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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM
ENGENHARIA CIVIL
A INTERAO ENTREGERADORES SOLARES
FOTOVOLTAICOS E VECULOS ELTRICOS CONECTADOS REDE ELTRICA
PBLICA
Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina com
requisito parcial exigido pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia
Civil PPGEC, para a obteno do ttulo de MESTRE em Engenharia
Civil.
Orientador: Prof. Ricardo Rther, Ph.D
LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR
Florianpolis, 2011
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A INTERAO ENTRE GERADORES SOLARES FOTOVOLTAICOS E VECULOS
ELTRICOS CONECTADOS
REDE ELTRICA PBLICA
LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR
Dissertao julgada adequada para a obteno do Ttulo de Mestre em
Engenharia Civil, e aprovada em sua forma final pelo Programa de
Ps-Graduao em Engenharia Civil PPGEC da Universidade Federal de
Santa Catarina UFSC.
______________________________ Prof. Dra. Janade Cavalcante
Rocha
Coordenadora do PPGEC
_________________________ Prof. Ricardo Rther, Ph.D
Orientador
COMISSO EXAMINADORA:
____________________________ ____________________ Ricardo Rther,
Ph.D Moderador Roberto Lamberts, Ph.D
ECV/UFSC ECV/UFSC
_____________________________ _________________ Antnio Augusto
M. Frhlich, Dr Roberto Zilles, Dr INE/UFSC IEE/USP
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DEDICATRIA
Aos meus familiares que sempre acreditaram em mim.
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AGRADECIMENTOS
Deus, que nesse processo me fez mais humano. Ao Prof. Ricardo
Rther, pelas crticas e pela confiana. Ao Prof. Trajano Viana, pelo
apoio e pelas conversas nos momentos mais difceis. Aos membros da
banca pelas contribuies para a verso final desta dissertao. Aos
meus colegas Alexandre, Annelise, Clarissa, Lucas, Marlia, Paulo,
sis, Isabel, Priscila e Jair pela amizade e disponibilidade ao
longo deste trabalho. Aos meus amigos mais chegados que irmos, pelo
privilgio de ter caminhado com cada um de vocs. Ao Giovanni Bratti,
meu amigo do departamento de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, pelo
auxlio com o Matlab. A todos os meus familiares aqui no citados
nominalmente, pela preocupao e carinho. Amo todos vocs. Ao meu pai,
Carlinhos Pereira, por ter acreditado em mim. minha me, Nice,
aurora da minha vida, pelo exemplo de garra e f. minha irm, Abely,
pelo carinho e cuidado. Serei eternamente devedor. Ao CNPq pelo
suporte financeiro concedido ao longo desta dissertao.
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No um dom que ensina seu possuidor. o seu possuidor quem precisa
aprender a us-lo.
Caio Fbio DArajo
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Resumo da Dissertao apresentada Universidade Federal de Santa
Catarina como parte dos requisitos necessrios para a obteno do
ttulo de Mestre em
Engenharia Civil
A interao entre geradores solares fotovoltaicos e veculos
eltricos conectados rede eltrica pblica.
LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR
Florianpolis, 2011.
Orientador: Prof. Ricardo Rther, Ph.D
rea de Concentrao: Construo Civil
Palavras chave: Geradores solares fotovoltaicos conectados rede
eltrica, veculos eltricos, gerao distribuda
Nmero de pginas: 137
Ao longo dos ltimos anos, a gerao centralizada de energia
eltrica tem sido o modelo tradicionalmente utilizado no Brasil.
Porm, com a crescente preocupao com as questes energticas e
ambientais,a gerao distribuda tem despontado como uma opo para o
setor eltrico, pois a gerao ocorre de forma descentralizada, com
unidades geradoras de pequeno porte, que podem otimizar o sistema
de gerao, transmisso e distribuio. Diferentes tecnologias podem ser
utilizadas na forma de gerao distribuda e dentre elas pode-se
destacar os geradores solares fotovoltaicos, que geram eletricidade
a partir da luz do sol atravs do efeito fotovoltaico. Embora no
sejam geradores, os veculos eltricos ao serem conectados em uma
tomada eltrica residencial, comercial ou industrial que far parte
de uma rede eltrica inteligente (smart grid), podero ser utilizados
como um gerador distribudo em momentos estratgicos, podendo
contribuir para a reduo do pico de demanda do alimentador no horrio
de ponta. Este trabalho tem como objetivo avaliar a interao
degeradores solares
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ii
fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica pblica.
Dessa forma, foi analisada a potencial contribuio energtica dos
veculos eltricos, no horrio de ponta, para o alimentador TDE05 que
abastece os bairros Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, na
cidade de Florianpolis SC, e que apresenta pico de consumo noturno.
Alm disso, foi analisado o potencial de gerao de geradores solares
fotovoltaicos instalados nas coberturas dos prdios da Universidade
Federal de Santa Catarina UFSC, que abrigam os usurios de um grande
grupo de veculos (os quais poderiam ser eltricos), a fim de
verificar a sua contribuio para a recarga desses veculos e o
impacto energtico para o alimentador TDE06 que atende a regio da
universidade. Os resultados mostraram que a atuao dos veculos
eltricos como geradores distribudos (V2G) pode modelar de forma
positiva a curva de demanda do alimentador, quando conectados rede
eltrica pblica. A partir das anlises verificou-se tambm que para a
maior parte dos meses a recarga dos veculos eltricos no perodo da
madrugada no representa um problema para a rede eltrica, pois no h
ocorrncia de picos de demanda superiores ao pico de demanda noturno
do alimentador, exceto em dias muito quentes, tipicamente
verificados nos meses de vero. Os estudos mostraram tambm a
potencialidade da utilizao dos veculos eltricos como dispositivos
de armazenamento de energia gerada pelos geradores fotovoltaicos
nas coberturas dos prdios da UFSC, visto que na maior parte do
tempo os veculos permanecem estacionados. Observou-se que geradores
solares fotovoltaicos integrados s coberturas dos prdios existentes
na UFSC podem contribuir para a reduo da curva de demanda do
alimentador TDE06, uma vez que a gerao solar concomitante com o
horrio de maior consumo dos prdios da universidade (perfil de
demanda diurno). Em vrios dias verificou-se a possibilidade de
injetar na rede eltrica o excedente da gerao de energia, e caso
houvesse um sistema de tarifao apropriado, essa energia poderia ser
vendida concessionria local.
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Dissertation Abstract presented to Universidade Federal de Santa
Catarina as a partial of the requeriments to obtain the Master
degree in Civil Engineering
The interaction between solar generators and electric vehicle
connected to the public grid
LUIZ CARLOS PEREIRA JUNIOR
Florianpolis, 2011
Supervisor: Prof. Ricardo Rther, Ph.D Area of Concentration:
Construo Civil Keywords: Grid-connected photovoltaic system,
electric vehicle, distributed generation Number of pages: 137
However with the increasing preoccupation referring energy
production and the environment, decentralized energy generation is
appointing to an interesting alternative for the electrical grid.
This because the small units of power generation units are able to
contribute to the generation, transmission and distribution of
electric energy. Different technologies can be used as distributed
generation units and a favorite among them are photovoltaic solar
generators, which generate to electricity from sunlight through the
photovoltaic effect. Although they are not distributed generators,
electric vehicles to be connected to an outlet of the residential
commercial or industrial grid, can be used as a distributed
generators at strategic times within a smart grid, contributing to
the reduction of feeder peak demand at peak hours. This study aims
to evaluate the interaction of photovoltaic generators and electric
vehicles connected to the public grid. Therefore, for the feeder
that supplies the neighborhoods TDE05 Santa Monica, Crrego Grande
and Trindade, in Florianpolis - SC, which has peak evening
consumption the potential energy contribution of electric vehicles
during peak horary was analyzed. In addition, we analyzed the
generation potential of photovoltaic systems on the roof tops of
the buildings of the Universidade Federal de Santa Catarina UFSC
which
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iv
are supposed to feed charging units of a large group of electric
vehicles, in order to verify the their contribution to recharge
these vehicles and impact energy to the university grid feeder
TDE06.The results showed that the usage of the energy from
accumulators of electric vehicles for distributed generation (V2G)
can positively shape the demand curve of the feeder, when connected
to the public grid. It was also observed that for most months the
recharging process of the electric vehicles during the early
morning hours is not a problem for the residential grid. This
because the peak power of the electrical was not increased except
on very hot days, typically seen in the summer months. The
potential use of electric vehicles as storage devices for power
generated by photovoltaic generators on the roofs of the buildings
of the UFSC, since most of the time vehicles are parked. It was
also observed that rooftop integrated photovoltaic generators
contribute to the reduction of the power demand curve at TDE06
feeder, since solar generation is concomitant with the time of
highest consumption of university buildings. In several days there
it was observed that the PV-power generation was higher than the
power consumption of the University feeder TDE06 delivering a power
surplus to the electrical grid.
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v
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Mapa da rede de transmisso de energia eltrica que
abastece a cidade de
Florianpolis-SC....................................................................7
Figura 2.1: Total anual de gerao de energia, por kWp instalado,com
tecnologia de silcio monocristalino (m-Si), em Freiburg (a) e em
Florianpolis
(b).....................................................................................14
Figura 2.2. Gerador fotovoltaico de 2 kWp conectado rede e
integrado a uma edificao, instalado em Florianpolis-SC, em operao
desde
1997........................................................................................................16
Figura 2.3. Gerador fotovoltaico de 10,24 kWp instalado na
cobertura do Centro de Cultura e Eventos da
UFSC..............................................17 Figura 2.4.
Parque fotovoltaico de Sarnia, no
Canad...........................17 Figura 2.5: Ilustrao do modo de
gerenciamento de energia em funo do estado de carga da bateria de
um VEPH...........................................26 Figura 2.6.
Ilustrao da interao de geradores solares fotovoltaicos e veculos
eltricos com a rede
inteligente...............................................32 Figura
4.1. Perfil de demanda do alimentador TDE05, em MW, no ano de
2008...................................................................................................54
Figura 4.2. Perfil de demanda do alimentador TDE06, em MW, no ano
de 2008.
.................................................................................................55
Figura 4.3. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Janeiro de 2008 no horrio das 19h s
24h.............................................57 Figura 4.4.
Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores
distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Fevereiro de
2008 no horrio das 19h s
24h..........................................................................................................57
Figura 4.5. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Maro de 2008 no horrio das 19h s
24h..............................................58 Figura 4.6.
Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores
distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Abril de
2008 no horrio das 19h s
24h................................................58 Figura 4.7.
Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores
distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Maio de 2008
no horrio das 19h s
24h................................................59 Figura 4.8.
Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores
distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Junho de
2008 no horrio das 19h s
24h...............................................59
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vi
Figura 4.9. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Julho de 2008 no horrio das 19h s
24h...............................................60 Figura 4.10.
Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como geradores
distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de Agosto de
2008 no horrio das 19h s
24h..........................................................................................................60
Figura 4.11. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Setembro de 2008 no horrio das 19h s
24h..........................................................................................................61
Figura 4.12. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Outubro de 2008 no horrio das 19h s
24h..........................................................................................................61
Figura 4.13. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Novembro de 2008 no horrio das 19h s
24h..........................................................................................................62
Figura 4.14. Nmero mximo de veculos eltricos utilizados como
geradores distribudos diariamente no alimentador TDE 05 no ms de
Dezembro de 2008 no horrio das 19h s
24h..........................................................................................................62
Figura 4.15. Perfil de demanda do alimentador TDE05, em MW, com
contribuio V2G no ano de
2008........................................................................................................65
Figura 4.16. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Janeiro de 2008 no horrio da 0h s
06h......................................................................................................68
Figura 4.17. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Fevereiro de 2008 no horrio da 0h s
06h.................................................................................................68
Figura 4.18. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior
-
vii
como suporte rede eltrica no ms de Maro de 2008 no horrio da 0h
s
06h......................................................................................................69
Figura 4.19. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Abril de 2008 no horrio da 0h s
06h......................................................................................................69
Figura 4.20. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Maio de 2008 no horrio da 0h s
06h......................................................................................................70
Figura 4.21. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Junho de 2008 no horrio da 0h s
06h......................................................................................................70
Figura 4.22. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Julho de 2008 no horrio da 0h s
06h......................................................................................................71
Figura 4.23. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Agosto de 2008 no horrio da 0h s
06h......................................................................................................71
Figura 4.24. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Setembro de 2008 no horrio da 0h s
06h.................................................................................................72
Figura 4.25. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Outubro de 2008 no horrio da 0h s
06h.................................................................................................72
Figura 4.26. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior
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viii
como suporte rede eltrica no ms de Novembro de 2008 no horrio da
0h s
06h.................................................................................................73
Figura 4.27. Nmero de veculos eltricos possveis de serem
recarregados diariamente no alimentador TDE05 no perodo da manh em
funo do nmero de veculos eltricos utilizados na noite anterior como
suporte rede eltrica no ms de Dezembro de 2008 no horrio da 0h s
06h.................................................................................................73
Figura 4.28. Perfil de demanda do alimentador TDE05 com a recarga
de veculos eltricos, em MW, no ano de
2008........................................................................................................76
Figura 4.28 (cont.). Perfil de demanda do alimentador TDE05 com a
recarga de veculos eltricos, em MW, no ano de
2008........................................................................................................77
Figura 4.29. Planta das edificaes do campus Trindade, UFSC, com os
prdios selecionados em azul para o estudo em questo.
................................................................................................................78
Figura 4.30. Gerao de energia eltrica horria diria, em MW,
considerando um gerador solar fotovoltaico (a-Si) de 3 MWp no ano
de
2008........................................................................................................80
Figura 4.31. Gerao de energia eltrica horria diria, em MW,
considerando um gerador solar fotovoltaico (p-Si) de 6,7 MWp no ano
de2008....................................................................................................81
Figura 4.32. Comparao entre o perfil de demanda original do
alimentador TDE05 e o perfil de demanda resultante com a contribuio
solar fotovoltaica de um gerador de 992 kWp integrado s 496
residncias do bairro Santa
Mnica....................................................................................................83
Figura 4.33. Comparao entre o perfil de demanda original do
alimentador TDE05 e o perfil de demanda resultante com a contribuio
solar fotovoltaica de um gerador de 992 kWp integrado s 496
residncias do bairro Santa
Mnica....................................................................................................84
Figura 4.34. Perfil de demanda resultante do alimentador TDE 05 com
a contribuio V2G para o ano de
2008........................................................................................................87
Figura 4.34 (cont.). Perfil de demanda resultante do alimentador
TDE 05 com a contribuio V2G para o ano de
2008........................................................................................................88
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ix
Figura 4.35: Perfil de demanda do alimentador TDE06, em MW,
resultante da contribuio da gerao solar fotovoltaica (3 MWp de
mdulos de a-Si) no ano de
2008...........................................................91
Figura 4.36: Perfil de demanda do alimentador TDE06, em MW,
resultante da contribuio da gerao solar fotovoltaica (6,7 MWp de
mdulos de p-Si) no ano de
2008...........................................................92
Figura 4.37. Contribuio de um gerador solar fotovoltaico hipottico
de 3 MWp (a-Si) para a recarga de veculos
eltricos...................................................................................................94
Figura 4.38. Contribuio de um gerador solar fotovoltaico hipottico
de 6,7 MWp (p-Si) para a recarga de veculos
eltricos...................................................................................................95
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LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1. Parmetros programados de uma rede inteligente (smart
grid)........................................................................................................37
Tabela 3.2. Especificaes tcnicas de um modelo de veculo eltrico
Nissan
Leaf[www.nissan.pt]...................................................................42
Tabela 4.1. Nmero mximo de veculos eltricos possveis de serem
utilizados como geradores distribudos ao longo do ano de 2008 no
alimentador TDE05 no horrio das 19h s
24h......................................63 Tabela 4.2. Nmero mximo
de veculos eltricos possveis de serem recarregados no alimentador
TDE05 ao longo do ano de 2008 no horrio da 0h s
6h..............................................................................................74
Tabela 4.3. reas de coberturas disponveis para a instalao de
geradores fotovoltaicos na
UFSC...........................................................79
Tabela 4.4. Gerao solar fotovoltaica mensal e anual, em MWh, dos
geradores solares hipotticos integrados nas coberturas das 496
residncias do bairro Santa
Mnica........................................................85
Tabela 4.5. Nvel de penetrao energtica
(NPE).................................90 Tabela 4.6. Balano
energtico mensal e anual, em MWh, considerando um gerador solar
fotovoltaico de 3 MWp com mdulos de
a-Si.............................................................................................................96
Tabela 4.7. Balano energtico mensal e anual, em MWh, considerando
um gerador solar fotovoltaico de 6,7 MWp com mdulos de
p-Si.............................................................................................................97
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xii
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xiii
SUMRIO
1 INTRODUO 1
1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVNCIA DO TRABALHO .................
4
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO
.................................................... 10
1.2.1 Objetivo principal
...............................................................
10
1.2.2 Objetivos especficos
........................................................... 10
2 REVISO DA LITERATURA 12
2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
....................................... 12
2.1.1 Clulas e Mdulos Fotovoltaicos
........................................ 12
2.1.2 Tecnologias fotovoltaicas
.................................................... 12
2.1.3 Radiao solar
....................................................................
13
2.1.4 Geradores solares fotovoltaicos
.......................................... 15
2.2 GERAO DISTRIBUDA
......................................................... 19
2.3 BATERIAS
...................................................................................
21
2.3.1 Bateria Chumbo-cido
........................................................ 22
2.3.2 Bateria Nquel-Cdmio (NiCd)
........................................... 22
2.3.3 Bateria Niquel-Metal-Hidreto (Ni-MH)
.............................. 22
2.3.4 Bateria de ons de Ltio (Li-on)
.......................................... 23
2.4 VECULOS ELTRICOS
............................................................ 23
2.4.1 Veculo eltrico hbrido (VEH)
........................................... 24
2.4.2 Veculo eltrico hbrido plug in (VEPH)
............................. 25
2.4.3 Veculo eltrico bateria (VEB)
......................................... 26
2.4.4 Veculo Eltrico de Clula de Combustvel (VEFC) ...........
27
2.5 PADRO DE CONDUO
........................................................ 27
-
xiv
2.6 TEMPO DE RECARGA
...............................................................
28
2.7 DO VECULO PARA A REDE (VEHICLE TO GRID- V2G) ...... 29
2.8 ESTUDOS DE CASOS ENVOLVENDO VES ............................
33
3 METODOLOGIA 36
3.1 LOCAIS DE ESTUDO
.................................................................
37
3.2 IDENTIFICAO E CARACTERIZAO DO PERFIL DE DEMANDA DO
ALIMENTADOR .............................................. 38
3.3 ANLISE DO POTENCIAL DE INSTALAO FOTOVOLTAICA
........................................................................
38
3.4 POTENCIAL DE GERAO SOLAR FOTOVOLTAICA NO CAMPUS DA UFSC E
BAIRRO SANTA MNICA ................... 40
3.5 ESPECIFICAES TCNICAS DE UM MODELO DE VECULO ELTRICO
.................................................................
41
3.6 DETERMINAO E LIMITAES DA TRANSFERNCIA G2V E V2G
...................................................................................
42
3.7 ESTIMATIVA DO NMERO DE VECULOS ELTRICOS POSSVEIS DE SEREM
UTILIZADOS COMO GERADORES DISTRIBUDOS (V2G)
................................................................
45
3.8 ANLISE DO IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 UTILIZANDO
O VECULO ELTRICO COMO GERADOR DISTRIBUDO (V2G)
.............................................. 47
3.9 ANLISE DO IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 COM A
RECARGA DO VECULO ELTRICO (G2V) .. 48
3.10 CONTRIBUIO FOTOVOLTAICA PARA O CARREGAMENTO DE VECULOS
ELTRICOS ..................... 49
3.11 BALANO ENERGTICO
......................................................... 51
-
xv
4 RESULTADOS 53
4.1 CARACTERIZAO DO PERFIL DO ALIMENTADOR TDE05
......................................................................................................
53
4.2 ESTIMATIVA DO NMERO DE VECULOS ELTRICOS UTILIZADOS COMO
GERADORES DISTRIBUDOS (V2G) .. 56
4.3 IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 COM A CONTRIBUIO DOS
VECULOS ELTRICOS (V2G) .......... 64
4.4 CONTRIBUIO DO ALIMENTADOR TDE05 PARA A RECARGA DE UM MODELO
DE VECULO ELTRICO ........ 66
4.5 IMPACTO ENERGTICO NO ALIMENTADOR TDE05 COM A RECARGA DE
VECULOS ELTRICOS .................................. 75
4.6 ESTIMATIVA DO POTENCIAL DE INSTALAO E GERAO FOTOVOLTAICA DOS
GERADORES INTEGRADOS AOS PRDIOS DA UFSC
................................. 77
4.7 NOVO PERFIL DE DEMANDA DO ALIMENTADOR TDE05 . 86
4.8 CONTRIBUIO ENERGTICA DE GERADORES SOLARES FOTOVOLTAICOS NO
CAMPUS DA UFSC, CONSIDERANDO DUAS TECNOLOGIAS DE MDULOS
FOTOVOLTAICOS: A-SI E P-SI
........................................................................................
