Espacios. Vol. 36 (Nº 22) Año 2015. Pág. 5

Análise da Viabilidade Econômica da Geração Distribuída com Sistemas Fotovoltaicos em Santa Maria, Brasil, Utilizando o Software Homer Pro

Analysis of the Economic Feasibility of Distributed Generation with Photovoltaic Systems in Santa Maria, Brazil, using the Software Homer Pro

Marcio Burger MANSILHA 1; Felix Alberto FARRET 2; Leandro Cantorski da ROSA 3

Recibido: 19/07/15 • Aprobado: 15/08/2015

Contenido

1. Introdução

2 Referencial teórico

3 Metodologia

4 Resultados

5 Conclusões

Referências

1. Introdução

A experiência na utilização dos recursos energéticos e a preocupação com a redução dos impactos no meio ambiente está cada vez mais latente e atuante. No Brasil as usinas hidroelétricas são a principal fonte geração de energia elétrica e, o impacto ambiental gerado pela implantação dessas usinas tem estado cada vez mais em discussão devido as vastas áreas inundadas (Urbanetz, 2010). A sociedade passou a exigir das indústrias a implementação de melhores técnicas, não sendo mais satisfatório apenas atender determinados padrões ambientais (Figueiredo, 2004).

A falta de água nos reservatórios que abastecem as hidroelétricas e os problemas de geração de energia são um cenário favorável para a geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis (ANEEL, 2014). Há concessão de incentivos a geração distribuída, em que os consumidores geram parte ou toda energia necessária para suprir as suas necessidades pessoais. Os sistemas fotovoltaicos tem tido um crescimento ao redor do mundo (EPE, 2014) e, a capacidade instalada mundial da energia fotovoltaica cresceu aproximadamente 43% de 2011 a 2012 e 38% de 2012 a 2013 (EPIA, 2014). Para Porter (1995) a gestão ambiental é um plus na competitividade. Logo, a implantação dessa tecnologia, também, representa vantagens competitivas.

A produção mais limpa, como a geração de energia fotovoltaica, é uma estratégia econômica, ambiental e técnica integrada aos sistemas de produção e produto objetivando o aumento da eficiência e o uso de matérias primas através da não geração, minimização ou reciclagem dos resíduos gerados, beneficiando processos econômicos produtivos (UNEP, 2013).

O artigo objetiva analisar a viabilidade econômica, a partir de uma simulação da geração distribuída com sistemas fotovoltaicos em Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brasil utilizando o software Homer Pro. De acordo com Fraas (2010), a quantidade de energia que o sol fornece todos os dias à terra é suficiente para alimentar toda demanda energética do planeta.

A matriz elétrica brasileira é, predominantemente, de origem hidráulica com complementação térmica (MME, 2014). As condições hidrológicas têm sido desfavoráveis, com uma diminuição da energia armazenada nos últimos anos, conforme figura 1. As usinas térmicas plenamente acionadas, geram um expressivo aumento de custo da energia elétrica no país (Nakabayashi, 2014). A energia é um ingrediente necessário para o desenvolvimento humano, o recurso solar é abundante, a distribuição dos recursos solares está bem adaptada à crescente demanda de energia humana (FAPESP, 2010).

Figura 1  - Energia armazenada nos reservatorios em GWh.
Fonte: Adptado do Operador Nacional do Sistema (2015).

2.  Referencial teórico

2.1 Células fotovoltaicas (PV)

Células solares, também chamadas de células fotovoltaicas (PV), foram descobertas 1839 por Edmond Becquerel que observou pela primeira vez o efeito fotovoltaico. Ele notou que placas de platina ou de prata, mergulhadas em um eletrólito produziam uma diferença de potencial quanto expostas à luz. Em 1876, Willian Grylls Adams e Richard Evans Day desenvolveram o primeiro dispositivo sólido que produzia eletricidade por meio do efeito fotovoltaico. Em 1883, Charles Fritts produziu uma célula solar de selênio com uma camada fina de ouro. O alto custo e baixa eficiência (em torno de 1%) foram impeditivos para a utilização como fonte de energia em grande escala. Em 1954 cientistas da Bell Labs desenvolveram um processo de difusão introduzindo impurezas em cristais de silício e a célula criada passou a ter eficiência de 4 % (Torres, 2012).

