1Eduardo Jos Fagundes Barreto Joo Tavares Pinho Geraldo Lcio TiagoGonalo RendeiroManoel NogueiraWilma de Arajo GonzalezTecnologias de Energias Renovveis Solues Energticas para a AmazniaSistemas HbridosPequenos Aproveitamentos HidroeltricosCombusto e Gasifcao de Biomassa SlidaBiodiesel e leo Vegetal in Natura1 EdioBrasliaMinistrio de Minas e Energia2008miolo sntese.indd 1 19/12/2008 16:51:232Ministro de Minas e EnergiaEdison LoboSecretrio ExecutivoMrcio ZimmermannSecretrio de EnergiaJosias Matos de ArajoDiretor do Programa Luz para TodosHlio Morito ShinodaDiretor Nacional do Projeto pnud bra 99/011Programa de Erradicao da Excluso da Energia EltricaJeov Silva AndradeCoordenador da Regio NorteAurlio Pavo de FariasCoordenador de UniversalizaoManoel Soares Dutra NetoCoordenao TcnicaEduardo Jos Fagundes BarretoAssessoria de Comunicao do Programa Luz para TodosLucia Mitico SeoJose Renato Penna EstevesUnidade e Gesto de Projetos Projeto pnud bra 99/011Antonio Joo da Silva Coordenador TcnicoEder Jlio FerreiraManoel Antonio do PradoNovembro, 2008miolo sntese.indd 2 19/12/2008 16:51:233Tecnologias de Energias RenovveisSolues Energticas para a AmazniaCoordenador Geral:Eduardo Jos Fagundes BarretoAutores:Eduardo Jos Fagundes BarretoJoo Tavares Pinho Geraldo Lcio TiagoGonalo RendeiroManoel NogueiraWilma de Arajo Gonzalezmiolo sntese.indd 3 19/12/2008 16:51:244Ideorama Design e Comunicao Ltda.www.ideorama.com.brProjeto Grfco e DiagramaoSlvio SpannenbergAline Weirich de PaulaCarolina FarionGustavo AguiarCapaSlvio Spannenberg Reviso de TextosAlexandre GonalvesBrbara FernandesProduo GrfcaRafael Milani MedeirosDados internacionais de catalogao na publicaoBibliotecria responsvel: Mara Rejane Vicente TeixeiraTecnologias de energias renovveis : sistemas hbridos, pequenos aproveitamentoshidroeltricos, combusto e gasifcao de biomassa slida, biodiesel e leo vegetal in natura / Eduardo Jos Fagundes Barreto [et al.].Braslia : Ministrio de Minas e Energia, 2008.156 p. : il. ; 21 30cm. ( Solues energticas para a Amaznia )isbn 978-85-98341-06-4Inclui bibliografa.1. Energia Fontes alternativas Brasil. 2. Recursos energticos Brasil.I. Barreto, Eduardo Jos Fagundes. II. Brasil. Ministrio das Minas e Energia. III. Srie.cdd ( 22 ed.) 333.79miolo sntese.indd 4 19/12/2008 16:51:245SumrioApresentao .................................................................................................. 9Prefcio.......................................................................................................... 111 Sistemas Hbridos ........................................................................................ 16Conceitos Bsicos ................................................................................................17Energia Solar Fotovoltaica ...................................................................................18Energia Elica.....................................................................................................23Grupos Geradores ...............................................................................................25Sistema de Armazenamento ................................................................................26Sistema de Condicionamento de Potncia ............................................................28Sistemas Hbridos ...............................................................................................29Projeto de Sistemas Hbridos ...............................................................................31Instalao de Sistemas Hbridos..........................................................................32Operao e Manuteno de Sistemas Hbridos .....................................................33Segurana em Sistemas Hbridos .........................................................................33Anlise Econmica Aplicada a Sistemas Hbridos ..................................................34Sistemas Instalados e Experincias Adquiridas na Amaznia .................................35Modelos de Gesto e Regulao...........................................................................372Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos ................................................... 40Introduo ..........................................................................................................41Distribuio da populao na Amaznia Legal ......................................................41O atendimento de eletricidade s comunidades isoladas .......................................42O atendimento s comunidades isoladas ..............................................................43As CH e mCH ....................................................................................................49O estado da arte das CH e mCH .........................................................................50Turbinas Hidrulicas ................................................................................................. 50Turbinas Convencionais.................................................................................................52Turbinas no convencionais ..........................................................................................53Geradores ................................................................................................................. 57Reguladores de Velocidade e Sistemas de Controle e Automao ......................... 58Barragens .................................................................................................................. 59Barragens mveis ...........................................................................................................60Alguns projetos de CH desenvolvidos na regio amaznica .................................62Projeto CH Cana ................................................................................................... 62miolo sntese.indd 5 19/12/2008 16:51:246Projeto Cachoeira do Aru ....................................................................................... 64Projeto CH Novo Plano ........................................................................................... 65Projeto CH Jatoarana .............................................................................................. 66Modelos de gesto para unidades de gerao em comunidades isoladas ................67Comentrios fnais ..............................................................................................68Agradecimentos............................................................................................................693Combusto e Gasifcao de Biomassa Slida................................................. 70Caracterizao da Gerao na Amaznia ..............................................................71Princpios para Uso de Biomassa como Combustvel .............................................72Converso Energtica da Biomassa .......................................................................... 72Reagentes com misturas ricas e pobres Razo de Equivalncia ........................... 74Calor de Reao e Poder Calorfco .......................................................................... 74Combusto dos Lquidos e Slidos.......................................................................... 75Caracterizao da Biomassa para Fins Energticos................................................76Determinao do Poder Calorfco Superior (pcs) e Poder Calorfco Inferior(pci) e Anlise Elementar ........................................................................................ 76Anlise Imediata, Teor de Volteis, Umidade, Carbono Fixo, Cinza; Descriodos Mtodos............................................................................................................. 77Caracterizao Energtica de Algumas Espcies Amaznicas ................................ 77Pr-tratamento da biomassa ................................................................................78Secagem .................................................................................................................... 78Torrefao de Biomassa ............................................................................................ 78Briquetes ................................................................................................................... 78Pletes ....................................................................................................................... 79Triturao .................................................................................................................. 79Processos de Converso Energtica da Biomassa ..................................................79Ciclos a Vapor ........................................................................................................... 79Consumo de Biomassa de uma Planta a Vapor..........................................................80Central com Gasifcao ........................................................................................... 81Caractersticas da Biomassa para Uso num Gasifcador de Extrao por Baixo (Downdraft) ....................................................................................................................81Sistema de Limpeza .......................................................................................................82Especifcao de uma Planta de Potncia ..............................................................82Localizao e Quantifcao da Biomassa ................................................................ 82Dimensionamento da Carga a Ser Atendida pela Planta ......................................... 83Curva de Carga ...............................................................................................................84Procedimento de Clculo de Carga .............................................................................84Pr-dimensionamento de uma central a vapor....................................................... 84Impactos Ambientais e Formas de Mitigao ........................................................85Mtodos e Modelos para Avaliao dos Impactos Ambientais ............................... 85Avaliao dos Impactos de uma Usina Termoeltrica a Biomassa .......................... 86Impacto no Ciclo de Carbono Emisses Evitadas .................................................. 86Viabilidade Econmica ........................................................................................86Os Mtodos ............................................................................................................... 87miolo sntese.indd 6 19/12/2008 16:51:257Concluso sobre a viabilidade Econmica do Projeto ...............................................89Mtodos Determinsticos............................................................................................87Mtodos no Determinsticos.....................................................................................88Resultados Concretos ..........................................................................................89Centrais Trmicas a Vapor ........................................................................................ 