88
4.8.1 Caso 1: Contribuio energtica dos geradores solares para a
reduo da curva de demanda do alimentador TDE06
........................... 89
4.8.2 Caso 2: Potencial utilizao de veculos eltricos como
dispositivos mveis de armazenamento de energia
..................................... 93
5 CONCLUSO 98
6 REFERNCIAS 101
-
xvi
-
1
1 INTRODUO
O aumento da concentrao de gases do efeito estufa na atmosfera,
o aquecimento global e a insegurana energtica esto entre os grandes
problemas da atualidade. Esses temas tm sido amplamente discutidos
no mundo todo, requerendo dos rgos governamentais e das instituies
de pesquisas solues imediatas na mitigao desses efeitos sobre o
planeta. A questo energtica, por exemplo, necessita de grandes
mudanas na sua infraestrutura. O Brasil, quando o assunto a
composio do seu setor energtico,tem se destacado da maioria dos
pases por apresentar uma matriz eltrica na sua maior parte de
origem renovvel, com gerao predominantemente hidrulica. Por outro
lado, a matriz energtica da maioria dos pases do mundo, tem
dependido em grande parte das fontes no renovveis, como petrleo,
carvo e gs natural (BEN, 2010).
Ao longo dos ltimos anos a gerao centralizada de energia eltrica
tem sido o modelo tradicionalmente utilizado no Brasil. Em 2009a
capacidade instalada das centrais de gerao de energia eltrica
alcanou 106,2 GW, incluindo as centrais de servio pblico e
autoprodutoras. A gerao de energia eltrica atingiu 466,2 TWh, 0,7%
superior ao ano de 2008 (BEN, 2010). Acrescente demanda energtica
obriga o setor eltrico a aumentar a oferta de energia para
possibilitar e assegurar o avano e o desenvolvimento da sociedade.
No entanto, para atingir estes objetivos so necessrios elevados
investimentos na rea de infraestrutura com a construo de novas
unidades geradoras de energia e ampliao das linhas de
transmisso.
Os riscos que novos empreendimentos enfrentam so enormes devido
s novas exigncias ambientais e s externalidades negativas tais
como: desapropriao de terra; inundao de reas para construo de
reservatrios; impactos na fauna e flora da regio; aumento do efeito
estufa e aumento dos custos de operao e de manuteno. Diante deste
cenrio a gerao distribuda desponta como uma opo para o setor
eltrico, pois a gerao ocorre de forma descentralizada, com unidades
geradoras de pequeno porte que ocasionam menor impacto ambiental e
podem oferecer benefcio so sistema de gerao, transmisso e
distribuio. A energia gerada entregue diretamente ou prximo ao
ponto de consumo, reduzindo os elevados custos com as linhas de
transmisso bem como as perdas associadas.
-
2
A gerao distribuda caracteriza-se pela utilizao de diferentes
tecnologias, dentre as quais se destacam os geradores a diesel, as
turbinas a gs, as pequenas centrais hidreltricas, os geradores
elicos, os geradores solares(heliotrmicos e fotovoltaicos) e as
clulas de combustvel. O potencial para os avanos na gerao
distribuda imenso do ponto de vista tecnolgico.
A tecnologia fotovoltaica, utilizada na forma de gerao
distribuda, uma opo complementar gerao hidrulica e pode ser
considerada uma alternativa para medidas de gerenciamento pelo lado
da demanda (GLD), quando conectada aos alimentadores urbanos1. Os
geradores solares fotovoltaicos geram eletricidade a partir da luz
do Sol por meio do efeito fotovoltaico. Essa gerao ocorre de
maneira esttica, silenciosa, sem emisso de gases e os geradores
podem ser integrados s edificaes gerando energia eltrica prxima ao
ponto de consumo.
As edificaes de servio e comrcio so propcias integrao de
geradores solares fotovoltaicos, pois os picos de demanda histricos
dos alimentadores responsveis pelo abastecimento dessas regies tm
ocorrido no perodo diurno, devido principalmente s demandas
energticas causadas por cargas de ar condicionado. Observa-se que o
elevado consumo de energia eltrica est diretamente ligado ao
elevado nvel de radiao solar, principalmente em dias de vero.
Assim, possvel notar uma concomitncia entre o consumo e a gerao
solar fotovoltaica (RTHER et al., 2008).
Por outro lado, as edificaes residenciais em zonas urbanas
mistas, prximas de reas de servio e comrcio, apresentam consumo
energtico significativo ao longo do dia, porm o maior consumo
verificado durante a noite, devido principalmente a demandas
energticas causadas por cargas de chuveiros eltricos. Neste caso, a
gerao solar fotovoltaica integrada a este tipo de edificao
modelaria somente a curva de demanda do alimentador no horrio em
que h a ocorrncia da gerao solar, mas no seria possvel modelar o
pico de demanda que ocorre noite.
1Alimentador urbano componente do sistema de distribuio em tenso
primria
com valores mximos operativos de 15 kV ou 24,5 kV e que alimenta
diretamente, ou atravs de derivaes primrias, os transformadores de
distribuio ou consumidores (ANEEL, 2011).
-
3
Muitos so os pases que tm incentivado por meio de polticas
pblicas a gerao de energia eltrica a partir de fontes renovveis,
com a finalidade de reduzir as emisses de gases de efeito estufa. O
setor de transporte, no entanto, enfrenta ainda grandes desafios
quanto reduo das emisses de CO2, um dos principais gases de efeito
estufa, emitidos pelos veculos com motor a combusto interna.
Depois de quase um sculo de domnio do motor combusto interna no
setor de transporte, o ressurgimento dos veculos eltricos (VEs) no
cenrio mundial, com produo em srie, recente e pode contribuir na
reduo das emisses de gases de efeito estufa, desde que a energia
eltrica utilizada para recarregar as baterias seja proveniente de
fontes renovveis e no poluentes.
Os veculos eltricos so caracterizados pela utilizao de um motor
eltrico em lugar do motor de combusto interna. O motor alimentado
pela energia armazenada em um banco de baterias, que pode ser
recarregado ao ser conectado em uma tomada eltrica comum,
residencial, comercial ou industrial. No passado o conceito de
veculo eltrico teve vrias tentativas de insero no mercado
automobilstico sem obter sucesso, apesar das suas vantagens sob o
ponto de vista ambiental. Atualmente existe uma grande mobilidade
no sentido de promover a sua utilizao em grande escala em funo dos
considerveis avanos que esta tecnologia vem experimentando.
Embora no sejam geradores, os veculos eltricos podem ser
inseridos no sistema eltrico e atuar como se fossem geradores
distribudos, fornecendo parte da energia armazenada nas suas
baterias para a rede eltrica pblica em momentos estratgicos. Este
conceito conhecido como V2G (do ingls, vehicle to grid, do veculo
para a rede).
Na situao tpica de uso de um veculo eltrico no conceito V2G, o
usurio se deslocar no incio da manh at o local de trabalho e deixar
seu veculo estacionado,conectado em uma tomada eltrica disponvel no
estacionamento. O veculo eltrico permanecer estacionado durante a
maior parte das horas de incidncia solar e, nesse perodo, um
gerador solar fotovoltaico integrado cobertura do estacionamento,
ou integrado a uma edificao do local de trabalho, poder fornecer
energia para recarregar as baterias do veculo.Dessa forma, o veculo
eltrico atua como um dispositivo mvel de armazenamento de energia.
Ao final da jornada de trabalho o usurio
-
4
utilizar o veculo eltrico, com a bateria completamente
carregada, para se deslocar de volta residncia, e ao chegar ao seu
destino conectar o veculo rede eltrica. Ao conectar o veculo
eltrico em uma tomada eltrica residencial, que far parte de uma
rede eltrica inteligente (smart grid)com sistema de medio e deciso
para gerenciar a carga e a descarga da bateria, ser possvel
utiliz-lo como um gerador distribudo em momentos estratgicos, para
auxiliar a rede eltrica pblica.
Nesse processo gerenciado pela rede inteligente, a energia
armazenada nas baterias do veculo eltrico fluir para a rede
eltrica, contribuindo para a reduo do pico de demanda do
alimentador no horrio de ponta2. De forma automtica, a recarga das
baterias ser realizada nos horrios de menor demanda da rede
eltrica, durante a madrugada, logo aps o servio V2G. Todo o
processo ser gerenciado pela rede inteligente, cujos parmetros de
operao sero definidos pela concessionria local, com quem o
proprietrio do veculo eltrico ter um contrato especfico de V2G e
G2V (do ingls, grid to vehicle, da rede para o veculo).
Dessa forma, nesta dissertao optou-se por analisar a contribuio
dos geradores solares fotovoltaicos e a potencial utilizao dos
veculos eltricos como dispositivos mveis de armazenamento de
energia e como geradores distribudos no horrio de ponta.
1.1 JUSTIFICATIVA E RELEVNCIA DO TRABALHO
Neste trabalho so abordados o setor eltrico, o potencial da
gerao solar fotovoltaica e o setor de transporte. O setor eltrico
brasileiro apresenta grandes extenses de linhas de transmisso,o que
explicado pela configurao do segmento de gerao, constitudo
principalmente por usinas hidreltricas localizadas distantes dos
centros consumidores, tecnicamente chamados centros de cargas. De
acordo com o Banco de Informaes de Gerao (BIG) da ANEEL, o setor de
gerao de energia eltrica brasileiro possui um total de
2405empreendimentos em operao. A principal caracterstica deste
2 O horrio de ponta o perodo definido pela concessionria,
considerando as caractersticas do seu sistema eltrico, composto por
3 (trs) horas dirias consecutivas, exceto sbados, domingos,
tera-feira de carnaval, sexta-feira da Paixo, dia de finados e os
demais feriados definidos por lei federal (ANEEL, 2010). A Celesc
Distribuio adota como horrio de ponta o perodo compreendido entre
18h30 e 21h30 (CELESC, 2010).
