COST ANALYSIS AND IMPLEMENTATION OF AN OFF-GRID SOLAR INSTALLATION COMPARED TO THE ON-GRID MODEL
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/cl10202411261026
Afonso Henrique Peloso Schelck1
Lucca da Cunha Rodrigues2
Maezio Pereira da Silva3
Resumo
O presente trabalho apresenta uma análise sobre a viabilidade e custos de implementação de um sistema solar off-grid, isolado da rede elétrica, em comparação com um sistema on-grid, conectado à rede elétrica. Para este intuito, apresenta-se o funcionamento da conversão de energia solar, através do efeito fotovoltaico, bem como os equipamentos que compõem ambos os sistemas. Em termos de análises, destacou-se as vantagens e desvantagens dos dois tipos de instalação. Foi realizada uma análise da vida útil e garantias dos dispositivos, asseguradas pelo fabricante. Do ponto de vista financeiro, foi utilizado como referência a instalação de energia solar on-grid, em um restaurante na cidade de Miracema, no estado do Rio de Janeiro. Este estabelecimento possui geração em torno de 1.558,60 kWh por mês, sendo composto por 20 placas solares da marca Honor e 1 inversor monofásico de 10kW da marca Growatt. Para a comparação com o modelo não conectado à rede, fez-se necessário realizar o dimensionamento do Inversor off-grid, banco de baterias e controlador de carga. Assim, a comparação apresentada neste estudo evidencia que a implantação de um sistema fotovoltaico off-grid, apesar de apresentar vantagens técnicas, não vale a pena do ponto de vista financeiro, tanto comparado à opção off-grid, quanto ao fornecimento tradicional.
Palavras-chave: Energia solar. Sistema on-grid. Sistema off-grid. Viabilidade financeira. Viabilidade técnica.
1. INTRODUÇÃO
Atualmente a matriz energética brasileira é liderada por uma fonte tradicional de geração de energia. Segundo dados da Empresa de Pesquisa Energética do Governo Federal, observa-se a predominância das fontes hidráulicas, com 61,9% de participação na geração de energia do Brasil. Em segundo lugar, com 11,8%, aparecem as eólicas, energia proveniente dos ventos transformada em energia mecânica e posteriormente em energia elétrica. (EPE, 2023).
Figura 1. Balanço Energético Nacional 2023
Fonte: EPE (2023).
Um tipo de geração de energia que vem crescendo como uma alternativa na matriz energética brasileira é a energia solar, fonte renovável de energia proveniente da incidência direta da luz solar. Por ser renovável, se apresenta como uma opção sustentável, ajudando a reduzir a dependência de combustíveis fósseis, colaborando ainda para a redução de gases de efeito estufa. Atualmente esse tipo de geração de energia pode ser separado em três diferentes sistemas: sistema fotovoltaico conectado à rede de energia elétrica (on-grid), sistema fotovoltaico isolado da rede de energia elétrica (off-grid), e sistema híbrido (contém ambos os sistemas). (CORDEIRO, 2024)
A energia elétrica é um bem essencial para o desenvolvimento humano, utilizada como matéria-prima em praticamente toda a produção e logística econômica dos países. Devido a alta demanda de energia elétrica, os custos estão cada vez maiores nas contas dos consumidores, que consequentemente buscam formas de economizar. Diante disso, a energia fotovoltaica tem ganhado grande espaço nas matrizes de produção de energia mundial. (LIMA, 2022)
1.1 Objetivo Geral
O presente trabalho tem por objetivo buscar dados a respeito de sistemas de energia solar off-grid, analisar sua forma de funcionamento, estimar custos de implementação, além de comparar seu uso com a instalação elétrica convencional ofertada pelas concessionárias de energia. Esse trabalho estará voltado especificamente para pequenos empreendimentos ou residências.
1.1.1 Objetivos Específicos
- Analisar os tipos de geração de energia da matriz energética brasileira, identificando parâmetros que possam servir de base para análise de dados e conclusão dos benefícios.
- Buscar informações e dados relevantes sobre a utilização do sistema de energia fotovoltaica.
- Averiguar, de acordo com dados obtidos, vantagens e desvantagens ao se utilizar o sistema de energia solar off-grid em pequenas unidades consumidoras.
- Oferecer um panorama sobre a viabilidade econômica de um projeto de energia solar off-grid.
1.2 Justificativa
O presente trabalho pretende analisar e contribuir para o esclarecimento sobre o funcionamento de fontes de energia solar, com foco na instalação off-grid, visando independência da rede elétrica convencional disponibilizada pela concessionária. Além disso, constatar os reais custos e benefícios de uma instalação off-grid em determinado estabelecimento em comparação com perdas referentes ao não funcionamento do mesmo.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Este tópico discorrerá sobre a energia fotovoltaica, sistemas fotovoltaicos, sistemas ongrid e off-grid, composição de um sistema off-grid, durabilidade e garantia dos equipamentos, visando obter um referencial teórico para o presente trabalho.
