Relatorio Final - IPSE - FN - MIlton Vasconcelos.pdf

7/23/2019 Relatorio Final - IPSE - FN - MIlton Vasconcelos.pdf

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS

FAEN - FACULDADE DE ENGENHARIA

ENGENHARIA DE ENERGIA

Sistemas Hbridos de Gerao de EnergiaEstudo de caso: Fernando de Noronha

Milton Jorge de Vasconcelos Filho

Dourados, MSNovembro/2015


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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS

FAEN - FACULDADE DE ENGENHARIA

ENGENHARIA DE ENERGIA

Sistemas Hbridos de Gerao de EnergiaEstudo de caso: Fernando de Noronha

Milton Jorge de Vasconcelos Filho

Dourados, MSNovembro/2015

Relatrio apresentado como requisito parcial

para a obteno de aprovao na disciplina de

Introduo ao Planejamento de Sistemas

Energticos do curso de Eng. de Energia,

ministrada pelo Prof. Dr. Omar Seye


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Sumrio

1. Introduo Terica .............................................................................................................. 4

1.1. O Arquiplago de Fernando de Noronha ..................................................................... 4

1.2. Sistemas Hbridos de Gerao de Energia .................................................................. 5

1.3. Software para Modelagem ........................................................................................... 5

2. Objetivos e Justificativa ....................................................................................................... 5

3. Dados do Projeto ................................................................................................................ 6

3.1. Dados da Carga ........................................................................................................... 6

3.2. Panorama Energtico Atual ......................................................................................... 7

3.3. Dados Climticos ......................................................................................................... 7

4. Metodologia ........................................................................................................................ 8

5. Resultados e Discusses .................................................................................................... 9

5.1. Otimizao do Sistema ................................................................................................ 9

5.2. Anlise de Sensibilidade .............................................................................................11

6. Consideraes Finais ........................................................................................................13

7. Referncias ........................................................................................................................14

Anexos........................................................................................................................................ 15


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1. Introduo Terica

1.1. O Arquiplago de Fernando de Noronha

O Arquiplago de Fernando de Noronha est situado quatro graus abaixo dalinha do Equador, nas coordenadas 3,54 Sul de latitude e 32,25 Oeste, 545 km de

Recife e 360 km de Natal. Fernando de Noronha constitudo por 21 ilhas, rochedos e

ilhotas com um total de aproximadamente 26 km. A ilha principal (que d o nome ao

arquiplago) possui rea de 17,6 km.

Fig. 1. Mapa representativo do Arquiplago de FN (Governo do Estado de Pernambuco, 2009)

Em relao a seus aspectos socioeconmicos, Fernando de Norona, de acordo

com recente contagem (Governo do Estado de Pernambuco, 2009), possui populao

de aproximadamente 3.500 pessoas. O fluxo de turistas de cerca de 3.100 pessoas

por ms, com permanncia mdia de 3,5 dias.

A economia do arquiplago baseia-se quase que em sua totalidade no turismo ou

em atividades relacionadas a ele. A pesca artesanal e a agricultura representam a

porcentagem mnima restante.

Em Fernando de Noronha existem hoje, mais de 100 pousadas e hospedarias

domiciliares e 1 hotel. A ilha ainda possui 17 restaurantes, 14 bares e 3 cafs e docerias.

Dessa forma, o turismo tem se consolidado como atividade econmica e como fator de

proteo ambiental, uma vez que a natureza o grande produto turstico a ser explorado

no arquiplago (Governo do Estado de Pernambuco, 2009).


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1.2. Sistemas Hbridos de Gerao de Energia

Entende-se por Sistemas Hbridos de Energia, os sistemas de gerao de energia

eltrica compostos de combinaes de diferentes recursos renovveis, como por

exemplo: vento, sol, biomassa, microcentrais hidreltricas, com combustveis fsseis

(normalmente geradores diesel).

Um dos motivos, pelos quais se integram energias renovveis a sistemas hbridos

o interesse na economia de combustveis fsseis, geralmente o diesel, por este possuir

alto custo. Desta forma, os geradores diesel geralmente permanecem como backup do

sistema (reserva) (SILVEIRA, 2013).