89Concepo do Projeto ...................................................................................................90Gesto .............................................................................................................................91Localizao do Projeto Maraj .....................................................................................89Centrais Trmicas a Gasifcao ............................................................................... 91Localizao do Projeto Genipaba ..............................................................................91Resultados .......................................................................................................................92Sustentabilidade.............................................................................................................91Computacional ....................................................................................................94Software CicloRank v1.0.......................................................................................... 94Software ComGs v1.0 ............................................................................................. 944Biodiesel e leo Vegetal in Natura ............................................................... 96Alternativas Renovveis de Energia a Partir da Biomassa: Solues Energticaspara a Amaznia ............................................................................................... 97Biodiesel no Brasil..............................................................................................100ime: Pesquisas de Ponta na rea de Produo de Biocombustveis........................104Prospeco de Processos......................................................................................... 105Anlise do leo vegetal............................................................................................ 106Pr-tratamento do leo........................................................................................... 107Degomagem e neutralizao do leo vegetal bruto com fuxo de ar ...................... 108Acidez do leo de dend ........................................................................................... 108Produo de biodiesel .............................................................................................. 110Reao de transesterifcao rota etlica Catlise Homognea ........................ 110Escala Bancada..............................................................................................................110Lavagem ..........................................................................................................................112Secagem do biodiesel ....................................................................................................112Reao de transesterifcao rota etlica Catlise Heterognea ....................... 112Escala Bancada..............................................................................................................112Reao de transesterifcao Aumento de escala.................................................113Usina piloto de biodiesel..............................................................................................114leo Vegetal in Natura em Motores de Combusto Interna.................................. 116Introduo ..........................................................................................................116Uso de leo Vegetal in Natura em Motores ............................................................ 117Propriedades Fsico-Qumicas dos leos Vegetais que Infuenciam oFuncionamento dos Motores Diesel ......................................................................... 118Propriedades que Infuenciam a Quantidade de Energia Gerada ........................... 119Kit de Converso ............................................................................................................120Motor Elsbett.................................................................................................................120Motores com pr-cmara de combusto ....................................................................120miolo sntese.indd 7 19/12/2008 16:51:258Desempenho do Grupo Gerador MWM D225-4 e Multi Fuel 4RTA-G da MAS comleo de dend in natura .......................................................................................121Motor Veicular Cristalizao do leo de dend in natura.................................... 122Uso do leo de dend refnado olena.................................................................. 123Desempenho do Grupo Gerador MWM D229-6 com leo de dend in natura ....... 123Experincias de Eletrifcao Rural Utilizando leo Vegetal como Combustvel Projetos implantados na Amaznia .......................................................................... 123Concluso ...........................................................................................................124Referncias Bibliogrfcas ................................................................................. 126Sistemas Hbridos ..................................................................................................... 126Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos ............................................................. 135Combusto e Gasifcao de Biomassa Slida ......................................................... 139Biodiesel e leo Vegetal in Natura .......................................................................... 141miolo sntese.indd 8 19/12/2008 16:51:259ApresentaoO Programa Luz para Todos, maior programa de eletrifcao rural j feito no Brasil, j realizou, desde a sua criao em novembro de 2003, at outubro de 2008, mais de um milho e oitocentas mil ligaes domiciliares em todo o Pas, correspondendo a mais de nove milhes de benefciados na zona rural brasileira. Essas ligaes foram realizadas essencialmente por extenso de rede convencional.Na Regio Amaznica, as longas distncias, os obstculos naturais, as difculdades de acesso e a baixa densidade populacional difcultam o atendimento de grande parte da populao pelo sistema convencional de distribuio. Por outro lado, o atendimento alternativo, com sistemas trmicos a diesel, muito utilizados na Regio, apresenta custos elevados associados operao e manuteno e logstica de distribuio do combustvel. Para vencer as difculdades de eletrifcar as comunidades rurais isoladas da Amaznia, o Ministrio de Minas e Energia mme promoveu, no mbito do Programa Luz para Todos, com o apoio de recursos fnanceiros no reembolsveis do Fundo Multilateral de Investimentos do Banco Interamericano de Desenvolvimento fumin/bid, uma srie de atividades destinadas ao desenvolvimento e implantao de projetos de gerao de energia eltrica de pequeno porte e a capacitao de profssionais, principalmente das concessionrias da Regio, para a implantao de solues energticas alternativas a partir de fontes renovveis de energia. Entre essas atividades se destaca a produo da presente coleo, denominada Solues Energticas para a Amaznia, constituda de 5 volumes, que abordam as seguintes tecnologias de gerao de energia renovvel: i) Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos; ii) Sistemas Hbridos; iii) Biodiesel e leo Vegetal in Natura; iv) Combusto e Gasifcao de Biomassa Slida; v) uma verso resumida de todas as tecnologias descritas anteriormente, intitulada Tecnologias de Energias Renovveis. O uso dessas tecnologias a partir de recursos locais disponveis na Amaznia, principalmente a biomassa e os pequenos aproveitamentos hidroeltricos, tem sido pouco considerado por um conjunto de questes relacionadas cultura das concessionrias, sedimentada na extenso de rede eltrica, ou falta de informao quanto viabilidade tcnica e econmica das tecnologias relacionadas a esses potenciais. As iniciativas para viabilizar o uso dessas alternativas, no hori-zonte de mdio e longo prazos, requerem aes imediatas. Entretanto, solues energticas alternativas para a Amaznia devem ser buscadas, no para substituir o atendimento convencional, mas principalmente como complemento, pelo menos at o tempo em que a maturidade tecnolgica se revele para as concessionrias da Regio. Alm da energia, essa gerao apresenta grandes perspectivas para a renda local, com o aproveitamento de recursos da regio, a fm de diversifcar a matriz energtica e tambm reduzir os custos de transporte de combustveis.Solues energticas estruturadas a partir da disponibilidade local de energia primria podem miolo sntese.indd 9 19/12/2008 16:51:2510ser uma alternativa vivel e sustentvel para eletrifcar essas reas. Para isso, este Ministrio tem trabalhado em diversas frentes, desde a realizao de projetos-piloto com tecnologias reno-vveis para o atendimento de comunidades da Regio Amaznica, at a realizao de cursos de capacitao em tecnologias renovveis, apropriadas para a Regio, para as concessionrias e outros interessados.Assim, essa iniciativa do mme, de difundir o conhecimento sobre tecnologias de gerao de energia alternativas para atendimento de comunidades isoladas, busca construir o alargamento de opes para o futuro, prestigiando o conhecimento das opes locais. outro enfoque, com-plementar s solues concretas posta em marcha pelo Programa luz para todos LpT.Ministrio de Minas e Energiamiolo sntese.indd 10 19/12/2008 16:51:2511PrefcioA Amaznia um desafo desde que foi descoberta pela civilizao europia. Primeiramente sob o domnio da coroa espanhola, assenhoreada de quase toda Hylea pelo Tratado de Tordesi-lhas, foi conquistada, ao longo dos sculos xvi a xviii, em mais uma das memorveis epopias portuguesas. Fato registrado, sob protesto, pelo padre jesuta Samuel Fritz, alemo, missionrio da Igreja espanhola na Amrica, que em sua saga pelo Amazonas, desde a provncia de Quito a Belm do Par, buscou proteger as misses espanholas que se estendiam at as barras do Rio Negro. Reclamou os direitos da igreja e coroa espanhola junto ao governador do Maranho e Gro-Par, contra os excessos dos portugueses, que como verdaderos piratas de los rios que pertencian ao domnio de Castilha, llevabn cautivos y hacian esclavos cuantos ndios encon-traban... 