A seguir, temos a descrição dos modelos escolhidos para composição do sistema.

2.3.1. Painel Solar

Classe Econômica Renda Domiciliar total [R$]

Classe E 0 – 1.254

Classe D 1.255 – 2.004

Classe C 2.005 – 8.640

Classe B 8.641 – 11.261

Classe A 11.262 –

AGRENER GD 2015




4

Escolhemos o modelo com tecnologia Monocristalina, com eficiência de

aproximadamente 16,8%, conforme especificações de uma placa disponível no mercado

brasileiro, logo não possui o preço tão elevado quanto o esperado para placas com esta

tecnologia.

Para cada residência foram escolhidos painéis de acordo com que a potência de

cada sistema fotovoltáico fosse igual a potência média consumida pela residência. Assim,

foram utilizados 12 painéis para a casa de renda média e 26 para a casa de renda alta.

2.3.2. Inversor

O inversor é o equipamento responsável pela conversão da tensão e corrente

contínua para a tensão e corrente alternada (conversão CC-CA).

Tal aparelho se faz necessário, pois a geração do painel fotovoltaico, ou mesmo da

bateria onde a energia se encontra armazenada, é CC, enquanto os aparelhos em uma

residência são projetados para funcionar em CA, que é o padrão da rede de distribuição.

2.3.3. Controlador de carga

Neste estudo, foi simulado tanto um controlador simples, que apenas verifica o estado

da bateria e a carrega ou não, tal como verifica a geração e assim determina a descarga, ou

não da bateria, como também foi modelado um controlador inteligente, que apenas

descarregaria a bateria em horários onde a energia fosse mais cara, logo foi utilizado

apenas no cenário onde a tarifa praticada fosse a chamada tarifa branca.

2.3.4. Sistema de armazenamento

Para o correto armazenamento da energia, foi projetado um banco de baterias no qual,

tendo o histórico de consumo da residência em valores mensais, foi calculada uma média

diária de utilização de energia e a partir dessa média, calculou-se a quantidade de energia

que seria necessária armazenar para suprir este consumo pelo período de

aproximadamente 3 horas.

3. Resultados

3.1. Curva de Potência

A geração dos painéis solares tem como principais fatores relevantes à área ocupada

por eles e a radiação solar recebida pelos mesmos. Assim, para as duas residências temos

painéis de tamanhos diferentes e, portanto, gerações de potência distintas em cada caso.

3.1.1. Curva de Potencia Gerada e Potência armazenada

Abaixo podemos ver as curvas de geração de energia e potência armazenada para três

possibilidades de clima: dia ensolarado (06/08), dia nublado (27/09) e dia com chuva

(26/11).

AGRENER GD 2015




5

Figura 1: Curvas de Geração de ambas as residências em dias ensolarados.

Figura 2: Curvas de Geração de ambas as residências em dias nublados.

Figura 3: Curvas de Geração de ambas as residências em dias de chuva.

3.1.2. Armazenamento com controle inteligente de descarga

Levando-se em conta a tarifa horária torna-se economicamente viável um sistema que

armazene a energia durante o dia e a utilize nos momentos onde a tarifa é mais elevada.

Assim, foi simulado um sistema que carrega a bateria no momento em que é gerada

potência o suficiente para isso e a descarregue a partir da 18h, onde começa a subida nos

preços da energia.

É possível ver a atuação desse sistema nas figuras abaixo.

AGRENER GD 2015




6

Figura 4: Curvas de Geração e controle de descarga das baterias de ambas as residências em dias

ensolarados.

Figura 5: Curvas de Geração e controle de descarga das baterias de ambas as residências em dias

nublados.

Figura 6: Curvas de Geração e controle de descarga das baterias de ambas as residências em dias com

chuva.

3.2. Análise sobre Retorno de Investimento – Payback

3.2.1.1. Custo de Instalação

Para cálculo do custo de instalação, foi realizada uma rápida pesquisa com algumas

empresas que oferecem tal serviço assim foi determinado o valor de R$52.900,00 para o

sistema completo da casa de renda média e R$114.900 para o sistema completo da casa de

renda alta.

3.2.1.2. Tarifa de Energia

Para o cálculo financeiro da energia consumida pelas residências, utilizamos valores

de tarifa divulgados pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL, valores em

AGRENER GD 2015




7

vigência durante o período de 08/04/2015 a 07/04/2016 na área de concessão da

Companhia Paulista de Força e Luz - Paulista (Campinas e Região).

Tal valor é de R$ 0,41964/kWh sem considerar impostos incidentes.

Para aplicar a tarifa no cálculo efetivo, consultamos efetivamente uma conta de

energia da CPFL - Paulista e verificamos o valor dos impostos incidentes, desconsiderando

a taxa de iluminação pública, valor que não varia de acordo com o consumo e não será

levado em consideração nos cálculos deste trabalho.