H atualmente, trs configuraes possveis para um sistema hbrido: conectado

rede (on grid), fora da rede com sistema de distribuio (off grid) e fora da rede semsistema de distribuio e com alimentao direta da carga (off grid with direct supply).

1.3. Software para Modelagem

O estudo apresentado neste relatrio foi baseado na utilizao do software

HOMER (Hybrid Optimization Model for Eletric Renewables, ou ainda Hybrid

Optimization Modeling Software), dedicado a associar aspectos energticos de

engenharia a variveis econmicas. O software nos permite comparar diferentescombinaes de tamanhos e quantidades de componentes energticos, e at explorar

como certas variaes na disponibilidade de recursos e nas configuraes do sistema

podem afetar os custos envolvidos na instalao e operao dos diferentes sistemas

2. Objetivos e Justificativas

O estudo realizado teve por objetivo a anlise de cenrios para uma possvel

substituio da matriz energtica do Arquiplago de Fernando de Noronha, queatualmente totalmente dependente da gerao trmica a diesel, por uma matriz

energtica baseada principalmente em energias renovveis, tornando-a assim um

sistema hbrido de gerao de energia.


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Por possuir atributos estticos, paisagsticos e culturais, o arquiplago de

Fernando de Noronha um local ideal para uma iniciativa que tenha como prioridade o

uso de fontes limpas e renovveis de energia. Alm disso, h a necessidade na mudana

da matriz energtica para melhorias no quesito segurana, influenciado pelo transbordo

e armazenamento de combustveis utilizados no abastecimento da ilha. Em 2007, por

exemplo, houve um incndio ocorrido na usina termeltrica por conta destes

combustveis. Vale lembrar ainda que o transporte de combustvel possui um alto custo

devido localizao de Fernando de Noronha.

3. Dados do Projeto

3.1. Dados da Carga

De acordo com literatura disponvel, o Arquiplago de Fernando de Noronha conta

com uma carga de aproximadamente 43MWh/dia, com um pico de aproximadamente

3MW. No entanto, valores horrios no puderam ser encontrados. Desta forma,

baseando-se da forma em que os tipos de carga so divididos na ilha, foi estimada um

perfil de carga em um ms tpico de vero (quando o arquiplago recebe o seu maior

nmero de visitantes), como mostrado na Fig.2.

Fig. 2. Perfil de carga para o Arquiplago de FN (Fonte: Simulao via HOMER)

Percebe-se atravs da Fig. 2 que a demanda de energia eltrica mais baixa nos

perodos compreendidos entre as 22 horas e as 6 horas da manh. Isso se deve ao fato

de que, por se tratar de uma regio turstica, durante este tempo, a grande maioria das

pessoas esto repousando e a maior do comrcio encontra-se fechado.


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3.2. Panorama Energtico Atual

A gerao e distribuio de energia eltrica em Fernando de Noronha, esto sob

responsabilidade da Companhia de Eletricidade de Pernambuco (CELPE), que atua

como a empresa concessionria do sistema no arquiplago desde 1988.

A produo de energia eltroca em Fernando de Noronha atualmente baseia-se

em geradores movidos a diesel, que funcionam por rodzio, em uma usina composta por

cinco mquinas movidas a diesel S10 disponibilziados pela Petrobrs.

Tabela 1. Geradores diesel presentes no Arquiplago de FN (Fonte: SILVEIRA, 2013)

Quantidade Modelo Potncia (kVA)

02 Cummins QST 30 900

01 Cummins KTA 1200

02 Caterpillar 600

O transporte do combustvel realizado por meio de uma logstica complicada,

realizada atravs de embarcao, que tambm movida a leo diesel. Por isso, o valor

do combustvel acrescido em aproximadamente R$2,10. Desta forma, na cotao atual,

de acordo com a ANP, o leo diesel custaria aproximadamente $4,77 (ou $1,23 na

cotao atual do dlar).Em um passado recente, havia na ilha, uma turbina elica de 225 kVA para o

auxilio na oferta de energia eltrica. No entanto, em 2009, uma tempestade atingiu o

arquiplago, e uma descarga atmosfrica acabou provocando danos turbina

(SILVEIRA, 2013). Atualmente, sistemas fotovolticos de pequeno porte ja esto

comeando a operar. No entanto, estes no sero aqui considerados.