A luz solar que atinge o limite exterior da atmosfera da Terra é 1367 W/m2, o diâmetro da terra (no equador) é 12.756 km. As células solares com eficiência média de 10% tem capacidade de produção de eletricidade de 8193 GW, ou seja, maior que a capacidade geração de energia solar de 2005 no mundo que era de 3889 GW (Fraas, 2010). Na figura 2 o potencial de energia solar.

Figura 2 - Potencial de energia solar.
Fonte: Loster (2010).

A capacidade de energia solar fotovoltaica no início de 2004 era de 2,6 GW cresceu para 139 GW no final do ano de 2013. A China teve um crescimento representando quase um terço da capacidade mundial seguido do Japão e dos Estados Unidos. O Brasil e o Chile têm sido mais lentos para desenvolver projetos, enquanto o México emergiu como um líder regional (REN21, 2014). Na figura 3 histórico da capacidade de geração de energia elétrica com sistema fotovoltaico no mundo.

Figura 3  - Capacidade geração de energia solar fotovoltaica no mundo, 2004-2013.
Fonte: REN21 (2014).

A eficiência na conversão de energia depende principalmente do painel PV (Singh, 2013). A eficiência da células orgânicas fotovoltaicas (OPVCs) é de 10% (Yeh, 2013). No mercado existem, também, células fotovoltaicas de silício cristalino (monocristalino ou policristalino) e de silício amorfo.

Resultados de eficiência das células PV são encontrados dentro de diferentes famílias de semicondutores (Chaar, 2011). Entre as tecnologias mais promissoras tem-se: as células multi junção com camadas de coletores de luz; os materiais semicondutores supereficientes como a perovskita (óxido de cálcio e titânio) e o arsenieto de gálio; e, as células feitas com finos absorventes solares "quantum dots" (cristais nanométricos capazes de confinar elétrons energizados e de ajudá-los a desprenderem-se de outros). A perovskita tem se mostrado cada vez mais eficiente, sendo um tipo de mineral com uma estrutura parecida com a do sal, de fácil construção e com ingredientes baratos como o chumbo e a amônia. O problema da perovskita é que os cristais decompõem-se em condições de umidade (Katz, 2014).

Desde 2008 a China é a maior fabricante de painel solar PV do mundo (Zhang, 2013). A Soitec fabricante Francesa de materiais semicondutores desenvolveu substratos modificados com sua tecnologia SmartCut, segundo a qual uma camada de cristal único ultra-fino de InP (fosfeto de índio) é fornecida sobre um substrato. A próxima geração de dispositivos multi junção (MJ) atingiram eficiência muito além dos níveis recordes de 3J células de germânio. O resultados de uma célula solar 4J wafer-colados com bandgaps 1,88 / 1,45 // 1,10 / 0,73 eV foram medidos com uma eficiência de 46,5% em 324x por Fraunhofer ISE (Tibbits, 2014). Na figura 4 tem-se célula solar com uma eficiência de 46,5%.

Figura 4  Célula solar 4J wafer-colados com bandgaps, com uma eficiência de 46,5%.
Fonte: Tibbits (2014).

Conforme Abdin (2013) a nanotecnologia é capaz prover recursos para resolver os problemas na geração solar PV, como desenvolvimento e aplicação de componentes menores que 100 Nm, e com isso fornecer novas maneiras para coletar e armazenar energia.

De acordo com a figura 5, a eficiência da célula solar PV diminui com o aumento da temperatura, ou seja, a temperatura é um fator crítico que reduz a energia gerada (Tyagi, 2013; Sharma, 2013). Para aumentar a eficiência elétrica é desejável que seja removido o calor acumulado na célula PV e usar este calor de forma adequada (Zhang, 2012). No Brasil, o coeficiente de temperatura é importante, pois, é o número que descreve a forma como o painel solar fotovoltaico trabalha com temperaturas quentes, ou seja, maior 25 graus Celsius.

Figura 5 - Efeito da temperatura no modulo PV.
Fonte: Sharma (2013).

A umidade afeta o desempenho na células PV (Mekhilef, 2012), conforme figura 6.

Figura 6 -Variação da nivel irradiação e umidade relativa.
Fonte: Mekhilef (2012).

O conceito para a determinação do desempenho de um sistema com células solares é o de produtividade do sistema (final yield), que é uma relação entre a energia gerada pelo sistema e a potência nominal do gerador fotovoltaico (Marion et al., 2005).