-
5
segmento a sua diviso em dois blocos: o Sistema Interligado
Nacional (SIN) e os Sistemas Isolados (SISOL)(ANEEL, 2011).
O SIN um sistema de coordenao e controle formado pelas regies
Sul, Sudeste, Centro-Oeste, Nordeste e parte da regio Norte, que
congrega o sistema de produo e transmisso de energia eltrica do
Brasil. Apenas 3,4% da capacidade de produo de eletricidade do pas
encontram-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados,
localizados principalmente na regio amaznica.
Do outro lado, encontram-se as distribuidoras, que so empresas
de grande porte que funcionam como elo entre o setor de energia
eltrica e a sociedade, visto que suas instalaes recebem das
companhias de transmisso todo o suprimento destinado ao
abastecimento no pas. Aps deixar as usinas, a tenso nas redes de
transmisso varia de 88 kV a 750 kV. Ao chegar s subestaes das
distribuidoras, a tenso rebaixada e, por meio de um sistema
composto por transformadores, fios e postes, chega unidade final em
127 V ou 220 V. Exceo a essa regra so unidades industriais que
operam com tenses mais elevadas (2,3 kV a 88 kV) e recebem energia
eltrica diretamente da subestao (ANEEL, 2011).
O estado de Santa Catarina possui uma rede de transmisso
ramificada, que parte integrante do SIN. A cidade de Florianpolis
possui cinco subestaes (SE), sendo quatro da concessionria Centrais
Eltricas de Santa Catarina S.A. (CELESC) e uma da ELETROSUL
Centrais Eltricas, as quais so abastecidas a partir das subestaes
Palhoa e Biguau, localizadas na parte continental da regio
metropolitana de Florianpolis.
Uma linha de transmisso area com dois circuitos de 138 kV parte
da SE Palhoa, com traado que segue paralelo rodovia BR-101, at a SE
Coqueiros onde h a transio para cabos subterrneos para a travessia
ContinenteIlha. A SE Coqueiros utilizada apenas para permitir a
converso da linha area em subterrnea, no havendo conexo eltrica com
a linha de transmisso. Dessa subestao os dois circuitos saem em
cabos isolados e atravessam a ponte Colombo Machado Salles e chegam
subterrneos Ilha, onde um circuito se dirige para a SE Ilha Centro
e o outro para uma estao de chaveamento, onde se torna novamente
areo e segue at a SE Trindade.A partir da SE Trindade, o norte e o
sul da Ilha so alimentados em 138 kV, atravs da SE Ilha Norte e SE
Ilha Sul.
-
6
A SE Desterro, recentemente instalada, tambm alimentada pela SE
Palhoa, porm a partir de um cabo subaqutico de 230 kV. Essa SE
responsvel pela alimentao das SE Ilha Sul e SE Trindade
interconectando-as (ELETROSUL, 2010).
Cada subestao da CELESC distribui energia eltrica na parte
insular de Florianpolis atravs de alimentadores que partem dos
transformadores de transmisso.Das quatro subestaes CELESC, trs
apresentam trs transformadores de transmisso: SE Ilha Centro, SE
Trindade e SE Ilha Norte, das quais partem, respectivamente,13, 10
e 11 alimentadores por transformador. Os alimentadores so
distribudos para cada transformador de modo que o carregamento no
ultrapasse a capacidade de transformao do equipamento. A SE Ilha
Sul apresenta apenas dois transformadores de transmisso e cinco
alimentadores, compondo juntamente com as demais SEs, a rede de
distribuio da Ilha de Santa Catarina (BRAUN-GRABOLLE, 2010).
-
7
Figura 1.1. Mapa da rede de transmisso de energia eltrica que
abastece a cidade de Florianpolis-SC.
Fonte: BRAUN-GRABOLLE, 2010
Os alimentadores TDE05 e TDE06 analisados neste trabalho esto
conectados subestao Trindade e so responsveis por fornecer energia
eltrica aos bairros Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, e para a
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), respectivamente. O
alimentador TDE05 foi escolhido por apresentar
-
8
pico de consumo noturno. Com isso ser possvel analisar a
potencial contribuio dos veculos eltricos no horrio de ponta. O
alimentador TDE06 foi escolhido por apresentar pico de consumo
diurno concomitante com a mxima gerao solar fotovoltaica e por
abrigar um grande nmero de usurios de veculos, que ficam
estacionados a maior parte do dia.
O setor de transporte brasileiro, de acordo com o Departamento
Nacional de Trnsito (DENATRAN) registrou um total de 66 milhes de
veculos movidos a motor combusto interna ano de 2011. Destes,
aproximadamente 38 milhes so automveis. A cidade de Florianpolis
possui uma frota de mais de 180 mil automveis (DENATRAN, 2011).
A crescente preocupao com as questes energticas e ambientais
proporciona motivao cada vez maior para utilizao das chamadas
tecnologias verdes, o que cria um cenrio favorvel aos geradores
elicos, geradores fotovoltaicos e veculos eltricos, uma vez que o
uso destas tecnologias contribuir para a reduo das emisses de gases
causadores de efeito estufa.
Diante deste cenrio, este trabalho analisa o potencial energtico
dos geradores fotovoltaicos integrados s reas de coberturas
disponveis em edificaes que concentram um grande nmero de veculos,
os quais poderiam ser veculos eltricos bateria. Ao mesmo tempo os
geradores fotovoltaicos podem auxiliar na reduo do pico diurno de
demanda do alimentador de uma regio urbana. Ou ainda, contribuir
para a recarga das baterias dos veculos eltricos estacionados nessa
regio durante o perodo diurno.
No entanto, faz-se necessria uma avaliao do limite mximo de
veculos que podem ser recarregados no perodo noturno pelo
alimentador, a fim de no ultrapassar o seu limite de carregamento,
nem representar uma situao de prejuzo para a rede eltrica. Outra
considerao a nova demanda energtica representada pela introduo dos
veculos eltricos. Ao considerar o veculo eltrico como um
dispositivo de armazenamento de energia, que pode desempenhar o
papel de um gerador distribudo, torna-se importante analisar o
potencial de contribuio energtica dos veculos eltricos para a rede
eltrica no perodo de ponta. Assim, chegou-se ao objetivo deste
trabalho: avaliar a interao entre geradores fotovoltaicos e veculos
eltricos conectados rede eltrica pblica, avaliando tambm as
possveis dinmicas de
-
9
carga/descarga das baterias destes veculos eltricos e sua
potencial contribuio e efeitos sobre a rede eltrica pblica.
O trabalho avalia tambm a nova demanda energtica (MWh/ano)
representada por uma frota de veculos eltricos e compara esta nova
demanda com o potencial de gerao fotovoltaica integrada edificaes
que abriguem esta mesma frota.
-
10
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO
1.2.1 Objetivo principal
O objetivo deste trabalho avaliar a interao de geradores solares
fotovoltaicos e veculos eltricos conectados rede eltrica pblica,
analisando a potencial contribuio energtica dos veculos eltricos,
no horrio de ponta, para o alimentador que abastece os bairros
Santa Mnica, Crrego Grande e Trindade, que apresenta pico de
consumo noturno. tambm um objetivo analisar o potencial de gerao de
geradores solares fotovoltaicos instalados nas coberturas dos
prdios da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), que
abrigam os usurios de um grande grupo de veculos (os quais poderiam
ser eltricos),e verificar sua contribuio para a recarga desses
veculos.
1.2.2 Objetivos especficos
- Caracterizar o perfil dos alimentadores TDE05 e TDE06
responsveis pelo fornecimento de energia eltrica aos bairros Santa
Mnica, Crrego Grande e Trindade, e Universidade Federal de Santa
Catarina (UFSC), respectivamente, localizados na cidade de
Florianpolis - SC;
- Estimar o nmero de veculos eltricos que podem ser utilizados
como geradores distribudos no alimentador TDE05 em funo das
caractersticas atuais deste alimentador;
- Analisar o impacto energtico com a utilizao de veculos
eltricos como geradores distribudos (V2G) quando conectados ao
alimentador TDE05;
- Analisar o impacto energtico ocasionado pela recarga (G2V) de
um modelo de veculo eltrico no alimentador TDE05;
- Levantar a rea de cobertura disponvel nas edificaes da UFSC e
nas residncias do bairro Santa Mnica, visando integrao de geradores
solares fotovoltaicos conectados rede eltrica pblica, com
tecnologia de silcio policristalino (p-Si);
- Estimar o potencial de instalao e de gerao de geradores
solares fotovoltaicos integrados s reas de cobertura disponveis na
UFSC, considerando duas tecnologias de mdulos fotovoltaicos (silcio
policristalino e silcio amorfo);
-
11
- Estimar o potencial de gerao de geradores solares
fotovoltaicos instalados nas reas de cobertura disponveis da UFSC
(TDE06);
- Estimar o potencial de gerao de geradores solares
fotovoltaicos instalados em residncias unifamiliares de uma zona
urbana mista (TDE05);
- Analisar o impacto energtico da gerao fotovoltaica das reas de
cobertura disponveis sobre o alimentador que abastece a UFSC
(TDE06);
- Analisar a potencial contribuio energtica de geradores solares
fotovoltaicos instalados em coberturas de edificaes localizadas nas
reas atendidas pelos alimentadores TDE05 e TDE06 para o
carregamento de um modelo de veculo eltrico, considerando o nmero
de vagas disponveis no estacionamento da UFSC (TDE06) e a
quantidade de residncias unifamiliares no bairro Santa Mnica,
atendido pelo alimentador TDE05;
-
12
2 REVISO DA LITERATURA
2.1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
2.1.1 Clulas e Mdulos Fotovoltaicos
A converso direta da energia solar em eletricidade ocorre por
meio do efeito fotovoltaico, devido interao da radiao solar com uma
clula solar. A clula solar fotovoltaica a unidade bsica da converso
da energia do Sol em eletricidade e consiste de uma estrutura
compostatipicamente por uma juno p-n de material semicondutor
recoberto por uma pelcula anti-refletora na face frontal, econtatos
eltricos nas superfcies frontal e posterior destinados a fornecer
tenso e corrente uma carga.
A juno de vrias clulas solares, interligadas eletricamente e
encapsuladas, d origem ao mdulo fotovoltaico. Os mdulos so formados
por um determinado nmero de clulas conectadas em srie de modo a
aumentar a sua tenso.