1. Em sua viagem cartografou o grande rio e seus tributrios, mapa de grande valor, primeiramente reproduzido pelos ingleses 2.Paul Marcoy 3, viajante francs, em famoso priplo pelo Amazonas em meados do sculo XIX, ao dar com a aparncia triste e desolada das cidades ribeirinhas abandonadas, e com o impacto do colonizador sobre o nativo e a natureza, opina que as conquistas portuguesas e espanholas lanaram nos pases subjugados e nos seus povoados os germes da destruio e no as semen-tes da vida. Mais, nas suas palavras: que a regenerao desse belo pas tarefa acima das suas foras e que um futuro vir na forma de uma migrao europia, abundante de gnio e vigor natural.Esqueceu-se Marcoy que Espanha e Portugal so parte do gnio e vigor natural do Velho Continente? Euclides da Cunha viajou pelo Purus e outros rios importantes da plancie Amaznia; legou-nos brilhantes relatos 4 do que viu e do que sentiu. Contradizendo Marcoy, desfa vigorosa e potica narrativa sobre a migrao nordestina para os confns do Acre, designando-a como uma seleo natural invertida, na qual todos os fracos, todos os inteis, todos os doentes e todos os sacrif-cados, eram expedidos a esmo, como o rebotalho das gentes, impelidos pelas grandes secas de 18791880, 18891890, 19001901, para ocupar a vastssima, despovoada, quase ignota Amaznia, o que equivalia a expatri-los dentro da prpria ptria. A interveno governamental se resumia tarefa expurgatria para livrar os grandes centros urbanos. Segundo ele, os banidos levavam a misso dolorosssima e nica de desaparecerem. E no desapareceram. Ao contrrio, em menos 1 O dirio do Padre Samuel Fritz, organizado por Renan Freitas Pinto. Editora da Universidade do Amazonas. Manaus, 20062A frota espanhola que, entre outras coisas, levava o mapa para a Espanha, foi atacada e aprisionada por navios ingleses em 1708. Rodolfo Garcia. Introduo. O dirio do Padre Samuel Fritz, organizado por Renan Freitas Pinto. Editora da Universidade do Amazonas. Manaus, 20063 Viagem pelo Rio Amazonas. Editora da Universidade Federal do Amazonas. Manaus, 2006.4 Um Clima Caluniado, in Amaznia Um Paraso Perdido. Editora Valer Universidade Federal do Amazonas. Manaus, 2003.miolo sntese.indd 11 19/12/2008 16:51:2512de trinta anos, o Estado que era uma vaga expresso geogrfca, um deserto empantanado, a estirar-se, sem lindes, para sudoeste, defniu-se de chofre, avantajando-se aos primeiros pontos do nosso desenvolvimento econmico. Fazendo coro a Euclides da Cunha podemos ento dizer que conquistamos a Amaznia, e da forma mais surpreendentemente possvel, talvez sem precedentes na histria da humanidade. Demos seguimento saga portuguesa. Desses tempos para c muitas coisas aconteceram e muitos conhecimentos foram aos poucos revelados: a importncia da foresta para o equilbrio climtico do planeta hoje incontestvel; a riqueza dos produtos da foresta abre um sem-nmero de oportunidades; inegvel o valor ecolgico e econmico da Hylea, que desperta cobias globais.A plancie amaznica toda a bacia do Solimes com seus mais importantes afuentes Purus, Javari, Juru, e parte do Amazonas com seus tributrios permanece ainda pouco tocada, com exceo das grandes cidades, principalmente Manaus. A expanso do capitalismo para a fronteira amaznica transfgurou a regio, hoje conhecida como o Arco do Desmatamento. Revelam-se, portanto, duas Amaznias: de um lado, a urbana, igual a qualquer grande centro do Sul-Sudeste, e a rural do capital, produtora de excedentes; de outro lado, a rural, tradicional, de subsistncia, oriunda daquela ocupao relatada por Euclides da Cunha, ainda detentora de conhecimentos herdados dos nativos, isolada da civilizao e ainda teimosamente sobrevivente. sobre esses ltimos que devemos voltar nossos esforos. A Amaznia que nos espera, portanto, talvez mais complexa. Nossa misso preserv-la, explorando-a com toda a inteligncia legada pela civilizao. A primeira tarefa oferecer dignidade queles que a dominaram: minimizar seus sofrimentos e assegurar uma vida com o melhor da civilizao: educao e sade pblicas de boa qualidade. A eletrifcao dessas comunidades rurais isoladas fundamental para trazer suas populaes para a contemporaneidade do mundo, e esse o papel desempenhado pelo Programa Luz para Todos.Nesse ponto devemos admitir que toda nossa rica cultura de prestao de servios de energia, baseada na extenso da rede convencional do sistema interligado e todas as regras impostas pela legislao para garantir a qualidade do servio e o equilbrio econmico fnanceiro da concesso, podem no servir para a Amaznia isolada.De igual modo, o atendimento convencional realizado com sistemas trmicos a diesel no conveniente, seja pela sinalizao dada de contradizer, em plena Amaznia, a conscincia universal de restrio ao uso de combustveis fsseis, seja pela cristalizao de interesses, cada vez mais difceis de serem demovidos. Sem mencionar os custos econmicos e os problemas logsticos dessa alternativa.A imensido do territrio e a sua descontinuidade imposta pelos rios, igaps, igaraps, forestas e outros acidentes geogrfcos e o tempo, que se conta em dias, no em horas, exigir a quebra de paradigmas no setor eltrico: a descentralizao do servio. A grandeza do territrio dever ser enfrentada de forma fragmentada, aproveitando as disponibilidades locais e diversifcada de energticos. A resposta mais adequada poder ser o uso de tecnologias renovveis adaptveis s condies locais: pequenos aproveitamentos hidroeltricos, energia solar, resduos de biomassa slida para caldeiras e turbinas a vapor, produo de leo vegetal in natura, biodiesel e etanol para uso motores de combusto interna. Todavia, a resposta tecnolgica atende apenas a um lado do problema. O outro, bem mais complexo, se refere ao uso da energia e gesto de cada unidade de gerao descentralizada. miolo sntese.indd 12 19/12/2008 16:51:2513Novamente nos deparamos com a necessidade de um modelo que aparentemente contradita com o regime de concesso dos servios pblicos. Esta necessita de escala, simplicidade e uniformidade das suas operaes, que so fundamentais para manter suas tarifas em um nvel suportvel pelos seus usurios.Talvez a resposta para esse desafo possa ser encontrada num programa complementar de estmulo cooperao nessas comunidades. Difcil, mas no impossvel. O uso produtivo da energia poder estar associado formas de gesto que possa vir a facilitar o servio da concessionria nessas reas remotas. Apoiar vigorosamente o benefciamento de espcies da Regio que pode assentar frmemente o homem, principalmente os mais jovens, nas reas rurais, ajudando a conter a migrao para os grandes centros, talvez at mesmo inverter o processo migratrio.Contudo, todas essas conjecturas podem de nada valer se legtimos representantes dos amaznidas no participarem ativamente das solues. Por certo, pesquisadores com muitos anos de servio em campo, labutando com comunidades isoladas e com larga experincia em tecnologias alternativas, sero fundamentais para apontar as melhores solues. Por isso que o Ministrio de Minas e Energia buscou a cooperao desses profssionais, com suas expertises, desde o Edital do CT-Energ, 2003, que objetivava identifcar respostas tecno-lgicas aos desafos colocados. Posteriormente, parte dos projetos aprovados nesse Edital foi apoiada pelo Fundo Multilateral de Investimentos fumin, da Cooperao Tcnica atn/mt 6697-br, realizada entre o mme e o bid, para identifcar modelos de gesto adequados e sus-tentveis para os projetos.Posteriormente, nasceu tambm no mme, em 2006, o Projeto Solues Energticas para a Amaznia, concebido no transcorrer da implantao dos projetos-pilotos aprovados no Edital do CT-Energ, 2003. A idia consistia basicamente em usar recursos do Japan Special Fund jsf da Cooperao Tcnica atn/jf-6630-br, realizada entre o mme e o Banco Interamericano de Desenvolvimento bid, para capacitar profssionais do setor eltrico, de universidades e de outras instituies relacionadas, para a elaborao e execuo de projetos descentralizados com energias renovveis para atendimento de comunidades isoladas da Amaznia. As tecnologias escolhidas foram aquelas que ofereciam condies para o atendimento desse objetivo, preferencialmente que devessem apresentar os seguintes atributos: simplicidade, confabilidade, robustez e baixo custo de manuteno e produo em escala. As tecnologias foram: i) sistemas hbridos, com a combinao de energia elica, solar fotovoltaica e grupo-gerador diesel; ii) pequenos aproveitamentos hidroeltricos com turbinas de baixa queda; iii) queima de resduos de biomassa em caldeira/turbina a vapor e iv) produo e de biodiesel e de leo vegetal in natura para uso em motores de combusto interna. Posteriormente, achamos por bem incluir gasifcao de biomassa slida, que se ainda no madura para gerao de eletricidade, apresenta potencial para outros aproveitamentos, inclusive para produo de frio.O Projeto Solues Energticas para a Amaznia foi executado, por meio de Cartas de Acordo com o mme, por professores/pesquisadores da Universidade Federal da Par ufpa; da Uni-versidade Federal de Itajub-Unifei; da Universidade Federal do Amazonas ufam, esta ltima tendo contado com a fundamental colaborao do Instituto Militar de Engenharia ime. A escolha dessas instituies se deveu experincia dos seus pesquisadores na implantao de projetos com energias renovveis no interior da Amaznia, inclusive no mbito do Edital CT-Energ, 2003.Os resultados desse projeto so conhecidos: realizao de dois cursos de capacitao para cerca de 400 profssionais, um bsico (40h), realizado simultaneamente nas noves capitais da miolo sntese.indd 13 19/12/2008 16:51:2614Amaznia Legal, e um avanado (160h), realizado nas universidades acima citadas. Esses treina-mentos foram realizados entre novembro de 2007 e maio de 2008, ambos apoiados por manuais de elaborao de projetos nas tecnologias acima citadas, tambm preparados no mbito dessa cooperao tcnica.O ltimo produto dessa bem sucedida cooperao tcnica a presente coleo de livros Solues Energticas para a Amaznia, sendo que quatro deles representando um conjunto de tecnologias e um volume com a sntese das tecnologias apresentadas: i) Sistemas Hbridos; ii) Pequenos Aproveitamentos Hidroeltricos; iii) Combusto e Gasifcao de Biomassa Slida; iv) Biodiesel e leo Vegetal in Natura; e v) Tecnologias de Energias Renovveis. Espera-se que esses livros se constituam como referncia para o setor eltrico, principalmente quando se for dada a necessria ateno ao atendimento de comunidades isoladas. Para fnalizar, gostaria de agradecer a todos aqueles que colaboraram ativamente com a exe-cuo desse projeto, primeiramente, os professores/pesquisadores que meteram a mo na massa, verdadeiros artfces: Joo Tavares Pinho, que coordenou o tema sistemas hbridos e Gonalo Rendeiro e Manoel Nogueira que coordenaram combusto e gasifcao de biomassa, e suas respectivas equipes, todos da ufpa; Geraldo Lcio Tiago, da Unifei, que embora no sendo da Amaznia, juntamente com sua equipe desenvolveu alguns projetos bem sucedidos de pequenos aproveitamentos hidroeltricos na regio e Antonio Cesar Pinho Brasil Jr. e Rudi Van Els, da UnB, que tambm contriburam nessa rea com seus conhecimentos em turbinas hidrocinticas; Jos de Castro Correia, da ufam, que com o providencial apoio da prof Wilma de Arajo Gonzalez e equipe, do ime, coordenaram o tema produo de biodiesel e de leo vegetal in natura para uso em motores de combusto interna.Ao professor Roberto Zilles, da usp, responsvel por um dos mais bem sucedidos projetos do CT-Energ,2003, que aceitou fazer a reviso tcnica do livro Sistemas Hbridos, trabalho que executou com entusiasmo desinteressado. E ao professor Gutemberg Pereira Dias, pela dispo-sio em discutir todos os assuntos referentes s tecnologias em pauta, em especial o uso de biocombustveis em motores de combusto interna; ele tambm procedeu a uma reviso tcnica das publicaes que trataram desse tema. No mme esse projeto contou com o frme apoio de Antonio Joo da Silva, que, arrisco dizer, sem ele no teria sido possvel. Esteve presente desde a concepo e acompanhou todo o processo de execuo, sempre buscando apresentar as solues quando o projeto encontrava difculdades no seu cumprimento. Mobilizou toda a sua equipe para viabilizar o projeto: Eder Julio Ferreira e Manoel Antonio do Prado, sempre trabalhando com muita diligncia, e a Manuela Ordine Lopes Homem Del Rey, Alessandro Ferreira Caldeira e Samuel da