A relação entre a produtividade final (Yf ) e a de referência (Yr ) denomina-se desempenho global do sistema, ou performance ratio. Os valores de PR estão apresentados em uma base anual ou mensal e geralmente variam de 0,6 a 0,8 (Marion et. al, 2005), sendo este indicador uma boa medida de desempenho para sistemas fotovoltaicos.

O Brasil é um país privilegiado em relação a energia fotovoltaica já que apresenta altos níveis de radiação solar. É o quarto maior produtor de silício grau metalúrgico do mundo, que é a primeira etapa para produção de silício grau solar (Machado, 2015).

Nos Estados Unidos há incentivos federais disponíveis para os investidores em projetos geração solar PV (Reichelstein, 2013). A legislação brasileira vem adaptando-se as fontes renováveis de energia regulamentando e disciplinando o sistema elétrico com vistas à estimular o uso dessas fontes. Atualmente, o preço da energia elétrica está em patamares superiores àqueles verificados no período anterior ao marco legal e apresenta forte tendência de alta a curto prazo (Nakabayashi, 2014).

A produção de energia elétrica a partir de células fotovoltaicas tem perspectivas promissoras, sendo cada vez mais utilizada no mundo (Tyagi, 2013; Asim, 2012), exigindo muito pouca manutenção (Parida, 2011). A projeção de consumo de energia em 2050 será 30 TW (Razykov, 2011). Conforme Kim (2014) o ciclo de vida do painel fotovoltaico com telureto de cádmio (CdTe) na Malásia foi o que mais contribuiu com o potencial de aquecimento global, em índice superior a 47%. Em outra comparação, com outros cinco sistemas PV mais comuns, o CdTe teve a melhor desempenho em termos de payback time (Peng, 2013).

Para Goodrich (2013) e Branker (2011) é necessário entender como comparar os sistemas de energia. Os preços do PV devem continuar sendo reduzidos a fim de estimular a sua utilização. Mas, esse fato pode comprometer o interesse das empresas do segmento já que pode implicar na inviabilidade econômica da atividade. Os custos de fabricação dos módulos PV e, consequentemente, os preços tem caído drasticamente desde 1970 (Candelise, 2013; Basilian, 2013), conforme a figura 7.

Figura 7  histórico dos precos ($/W) dos modulos PV chineses c-SI.
Fonte:  adpatdo de Basilian (2013).

A partir do momento em que for identificada a viabilidade econômica e os impactos ambientais, o potencial de geração fotovoltaica no Brasil contribuirá no aumento da geração distribuída de forma sustentável. A figura 8 mostra a tarifa média de fornecimento energia com impostos  todas concessonarias de energia Brasil 2003 a 2015.

Figura 8 -Tarifa média de fornecimento energia com impostos.
Fonte: Adaptado de ANEEL (2015).

Em alguns países como a Itália, Alemanha, Espanha e França o setor PV teve uma grande expansão na ultima década devido a políticas de incentivo ao investimento (Candelise, 2013; Solangi, 2011). No Brasil existem incentivos à geração distribuída, em que pese ainda é incipiente a utilização. O incentivo explica-se pelos potenciais ganhos que podem proporcionar ao sistema elétrico: retardo de investimentos em expansão nos sistemas de distribuição e transmissão; o baixo impacto ambiental; a redução no carregamento das redes; a redução de perdas; a diversificação da matriz energética, entre outros (ANEEL, 2014).

A Resolução normativa 482/2012 da ANEEL, atualizada pela resolução 517/2012, pela ANEEL, foi um marco para a geração fotovoltaica no Brasil propondo a criação de um sistema de compensação de energia, conhecido internacionalmente como net metering. Na seção 3.7 do módulo 3 dos procedimentos de distribuição de energia elétrica no sistema elétrico nacional (PRODIST) foram estabelecidos os procedimentos para acesso de micro e mini geradores ao sistema de distribuição (ANEEL, 2014). O INMETRO publicou em 2011 a portaria no 004 que define os "Requisitos de Avaliação da Conformidade para Sistemas e Equipamentos para Energia Fotovoltaica", aplicável para módulos, controladores de carga, inversores e baterias estacionárias de baixa intensidade de descarga (EPE, 2014).