3.3. Dados Climticos

Atravs das coordenadas referentes ao arquiplago de Fernando de Noronha, os

dados climticos foram obtidos diretamente no site da NASA. Estes quando informados

ao HOMER, proporcionou os grficos referentes a radiao solar e velocidade do vento

na regio (Fig. 3).


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Fig. 3. ndice de radiao Solar diria ( esquerda) e velocidade do vento ( direita) para diferentesmeses do ano. (Fonte: Simulao via HOMER)

4. Metodologia

Toda a modelagem realizada durante este estudo foi realizada atravs do software

chamado HOMER, como previamente citado neste relatrio.

Os procedimentos realizados para a simulao requerem, alm de daqueles

referentes a regio, diversos dados acerca dos equipamentos envolvidos nos sistemas

modelados. Estes dados (tempo de vida, custos de aquisio e de operao, etc.) foram

retirados da literatura ou ainda de catlogos/websites de fabricantes (vide Referncias).

Estes valores so apresentados nos relatrios de simulao (gerados pelo software) nos

anexos. Outro valor utilizado nas simulaes refere-se a taxa de juros embutida no

projeto. Para este, foi utilizada a taxa SELIC atual de 14,15% (Banco Central, 2015).

Para critrios de comparao, ou seja, para que fosse possvel a anlise das

melhorias (reduo do custo da energia, porcentagem de gerao atravs de recursos

renovveis, e outros) conforme o sistema ganhava nova tecnologia, as simulaes foram

realizadas por etapas, onde um novo clculo era realizado a cada novo recurso

acrescentado ao sistema. Sendo assim, os sistemas simulados foram:

Sistema com geradores diesel (existente no local);

Sistema com geradores diesel e bancos de baterias (e inversores); Sistema com geradores diesel, bancos de baterias (e inversores) e

painis fotovoltaicos;

Sistema com geradores diesel, bancos de baterias (e inversores), painis

fotovoltaicos e geradores elicos.


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5. Resultados e Discusses

5.1. Otimizao do Sistema

Aps as diversas simulaes realizadas, alguns resultados importantes foramobtidos. Estes sero apresentados e discutidos abaixo. No entanto, os relatrios de

resultados mais detalhados gerados pelo prprio programa podem ser encontrados na

seo de anexos deste relatrio. As figuras a seguir, apresentam os resultados

otimizados para cada etapa da modelagem.

Fig. 4. Resultados obtidos para o sistema com geradores diesel (Fonte: Simulao via HOMER)

Fig. 5. Resultados obtidos para o sistema com geradores diesel e bancos de baterias(Fonte: Simulao via HOMER)

Fig. 6. Resultados obtidos para o sistema com geradores diesel, bancos de baterias e painisfotovoltaicos (Fonte: Simulao via HOMER)

Fig. 7. Resultados obtidos para o sistema com geradores diesel, bancos de baterias, painisfotovoltaicos e geradores elicos (Fonte: Simulao via HOMER)

Fig. 8. Representao grfica da frao renovvel (Fonte: Prprio autor)


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Fig. 9. Representao grfica Capital Inicial NPCCusto da Energia (Fonte: Prprio autor)

As figuras apresentadas acima demonstram o avano ocorrido no sistema de

gerao de energia medida que este implementado com uma tecnologia, o que deixa

clara as vantagens da implementao de sistema hbridos de gerao de energia.

Atravs da Fig. 8, percebe-se que com o acrscimo da tecnologia fotovoltaica no

sistema, a frao renovvel passa a ser imediatamente superior a 50%, o que deixa clara

a viabilidade de implantao deste sistema, principalmente pelo fato da regio possuirexcelentes nveis de insolao para a tecnologia. Ainda, com o acrscimo de uma turbina

elica de alta capacidade, estes nmeros podem se tornar ainda melhores, se

aproximando dos 70%, o que para Fernando de Noronha seria excelente devido a

motivos previamente citados na justificativa deste estudo. Estes valores, mesmo que

indiretamente, tambm mostram que as emisses so significativamente reduzidas, j

que grande porcentagem da gerao de energia se d por meios renovveis. Os valores

relativos as emisses podem ser encontrados nos relatrios do HOMER em anexo.