Silva Lemos, pela presteza e competncia no apoio. Devemos agradecimentos ainda a Armando Cardoso, Assiz Ramos e Roberto Flaviano Amaral, sempre muito solcitos para o atendimento de demandas do projeto, e a Marcelo Zonta, que na execuo de uma das suas partes mais difceis, a capacitao simultnea de 370 profssionais nas nove capitais da Amaznia, gentilmente cedeu parte da sua equipe, que acabou por contribuir de forma decisiva para o sucesso do evento: Carla Segui Scheer, que ajudou com muita efcincia a coordenao dos trabalhos, Aron Costa Falek, Elane da Cunha Muiz Caruso e Luis Henrique dos Santos Bello.Ainda um agradecimento muito especial a Lucia Mitico Seo e Jos Renato Esteves Jnior, sempre dispostos a discutir assuntos do projeto, principalmente quando se tratava das propostas miolo sntese.indd 14 19/12/2008 16:51:2615de arte das publicaes. Por fm, sinceros agradecimentos a Dr. Helio Morito Shinoda, Diretor do Programa Luz para Todos, e demais integrantes da equipe. No bid, os agradecimentos vo para Dr. Ismael Glio, especialista setorial, que acreditou no projeto, apesar de todas as difculdades por que passamos, e tambm sua fel escudeira, Marlia Santos.As opinies constantes neste prefcio, bem como aquelas expressas nos livros desta coleo, so de exclusiva responsabilidade dos seus autores. Eduardo Jos Fagundes BarretoCoordenadormiolo sntese.indd 15 19/12/2008 16:51:2616 Tecnologias de Energias Renovveis 16 Tecnologias de Energias Renovveis1 Sistemas HbridosSolues Energticas para a AmazniaJoo Tavares Pinho (Coordenador)Claudomiro Fbio Oliveira BarbosaEdinaldo Jos da Silva PereiraHallan Max Silva SouzaJoo Tavares PinhoLuis Carlos Macedo BlasquesMarcos Andr Barros GalhardoWilson Negro Macdomiolo sntese.indd 16 19/12/2008 16:51:2617 Sistemas HbridosConceitos BsicosSabe-se que a energia um insumo fundamental para o desenvolvimento da sociedade. Atual-mente, o homem est cada vez mais dependente de energia, pois com sua inteligncia desenvolveu maneiras para acomodar suas necessidades e desejos, utilizando-se das mais variadas formas de energia para tal. O que nos primrdios da humanidade dependia quase que exclusivamente da fora bruta do homem caar, plantar, colher, pescar, transportar construir com o passar do tempo foi adequado ao uso de mquinas e servios baseados na transformao da energia. Hoje, o homem caa usando armas diversas, planta e colhe com tratores, pesca com barcos velozes e multifuncionais, transporta e constri com veculos e engrenagens movidas a energia. A depen-dncia, portanto, da energia cresce em diversifcao e em intensidade em todo o mundo.O uso da energia deve, entretanto, ser atrelado ao tipo de recurso energtico disponvel, sua viabilidade tcnica e econmica, alm dos impactos ambientais associados ao seu aproveitamento. Qualquer que seja a tecnologia aplicada, em maior ou menor grau, produzir algum tipo de rejeito ou impacto ambiental. Os efeitos nocivos ao meio ambiente e ao homem quase sempre no so contabilizados nas anlises econmicas dos projetos de gerao de energia. Durante muito tempo, a lgica foi produzir bens e atender necessidades sem dar importncia vida.So diversos os tipos de recursos energticos, todos eles direta ou indiretamente dependentes da fonte primria de energia da Terra o Sol. Fontes de energia ditas renovveis, solar e elica, por exemplo, ou no-renovveis como os combustveis fsseis, podem e devem ser utilizadas de forma nica ou combinada (sistemas hbridos) para melhorar a qualidade de vida do homem. A opo por qualquer alternativa, ainda que vivel tcnica e economicamente, passa pelo res-peito ao meio ambiente, aos costumes e cultura dos envolvidos. No Brasil, a maior parte da energia consumida proveniente do petrleo e seus derivados, o que contribui para o aumento da poluio atmosfrica e de doenas respiratrias, incremento do efeito estufa edispndio de divisas para aquisio do mesmo. A matriz energtica brasileira tambm agrega um percentual importante associado energia produzida em sua maior parte pelas grandes hidreltricas e diversas termeltricas espalhadas pelo Pas. Este benefcio, contudo, no atinge grande parte da populao brasileira, especialmente no norte do Pas, onde as linhas de transmisso passam por sobre vilarejos sem expresso econmica, deixando seus moradores s escuras, desassistidos, sem perspectivas de crescimento como cidados.Outras formas de energia abundantes no Brasil podem ser utilizadas para, pelo menos, miti-gar o isolamento social e econmico de municpios e pequenos consumidores distantes da rede integrada nacional e no atendidos pelas concessionrias de energia eltrica. A energia de fontes solar, elica, hdrica, trmica, biomassa e outras esto disponveis no Brasil e precisam ter seu uso incentivado atravs de polticas pblicas que fortaleam seu desenvolvimento. Esperar que miolo sntese.indd 17 19/12/2008 16:51:2618 Tecnologias de Energias Renovveisapenas uma das fontes citadas resolva o problema de energia no Pas irreal, porm o apro-veitamento da disponibilidade local de cada uma delas pode trazer contribuio signifcativa matriz energtica brasileira. Esta j uma realidade em pases desenvolvidos, como Alemanha, Espanha, Estados Unidos, onde as fontes renovveis respondem por parcela considervel na produo de energia.A produo e o uso de energia no podem deixar de lado, entretanto, os cuidados com as questes ambientais. Diversos fruns internacionais tm discutido questes como o efeito estufa, destino de rejeitos radiativos, poluio de cursos dgua, degradao do solo pelo uso de agrotxicos, aparecimento de novas doenas, destruio de forestas, etc. Estes problemas ainda hoje so de difcil quantifcao, porm suas conseqncias danosas e, s vezes irrevers-veis, precisam ser mais bem consideradas.Energia Solar FotovoltaicaO aproveitamento da energia solar para produo direta de eletricidade teve incio h pouco mais de 160 anos quando, em 1839, o cientista francs Edmond Becquerel descobriu o efeito fotovoltaico, ao observar, em um experimento com uma clula eletroltica (dois eletrodos metlicos dispostos em uma soluo condutora), que a gerao de eletricidade aumentava quando a clula era exposta luz. A partir da, foram estudados os comportamentos de diversos materiais expostos luz at o ano de 1954, quando Daryl Chapin, Calvin Fuller e Gerald Pearson desenvolveram a primeira clula fotovoltaica (FV) de silcio, com efcincia de 6%, capaz de converter energia solar em eletricidade sufciente para alimentar equipamentos eltricos. No ano de 1958, iniciou-se a utilizao de clulas FV em aplicaes espaciais e at hoje essa fonte reconhecida como a mais adequada para essas aplicaes.Desde ento, a evoluo do mercado FV vem sendo bastante intensa, tornando comuns apli-caes em sistemas domsticos, sinalizao martima, eletrifcao de cercas e outros. Em 2004, foi fnalizado o projeto do maior sistema FV do mundo, o parque solar da Bavria, Alemanha, de 10 MWp de potncia instalada. Dentre os principais pases produtores de clulas fotovoltaicas no mundo, destacam-se: Japo, Alemanha e Estados Unidos (eua).O Japo foi o lder na produo de clulas e mdulos fotovoltaicos durante o ano de 2006, com cifras de 920 MW e 645 MW, respectivamente (fgura 1.1). A produtora japonesa Sharp se mantm lder, com a produtora alem Q-cells em segunda posio, seguida da Kyocera, Sanyo Electric e Mitsubishi Electric. Essas cinco companhias somaram 60% do total de produo de clulas em 2006. Apesar de o Japo ainda liderar a produo de clulas, a Alemanha que lidera a demanda fotovoltaica, seguida do Japo e eua. Essa demanda se deve basicamente utilizao de sistemas fotovoltaicos conectados rede eltrica, que corresponde principal aplicao de gerao de energia eltrica com sistemas fotovoltaicos nos pases desenvolvidos.Oaproveitamentosolarfotovoltaicopassainicialmentepeloconhecimentodosfatores que infuenciam na disponibilidade do recurso e na caracterizao desse recurso. No dia-a-dia observa-se o movimento aparente do Sol numa direo que vai de leste a oeste, ou simplesmente o nascer e o pr-do-sol. Notam-se tambm as variaes que ocorrem na durao dos dias e das noites em diferentes pocas do ano em algumas regies. Os movimentos que a Terra realiza so muitos; sendo os mais conhecidos o de rotao, que tem durao de aproximadamente um dia, e o de translao, que dura aproximadamente 365 dias (fguras 1.2 e 1.3). Dentre as miolo sntese.indd 18 19/12/2008 16:51:2619 Sistemas Hbridosconseqncias diretas desses movimentos podem ser citadas as diferentes duraes do dia e da noite em diferentes regies do globo e as estaes do ano: primavera, vero, outono e inverno. Outros fatores como as variaes irregulares so determinantes na quantidade do recurso solar disponvel de uma dada localidade.Figura 1.1 Produo de clulas fotovoltaicas, em MW por pas. [photon international, 2007].Figura 1.3 A Terra e o Sol nas posies dos solstcios e dos equinciosFigura 1.2 rbita da Terra em torno do Sol: posio da terra com relao ao sol nos solstcios e equinciosmiolo sntese.indd 19 19/12/2008 16:51:2920 Tecnologias de Energias RenovveisO efeito fotovoltaico defnido como a converso direta de luz em eletricidade. Os seus funda-mentos baseiam-se na teoria do diodo de juno pn, e os elementos que constituem o dispositivo conversor so chamados de fotoelementos.Se uma juno pn for exposta a ftons com energia maior que a da banda proibida, ocorrer a gerao de pares eltron-lacuna. Se isto acontecer na regio onde o campo eltrico diferente de zero, as cargas sero aceleradas, gerando assim uma corrente atravs da juno; esse desloca-mento de cargas d origem a uma diferena de potencial qual chama-se de efeito fotovoltaico. Se as duas extremidades do bloco de silcio forem conectadas a um circuito externo, haver uma circulao de eltrons (fgura 1.4).Figura 1.4 Processo de converso fotovoltaicaDevido baixa tenso e corrente de sada em uma clula fotovoltaica, agrupam-se vrias clulas formando um mdulo, para que se obtenham tenses teis na prtica. O arranjo das clulas nos mdulos pode ser feito conectando-as em srie e/ou em paralelo. Para garantir maiores nveis de potncia, corrente e/ou tenso, os mdulos podem ser associados em srie e/ou paralelo, dependendo dos valores desejados. Uma associao de mdulos d origem a um gerador ou arranjo FV.Dentre os fatores que infuenciam as caractersticas da clula, a irradincia e a temperatura so os mais importantes. Baixos nveis de irradincia reduzem a corrente gerada sem causar reduo considervel tenso, enquanto que altos valores de temperatura da clula reduzem a tenso em maiores propores que aumentam a corrente, deslocando assim o ponto de mxima potncia para a esquerda.O dispositivo responsvel pela converso da luz incidente em eletricidade denominado de clula fotovoltaica. Os materiais empregados na sua construo so elementos semicondutores, sendo, em escala comercial, a maioria fabricada de silcio, devido a trs fatores principais: o sil-cio no txico, o segundo elemento mais abundante na natureza (o primeiro o oxignio), e possui uma tecnologia consolidada devido sua utilizao predominante no ramo da microele-trnica. A fgura 1.5 mostra a participao das principais tecnologias utilizadas comercialmente na confeco de clulas e mdulos fotovoltaicos.miolo sntese.indd 20 19/12/2008 16:51:3021 Sistemas HbridosA maioria dos