Conforme Goetzberger (2003), o principal motivo para o desenvolvimento da energia solar é a busca por fontes alternativas aos combustíveis fosseis e dos efeitos negativos deste ao meio ambiente. Os painéis fotovoltaicos são usados para coletar energia da luz solar e convertê-la em energia elétrica utilizável. Os riscos para a saúde associados à energia solar fotovoltaica ocorrem antes que os painéis sejam colocados em uso pois, a produção de painéis fotovoltaicos requer a utilização de diversos tipos de materiais, sendo o dióxido de silício extraído da areia e reduzido com o calor de silício puro. Os materiais liberados durante a refinação são os principais riscos para a saúde e, em várias etapas para a produção das células fotovoltaicas utilizam-se materiais tóxicos. Estes são pulverizados sobre as células, podendo ser inalados (Green Energy Center, 2015).

O desenvolvimento sustentável requer métodos e ferramentas que avalie o impacto ambiental (Sherwani, 2010). A avaliação de ciclo de vida (ACV), conhecida internacionalmente por LCA (Life cycle assessment), é um instrumento de avaliação do impacto ambiental associado a um produto ou processo que compreende etapas que vão desde a retirada das matérias-primas elementares da natureza que entram no sistema produtivo à disposição do produto final após o uso (Chehebe, 1998). A ACV é uma técnica iterativa e, conforme as informações são coletadas, vários aspectos do escopo podem exigir modificações para atender ao objetivo inicial (ABNT, 2009a).

A ACV avalia a pressão global sobre o meio ambiente de um produto a partir da perspectiva de ciclo de vida, concentrando-se nas emissões e nos recursos consumidos (Barberio, 2014; Raluy, 2014). Para realizar um estudo de ACV é necessário a definição do escopo, a função do sistema, a unidade funcional, o fluxo de referência, a modelagem do sistema, a abordagem metodológica, a fronteira do sistema e os critérios de corte (ABNT, 2009b).

Durante os últimos 600 mil anos constatou-se que existe uma forte correlação entre gases de efeito estufa e a temperatura global, sendo que a energia, PIB e CO2 estão fortemente correlacionados. As necessidades globais de energia deverão aumentar de forma constante e também os níveis de CO2.

Com a eletricidade gerada por fontes renováveis em um sistema combinado de aquecimento solar e bombas de calor pode-se reduzir em cerca de 80% do impacto ambiental total (Eicher, 2014). Ashhab (2013) aponta a viabilidade de sistemas fotovoltaicos e fotocatalítico-híbridos para utilização simultânea de purificação de água e geração de energia elétrica.

2.2 Métodos de análise de investimentos

Os métodos de análise de investimentos são utilizados para a seleção de projetos, citando-se como métodos determinísticos o valor presente líquido (VPL), taxa interna de retorno (TIR) e o payback descontado (Rebelatto, 2004). O valor presente líquido é a diferença entre os benefícios gerados pelo projeto e seus custos (Brealey, 2011). O cálculo do VPL é, onde os fluxos de caixa do projeto são descontados a uma determinada taxa de juros e trazidos ao valor presente. Quando as receitas do projeto superam o investimento somado às despesas, a viabilidade econômica do projeto é indicada pelo VPL maior do que zero (Assaf, 1994).

O método do valor presente caracteriza-se por transferir todos os eventos financeiros que compõe o fluxo de caixa da alternativa sob análise para a data zero de seu fluxo de caixa, que é chamado de valor presente Líquido (VPL) ou simplesmente de Valor Presente (VP) (Montanhini , 2008). No quadro 1, demonstra-se a análise de alternativas de investimento considerando o valor presente (VP).

Quadro 1 - Análise de alternativas de investimento considerando o VP.
Fonte: Montanhini (2008).

A TIR é a taxa que iguala os recebimentos futuros aos investimentos feitos  no projeto, ou seja, é a taxa de desconto para a qual se tem do VPL com valor igual a zero (NAKABAYASHI, 2014).

O payback, também chamado de período de recuperação do investimento, mede o tempo necessário para recuperar o capital investido. Existe o payback simples e o descontado, o primeiro não leva em conta o dinheiro no tempo e é vantajoso pela sua simplicidade de cálculo, já o payback descontado apresenta um valor mais confiável, nota-se que quanto maior o período analisado e a taxa de desconto, maior a divergência entre os resultados dos dois métodos de cálculo (Nakabayashi, 2014).

3. Metodologia

A pesquisa foi classificada quanto: a natureza, a forma de abordagem, aos seus objetivos e, aos procedimentos técnicos. A natureza da pesquisa foi aplicada, buscando conhecimentos para aplicação prática. A forma de abordagem foi quantitativa traduzindo em números as informações para classificação e análise (SILVA, 2005). O objetivo da pesquisa foi exploratória, envolvendo levantamento bibliográfico e estudo de caso (GIL, 2010). Do ponto de vista dos procedimentos técnicos a pesquisa pode ser considerada: a) pesquisa bibliográfica utilizando-se material publicado em livros e artigos; b) pesquisa documental consultando-se documentos e relatórios particulares; e, c) de estudo de caso. (GIL, 2010).