2.1.2 Tecnologias fotovoltaicas
O atual mercado apresenta uma srie de tecnologias fotovoltaicas
que podem ser agrupadas em: clulas de silcio cristalino e clulas de
filmes finos. Dentre os semicondutores mais utilizados destacam-se,
por ordem decrescente de maturidade (RTHER, 2004):
silcio cristalino (c-Si); silcio amorfo hidrogenado (a-Si:H ou
a-Si); telureto de cdmio (CdTe); disseleneto de cobre e ndio (CIS),
glio e ndio (CIGS).
A produo atual dominada pelas clulas solares de juno nica
baseadas no silcio, nas formas monocristalina (m-Si) ou
policristalina (p-Si) (BAGNALL e BORELAND, 2008).
Rther et. al (2003) discutiram a variao da perda de eficincia
dos mdulos de filmes finos de a-Si em funo do efeito
StaeblerWronski, que pode ser revertido quando os mdulos so
expostos por duas horas a uma temperatura de 150 C no
escuro(STAEBLER e WRONSKI, 1977). Esse efeito ocasiona perda de
eficincia no primeiro ano de exposio radiao solar e tende a se
estabilizar ao fim deste
-
13
perodo. Este estudo mostrou que os mdulos com tecnologia de
filmes finos de a-Si apresentam menor degradao quanto maiores forem
suas temperaturas de exposio, sendo esta portanto, uma tecnologia
apropriada para climas quentes como o brasileiro.
2.1.3 Radiao solar
O conhecimento da disponibilidade de radiao solar fundamental
para a utilizao dos geradores fotovoltaicos. No Brasil, o Projeto
SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) estimou e mapeou
o potencial solar e elico do territrio brasileiro e apontou para
grandes potenciais solares por todo o territrio. O projeto SWERA
teve tambm como foco o levantamento de uma base de dados confivel e
de alta qualidade visando auxiliar no planejamento e
desenvolvimento de politicas pblicas de incentivo a projetos na rea
de energia solar e elica (PEREIRA et al, 2006).
O trabalho de Burger e Rther (2006) analisou a variao nos nveis
de radiao recebida por uma superficie conforme sua inclinao e
azimute, tendo como referncia a cidade de Florianpolis (Brasil) e a
cidade de Freiburg (Alemanha). Neste trabalho pode-se verificar e
quantificar que baixas latitudes so menos sensveis a desvios de
azimute, j que Florianpolis a 27S apresentou menores variaes que
Freiburg a 48N, conforme Fig.2.1. Diferentes posicionamentos dos
mdulos acarretam perdas no potencial de gerao, mas para baixas
inclinaes, como o caso tpico das coberturas das edificaes no
Brasil, estas perdas podem ser consideradas pequenas.
-
14
(a)
(b)
Figura 2.1: Total anual de gerao de energia em kWh, por kWp
instalado,comtecnologia de silcio monocristalino (m-Si), em
Freiburg (a) e em Florianpolis(b).
Fonte: BURGUER e RTHER, 2006
-
15
2.1.4 Geradores solares fotovoltaicos
Osgeradoressolares fotovoltaicosso um conjunto de elementos
compostos de mdulo(s) fotovoltaico(s), podendo incluir dispositivos
para controle, condicionamento, superviso, proteo e armazenamento
de energia eltrica (quando necessrio), fiao, fundao e estrutura. Os
geradoressolares fotovoltaicos so classificadosem:geradores
isolados, sem conexo eltrica com rede de distribuio, e em geradores
conectados rede, cuja energia gerada injetada na rede eltrica de
distribuio (ABNT, 2008).
Os geradoressolares fotovoltaicos isolados (SFVI) necessitam de
elementos para armazenar a energia fotogerada (normalmente um banco
de baterias) e so muito utilizados em regies remotas nas quais, por
razes tcnicas e/ou econmicas, no vivel a extenso da rede eltrica. A
energia armazenada consumida posteriormente de acordo com as
necessidades dos consumidores. Um exemplo da ampla utilizao dos
geradores isolados no Brasil se deu com o programa Luz para Todos,
do governo federal, que teve como objetivo fornecer energia eltrica
s regies que ainda no tinham acesso rede pblica.
Os geradoressolares fotovoltaicos conectados rede (SFVCR) podem
ser integrados a edificaes urbanas (gerao distribuda), ou em
grandes reas de terreno, constituindo uma usina geradora
centralizada. Os SFVCR no necessitam de elementos armazenadores
pois a energia gerada, em corrente contnua (CC), convertida em
corrente alternada (CA) pelos inversores e injetada diretamente na
rede. A Fig. 2.2 mostra o primeiro gerador solar fotovoltaico
conectado rede e integrado a uma edificao no Brasil,com tecnologia
de a-Si, em operao desde 1997 na cidade de Florianpolis (RTHER,
1998). Esse gerador,com 2 kWp3 de potncia instalada, composto por
65 mdulos fotovoltaicos sem moldura de silcio amorfo, sendo 53
mdulos opacos e 12 mdulos semitransparentes, distribudos em 5
sriescom 13 mdulos cada. O gerador fotovoltaico encontra-se
instalado com uma inclinao de 27
3Wp smbolo utilizado para especificar a potncia nominal, ou
potncia de pico, de
um mdulo fotovoltaico, que a potncia de sada sob as
condies-padro de referncia para ensaio, STC (do ingls, Standard
Test Conditions -). As STC: temperatura de juno da clula de 25C;
irradincia total de 1.000 W/m2 normal superfcie de ensaio e
espectro solar AM 1,5(ABNT, 2006)
-
16
voltado para o norte no prdio da Engenharia Mecnica da
Universidade Federal de Santa Catarina.
Figura 2.2. Gerador fotovoltaico de 2 kWp conectado rede e
integrado a uma edificao, instalado em Florianpolis-SC, em operao
desde 1997.
Alm do gerador solar fotovoltaico apresentado na Fig. 2.2,
existem outros geradores conectados rede eltrica pblica no campus
da UFSC: Centro de Cultura e Eventos (10 kWp), Hospital
Universitrio (2 kWp), Colgio de Aplicao (2 kWp) e Centro de
Convivncia (1 kWp).
O Centro de Cultura e Eventos da UFSC (Fig. 2.3) possui um
gerador solar fotovoltaico integrado sua cobertura de 10,24 kWp
composto por 80 mdulos de silicio amorfo flexvel de 128 W cada um.
O gerador ocupa 173 m e est inclinado a 27 e voltado para o norte
(VIANA et al.; 2007).
-
17
Figura 2.3. Gerador fotovoltaico de 10,24 kWp instalado na
cobertura do Centro de Cultura e Eventos da UFSC.
O parque fotovoltaico de Sarnia,no Canad, um exemplo de uma
grande usina fotovoltaica centralizada com uma capacidade instalada
de 80 MWp (ENBRIDGE, 2011).
Figura 2.4. Parque fotovoltaico de Sarnia, no Canad.
Segundo Salamoni (2004) e Santos (2009), os setores residenciais
de reas urbanas so propcios instalao de sistemas fotovoltaicos,
pois apresentam grande rea de cobertura disponvel. No entanto, por
no apresentarem curva de demanda com pico diurno, a gerao
fotovoltaica no contribuiria para alvio de sobrecarga do
alimentador. Porm, devido quantidade de rea disponvel, este setor
poderia ser aproveitado como uma mini-usina descentralizada,
aliviando a sobrecarga em alimentadores urbanos adjacentes com a
energia gerada.
-
18
Com a penetrao de energia proveniente de geradores distribudos,
como os geradores solares fotovoltaicos conectados rede eltrica, o
impacto dessa energia na rede de distribuio passou a ser o foco de
diversas discusses (LAUKAMP et al,2007; LIU e BEBIC, 2008; SANDIA,
2008).Hernndez et al (2008) identificaram as variveis para estimar
o impacto da integrao dos geradores solares fotovoltaicos em
diferentes alimentadores. Essas variveis esto relacionadas com as
caractersticas de projeto e desempenho dos alimentadores. As
principais delas abrangem as condies meteorolgicas (nvel de
irradincia solar) do local de instalao, carregamento da rede, local
de integrao do gerador solar fotovoltaico no alimentador e nvel de
penetrao, com o objetivo de garantir a qualidade da energia
entregue rede.
A Comisso Europia fixou uma meta para produo de energia
estabelecendo que, at o ano de 2020,20% da energia da Unio Europia
dever ser gerada a partir de fontes renovveis (UE, 2008).
Emparticular, graas ofertaderadiao solar em todo o mundo, a gerao
de energia por meio de geradores fotovoltaicos uma opo de energia
limpa para o futuro, pois no provoca emisses durante a fase de
gerao. Esseperfilambiental positivofoiconfirmadoem estudos
recentes,relatando tambmretornoscada vez maioressobreo investimento
de energia (FTHENAKIS e ALSEMA, 2006; FTHENAKIS et al, 2008).
As fontes de energias renovveis tm sido consideradas estratgicas
na composio da matriz eltrica em diversas partes do mundo devido
preocupao com o aquecimento global e os geradores fotovoltaicos
configuram-se como opo vivel para integrar a matriz energtica
gerando energia de forma distribuda e reduzindo as externalidades
negativas.
Mesmo com uma participao reduzida no suprimento da demanda
energtica mundial, a energia fotovoltaica tem apresentado um alto
crescimento nos ltimos anos. Pases como Alemanha, Espanha e Japo
tomaram a iniciativa com relao tecnologia fotovoltaica
implementando programas de incentivos a esta tecnologia, o que
contribuiu para o aumento da capacidade acumulada, que registrou em
2010 um total de 35 GWp (EPIA, 2011).
-
19
2.2 GERAO DISTRIBUDA
O conceito de gerao distribuda (GD) tem um significado diferente
para cada concessionria de energia, no apresentando uma definio
nica. Em alguns pases a GD definida em funo dos parmetros tcnicos
como nvel de tenso, tecnologia empregada e modo de operao (despacho
de energia centralizado e programado ou no). Para outros a gerao
conectada a circuitos em que as cargas dos consumidores so supridas
diretamente (ACKERMANN et al., 2001). J outros definem a GD levando
em considerao se suas instalaes fazem uso de fontes renovveis ou de
cogerao.
O Conseil International ds Grands Rseaux lectriques (CIGRE)
define GD como a modalidade que utiliza unidades de gerao com
capacidade mxima de 50 a 100 MW, geralmente conectadas rede de
distribuio e que no tm seu despacho centralizado (CIGRE, 2011). O
Institute of Eletrical and Eletronics Engineers(IEEE), define GD
como uma unidade de gerao que apresenta uma potncia de instalao
muito inferior s grandes centrais de gerao, e que permite a conexo
em um ponto prximo aos centros de carga (IEEE, 2011). J para o
Instituto de Eficincia Energtica (INEE) a GD uma expresso utilizada
para designar a gerao eltrica realizada junto ou prximo do(s)
consumidor(es), independente da potncia, tecnologia e fonte de
energia (INEE, 2011).