Como Impostos incidentes na tarifa, temos: ICMS (Imposto Sobre Circulação de

Mercadorias e Serviços), abrangência estadual. No caso da legislação do Estado de São

Paulo, tal alíquota varia de acordo com o consumo, como as casas simuladas possuem

consumo acima de 200kWh/mês, a alíquota aplicada é de 25%; PIS (Programa de

Integração Social), abrangência Federal, possui alíquota 0,84%; COFINS (Contribuição para

Financiamento da Seguridade Social), abrangência Federal, alíquota de 3,89%.

No sistema de bandeiras tarifárias, o qual foi criado para cobrir os gastos adicionais

na geração de energia em situações onde é necessário o acionamento das termoelétricas

para cobrir a demanda de energia do país e funciona conforme a Figura 7, consideramos 3

cenários constantes, onde a bandeira tarifária definida permanece a mesma durante todo o

período.

Figura 7: Parâmetros para cálculo das bandeiras tarifárias.

Além das tarifas vigentes, para a projeção nos próximos anos, foi considerado um

aumento anual de 8% no valor da tarifa vigente em relação ao ano anterior.

Além da Tarifa “comum”, ou seja, sazonal, descrita acima, foi considerado outro

cenário onde a tarifa aplicada seria a chama Tarifa Branca , a qual possui 3 postos tarifários.

A CPFL – Paulista adota os valores tarifários, na modalidade Tarifa Branca, conforme

Tabela 3.

Tabela 3: Descrição Tarifa Branca utilizada pela CPFL - Paulista

Tipo da Tarifa Valor

Tarifa Convencional X

Tarifa Branca Fora de Ponta 0,876*X

Tarifa Branca Intermediária 1,083*X

Tarifa Branca Ponta 1,631*X

3.2.2. Tempo de retorno do investimento

AGRENER GD 2015




8

Considerando todos os itens acima, porém sem considerar uma troca dos aparelhos ao

fim da sua vida útil, ou seja, não estimamos o valor destes aparelhos no futuro, pois muitos

outros fatores poderiam influenciar em tal estimativa, tal como a situação econômica do país

ou ainda o surgimento de novas tecnologias, neste cenário, calculamos tempo de retorno do

investimento para os diferentes casos simulados.

3.3.2.1. Sistema de Geração de Energia Sem Armazenamento Auxiliar de Energia

Tabela 4: Tempo de Payback para casa de Renda Média

Tipo de Tarifa de energia

Convencional Branca – ANEEL Branca - CPFL

Bandeira

tarifária do

período todo

Verde 9,75 anos 19,75 anos 11,5 anos

Amarela 9,25 anos 19,5 anos 11,25 anos

Vermelha 9 anos 19 anos 10,75 anos

Tabela 5: Tempo de Payback para casa de Renda Alta



Bandeira

tarifária do

período todo


Amarela 8,25 anos 18,25 anos 10 anos

Vermelha 8 anos 17,75 anos 9,75 anos

3.3.2.2. Sistema de Geração de Energia com Armazenamento Auxiliar de Energia

Tabela 6: Tempo de Payback para casa de Renda Média Sem Controle de Descarga de Bateria



Bandeira

tarifária do

período todo

Verde 12,5 anos 20 anos 14,25 anos

Amarela 12,25 anos 19,75 anos 14 anos


Tabela 7: Tempo de Payback para casa de Renda Média Com Controle de Descarga de Bateria



Bandeira

tarifária do

período todo

Verde 12, 75 anos 17,75 anos 13,5 anos

Amarela 12,25 anos 17,25 anos 13,25 anos


Tabela 8: Tempo de Payback para casa de Renda Alta Sem Controle de Descarga de Bateria



Bandeira

tarifária do

período todo


Amarela 12 anos 22,75 anos 14 anos

Vermelha 11,5 anos 22,25 anos 13,75 anos

Tabela 9: Tempo de Payback para casa de Renda Alta Com Controle de Descarga de Bateria

AGRENER GD 2015




9



Bandeira

tarifária do

período todo

Verde 12,25 anos 16 anos 12,75 anos

Amarela 12 anos 15,75 anos 12,25 anos

Vermelha 11,5 anos 15,25 anos 12 anos

4. Conclusões

Considerando o alto custo de investimento por parte dos consumidores para contar

com um sistema de geração em sua residência, vemos que o índice de penetração ainda é

relativamente baixo no mercado brasileiro, o que dá tempo às concessionárias para

adaptações técnicas na rede para o acesso destes novos sistemas geradores. Porém, tal

cenário tende a mudar e esta penetração pode ocorrer de maneira mais rápida nos próximos

anos, considerando que normas regulatórias devem se sofisticar cada vez mais, se

adaptando aos sistemas de funcionamento dos equipamentos disponíveis no mercado e

assim facilitando a instalação dos mesmos.