O estudo caso foi realizado na cidade de Santa Maria no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. Para a simulação no software Homer Pro 3.2.3, foi estabelecido um esquema conforme apresentado na figura 9. A energia fornecida pela concessionaria AES Sul (grid) foi considerado ao custo de 0,55 R$/ kWh e foi considerado para caso de uma possível venda para a concessionaria o valor de 0,12 R$/ kWh.  AC representa a corrente alternada em 60 HZ.  A carga (eletrical Load) com perfil residencial é de 11,25 kWh/d e com pico de 2,32 kW. DC representa a  corrente continua, que deve ser convertida em corrente alternada (AC), por um conversor (converter). PV representa o conjunto de quatro painéis fotovoltaicos de 250 W cada, totalizando uma capacidade de geração 1 kW. Foi definida uma taxa de desconto de 10 % a.a. e uma taxa de inflação de 9% a.a.

Figura 9 - Esquema do sistema simulado no Homer Pro.
Fonte: Autor.

Os dados das médias mensais de irradiância solar de Santa Maria, foram importados da banco de dados da NASA (surface meteorology and solar energy database). Conforme figura 10

Figura 10 - Médias mensais de irradiância solar 1983 – 2005.
Fonte: NASA (2015).

4. Resultados

O primeiro resultado gerado com software Homer Pro foi uma análise do custo presente liquido de  R$ 51.891,00 do sistema criado. Conforme figura 11.

Figura 11 – Análise do custo presente liquido.
Fonte: Autor.

A capacidade dos paineis fotovoltaicos de 1 kW,  possui um fator de capacidade de 16,108%, produzindo 1411,1 kWh/ a.a. Na figura 12 a energia gerada pelos paineis fotovoltaicos.

Figura 12 - Energia gerada pelos paineis fotovoltaicos.
Fonte: Autor.

Na análise do sistema elétrico o simulador considerou que o sistema de geração fotovoltaico abastece 32,25% da energia demandada pela residência em estudo e que os outros 67,75% da demanda sejam comprados  da concessionaria AES Sul. Conforme representado na figura 13.

Figura 13  - Análise do sistema eletrico simulado.
Fonte: Autor.

Na análise simulada com o software Homer Pro, pode-se indenficar que a carga com perfil residêncial utilizando o sistema com os paíneis fotovoltaicos necessitou comprar energia (299 kWh em Janeiro) para complementar a demanda. Apenas uma pequena parcela (11 kWh em janeiro) pode vender para a concessionária. Conforme detalhado na figura 14.

Figura 14 - Energia comprada e energia vendida.
Fonte: Autor.

Na análise do fluxo de caixa do sistema misto de energia, onde se utilizou os paíneis fotovoltaicos com a rede pública verificou-se o custo presente líquido (NPC) de R$ 51.891,00 em um período de 25 anos, com o capital  inicial de R$12.090,00 foi superior ao sistema que utiliza somente a rede da concessionária AES Sul que foi de R$ 50.243,00 no mesmo período (figura15).

Figura 15 – Comparação entre o sistema misto (rede + fotovoltaico) e o sistema somente rede.
Fonte: Autor.

5. Conclusões

Pela simulação realizada constatou-se que, ainda, a energia da rede pública é mais econômica. Contudo, o presente estudo não considerou outros aspectos como, por exemplo, a utilização de baterias para armazenamento da energia gerada pois o valor de venda representa em torno de ¼ do valor que é adquirida a energia da concessionária o que poderia importar numa redução de custos. Além disso, a pesquisa também mostra que há uma tendência de redução dos preços dos paineis fotovoltaicos e uma melhoria da qualidade dos mesmos, o que poderá modificar os resultados ora apresentados. O software utilizado foi de fácil manejo e mostrou-se bastante útil para análise e comparações entre outras tecnologias de geração de energia.

Referências

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1.Mestrando em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), e-mail:mbmansilha@gmail.com
2. PhD em Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), email: fafarret@gmail.com

3. Doutor em Engenharia de Produção, Universidade Federal de Santa Maria (UFSM), email: leski78@hotmail.com