materiais utilizados na converso fotovoltaica so cristalinos, caracterizando-se por terem uma estrutura de tomos que se repete. Atualmente, o silcio ainda o material mais utilizado na produo de clulas FV, podendo ser encontrado nas formas monocristalina, mul-ticristalina ou policristalina, e amorfa.Todas as tecnologias acima citadas so mais bem descritas a seguir: Clulas de Silcio Monocristalino: so atualmente as mais utilizadas comercialmente. O1. silcio o segundo material mais abundante na crosta terrestre e clulas fabricadas com esse material no apresentam problemas ambientais causados pela combinao dos seus elementos constituintes. Apresentam elevada vida til. As clulas de silcio monocristalino so desenvolvidas a partir de um nico cristal. Comercialmente, a efcincia dessas clulas j atinge valores prximos a 16%. As desvantagens esto relacionadas com o alto custo de produo, devido ao processo construtivo, e ao alto consumo de energia nos processos de fabricao. Acredita-se que novas tecnologias empregadas na fabricao do silcio possam alterar esse quadro. Clulas de Silcio Poli ou Multicristalino: so constitudas de diversos cristais em contato2. entre si, dispostos de maneira no alinhada. Esse procedimento visa reduzir custos de fabricao, embora haja uma pequena perda de efcincia. Os avanos tecnolgicos vm reduzindo bastante as diferenas de custo e efcincia entre as clulas mono e policristalinas, sendo essas diferenas atualmente pouco perceptveis. Clulas de Silcio Amorfo: no apresentam qualquer ordenamento na estrutura dos3. tomos. Seus custos de material so reduzidos se comparados s clulas anteriores, porm apresentam efcincia tambm reduzida, com o mximo valor comercial atingindo 10%. Clulas de Arseneto de Glio (GaAs): tm estrutura similar do silcio, apresentando4. Figura 1.5 Participao das principais tecnologias utilizadas comercialmente na confeco de clulas e mdulos fotovoltaicos [photon international, 2007]miolo sntese.indd 21 19/12/2008 16:51:3022 Tecnologias de Energias Renovveisefcincia ligeiramente superior. Ideais para utilizao em sistemas com concentrao, so pouco utilizadas em escala terrestre, principalmente devido ao complexo processo de produo envolvido, resultando em custos muito elevados. Clulas de Disseleneto de Cobre-ndio ( 5.cis): so compostas por um material policristalino, podendo captar uma larga faixa do espectro solar. No entanto, o gasto de material maior do que no silcio amorfo, devido presena do ndio. Essa tecnologia pode ocasionar contaminao ambiental devido combinao de seus elementos. Apresentam efcincias mximas laboratoriais de 19,2% e comercias da ordem de 14%. Clulas de Telureto de Cdmio (CdTe): tambm so compostas por arranjos6. policristalinos. Os riscos ambientais apresentados so mnimos, porm apresentam difculdade no processo de dopagem. Atingem efcincias mximas laboratoriais da ordem de 16,5% e comercias da ordem de 11%.A respeito da tecnologia de produo de eletricidade utilizando-se o efeito fotovoltaico, pode-se separar o mercado em dois principais setores: o silcio cristalino ( monocristalino e o policristalino) e o silcio amorfo. A fgura abaixo ilustra trs painis correspondentes s tecnologias cristalina e amorfa:Figura 1.6 Mdulos FV fabricados comercialmente a partir de clulas de silcio (a) monocristalino, (b) policristalino e (c) amorfoa b cEm localidades sem o atendimento eltrico convencional, os mdulos fotovoltaicos constituem uma alternativa vivel quando comparada com a extenso da rede eltrica, diesel e outras fontes.Os sistemas fotovoltaicos conectados rede eltrica so mais efcientes, econmicos, em mdia 40% mais baratos, e de maior durabilidade que os sistemas fotovoltaicos autnomos, pois no neces sitam de sistemas de armazenamento. Atualmente, os sistemas de fornecimento de eletricidade isolados vm se tornando cada vez mais padronizados e fexveis. Isso se deve, basicamente, semelhana cada vez maior entre as caractersticas eltricas de atendimento dos sistemas convencionais (rede eltrica) e as caractersticas de atendimento dos sistemas destinados a localidades isoladas. Um exemplo prtico desse desenvolvimento est justamente na utilizao de sistemas fotovoltaicos interligados a minirredes isoladas para o atendimento de pequenas comunidades, fornecendo energia diretamente no barramento CA, semelhante ao que acontece nos grandes centros urbanos.miolo sntese.indd 22 19/12/2008 16:51:3823 Sistemas HbridosEnergia ElicaEm sistemas hbridos do tipo fotovoltaico-elico-diesel a energia elica, assim como a energia solar, desempenha papel fundamental para o bom desempenho do sistema. O conhecimento de suas caractersticas, desde as mais fundamentais at as mais particulares, de extrema impor-tncia para garantir um projeto bem dimensionado, a escolha de equipamentos adequados para cada situao, bem como para uma correta instalao.As caractersticas do vento, seus conceitos bsicos e suas formas de circulao na atmosfera terrestre so temas fundamentais e de grande importncia para o estudo da energia elica como fonte de gerao de eletricidade. Os ventos so resultantes do movimento do ar na atmosfera, e so originados, basicamente, pelo aquecimento heterogneo da superfcie terrestre pela radiao solar e pelo movimento de rotao da Terra. So classifcados como gerais e locais; os primeiros sopram sobre a atmosfera e os ltimos sopram prximo superfcie.A velocidade de vento, parmetro mais importante no estudo da converso elio-eltrica, varia com a altura, sendo essa variao nula na superfcie do solo, mais acentuada em alturas prximas superfcie, pouco signifcativa a alturas prximas a 150 m, e nula a aproximadamente 2 km sobre o solo. O fenmeno de variao da velocidade de vento com a altura denominado de perfl vertical de vento. Esta variao pode ser extrapolada, conhecendo-se a velocidade de vento a uma altura qualquer, a fm de se obter o novo valor de velocidade a uma altura diferente, atravs de dois modelos, conhecidos como perfs da lei de potncia e logartmico do vento (fgura 1.7).Figura 1.7 Perfl vertical de ventoA primeira etapa no estudo da energia elica para converso em eletricidade a avaliao do potencial elico. A avaliao iniciada com a medio dos parmetros de interesse. Instrumentos de medio como anemmetros, sensores de direo de vento, termmetros e barmetros so utilizados para medio, respectivamente, de velocidade e direo de vento, temperatura e presso miolo sntese.indd 23 19/12/2008 16:51:3824 Tecnologias de Energias Renovveisatmosfrica. A umidade relativa do ar, medida por higrmetros, apesar de no infuenciar dire-tamente no aproveitamento elico, avaliada para a determinao de infuncias indiretas.De posse dos dados medidos, a avaliao normalmente realizada atravs de modelos pro-babilsticos. Valores mdios, desvio padro e funes de distribuio so utilizados para avaliar o comportamento do potencial elico. A distribuio de Weibull o modelo probabilstico mais utilizado para representar as curvas de freqncia de velocidade do vento.A potncia disponvel no vento proporcional ao cubo da velocidade de vento. Outros par-metros de importncia so a densidade do ar e a rea varrida pelas ps do rotor elico. O coe-fciente de potncia um fator limitante da potncia efetivamente aproveitada por um sistema elico, e representa a parcela de potncia do vento que pode efetivamente ser aproveitada por uma turbina elica. Seu mximo terico defnido pelo limite de Betz (16/27, ou 0,593), porm alcana valores menores na prtica. Se consideradas as demais perdas envolvidas no processo de converso, como as perdas aerodinmicas, mecnicas e eltricas, o coefciente de potncia pode ser igualado efcincia global de converso.Os aerogeradores so os equipamentos responsveis pela converso elio-eltrica. O rotor elico o componente mais caracterstico de um aerogerador. Uma das classifcaes tpicas de aerogeradores aquela dada em funo da direo de seu eixo de rotao em relao ao vento. Atualmente, os aerogeradores mais comuns so aqueles de eixo horizontal. Os componentes principais de aerogeradores de eixo horizontal, alm do rotor elico e suas ps, so os eixos de baixa e alta velocidade, sistema de multiplicao, sistema de orientao, mecanismos de controle, e gerador eltrico. A nacele, tambm conhecida por gndola, o compartimento responsvel pelo abrigo, proteo e sustentao de todos os componentes do aerogerador, com exceo do rotor. A torre tem como funo bsica o suporte do rotor e demais componentes do aerogerador, bem como sua localizao em uma altura adequada para o melhor aproveitamento da potencialidade elica disponvel (fgura 1.8).1- Grua de manuteno2- Gerador3- Sistema de refrigerao4- Unidade de controle5- Sistema de multiplicao6- Eixo principal7- Sistema de bloqueio do rotor8- P9- Cubo do rotor10- Cone11- Suporte das ps12- Nacele13- Sistema hidrulico14- Amortecedor15- Anel de orientao16- Freio17- Torre18- Sistema de orientao19- Eixo de alta velocidadeFigura 1.8 Algumas partes constituintes de um aerogerador. Fonte: gamesa, 2007O desempenho dos aerogeradores normalmente determinado em funo de sua curva de potn-cia, que determina os valores de potncia disponveis na sada do aerogerador, para cada faixa de velocidade de vento. Os principais valores de velocidade de vento de uma curva de potncia so miolo sntese.indd 24 19/12/2008 16:51:3925 Sistemas Hbridosa velocidade de partida, a mnima para que o rotor saia de seu estado de repouso inicial e inicie a gerao de energia; a velocidade nominal, aquela na qual a potncia nominal do aerogerador extrada; e a velocidade de corte, na qual o movimento do rotor elico interrompido, protegendo-o contra danos estruturais. Outra forma de se determinar o desempenho de aerogeradores atravs do fator de capacidade, que indica o real rendimento de um aerogerador, considerando todas as perdas no processo de converso. O fator de capacidade a razo entre a energia efetivamente gerada por um aerogerador e sua potncia nominal, considerando-se um perodo de tempo qual-quer. Quanto maior o fator de capacidade, melhor o desempenho do aerogerador.Figura 1.9 Conceitos relacionados a um rotor elicoSistemas elicos podem ser instalados em terra (onshore) e no mar (offshore), e podem ser a nica fonte de gerao em um sistema isolado, estar conectados ao sistema interligado, confgurando o que se conhece como gerao distribuda, ou ainda compor, com outras fontes de gerao, um sistema hbrido isolado.Os impactos ambientais de sistemas elicos podem ser considerados de pequena escala. O visual basicamente comum a todas as fontes de gerao, o sonoro bastante reduzido se comparado a outras fontes de rudos, e a ocupao de reas est sendo minimizada com a ins-talao de sistemas no mar. Outros impactos, tpicos de sistemas elicos, mas que vm sendo bastante minimizados com o passar do tempo, so os desvios de rotas migratrias e mortes de aves, morcegos e insetos, e a interferncia eletromagntica, causada pela refexo ou distoro de ondas eletromagnticas emitidas por sistemas de transmisso de sinais.Grupos GeradoresOs grupos geradores so mquinas muito utilizadas para o fornecimento de energia eltrica. Dentro da regio amaznica, eles so bastante aplicados para atender a localidades situadas em zonas rurais e em lugares isolados do sistema interligado nacional.miolo sntese.indd 25 19/12/2008 