Na primeira metade do sculo XX, a gerao eltrica prxima ao
consumidor chegou a ser regra no Brasil, quando a energia
industrial era praticamente toda gerada localmente. A partir da
dcada de 40 a gerao em centrais de grande porte ficou mais barata,
reduzindo o interesse dos consumidores pela GD e, como consequncia,
o incentivo ao desenvolvimento tecnolgico cessou (INEE, 2011).
Com a crescente necessidade de expanso do sistema eltrico a GD
tm sido uma opo para que as diferentes fontes de energia possam ser
conectadas ao longo das redes de distribuio. A GD torna-se atraente
quando comparada s grandes centrais geradoras, pois requer baixos
investimentos, apresenta reduzido impacto ambiental, possibilita a
inovao tecnolgica e a utilizao de novas tecnologias (veculos
eltricos e veculos de clula a combustvel), flexibilidade de
implementao, reduo da necessidade de novas linhas de transmisso,
alm de aumentar a confiabilidade do sistema eltrico.
-
20
Spier et al (2001) pontuaram algumas desvantagens na utilizao de
GD no sistema de distribuio como: aumento no nvel de curto
circuito, competio por regulao de tenso e harmnico e flutuao de
potncia ativa na rede de distribuio. Um importante estudo de Caamao
et. al (2007) concluiu com base em estudos e projetos especficos
que a gerao fotovoltaica como GD no contribui para a capacidade de
curto circuito da rede.Alm disso, os inversores possuem
dispositivos que interrompem a conexo no caso de perturbao na
rede.
Diversos trabalhos cientficos tm sido publicados sobre o impacto
da GD no sistema de distribuio. A experincia acumulada com
geradores fotovoltaicos distribudos mostra que a tecnologia
amadureceu muito nas ltimas dcadas. A possvel ocorrncia de
ilhamento no intencional (injeo contnua de energia na rede, mesmo
quando a rede est desligada) nas redes de distribuio uma questo
importante e resolvida, bem como a qualidade da energia entregue
rede (sobretenses, quedas de tenso, variao de freqncia, distores
harmnicas na tenso e na corrente). As investigaes mostram que com a
tecnologia e o conhecimento atual essa questo no deve ser vista
como uma barreira ou um fator de limitao para o desenvolvimento da
gerao distribuda utilizando geradores solares fotovoltaicos. Quando
comparados a outras tecnologias, como por exemplo, com os geradores
elicos, nota-se que os geradores solares fotovoltaicos causam um
menor impacto ao injetarem energia na rede eltrica (CAAMAO et al.,
2007).
Algumas tecnologias de GD esto sujeitas s influncias
meteorolgicas e sazonais, ou seja, so vulnerveis variabilidade dos
fenmenos naturais como vento (no caso dos geradores elicos) e
incidncia de sol (no caso dos geradores fotovoltaicos) (SENJYU et
al., 2008).
Os geradores solares fotovoltaicos so considerados como fontes
no despachveis de energia e possuem fatores de capacidade baixos
por apresentarem caractersticas exclusivamente diurnas de gerao.
Entretanto, se analisados pelo lado da demanda, principalmente em
regies comerciais, onde os picos de demanda (devido principalmente
utilizao de ar-condicionado) coincidem com a mxima gerao
fotovoltaica, os geradores fotovoltaicos podem contribuir
efetivamente na reduo deste pico, podendo sob algumas condies ser
at considerados como uma fonte despachvel de energia (RTHER et al.,
2008).
-
21
medida que estudos so aprofundados com o intuito de eliminar as
barreiras tcnicas, tecnolgicas e de mercado, a GD pode contribuir
para que as energias renovveis tenham uma maior penetrao no setor
eltrico brasileiro.
2.3 BATERIAS
As concessionrias de energia so obrigadas a oferecer um
abastecimento estavl de eletricidade para atender a constante
variao da demanda. Muitas vezes, as concessionrias tm de recorrera
mtodos caros e ineficientes para cumprir com suas obrigaes. Neste
caso, para atenderem os picos de demanda colocam em operao usinas
termeltricas movidas carvo ou gs natural, que apresentam uma
resposta rpida ao fornecimento de energia. Porm, tais medidas tm
consequncias diretas no custo da energia eltrica, bem como impacto
negativo no meio ambiente.
Segundo Lindley (2010) as fontes renovveis de energia, como por
exemplo a energia elica e a energia solar, devido ao carter
intermitente, no so viveis para atender a essa finalidade a no ser
que a energia gerada seja armazenada em grande escala. A falta de
boas opes de armazenamento tem sido um desafio para as
concessionrias de energia. Neste caso, o amadurecimento tecnolgico
das baterias uma possibilidade para poder armazenar energia em
grande escala e disponibiliz-la nos horrios crticos do sistema
eltrico. Por outro lado, podem desempenhar um papel importante para
a adoo generalizada dos veculos eltricos.Atualmente, as baterias
encontram-se em desvantagem em relao aos combustveis lquidos, por
exemplo, pois apresentam baixa densidade energtica (BROWN et al,
2010).
Todas as baterias so formadas por dois eletrodos conectados por
um condutor inico, denominadas eletrlito. Os eletrodos tm
diferentes potenciais qumicos determinados pela reao qumica que
ocorre em cada um deles. Quando eles so conectados a um dispositivo
externo, eltrons fluem do potencial negativo para o positivo, e ons
se movimentam no eletrlito para manter o balano de carga e a
energia eltrica pode ser consumida no circuito externo. No caso de
baterias secundrias, quando o sistema chega ao equilbrio no pode
mais extrair energia, mas pode-se aplicar uma tenso na direo oposta
para recarregar a bateria. A quantidade de energia eltrica por
massa ou volume que pode ser extrada depende da tenso da clula e de
sua
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22
capacidade, que por sua vez dependem da qumica dos eletrodos.
Outro parametro a potncia, que depende em grande parte da
engenharia da bateria, alm dos parmetros mencionados anteriormente
(TARASCON e ARMAND, 2008). Em linhas gerais, as baterias so
dispositivos que armazenam energia qumica e a tornam disponvel na
forma de energia eltrica.
As crescentes preocupaes energticas e ambientais tm acelerado o
processo evolutivo tecnolgico em diversas reas e de igual modo na
inovao das baterias recarregveis, com profundo interesse em
utiliz-las no somente para dispositivos pequenos mas tambm na
propulso de veculos eltricos. Certamente que o sucesso dos veculos
eltricos est relacionado com o armazenamento de energia (TOLLEFSON,
2008).
2.3.1 Bateria Chumbo-cido
A seguir so descritos alguns dos principais tipos de baterias
utilizados para os fins descritos neste trabalho.
As baterias do tipo chumbo-cido tm sido as mais utilizadas pela
indstria automotiva, possuindo vantagem em relao s demais
tecnologias devido ao baixo custo. No caso da utilizao em veculos
eltricos apresentam desvantagem, pois oferecem baixa densidade de
energia (BOSSCHE et al., 2006). A energia especfica dessas baterias
est na ordem de 33 Wh/kg, sua densidade energtica de 75 Wh/L e
potncia especfica de 75 W/kg (CHEN et al., 2009).
2.3.2 Bateria Nquel-Cdmio (NiCd)
A tecnologia de NiCd possui energia especfica igual a50Wh/kg
(BOSSCHE et al, 2006) e tem sido utilizada em veculos de trao
eltrica devido disponibilidade de carga rpida. Possui uma potncia
especfica de 120 W/kg, densidade energtica da ordem de 80 Wh/L e um
bom ciclo de vida (CHEN et al., 2009). Todavia, apresenta elevados
custos e preocupaes ambientais com a presena de cdmio em sua
composio, alm do efeito memria(VIERA et al., 2006).
2.3.3 Bateria Niquel-Metal-Hidreto (Ni-MH)
A bateria de NiMH tem desempenho comparvel de NiCd e, tem sido
utilizada em veculos hbridos como o Toyota Prius. Os
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23
componentes da NiMH so inofensivos ao meio ambiente. Alm disso,
as baterias podem ser recicladas (FETCENKO et al., 2007),
apresentam ciclo de vida longo e so resistentes a carga e descarga
(LI et al., 2009).
2.3.4 Bateria de ons de Ltio (Li-on)
As baterias deLi-on so leves, compactas e apresentam uma
densidade energtica na faixa de 100 a 150 Wh/L(BURKE e MILLER,
2011) sendo, portanto, bastante atrativas para os VEsdevido sua
alta densidade de energia. Apresenta uma potncia especfica de 370
W/kg e energia especifica em torno de 120 Wh/kg (CHEN et al.,
2009).
Uma preocupao fundamental em relao ao aumento da escala de
produo das baterias de Li a disponibilidade dos elementos
utilizados para sua fabricao, bem como o elevado custo das clulas
da bateria, que est na faixa de 150 a 1000 US$/kWh (WADIA et al.,
2011).
Peterson et al (2010) mostraram os efeitos do deslocamento de um
VE e o uso V2G sobre o desempenho da vida de uma clula de Li. Foram
impostas sobre as clulas diferentes graus de descargas contnuas a
fim de imitar a transferncia de energia rede de um V2G, concluindo
que os efeitos da utilizao V2G sobre as clulas existem, porm as
perdas na capacidade da bateria aparecero depois de alguns anos de
uso.
2.4 VECULOS ELTRICOS
O veculo eltrico (VE) caracterizado pela utilizao de motor
eltrico no lugar do motor de combusto interna destinado propulso.
Existem modelos que apresentam uma combinao de motor eltrico e de
combusto interna. Kempton (2000) apresenta a seguinte classificao
para os VEs:
veculos eltricos hbridos gasolina (VEH); veculos eltricos
hbridos plug in (PHEV); veculos eltricos bateria (BEV); veculos
eltricos de clula de combustvel (VEFC)
De acordo com Steenhof e Mclnnis (2008) a transio dos veculos
convencionais (com motor combusto interna) para os VEs dever ser
conduzida pelos VEHs, seguida pelos PHEVs e finalmente pelos
BEVs.