Além disso, o crescente custo de produção de energia deve forçar o surgimento de

medidas de incentivo financeiro, tanto para a aquisição de equipamentos, quanto para a

venda de energia do consumidor à concessionária, contribuindo também para a expansão

da instalação da micro geração no país.

O tempo de vida útil de uma bateria em sistemas de energia fotovoltaica é um

grande entrave para a sua utilização, tal como o seu tamanho e preço de produção. Estes

são problemas experimentados também pela indústria de carros elétricos, apesar de utilizar

baterias com tecnologia ligeiramente diferente. Observamos que este é um dos problemas

gerais quanto ao armazenamento de energia, logo, surge um importante sinal de alerta para

grandes empresas e universidades, que podem se debruçar sobre tais questões e trabalhar

em soluções a fim de desenvolver esta importante tecnologia que abrirá novas portas para a

evolução de vários segmentos.

Vemos que a implantação desse tipo de sistema torna-se economicamente viável

para pessoas com um certo poder aquisitivo, visto que o tempo de retorno é relativamente

alto: aproximadamente 9/12 anos considerando um bom cenário para a venda de energia

para a rede. Portanto, o desenvolvimento desta tecnologia no país deve se basear não

apenas no caráter econômico, mas também no perfil do consumidor interessado,

consumidores podem sentir-se atraídos a esta tecnologia por motivos como: diminuição das

emissões de carbono em relação a outras fontes de energia; esse tipo de sistemas

fotovoltaicos serem considerados itens de extrema inovação tecnológica;

Assim, com cada novo sistema implementado no país e diversos estudos sobre esse

tipo de fonte de energia, o custo desses sistemas cairá de forma a torná-los cada dia mais

viáveis economicamente. E quem sabe, com o auxilio fiscal correto, a popularização desses

AGRENER GD 2015




10

sistemas de micro geração poderia se tornar uma saída para problemas de geração em

locais onde não há mais espaço para grandes usinas, já que o Brasil possui altíssimos

níveis de insolação em relação a outros países onde sistemas de energia solar fotovoltaica

já possuem maior penetração.

5. Bibliografia

[1] Grupo de energia solar. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Edição

Especial. PRC-PRODEEM. Rio de Janeiro, 2004

[2] http://www.aneel.gov.br/area.cfm?idArea=781 , acessado em: 15/07/15 às 20:00h

[3] http://www.cpfl.com.br/atendimento-a-consumidores/bandeira-

tarifaria/Paginas/default.aspx , acessado em: 15/07/15 às 19:40h

[4] http://www.energia.sp.gov.br/a2sitebox/arquivos/documentos/455.pdf , acessado em:

02/01/15 às 15:37h

[5] http://www.portalsolar.com.br/quanto-custa-a-energia-solar-fotovoltaica.html , acessado

em: 20/07/15 às 15:00h

[6] http://www.rba.gov.au/statistics/historical-data.html#exchange-rates , acessado em:

16/07/15 às 18:30h

[7] http://www.sae.gov.br/wp-content/uploads/ebook_ClasseMedia1.pdf , acessado em:

27/07/15 às 18:25h

[8] http://www.usp.br/nereus/wp-content/uploads/SMNereus_02_11.pdf , acessado em:

28/07/15 às 20:15h

[9]

https://www2.jf.jus.br/phpdoc/sicom/tabelaCorMor.php?PHPSESSID=mq9k03i0qe1ik8b9fvrgt

0kir6 , acessado em: 16/07/15 às 18:45h

[10] MONTEIRO, Luis Guilherme and ZILLES, Roberto. Estratégias de controle de carga em

pequenos sistemas fotovoltaicos.. In: ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL, 5.,

2004, Campinas.

[11] Projeto de P&D ANEEL PA3012 - APLICAÇÃO MASSIVA DE GERAÇÃO DISTRIBUÍDA

SOLAR EM DIFERENTES TIPOLOGIAS DE TELHADOS NA CIDADE DE CAMPINAS,

CPFL-UNICAMP-CPqD

[12] RÜTHER, R. Edifícios solares fotovoltaicos : o potencial da geração solar fotovoltaica

integrada a edificações urbanas e interligada à rede elétrica pública no Brasil. 1 ed. Santa

Catarina: UFSC/LABSOLAR, 2004. v. 1. 39p

[13] VILLALVA, M. G. ; GAZOLI, J. R. . Energia Solar Fotovoltaica - Conceitos e Aplicações -

Sistemas Isolados e Conectados à Rede. 1. ed. São Paulo: Érica, 2012. v. 1. 224p .

estudo de viabilidade técnica e econômica da instalação de ... · completa análise técnica e...

Documents