16:51:3926 Tecnologias de Energias RenovveisNa maioria das vezes, a operao de um grupo gerador feita atravs da insero de combus-tvel no motor de combusto interna, que pode ser do tipo otto ou diesel, e ao iniciar a partida esse motor aciona o eixo de um gerador eltrico fornecendo tenso nos seus terminais.Figura 1.10 Esquema de combusto para o motor de quatro tempos [http://mea.pucminas.br/ricardo/pos/Aula_01.pdf, 2007]A fcil aquisio desse maquinrio, principalmente por apresentar uma ampla faixa de potncia comercialmente disponvel, o preo de aquisio menor quando comparado com outras fontes de energia (elica, solar), alm de sua robustez o torna atrativo para atendimento de localidades isoladas.Dependendo do porte dos grupos geradores, existir a necessidade ou no da utilizao de unidades de supervisionamento e controle em corrente alternada (usca), onde o operador poder realizar a partida e parada da mquina alm de monitorar as grandezas eltricas tais como tenso, corrente, freqncia.A desvantagem em utilizar grupos geradores est no fato de que o custo de operao e manuteno elevado, alm de a logstica para a obteno do combustvel ser onerosa. Outro fator est relacionado com a poluio do meio ambiente, tanto no transporte e armazenamento do combustvel com possibilidade de vazamentos do material como no funcionamento do grupo gerador atravs da emisso de gases poluentes para a atmosfera.Os grupos geradores podem ser utilizados em conjunto com outras fontes de energia, carac-terizando assim os denominados sistemas hbridos.Atualmente, alm de essas mquinas operarem em sua maioria com o diesel, existe grande inte-resse por parte do governo em realizar adaptaes nos motores para que eles passem a funcionar com a utilizao de biodiesel, contribuindo assim para a diminuio dos impactos ambientais.Sistema de ArmazenamentoA natureza das fontes renovveis solar e elica intrinsecamente varivel no tempo, dependendo dos ciclos dirios, das estaes do ano e das variaes aleatrias da atmosfera. Como conseqncia disso, so muitos os momentos nos quais a potncia eltrica que pode ser entregue pela parte renovvel difere, por excesso ou por dfcit, da qual demandada por uma determinada aplicao. No caso particular dos sistemas hbridos de produo de eletricidade, o correto fornecimento miolo sntese.indd 26 19/12/2008 16:51:4027 Sistemas Hbridoseltrico da aplicao exige, portanto, poder armazenar energia nos momentos em que a produo excede a demanda, para utiliz-la em situao inversa. Denomina-se de sistema de armazenamento ao componente do sistema que se encarrega de realizar tal funo. Historicamente, o sistema de armazenamento mais utilizado em sistemas hbridos aquele constitudo de acumuladores eletroqumicos (ou baterias) de chumbo-cido.Uma bateria constituda de duas ou mais clulas conectadas em srie. Uma clula bsica formada de dois eletrodos. Comumente um chamado de eletrodo positivo e o outro de ele-trodo negativo.Normalmente, a tenso nominal de uma clula situa-se entre 1,2 e 3,6 V. Dessa forma, comum a utilizao de vrias clulas conectadas em srie para formar uma combinao com tenso nominal mais elevada. A tenso nominal de uma bateria assim defnida pelo nmero de clulas conectadas em srie, vezes a tenso nominal de uma nica clula. As clulas so integradas e conectadas em srie com somente um conjunto de terminais. Um exemplo bem conhecido a bateria usada para partida, iluminao e ignio de automveis, em que 6 clulas so conectadas em srie, porm vendidas como um bloco de 12 V.As baterias podem ser classifcadas, quanto disponibilidade de carga, como primrias (ou no recarregveis) e secundrias (ou recarregveis). Dentre os tipos de baterias primrias podem ser citadas as pilhas, no recarregveis, e a maioria das baterias usadas em relgios e brinquedos ele-trnicos. Com relao s baterias secundrias, as baterias automotivas so as mais conhecidas.Existem diversos tipos de baterias recarregveis disponveis comercialmente, e suas caracters-ticas variam em funo da sua forma construtiva e dos elementos que as compem. Com relao ao eletrlito que as compem, podem ser classifcadas basicamente por abertas e seladas.As baterias abertas so aquelas onde o nvel de eletrlito deve ser periodicamente verifcado, devendo trabalhar na horizontal. Nas seladas, o eletrlito confnado no separador ou sob a forma de gel. So usualmente conhecidas como livres de manuteno. Baterias de Pb-cido utilizam em suas grades ligas de Pb-cido, de modo a reduzir a perda de gua decorrente da eletrlise da gua, durante o processo de carga.Em relao ao tipo de utilizao, as mais comuns so as automotivas, estacionrias, trao e fotovoltaicas. A seguir so apresentadas as principais caractersticas de cada uma delas: Automotivas: Projetadas para regimes de carga e descarga rpidos com elevadas taxasde corrente (> 3I20) e reduzidas profundidades de descarga, da ordem de 30% (partida). Como caracterstica principal desse tipo de bateria destaca-se a baixa resistncia aos ciclos de carga e descarga; Estacionrias: Projetadas para permanecer em futuao e ser solicitadasocasionalmente (backup). Alm disso, podem operar com regimes de carga elevados. Dentre as principais caractersticas destacam-se a moderada resistncia ao processo de ciclagem e o baixo consumo de gua; Trao: Projetadas para operar com ciclos profundos e freqentes e regime de descargamoderados. Suas principais caractersticas so: alta resistncia a ciclagem, alto consumo de gua e manuteno freqente; Fotovoltaicas: Projetadas para ciclos dirios rasos com taxas de descarga reduzidas(descargas profundas espordicas, da ordem de at 80%). Como caractersticas principais destacam-se a resistncia ao processo de ciclagem e a pouca manuteno.Diferentes tipos de baterias recarregveis, passveis de serem usadas nas aplicaes autnomas miolo sntese.indd 27 19/12/2008 16:51:4028 Tecnologias de Energias Renovveisde fornecimento de energia eltrica, so constantemente disponibilizados pelo mercado (Ni-Fe, Ni-Zn, Zn-Cl). Entretanto, a disponibilidade do mercado reduz a possibilidade de escolha dos tipos que podem ser empregados em sistemas isolados, tais como os sistemas hbridos. Dessa maneira, as baterias de chumbo-cido (Pb-cido) e nquel-cdmio (Ni-Cd) tornaram-se algumas das poucas opes para os projetistas e, portanto, as mais usuais. O preo das ltimas , para a mesma quantidade de energia, da ordem de quatro ou cinco vezes superior ao das primeiras.Assim, a questo econmica associada disponibilidade do mercado fez com que a maioria dos acumuladores utilizados nos sistemas fotovoltaicos, elicos, ou hbridos, sejam constitudos de baterias recarregveis de chumbo-cido.As condies de operao variam consideravelmente de acordo com a localizao, tipo de aplicao, padro da carga, geradores instalados e a estratgia de operao empregada. Os parmetros mais importantes para classifcao das condies de operao so as correntes de carga e descarga, temperatura, e o perfl do estado de carga ao longo do ano.Para se obter bancos de baterias mais robustos deve-se associar vrias baterias de menor capacidade em srie e/ou paralelo de modo a se obter o tamanho do banco desejado. Para a composio do banco de baterias, vrios aspectos devem ser considerados, dentre os quais se destacam: a escolha adequada da tenso do banco de baterias e o correto dimensionamento dos cabos usados na transferncia de energia da e para a bateria.Figura 1.11 Infuncia do dimensionamento do gerador e da bateria nos parmetros PDe, e D: (a) diminuindo o tamanho do gerador e aumentando o acumulador, e (b) aumentando o tamanho do gerador e diminuindo o tamanho do acumuladorSistema de Condicionamento de PotnciaO sistema de condicionamento de potncia composto por equipamentos cuja funo principal otimizar o controle gerao/consumo visando ao aproveitamento timo dos recursos, aliado qualidade e continuidade na entrega da energia ao usurio. Assim como as baterias, alguns com-ponentes do sistema de condicionamento de potncia so essenciais para o bom desempenho de sistemas hbridos. Os principais equipamentos so os controladores de carga, inversores de tenso, retifcadores, conversores, transformadores e diodos.O controlador de carga um equipamento normalmente associado ao arranjo fotovoltaico, responsvel por gerenciar os processos de carga (sentido arranjo FV bateria) e descarga (sentido bateria carga) das baterias, contribuindo, assim, para a preservao da vida til das mesmas. miolo sntese.indd 28 19/12/2008 16:51:4129 Sistemas HbridosOs controladores devem ser utilizados com os tipos de baterias para os quais foram projetados, ou ser ajustados para cada tipo, no caso daqueles que permitem o ajuste de seus parmetros (setpoints) por parte do usurio. O controle normalmente desenvolvido atravs de dois mtodos, o liga/desliga, mais simples, e o de tenso constante, no qual a regulao dos nveis de carga da bateria realizada de forma otimizada. Com relao forma como desconectam o arranjo FV das baterias, os controladores so classifcados pelos mtodos paralelo (shunt) e srie. As caractersticas mais importantes de controladores de carga a serem consideradas na etapa de dimensionamento so a sua capacidade (A) e a sua tenso de operao (VCC).O retifcador de tenso responsvel pela converso da potncia dos aerogeradores e grupos geradores a diesel que esto conectados no barramento CA para uma potncia CC, seja para carregar baterias, seja para suprir eventualmente alguma carga CC. Aerogeradores de pequeno porte so normalmente acompanhados por retifcadores de tenso que, por sua vez, so usual-mente combinados com um sistema de controle de carga.O inversor de tenso converte a corrente contnua, proveniente dos equipamentos de gerao e armazenada pelas baterias, em corrente alternada, sendo tambm conhecido como conversor CC-CA. Sua utilizao fundamental devido maior facilidade de se encontrar no mercado equipamentos eletro-eletrnicos de uso fnal que operam em corrente alternada. Dentre as caractersticas principais dos inversores esto as suas tenses de operao de entrada (CC) e sada (CA), freqncia, potncia nominal, capacidade de surto, efcincia e forma de onda de sada, que pode ser de trs tipos: quadrada, quadrada modifcada e senoidal.O conversor CC-CC um equipamento que ajusta um valor de tenso CC diferente do fornecido pelo sistema de gerao/armazenamento, ou quando se deseja obter vrios valores de tenso a partir de uma nica entrada. Os conversores CC-CC podem elevar a tenso (boost) ou baix-la (buck). Este equipamento pode conter um sistema seguidor de ponto de mxima potncia, muito utilizado com o objetivo de se obter a mxima potncia disponvel do arranjo FV.O diodo de bloqueio um dispositivo eletrnico utilizado em sistemas FV, cuja funo evitar que os mdulos FV atuem como carga para as baterias em perodos de indisponibilidade de gera-o, e que mdulos operando em condies normais injetem correntes elevadas em um grupo de mdulos em condies anormais de funcionamento. J o diodo de passagem evita que, em uma associao em srie, um mdulo operando em condies anormais (devido a um defeito de fabri-cao ou condies de sombreamento, por exemplo) infuencie negativamente no desempenho do arranjo como um todo. Os diodos de bloqueio devem ser dimensionados e instalados de acordo com a capacidade do arranjo FV, o diodo de passagem, por