Economicamente falando, embora o capital inicial tem seu valor aumentado a

cada simulao, devido a necessidade de investimento em novos equipamentos e

instalaes, nota-se que o NPC (Net Present Cost), custo presente lquido, em

portugus, diminui significativamente, principalmente aps a adio dos painis

fotovoltaicos (primeiro recurso renovvel implementado). Isto significa que o custo total

$0 $731,200

$7,664,000

$12,496,800

$50,855,248$48,819,560

$36,250,036 $34,259,140$0.478 $0.459

$0.341$0.322

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0

10,000,000

20,000,000

30,000,000

40,000,000

50,000,000

60,000,000

Geradores Geradores + Baterias Geradores + Baterias

+ Solar

Geradores + Baterias

+ Solar + Elica

CustodaEnergia($/

kWh)

CapitalInicialeNPC($)

Capital Inicial x NPC x Custo da Energia

Capital Inicial NPC COE


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ao longo dos 25 anos de projeto torna-se menor a medida que melhorias so

proporcionadas ao sistema. Em nmeros, isso representa uma reduo no NPC de

quase 33% se compararmos o sistema unicamente provido de geradores ao sistema final

proposto. Em relao ao custo da energia (COE), nota-se tambm uma reduo

significativa a medida que implementamos o sistema, principalmente com a adio dos

painis fotovoltaicos. Isso se deve ao fato de que com a adio das baterias, os

geradores (que consomem um combustvel caro) operam somente quando necessrio,

em plena carga, quando so mais eficientes. De acordo com a modelagem realizada,

atualmente paga-se $0,478/kWh, enquanto que com o sistema timo modelado este

valor passaria a ser de $0,322/kWh. Uma reduo similar de aproximadamente 33%.

5.2. Anlise de Sensibilidade

A anlise de sensibilidade uma importante ferramenta para a obteno de

melhores resultados neste tipo de modelagem. Muitos dos parmetros utilizados em

modelagens possuem valores momentneos e esto alm do controle do projetista. Por

isso, a possibilidade de uma certa flexibilidade nos valores destes parmetros muito

atrativa. Dessa forma, e partindo-se do fato de que toda simulao uma tentativa de

aproximao s condies reais, a criao de variveis de sensibilidade colabora para

uma maior confiabilidade de uma modelagem.Para este estudo, o preo do diesel e a velocidade de vento foram os parmetros

escolhidos como variveis de sensibilidade. O primeiro foi escolhido pois este est em

constante variao. Alm disso, como citado previamente, o preo do diesel para a ilha

possui um acrscimo referente ao transporte, o que aumenta ainda mais a variao

deste. O outro parmetro escolhido foi a velocidade dos ventos no arquiplago. Um dos

motivos que durante a simulao do sistema completo, notou-se que se realizada a

simulao com geradores elicos de baixa capacidade, o resultado era invivel. Assim,

usando um nico gerador de alta capacidade, resultados timos com o uso de energia

elica foram obtidos. Alm disso, a velocidade do vento uma propriedade que varia

constantemente. Os valores utilizados para a anlise de sensibilidade correspondem a

um desvio padro de 10 e 20% para ambos os valores iniciais, como apresentado na

tabela 2.


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Tabela 2. Valores utilizados na Anlise de sensibilidade (Fonte: Prprio Autor)

-20% -10% Valor inicial +10% +20%

Preo do diesel ($/L) 0.984 1.107 1.23 1.353 1.476

Velocidade do vento (m/s) 3.248 3.654 4.06 4.466 4.872

Fig. 10. Resultados da anlise de sensibilidade - Tabela (Fonte: Simulao via HOMER)

Fig. 11. Resultados da anlise de sensibilidade Grficos (Fonte: Simulao via HOMER)