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24
Um dos grandes desafios na utilizao dos veculos eltricos em
larga escala est na criao de pontos estratgicos de recarga, a fim
de que estes no se limitem baixa autonomia. Israel o primeiro pas a
criar uma estratgia para eliminar a dependncia de combustveis
fsseis no setor de transporte. O foco, porm, no est no veculo
eltrico propriamente dito, mas sim na infraestrutura de recarga,
onde as baterias podem ser recarregadas ou trocadas facilmente e
rapidamente (ANDERSEN et al, 2009).
Em 2009, a JP Morgan realizou um estudo e estimou que at o ano
de 2020 aproximadamente 11 milhes de VEs sero vendidos no mundo,
sendo 6 milhes na Amrica do Norte. Isto significa que os veculos
eltricos representaro 20% do mercado norte americano e 13% do
mercado mundial(AUTOMOTIVE NEWS, 2009).
A oportunidade de utilizar os VEs para revolucionar os setores
de transportes e os sistemas de distribuio de energia imensa. Em
particular, o surgimento de novas tecnologias oferece um grande
potencial para o estabelecimento dos VEs como parte integrante do
sistema eltrico, ou seja, alm de serem usados como veculos de
transportes, podero atuar como geradores distribudos, utilizando a
energia armazenada a bordo para contribuir com a rede eltrica em
perodos crticos do dia (pico de carga).
2.4.1 Veculo eltrico hbrido (VEH)
O VEH um veculo que utiliza um motor eltrico acionado pela
energia armazenada em um pequeno banco de baterias e um motor
combusto interna (usado em veculos convencionais) alimentado por
combustvel lquido (gasolina, etanol, diesel) e/ou gasoso (gs
natural veicular).
O conjunto motor a combusto interna e motor eltrico que
caracteriza os VEHs, permite uma reduo no consumo de combustvel
quando comparados aos veculos convencionais que s utilizam o motor
combusto interna. O VEH pode apresentar duas configuraes: srie e
paralelo.
Na configurao em srie, o motor combusto move um gerador com a
finalidade de gerar energia eltrica e o gerador pode tanto carregar
as baterias ou alimentar o motor eltrico. J na configurao em
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25
paralelo, o motor combusto e o motor eltrico so conectados
transmisso e, ambos podem fornecer energia para movimentar o
veculo.
O modelo Prius da empresa Toyota o exemplo mais bem sucedido de
automvel hbrido compacto, movido gasolina e eletricidade. Apresenta
um consumo mdio de 26 km/l, muito inferior ao consumo da maioria
dos veculos convencionais que utilizam apenas o motor combusto
(TOYOTA, 2011).
2.4.2 Veculo eltrico hbrido plug in(VEPH)
Os VEPHs so semelhantes aos VEHs, porm podem ser conectados a
uma tomada eltrica para recarregar as baterias, e ainda podem
operar em vrios modos de gerenciamento de energia, dentre os quais
se destacam:
Charge Sustaining Mode (CS): Modo no qual o estado de carga da
bateria controlado para permanecer dentro de uma faixa de operao.
Como o estado de carga da bateria no muda com o tempo, o motor a
combusto o responsvel pela propulso do veculo.
Charge Depleting Mode (CD): Modo no qual uma parte da energia
fornecida pela bateria. Com isso o estado de carga da bateria
diminui at atingir um nvel mnimo.
Electric Vehicle Mode: Modo no qual somente o motor eltrico est
em funcionamento. A energia armazenada na bateria a fonte principal
de energia.
Engine Only Mode: Modo no qual o sistema de trao eltrico no
opera.
A alternncia entre os modos de gerenciamento de energia
controlada automaticamente em funo do estado de carga da bateria,
velocidade do veculo, temperatura da bateria, temperatura ambiente,
torque e velocidade de rotao do motor (EPRI, 2001).
A Fig. 2.5 ilustra o funcionamento do modo de gerenciamento de
energia em funo do estado de carga da bateria de um veculo eltrico
hbrido plug-in.
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26
Figura 2.5: Ilustrao do modo de gerenciamento de energia em funo
do estado de carga da bateria de um VEPH
Fonte: (SHIAU et al., 2009)
No modo CD, o veculo percorre uma determinada distncia com ambos
os motores ligados ao mesmo tempo (motor a combusto e motor
eltrico). A energia armazenada nas baterias utilizada para
movimentar o motor eltrico, porm quando o estado de carga da
bateria atinge um limiar de 20%, o motor eltrico desligado e o
veculo funciona apenas com o motor a combusto interna (modo
CS).
2.4.3 Veculo eltrico bateria (VEB)
Os VEB utilizam a energia armazenada num banco de baterias como
fonte de energia primria na alimentao do motor eltrico. As questes
relacionadas infraestrutura de recarga e ao desenvolvimento
tecnolgico em baterias ainda so limitaes para utilizao dos VEBs,
que ficam restritos a trajetos urbanos devido baixa autonomia. Os
VEBs necessitam ser recarregados com grande freqncia e isto implica
em longos perodos de recarga. A recarga pode ser feita durante a
noite (fora do horrio de pico noturno) ou no perodo diurno durante
o tempo em que o veculo ficar estacionado, a partir de uma tomada
de tenso tpica residencial, comercial ou industrial. No entanto, se
for desejado que a recarga seja realizada num intervalo curto de
tempo ser necessria uma infra-estrutura eltrica diferenciada, com
conexes eltricas adequadas a este tipo de servio, pois as elevadas
correntes relacionadas grande potncia requerida, excedem a
capacidade eltrica das tomadas convencionais.
Distncia percorrida
Est
ado
de C
arga
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2.4.4 Veculo Eltrico de Clula de Combustvel (VEFC)
O veculo de clula de combustvel um veculo em que a energia
eltrica gerada a bordo atravs de um processo eletroqumico em que a
energia do hidrognio transformada diretamente em eletricidade. A
energia eltrica gerada alimenta o motor eltrico e recarrega a
bateria.
Diferentemente das baterias que fornecem energia eltrica atravs
de materiais ativos armazenados em eletrodos slidos, as clulas de
combustvel geram eletricidade medida que so alimentadas de
materiais ativos e reagentes, que pode ser o carvo,
hidrocarbonetos, alcois, aldedos e hidrognio.
2.5 PADRO DE CONDUO
O padro de conduo ou perfil de conduo do usurio de VE produzir
um impacto na rede de distribuio, simplesmente pela definio da
localidade em que estar no momento da recarga. O padro de conduo
muito varivel ao longo do dia; um deslocamento tpico dirio
inicia-se geralmente partir da residncia, seguido de um
deslocamento em direo ao trabalho e, no final da tarde, um retorno
residncia. Em alguns casos pode haver um pequeno deslocamento em
situaes emergenciais. Isto significa que a qualquer momento do dia
um VE pode estar na garagem, no estacionamento de uma empresa, num
restaurante, no estacionamento de um shopping center, ou mesmo na
estrada. Os padres de conduo so altamente estocsticos, sendo difcil
responder onde os VEs estaro no momento da recarga (GREEN et al.,
2010).
Alguns estudos semelhantes a Huston et al (2008) devero ser
realizados no Brasil a fim de determinar onde os VEs sero
recarregados. Pesquisas devero ser realizadas a fim de determinar o
local onde estes VEs estaro agrupados (estacionados) e como a
elevao da concentrao destes afetar a rede de distribuio local. Isto
poder ter um impacto drstico sobre os alimentadores dependendo da
rea em que estaro concentrados, pois contribuiro para o aumento do
pico de carga durante o dia ou durante a noite, uma vez que
representaro uma carga adicional ao sistema de distribuio.
A base para responder algumas destas questes tem sido
desenvolvida por Huston et al (2008). Estudos analisando os
efeitos
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28
sobre a rede de distribuio tero de ser realizados em reas que
abrigam os usurios de VEs, sendo interessante analisar o impacto
que causaro ao sistema considerando os padres de conduo de forma
estocstica, ou seja, ao invs de utilizar os valores mdios e
esperados do deslocamento mdio dirio de um veculo, utilizar modelos
estocsticos para ter uma viso mais realista da situao (GREEN et
al., 2010)
2.6 TEMPO DE RECARGA
Segundo Clement et al (2008) o nvel de carga ser um indicador
importante na avaliao do impacto dos PHEVs no sistema de
distribuio, bem como o momento em que as recargas sero efetuadas.
De igual modo, a anlise do impacto deve considerar as estaes do ano
e as tendncias dirias de recarga. Geralmente, nos perodos de vero e
inverno que h um aumento na demanda de energia devido s cargas de
ar condicionado e calefao. A adio de uma nova carga (PHEV) junto s
cargas sazonais existentes pode comprometer a segurana e a
confiabilidade do sistema eltrico.
Diversos estudos tm apresentado diferentes cenrios quanto ao
tempo de recarga, desde os mais simples at os mais complexos.
Alguns apresentam cenrios com recargas controladas e/ou
descontroladas; recargas regulamentadas e/ou desregulamentadas;
recargas rpidas; recargas no horrio de ponta e/ou fora do horrio de
ponta; recargas inteligentes ou uma combinao destas na tentativa de
simular o impacto no sistema de distribuio.
O cenrio de recarga mais simples a recarga descontrolada, quando
o usurio conecta o veculo eltrico na rede a qualquer hora do dia,
desconectando-o quando a bateria estiver totalmente carregada
(HADLEY, 2006; CLEMENT et al., 2008 e PUTRUS et al., 2009). Este
tipo de recarga tambm conhecida como recarga no inteligente (dumb
charging), a qual assume que os custos de energia so constantes ao
longo do dia.
De acordo com Shao et al (2009) a recarga rpida permite ao
veculo drenar mais carga da rede para ser carregado em um intervalo
curto de tempo, utilizando para isso uma tomada com conexes
eltricas especiais. Karnama (2009) apresenta a definio de recarga
regulamentada e desregulamentada. A recarga regulamentada definida
como a recarga baseada em incentivos ou informaes que poderiam
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29
incentivar ou inibir os usurios a carregar seus VE naquela hora
especfica do dia. A recarga desregulamentada a recarga no momento
em que h pouca ou nenhuma informao sobre o preo da energia.