sua vez, normalmente fornecido por alguns fabricantes de mdulos, j vindo instalado na caixa de conexes do mdulo.Transformadores tambm podem estar presentes em sistemas hbridos, estando normalmente instalados entre o aerogerador e o retifcador de tenso, e sua funo adequar os nveis de tenso CA do sistema.Demais acessrios presentes em sistemas hbridos so equipamentos eltricos gerais, como cabos, disjuntores, chaves e conectores, entre outros.Sistemas HbridosAs fontes de energia renovveis solar (fotovoltaica), elica, hdrica (mch e pch) e biomassa constituem alternativas reais para gerao de eletricidade em reas isoladas. H reas onde mais miolo sntese.indd 29 19/12/2008 16:51:4130 Tecnologias de Energias Renovveisde uma fonte renovvel se destaca, podendo ser combinadas em um nico sistema, defnindo o conceito de sistema hbrido de energia, ou simplesmente, sistema hbrido aquele que utiliza mais de uma fonte que, dependendo da disponibilidade dos recursos, deve gerar e distribuir eletricidade, de forma otimizada e com custos mnimos, a uma determinada carga ou a uma rede eltrica, isolada ou conectada a outras redes.A utilizao dos sistemas hbridos teve seu incio na dcada de 1970, frente crise do petrleo (1973). Atualmente, a utilizao desses sistemas volta-se tambm com a questo ambiental. Diversos so os tipos de sistemas hbridos em utilizao no mundo. Dentre esses, destacam-se como principais: elico-diesel; fotovoltaico-diesel; fotovoltaico-elico-diesel; fotovoltaico-elico. Salienta-se que a combinao das fontes renovveis busca explorar satisfatoriamente a complementaridade entre ambas ao longo do tempo.Os sistemas hbridos podem ser classifcados: quanto Interligao com a rede eltrica con-vencional isolado ou interligado; quanto prioridade de uso das fontes de energia baseado no recurso no renovvel ou no renovvel; quanto confgurao srie, chaveado ou paralelo; e quanto ao porte micro, pequeno, mdio ou grande.Figura 1.12 Sistema hbrido isoladoAs principais vantagens desses sistemas incluem: utilizao dos recursos locais; modularidade; pouca necessidade de manuteno; gerao descentralizada; reduzido nvel de emisso de gee, entre outros. Por outro lado, como principais desvantagens, destacam-se: recursos precisam ser favorveis para gerao de eletricidade; investimento inicial bastante elevado; necessidade de um sistema de armazenamento de energia, geralmente baterias.As estratgias de operao utilizadas pelos sistemas hbridos so semelhantes e visam, prin-cipalmente, a um atendimento contnuo e de qualidade, como tambm reduo do consumo de leo combustvel.A maioria dos sistemas hbridos est instalada em locais remotos, de difcil acesso e, espe-cialmente, com falta de mo-de-obra qualifcada para oper-los. Isso justifca a automatizao e monitorao remota ou local desses sistemas, o que assegura a reduo nos custos operacionais e a maior confabilidade.Outro instrumento que tambm visa reduzir custos operacionais, bem como permitirmaior controle do consumo por parte do usurio, a implementao do sistema pr-pago de energia, miolo sntese.indd 30 19/12/2008 16:51:4131 Sistemas Hbridosou seja, o pr-pagamento (compra antecipada, semelhante da telefonia celular) pelo servio de eletricidade.Com relao aos impactos proporcionados pelos sistemas hbridos, os mesmos apresentam caractersticas mais benfcas do que prejudiciais, especialmente por se tratarem de sistemas de pequeno a mdio porte, baseados nos recursos renovveis. Nos sistemas hbridos, como em qualquer outro sistema eltrico, o uso racional da energia um fator muito importante, dada especialmente a limitao de gerao e a intermitncia das fontes pri-mrias. Portanto, a adoo de equipamentos eltrico-eletrnicos efcientes e o esclarecimento dos usurios sobre como utilizar a energia eltrica so aes fundamentais para um uso mais racional.Ultimamente, a procura de maior efcincia global dos sistemas hbridos motiva estudos da insero de outras formas de gerao nos mesmos. A biomassa (especialmente na Amaznia) e a clula a combustvel destacam-se nesse aspecto.Projeto de Sistemas HbridosA primeira etapa para o projeto de um sistema hbrido a anlise do recurso disponvel para aproveitamento das energias solar e elica no local da futura implantao do sistema, como tambm a identifcao e a avaliao preliminares das reas potenciais para a instalao dos sistemas de gerao e distribuio de energia eltrica. Os passos para a avaliao dos recursos energticos naturais (solar e elico) de uma determinada localidade seguem a partir de uma avaliao preliminar, identifcando reas onde os aproveitamentos solar e elico so poten-cialmente viveis. Dentre as formas de avaliao preliminar destacam-se: a consulta em atlas elicos e solarimtricos; a consulta em programas computacionais destinados a estimativas de potenciais baseados em medies de estaes meteorolgicas prximas; a obteno dos dados de estaes meteorolgicas de localidades prximas. O segundo passo do levantamento realizado com a visita ao local para a observao de indicadores naturais, medies pontuais no perodo da visita, a obteno de informaes com os moradores sobre as caractersticas meteorolgicas locais e a avaliao da acessibilidade ao local. Por ltimo, tendo o indicativo preliminar de bom potencial para aproveitamento das energias solar e/ou elica, o passo seguinte se d com a instalao de sensores de medio (anemme-tros, anemoscpios, piranmetros, barmetros, termohigrmetros), normalmente realizados em torres, sob a forma de estao meteorolgica.Aps o levantamento dos recursos solar e elico disponveis na localidade, a anlise do potencial para aproveitamento dos mesmos para gerao de energia eltrica uma etapa imprescindvel para um criterioso estudo de viabilidade tcnica de empreendimentos que utilizem as fontes solar e elica. Caso constatada a viabilidade preliminar, a disponibilidade de dados confveis em um perodo satisfatrio e bem analisados passa a ser fundamental para garantir a elabora-o de projetos dimensionados de forma tal que apresentem relao tima entre a participao de cada uma das fontes no sistema hbrido. No dimensionamento do sistema leva-se em conta uma srie de fatores como o custo da energia gerada, confabilidade, efcincia e facilidade de manuteno, entre outros.Torna-se tambm importante avaliar a logstica de abastecimento de combustvel para a localidade, pois em muitas estratgias de operao de sistemas hbridos faz-se o uso de grupos geradores (como os acionados por motores a diesel) atuando como complementao ao sistema miolo sntese.indd 31 19/12/2008 16:51:4132 Tecnologias de Energias Renovveisrenovvel, visando ao aumento da confabilidade do suprimento de energia eltrica.Avaliado o recurso energtico disponvel, e se preliminarmente constatada a viabilidade da instalao de sistemas de gerao no local, a etapa seguinte a elaborao do projeto. O primeiro passo no desenvolvimento do projeto do sistema de gerao a anlise da demanda, ou seja, a verifcao dos tipos de cargas que sero atendidas pelo sistema, assim como seus regimes de utilizao e considerando ainda as perdas envolvidas no sistema e a demanda reprimida, para, a partir da, iniciarem as etapas: de escolha da estratgia de operao do sistema hbrido; de dimensionamento das fontes de gerao consideradas, ou seja, o dimensionamento do sistema solar-elico-diesel e de seus sistemas complementares (armazenamento, condicionamento de potncia); bem como dos sistemas de controle e proteo e da minirrede de distribuio de energia eltrica. Feita a escolha dos equipamentos/dispositivos do sistema hbrido, realiza-se a anlise de desempenho dos mesmos inseridos no sistema e o balano energtico resultante entre produo e demanda de energia eltrica.Uma boa estratgia de operao do sistema hbrido visa garantir aos usurios do sistema de gerao um atendimento confvel e de qualidade, minimizando simultaneamente os seus custos de implantao e de operao e manuteno. Para essa otimizao, necessrio realizar diferentes combinaes de confguraes, estratgias de despacho e perodos de atendimento da minirrede, para buscar a estratgia de operao, dependendo da aplicao, mais adequada ao sistema hbrido a ser implantado em determinada localidade.Instalao de Sistemas HbridosCom relao instalao de sistemas hbridos, verifca-se uma relativa independncia entre seus sistemas e subsistemas (gerao, armazenamento, condicionamento de potncia e distribuio de energia) durante o processo at as conexes fnais. O compromisso bsico a ser estabelecido a busca pela instalao dos subsistemas o mais prximo possvel entre si (reduo de custos e de perdas), seguindo para isso tcnicas de instalao apropriadas.Os mdulos fotovoltaicos, sob a forma de arranjos (ligaes srie/paralelo), devem ser insta-lados em locais onde no sejam expostos a nenhuma situao de sombreamento durante o ano e de insegurana. Os locais ainda devem permitir o acesso fcil a uma eventual manuteno. Para maximizar a captao da radiao solar mdia ao longo do ano, a orientao (norte hemisfrio sul e sul hemisfrio norte) e a inclinao (latitude local) dos arranjos precisam ser seguidas conforme tcnicas de instalao.Os aerogeradores e suas torres (treliada, autoportante ou tubular) devem ser instalados em reas com dimenses apropriadas e que no possuam obstculos, naturais ou no, em seus arre-dores que possam causar interferncia prejudicial ao fuxo de vento que atinge o rotor elico. Quando se pensa em mais de um aerogerador (parque elico), alm da preocupao com os obstculos do entorno h tambm a preocupao com o efeito esteira causado pelos prprios rotores dos aerogeradores. Para mitigar esses efeitos prejudiciais, distncias mnimas entre os aero-geradores e os obstculos, ou entre os prprios aerogeradores, o posicionamento do rotor elico a uma determinada altura, entre outras tcnicas de instalao, necessitam ser adotados.Os grupos geradores a diesel e demais acessrios devem ser instalados em uma edifcao prpria (casa de fora), a qual abriga tambm outros equipamentos pertencentes aos subsistemas de armazenamento e condicionamento de potncia. miolo sntese.indd 32 19/12/2008 16:51:4133 Sistemas HbridosA casa de fora deve contemplar um projeto estrutural que suporte os esforos mecnicos solicitados pelos equipamentos, ter boa ventilao e isolao acstica, entre outros itens.Referindo-se ao subsistema de armazenamento, as baterias no devem ser instaladas diretamente sobre o solo, ou em locais midos. Geralmente utiliza-se um armrio em ferro com prateleiras de madeira para o condicionamento das baterias (banco de baterias ligao srie/paralelo).Os controladores de carga, inversores de tenso e retifcadores so normalmente instalados nas paredes ou em local especfco da casa de fora, sempre o mais prximo possvel das baterias e dos equipamentos de gerao. Pontos de operao, quando disponveis nesses equipamentos, devem ser ajustados conforme o projeto.Para preservar todos os equipamentos do sistema hbrido, fornecer segurana s pessoas junto ao sistema eltrico, bem como realizar eventuais manobras como estratgias de operao, fazem-se necessrios a instalao e uso de disjuntores e/ou chaves seccionadoras. Salienta-se que, para uma boa qualidade de instalao, o cabeamento do sistema hbrido precisa ser bem projetado.A minirrede de distribuio de energia deve ser instalada seguindo as tcnicas de instalao dos