As Figs. 10 e 11 acima apresentam os resultados obtidos para a anlise desensibilidade realizada no estudo realizado. O primeiro sistema apresentado na Fig. 10

representa o sistema inicial, ou seja, com valores iniciais para as variveis de

sensibilidade. Nota-se ainda atravs da Fig.10, que para alguns casos a instalao do

gerador elico no mais vivel. No grfico direita da Fig. 11, que apresenta o tipo de


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sistema timo de acordo com o preo do diesel e da velocidade do vento, a rea em

amarelo demonstra quando o sistema timo no utiliza geradores elicos. Nota-se que

isso acontece quando se tem baixas velocidades dos ventos aliadas a um preo menos

atrativo do leo diesel. Ainda atravs do mesmo grfico, pequenos losangos apontam a

frao renovvel em cada regio do grfico. A mxima frao renovvel (0,81,

equivalente a 81%) acontece exatamente quando temos valores mximos para a

velocidade dos ventos e alto custo do diesel, pois nesta situao os geradores elicos

(so necessrios dois deles para esta configurao) e os painis fotovoltaicos so mais

exigidos. Pelo mesmo motivo, menores fraes renovveis so encontradas com baixas

velocidades dos ventos e baixo preo do diesel. Esta anlise pode ser confirmada pela

tabela da Fig.10.

O grfico a esquerda (Fig. 11) tem por objetivo demonstrar em quais situaes osistema apresenta os valores mais atrativos para o preo da energia. A legenda indica

as cores correspondentes as reas com menores e maiores custos. Como j era

esperado, percebe-se que com ventos mais rpidos e diesel mais barato, o preo do

kWh diminui. Quando o oposto acontece, este custo eleva-se proporcionalmente. O

menor preo possvel para esta anlise, de acordo com as Fig. 10 e 11, de $0,256/kWh,

o que representa uma reduo de aproximadamente 20% no custo da energia.

6. Consideraes Finais

Mostrou-se, atravs deste estudo, que o arquiplago de Fernando de Noronha

possui grande potencial para a implementao de um sistema hbrido de energia que

utiliza, em sua grande maioria, recursos renovveis como fonte de energia. Ficou ainda

comprovado, que por piores que sejam as condies referentes a velocidade do vento e

o preo do diesel, um sistema hbrido que utiliza unicamente a energia solar como fonte

renovvel ainda claramente vivel.Para uma modelagem ainda mais detalhada, outras variveis poderiam ser

consideradas na anlise de sensibilidade, o que resultaria em longos perodos de espera

para a realizao dos clculos pelo software HOMER, que se mostrou uma ferramenta

espetacular no planejamento de sistemas energticos.


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7. Referncias

ANP Agncia Nacional do Petrleo. Sntese dos preos praticados Pernambuco.Disponvel em: .

Acesso em: 3 de junho de 2015.

Atmospheric Science Data Center - NASA. Surface meteorology and Solar Energy(SSE). Disponvel em: . Acesso em3 de junho de 2015.

Banco Central do Brasil. Histrico da taxa de juros. Disponvel em:. Acesso em: 27 de outubro de 2015.

Debenham, Scott, 2007. Wind Turbine Feasibility Study. Debenham Energy, LLC.,Lakeside, CA US.

Governo do Estado de Pernambuco. (2009). Grupo de trabalho para mudana damatriz energtica do arquiplago de Fernando de Noronha Relatrio Final.

Portal Solar. O Inversor Solar. Disponvel em: . Acesso em 27 de outubro de 2015.

SEYE, OMAR, 2006. Anlise de opes com energias renovveis. Exerccio: Sistemade gerao em uma comunidade isolada. Manaus, AM. Universidade Federal do

Amazonas (UFAM).

SILVEIRA, E. F., 2013. Cenrios de gerao renovvel em Fernando de Noronha.Dissertao de Mestrado em Cincias Mecnicas. Brasilia, DF. Universidade deBrasilia (UnB)

WholeSaleSolar. SolarWorld SW285 Plus Silver Mono Pallet (30). Disponvel em:. Acesso em: 20 de outubro de 2015.

Wind and Sun. Batteries Hoppecke OPZS Series. Disponvel em:. Acessoem 27 de outubro de 2015.


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