O mais avanado perfil de recarga aquele que incorpora uma
tecnologia inteligente que escalona a carga do veculo eltrico e
controla as demais cargas domsticas (SHAO et al., 2009). A carga
escalonada caracterstica de uma recarga inteligente, onde o veculo
eltrico desacelera sua recarga com base nos nveis de energia pr
definidos comunicados atravs da rede eltrica. O controle de cargas
domsticas permite que as residncias lancem mo de cargas no
essenciais naquele momento para recarregar seus veculos eltricos
totalmente ou mais rapidamente. Tcnicas de recarga inteligente
usando tecnologia embarcada so examinadas em Acha et al (2010). O
tempo de carga baseado nos hbitos de conduo; todavia, os usurios
tendero a se comportar de forma aleatria quanto recarga dos veculos
eltricos, sendo este um parmetro importante nas anlises quanto ao
impacto na rede de distribuio.
2.7 DO VECULO PARA A REDE (VEHICLE TO GRID- V2G)
Um aspecto interessante dos veculos eltricos a possibilidade de
integrao com a rede eltrica. O conceito V2G poder criar um sistema
de energia flexvel que permitir uma melhor utilizao das fontes de
energias renovveis (LUND e KEMPTON, 2008).
O recurso energtico que cada veculo eltrico pode oferecer
bastante limitado, sendo sua carga individual (kW) desprezvel para
a rede eltrica. Guile e Gross (2009) em seu trabalho procuraram
fornecer uma construo conceitual para servir de ferramenta na
concepo e implementao de uma plataforma para a integrao efetiva de
VEs na rede de distribuio. A idia est em criar um agregador que
coletar uma srie de veculos eltricos, a fim de criar um grupo para
atuar como uma fonte de energia distribuda.
Desta forma, os veculos eltricos so o centro do conceito V2G. O
conceito bsico de V2G a possibilidade de utilizar o veculo eltrico
como um dispositivo para armazenar a energia ociosa da rede no
perodo noturno ou armazenar a energia de fontes renovveis (elica e
solar) e utiliz-la durante o dia para aliviar ou deslocar a curva
de carga do sistema eltrico ou utiliz-la no horrio de ponta durante
a noite.
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Um estudo realizado nos EUA mostrou que a penetrao de 25% de
veculos eltricos em 13 regies americanas em 2020, obrigar as
concessionrias de energia a construrem 160 novas usinas geradoras,
caso todos os usurios conectem seus veculos eltricos no incio da
noite, por volta de 17 horas para recarregarem suas baterias. No
entanto, com a tecnologia de rede inteligente (smart grid) as
concessionrias podero ajustar o tempo de recarga dos veculos
eltricos e ainda oferecer taxas mais baratas aos consumidores no
horrio fora de ponta, incentivando a recarga nesse perodo (AMIN e
WOLLENBERG, 2005)
O veculo eltrico deve apresentar trs requisitos para ser
utilizado no conceitoV2G conforme definido por (KEMPTON e KUBO,
2000; KEMPTON e TOMIC, 2005; TOMIC e KEMPTON, 2007; GUILLE e GROSS,
2010):
i) uma conexo rede para fluxo bidirecional de energia
eltrica,
ii) controle ou conexo lgica necessrio para a comunicao com o
operador central da rede de distribuio e,
iii) um sistema de medio de preciso a bordo do veculo.
A conexo bidirecional rede permitir que o usurio tanto carregue
o veculo eltrico numa tomada residencial, comercial ou industrial
(carga adicional ao sistema eltrico), quanto utilize-o como um
gerador distribudo (veculo eltrico como um recurso de energia)
injetando energia na rede eltrica e recebendo um valor diferenciado
por este servio.
A idia de utilizar os PHEVs como um dispositivo de armazenamento
de geradores distribudos tm sido levada a srio, necessitando apenas
de um projeto piloto de demonstrao.
A smart grid desempenhar um papel importante no setor eltrico em
relao ao gerenciamento de energia devido possibilidade de comunicao
entre o usurio do veculo eltrico e a rede de distribuio, aumentando
a competitividade das energias renovveis e de armazenamento, pois
os produtores locais podero vender a energia quando os preos forem
elevados (picos de demanda) e compr-las com taxas mais baixas em
perodos fora do pico de demanda (BUTLER, 2007).Em casos de picos de
demanda ou sobrecarga no alimentador, o operador central da rede
poder enviar um sinal de solicitao de servios a um escritrio
central onde uma frota de veculos eltricos estaro
estacionados(GUILLE e GROSS, 2009) ou ainda emitir um sinal
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31
para usurios individuais, a fim de utilizar a energia armazenada
nas baterias (V2G) como um recurso ao sistema eltrico. O sistema de
medio a bordo do veculo permitir ao usurio ter controle de
parmetros importantes como temperatura da bateria, autonomia do
veculo eltrico, pontos de recargas prximos, estado de carga da
bateria (SOC), energia disponvel e benefcios com a venda da energia
concessionria.
A Fig.2.6ilustra a interao entre geradores solares fotovoltaicos
e veculos eltricos conectados rede eltrica.Neste contexto os
veculos podem ser utilizados no apenas como um meio de transporte,
mas tambm como um dispositivo de potncia e energia. As fontes
renovveis de energia como elica e solar so intermitentes e no
constituem-se como uma energia firme, fortemente susceptveis a
sazonalidade. Porm, a intermitncia pode ser gerenciada atravs de
duas formas:back up e/ou armazenamento. O back up refere-se a
geradores que podem ser acionados para providenciar potncia quando
a fonte de energia renovvel insuficiente. O armazenamento tem a
vantagem de adicionalmente ser capazde absorver o excesso de
energia edevolv-la em horrios crticos de demanda.
No perodo da madrugada os veculos eltricos so recarregados pela
rede eltrica em suas residncias e pela manh, no trajeto residncia
trabalho,os veculos consomem uma parcela da energia armazenada nas
baterias, assim ao chegarem no local de trabalho, os veculos so
conectados em uma tomada eltrica para recarregarem a energia
consumida durante o percurso.Essa energia pode ser proveniente de
um gerador solar fotovoltaico ou um gerador elico, armazenando
energia nas baterias do veculo.
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32
Figura 2.6. Ilustrao da interao de geradores solares
fotovoltaicos e veculos eltricos com a rede inteligente.
Fonte: Elaborao prpria
Kempton e Tomic (2005) criaram modelos de custos e sugestes de
mercados de energia (baseload, peak power, regulation, spinning
service) onde o conceitoV2G poder ser utilizado. Os trabalhos
realizados por Clement et al (2009), Sutanto (2004), Brooks (2006)
e Srivastava et al (2010) levam em considerao as questes tcnicas,
as vantagens, as falhas e a economia na utilizao do conceito
V2G.
A opo V2G poder contribuir para melhorar a eficincia da rede
eltrica e sua confiabilidade. Uma simulao envolvendo uma anlise
diria (um dia todo) essencial para obter uma avaliao precisa do
impacto dos veculos eltricos. importante saber
quando,estatisticamente, os veculos estaro disponveis para descarga
e recarga. Uma recarga no controlada pode ocasionar problemas rede
de distribuio, no entanto, a otimizao de estratgias de recarga pode
trazer muitos benefcios. A utilizao dos veculos eltricos pode
melhorar a relao entre consumo e gerao (NYNSet al., 2011).
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33
2.8 ESTUDOS DE CASOS ENVOLVENDO VES
Os efeitos sobre a rede eltrica esto diretamente relacionados
com as caractersticas dos veculos eltricos. Estas caractersticas
esto divididas em: caractersticas do veculo (peso, tecnologia das
baterias, potncia do motor eltrico), nvel de carga, local e horrio
de recarga (residncia, postos de recargas, local de trabalho). Os
impactos sero determinados considerando o nmero de veculos
conectados rede num dado instante, o perfil de demanda do
alimentador da rea em questo e os efeitos da demanda no
transformador (HADLEY, 2006).
O impacto da adio de uma nova carga (PHEV) no transformador de
distribuio sob diferentes cenrios de recarga em Blacksburg, VA,
foram tratados por Shao et al (2009) considerando uma curva tpica
de demanda residencial. As simulaes indicaram que novos picos de
carga so gerados com a adio dos PHEV. A fim de manter o sistema
seguro e eficiente foram considerados diferentes cenrios de recarga
e algumas solues de gerenciamento de demanda, como o escalonamento
de carga dos PHEV e o controle da carga residencial.
A simulao considerou um transformador de 25 kVA responsvel pelo
abastecimento de cinco residncias e analisou dois PHEV com baterias
de ltio-on de 16 kWh. No estudo foram consideradas duas estratgias
de carregamento. Na primeira, todos os veculos foram carregados aps
as 18 horas, o que representou um aumento de 68/52% na carga do
transformador no inverno/vero. Na segunda, todos os veculos foram
carregados fora do horrio de maior demanda e, resultou num aumento
de 58/52% na carga do transformador no inverno e vero. Em nenhum
dos casos analisados houve sobrecarga do transformador. Assim, os
cenrios foram reconsiderados utilizando recarga rpida com o
objetivo de diminuir o tempo de recarga dos veculos e com isso
verificou-se uma sobrecarga no transformador com os veculos
carregados aps as 18 horas. No caso de recarga fora do horrio da
ponta, o transformador passou a trabalhar no limite da sua
capacidade.
Embora alguns transformadores operem sobrecarregados num
intervalo pequeno de tempo, isso poder tornar-se um problema quando
um grande nmero de veculos eltricos for conectado. O cenrio final
investigado envolveu cinco PHEV e duas metodologias de
gerenciamento de demanda foram apresentadas: a primeira foi o
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34
escalonamento de carga do PHEV e a segunda, o controle de carga
residencial.
No escalonamento de carga os veculos foram carregados quando a
demanda do transformador era menor do que um valor especificado. J
o controle de carga residencial foi uma forma de economia de
energia a fim de que os veculos pudessem ser recarregados
rapidamente sem sobrecarregar o transformador. Com o carregamento
rpido e com a aplicao do gerenciamento de demanda residencial o
trabalho mostrou que no houve sobrecarga do transformador. A
recarga dos PHEVs representa uma nova carga para a rede de
distribuio e isso acarretar uma ligeira diminuio na eficincia de
operao dos transformadores de distribuio, e em alguns casos poder
causar a sobrecarga dos transformadores. No entanto, estas cargas
podero ser gerenciadas atravs de tcnicas existentes nas redes
inteligentes.
O impacto na rede eltrica de distribuio da Blgica foi discutido
por Clement et al (2008) considerando os dados atuais de trfego e o
perfil de conduo dos usurios. Este trabalho investigou o fluxo de
carga quando os PHEVs eram adicionados rede de distribuio. Alm
disso, foram investigados trs diferentes casos de recarga
descontrolada: recargas entre 0h e 2h, recargas entre 6 h e 8 h e
recargas durante o di