seus componentes principais: transformadores, cabos condutores, chaves seccionadoras, postes, luminrias, pra-raios de distribuio, aterramento, cruzetas, isoladores e conectores.Operao e Manuteno de Sistemas HbridosPara o funcionamento de qualquer sistema hbrido de energia deve-se levar em considerao a operao e manuteno correta dos equipamentos envolvidos desde a gerao, passando pelo sistema de distribuio at as unidades consumidoras.Atravs da realizao de um plano de manuteno e operao, alm das recomendaes feitas pelos fabricantes dos equipamentos e a capacitao dos operadores, possvel fazer o sistema operar de forma confvel e com segurana para os equipamentos bem como para os consumidores.Muitas das tarefas relacionadas com a operao podem ser automatizadas, tais como a partida e parada do grupo gerador, chaveamento de disjuntores, carga e descarga das baterias, dentre outros.Na parte da manuteno, as tarefas podem ser simples, desde a limpeza dos mdulos foto-voltaicos com um pano macio, a podagem de rvores para que no toquem nos cabos eltricos da rede, at tarefas como inspeo das partes girantes dos grupos geradores, troca de leo lubrifcante do transformador, inspeo dos cabos e da torre do aerogerador.Segurana em Sistemas HbridosA segurana um aspecto ao qual se deve ter especial ateno para os sistemas hbridos de gera-o de energia suprindo minirredes, porque vrias so as fontes e os equipamentos envolvidos e, portanto, deve-se redobrar os cuidados. Um sistema hbrido, por exemplo, elico-fotovoltaico-diesel, necessita, alm de parmetros para segurana da vida de pessoas e animais, de procedi-mentos de segurana para os sistemas de gerao, condicionamento e distribuio de energia eltrica, a fm de garantir o funcionamento adequado das instalaes, reduo das perdas de energia e preservao contra danos aos bens e ao ambiente.miolo sntese.indd 33 19/12/2008 16:51:4134 Tecnologias de Energias RenovveisQuando se faz uso ou se manuseiam sistemas com energia eltrica extremamente impor-tante obedecer s normas bsicas de segurana. Ainda que os nveis de tenso e corrente sejam considerados baixos, no se devem subestimar os danos que a eletricidade pode trazer ao ser humano, sendo o mais grave os causados pelo choque e o arco eltrico. Logo, deve-se estar em alerta sobre os perigos associados eletricidade, de forma que sejam controlados ou elimina-dos desde a fase de projeto e na execuo das tarefas ao instalar, operar ou manter um sistema eltrico.Tambm muito importante que sejam adotadas medidas de segurana nas instalaes el-tricas dos usurios do sistema, assim como a educao destes para o uso adequado e seguro da eletricidade, uma vez que ainda no possuem costume com a mesma.Em todos os tipos de sistemas hbridos de gerao de energia, os procedimentos de implantao, operao e manuteno devem ser executados apenas por pessoas devidamente treinadas para tal, utilizando-se dos equipamentos de proteo individual (epi) apropriados para cada funo ou coletivos (epc), dependendo da situao. Tambm se recomenda que esses procedimentos sejam feitos sempre por pelo menos duas pessoas, facilitando o socorro, caso necessrio. Nas atividades realizadas, devem-se evitar os improvisos, tais como: bypass de equipamentos de segurana e controle; ligaes com materiais fora dos padres de segurana (exposio de emendas de cabos, ou sua inadequada isolao, cabos com bitolas inadequadas); uso de ferramentas inadequadas. Cartazes com orientaes e placas de sinalizao nas usinas ou casas de fora, ou mesmo afxados nos equipamentos, descrevendo os riscos potenciais e os procedimentos a serem seguidos, devem ser dispostos em locais de fcil visibilidade. Manuais bsicos de segurana, operao e manuteno tambm devem estar disponveis nas usinas, para uso dos responsveis pelo sistema. Estojos de primeiros socorros e de combate a incndios devem ser disponibilizados aos usurios. importante tambmque sejam observadas as normas tcnicas vigentes; que seja realizado um correto dimensionamento dos sistemas de aterramento e proteo eltrica; e, ainda, que seja realizada uma vistoria constante em todas as instalaes que compem o sistema hbrido, seguindo um plano de operao e manuteno, a fm de manter a segurana nas mesmas.Anlise Econmica Aplicada a Sistemas HbridosA anlise econmica aplicada a sistemas hbridos utilizada para se avaliar a viabilidade eco-nmica do empreendimento, garantindo um possvel retorno do investimento realizado, ou simplesmente para se determinar a opo mais vivel dentre as fontes de gerao disponveis. O correto estudo de viabilidade econmica, alm das caractersticas particulares do sistema de gerao, passa pela utilizao mais adequada das fguras de mrito econmico.O diagrama de fuxo de caixa apresenta, sob a forma grfca, as receitas e despesas de cada alternativa, ordenadas por perodos. Tais receitas e despesas podem ser apresentadas atravs de seus reais valores no momento de cada desembolso, como tambm podem ser trazidas ao presente, levadas ao futuro, ou ainda atualizadas. Estes conceitos defnem o valor temporal do dinheiro e so de fundamental importncia para a elaborao de estudos de viabilidade econmica.O horizonte de planejamento e a taxa mnima de atratividade do projeto so indicadores importantes para se analisar o tempo e a taxa de retorno esperadas pelo empreendimento.miolo sntese.indd 34 19/12/2008 16:51:4235 Sistemas HbridosDentre os indicadores fnanceiros mais difundidos na engenharia econmica esto o valor presente lquido (vpl), o ndice benefcio/custo (ibc), o retorno adicional sobre o investimento (roia), a taxa interna de retorno (tir) e o tempo de retorno de investimento (payback). Eles podem ser utilizados, isoladamente ou em conjunto, no estudo de viabilidade econmica, cada um com suas caractersticas particulares. O mtodo do vpl, um dos mais utilizados, um mtodo simples, porm criterioso, por considerar o valor temporal do dinheiro. O ibc auxilia no clculo do retorno adicional sobre o investimento; porm, isoladamente no fornece uma estimativa real de rentabilidade. O roia fornece a estimativa real de rentabilidade de um investimento; porm, no indica com preciso os riscos envolvidos na anlise. A tir indica conjuntamente o retorno esperado e o risco de um projeto, mas suas solues so trabalhosas e no so aplicveis a todos os casos. Por fm, o payback um indicador de fcil interpretao, mas no considera fuxos de caixa aps o instante do retorno de investimento.Os custos associados a sistemas hbridos podem ser divididos em custos de despesa e custos de receita. Os custos de receita esto normalmente associados ao lucro obtido com a venda da energia gerada, ou a uma eventual economia resultante da reduo no consumo de combustvel ou de outras taxas. J os custos de despesa podem ser relacionados aos custos de investimento inicial, custos de operao e manuteno (o&m) e custos de reposio de equipamentos.Os custos de despesa esto divididos em custos de investimento inicial, que correspondem a custos de projeto, de aquisio e transporte de materiais e equipamentos, e de instalao; custos de o&m, que compreendem custos fxos anuais, relacionados ao pagamento de operadores, aos gastos com combustvel, com as leituras e envio de faturas, aos procedimentos peridicos de manuteno preventiva e corretiva, dentre outros; e custos de reposio de equipamentos, que referem-se s substituies dos componentes principais do sistema, devido ao fm de suas vidas teis.Sistemas fotovoltaicos e elicos so caracterizados por apresentarem custos de investimento mais elevados, e custos de operao e manuteno baixos. Sistemas diesel-eltricos apresentam comportamento inverso, apresentando baixos custos de investimento inicial e elevados custos de operao e manuteno. Com relao aos custos de reposio, as baterias so os equipamentos de sistemas hbridos que requerem substituies mais constantes, devido vida til mais curta que a dos demais componentes do sistema.Determinados todos os custos envolvidos, o valor presente lquido anualizado do projeto, que na engenharia tambm conhecido como custo do ciclo de vida anualizado, dividido pela energia consumida pela carga para se determinar o custo da energia do sistema. Este custo pode indicar o valor mnimo de tarifa a ser cobrado para que o sistema gere lucros, ou pode ser comparado ao custo da energia de outras tecnologias de gerao para se determinar aquela que a mais vivel.Sistemas Instalados e Experincias Adquiridas na AmazniaDesde 1994, estudos, simulaes e instalaes de sistemas hbridos em pequenos aglomerados populacionais dispersos e semi ou totalmente isolados tm sido realizados na regio amaznica por instituies nacionais e internacionais.miolo sntese.indd 35 19/12/2008 16:51:4236 Tecnologias de Energias RenovveisNos ltimos 14 anos foram seis sistemas hbridos instalados e um atualmente em processo de implantao, a saber: (1996) fotovoltaico-diesel de Campinas/AM; (1997) fotovoltaico-elico de Joanes/PA; (1998) elico-diesel de Praia Grande/PA; (1999/2007) elico-diesel de Praia Grande/PA; (2001) fotovoltaico-diesel de Araras/RO; (2003) fotovoltaico-elico-diesel de So Tom/PA; e (2008) fotovoltaico-elico-diesel de Sucuriju/AP.Tecnicamente, a seleo dessas vilas para a implantao dos sistemas hbridos baseou-se na avaliao objetiva e equilibrada do potencial das fontes solar e elica, da acessibilidade do local, da disponibilidade de rea apropriada para instalao e da disponibilidade de leo diesel.A carga do tipo residencial (televisores, refrigeradores, ferro de passar, lmpadas incandes-centes e fuorescentes etc.) predomina na demanda total de eletricidade das vilas. Dentre estas cargas, os eletrodomsticos correspondem a mais de 70%. Quanto aos tipos de cargas de ilu-minao, destacam-se as lmpadas fuorescentes, fuorescentes compactas e as incandescentes de vrias potncias.O perfl de carga das localidades bem semelhante, com a demanda mxima sempre ocor-rendo nas primeiras horas do anoitecer (18h00 s 21h00), decorrentes das entradas de cargas comumente usadas neste perodo (lmpadas e televisores, por exemplo), enquanto que as menores demandas ocorrem no perodo da manh, atravs da utilizao de cargas eventuais (ferro de passar, mquina de lavar etc.).Os custos operacionais dos sistemas hbridos so inferiores comparados aos de um sistema unicamente a diesel. A reduo decorre da penetrao da gerao renovvel e do hibridismo das fontes de energia, o que agrupa os benefcios de cada subsistema de gerao. Todavia, constata-se ainda o elevado custo do kWh gerado, em comparao com a tarifa mdia cobrada na regio para o atendimento convencional. Isso se deve ao elevado custo de aquisio dos geradores renovveis (importados). O desenvolvimento de equipamentos com tecnologia nacional de baixo custo poder amenizar esse quadro.Dentre os problemas de qualidade de energia enfrentados pelos sistemas hbridos, destacam-se como os principais: distores harmnicas (utilizao de cargas no lineares, por exemplo, lmpadas PLs, refrigeradores, televisores); desbalanceamento de potncia nas fases; afundamen-tos de tenso (elevada corrente de surto devida ao acionamento de motores eltricos); quedas de tenso (principalmente, nos fnais de rede); variao de freqncia (sistema diesel-eltrico operando falta de controle tenso/freqncia apropriado); descontinuidade no forn