2.1 A energia fotovoltaica
A energia fotovoltaica foi descoberta pelo físico Edmon Becquerel (1820-1891) no ano 1839, sendo conhecida pelo fenômeno físico que transforma a luz solar em energia elétrica. O termo “efeito fotovoltaico” foi observado na análise de eletrodos em uma solução de selênio, a partir da exposição à luz solar (LIMA, 2022). Posteriormente a propriedade foi observada em materiais semicondutores, sendo o mais comum o silício, o qual se aproveita da propriedade da diferença de potencial em materiais semicondutores para a geração de corrente elétrica. (RIBEIRO, 2023)
2.2 Sistemas fotovoltaicos
Os sistemas fotovoltaicos têm como sua unidade primária as células fotovoltaicas, que são compostas por material semicondutor ao qual adiciona-se algumas substâncias chamadas substâncias dopantes, criando assim um meio adequado para a execução do efeito fotovoltaico. Esse processo converte a radiação solar diretamente em corrente elétrica contínua. As células fotovoltaicas evoluíram muito desde o seu conceito inicial, introduzido por Charles Fritts, em 1883, as quais eram produzidas a partir do selênio e tinham eficiência em torno de 1%. As células mais utilizadas hoje têm eficiência em torno de 25% e são produzidas de silício dopado. A associação dessas células em paralelo é chamada de painel fotovoltaico, e junto a acumuladores, conversores e inversores formam o sistema fotovoltaico de geração de energia elétrica. (LIMA, 2022; COSTA, 2022)
2.3 Sistema on-grid
Os sistemas fotovoltaicos on-grid, ou conectados à rede, como o próprio nome menciona, são ligados à rede elétrica da concessionária, conforme demonstrado na Figura 2. Durante o dia o sistema gera energia para o próprio consumo. Havendo energia excedente, esta é enviada diretamente para a concessionária e convertida em créditos. No período noturno, quando não há incidência da luz solar, a energia é obtida através da concessionária. Ao final de um período determinado pela concessionária, é realizada a medição da energia consumida e são descontados os créditos excedentes armazenados. (ALVES, 2019; LIMA, 2022).
Figura 2. Esquema de um sistema on-grid
Fonte: BÁO RIBEIRO (2022)
2.4 Sistema off-grid
O sistema off-grid, também chamado de isolado ou não ligado à rede elétrica, atua de forma autônoma, ou seja, fora da rede elétrica disponibilizada pela concessionária, observado na Figura 3. Por esta razão, esse tipo de sistema pode ser utilizado em regiões remotas, que não dispõem de distribuição de energia ou que possuem alta instabilidade no serviço de distribuição da elétrica. (ALVES, 2019).
Figura 3. Esquema de um sistema off-grid
Fonte: ENERGY SOLVER (2024)
O Decreto nº 7.246 (2010) da Presidência da República, em representação à Casa Civil, define “regiões remotas” como “pequenos grupamentos de consumidores situados em Sistema Isolado, afastados das sedes municipais, e caracterizados pela ausência de economias de escala ou de densidade”, Brasil (2010, p. 3). Definindo também “sistema isolado” como “sistemas elétricos de serviço público de distribuição de energia elétrica que, em sua configuração normal, não estejam eletricamente conectados ao Sistema Interligado Nacional – SIN, por razões técnicas ou econômicas”. (Brasil, 2010)
2.4.1 Composição do sistema off-grid
Para compor um sistema off-grid é necessário a presença de quatro principais componentes: Painéis Fotovoltaicos, Inversor DC/AC, Banco de baterias e Regulador de carga. Além disso, existem componentes secundários como cabos e conexões. (Alves, 2019)
Existem 3 tipos de sistema off-grid: o primeiro tipo após gerar energia nos painéis a armazenar por meio de baterias. A segunda opção é o bombeamento de água para tanques, armazenando na forma potencial gravitacional para posteriormente ser transformada em corrente elétrica. Existem ainda sistemas em que não se faz necessário o armazenamento, como sistemas de irrigação que transmitem carga para os equipamentos no mesmo momento de sua geração. (ALVES, 2019; SILVA, 2023).
Figura 4. Painéis solares em telhado
Fonte: PORTAL SOLAR (2024)
Os painéis fotovoltaicos presentes na Figura 4 são dispositivos capazes de converter radiação solar em energia elétrica, na forma de corrente contínua. Ovelha (2017) complementa expondo a formação de um painel fotovoltaico com materiais chamados semicondutores, os quais possuem fraca ligação de elétrons em sua camada de valência. (Alves, 2019)
Um módulo fotovoltaico (ou painel fotovoltaico), na verdade, é o resultado de um conjunto de células fotovoltaicas ligadas entre si. Ao gerar eletricidade na forma de corrente contínua, é necessário que esta seja convertida para corrente alternada (AC), para que possa ser utilizada pelos aparelhos eletrônicos. (Luque, 2003).
Figura 5. Inversor fotovoltaico
Fonte: ELETROSYSTEMS (2024)
Ainda de acordo com Luque (2003), o inversor fotovoltaico, presente na Figura 5, é o dispositivo capaz de transformar a energia recebida nos módulos fotovoltaicos em corrente contínua (CC) para corrente alternada (CA), de modo a ser utilizada em residências e edifícios comerciais. Também define algumas características importantes associadas aos inversores, descritas como: alta confiabilidade e baixa manutenção; operação em uma faixa ampla de tensão de entrada; Boa regulação na tensão da saída; Baixa emissão de interferência eletromagnética e de ruído audível; tolerância aos surtos de partida das cargas a serem alimentadas; segurança para pessoas e instalações; grau de proteção IP adequado ao tipo de instalação; garantia de fábrica de pelo menos dois anos.
Figura 6. Bateria para sistema off-grid
Fonte: MOURA (2024)
A forma mais comum para armazenamento de energia em um sistema off-grid se dá com a utilização de baterias, cujo modelo é apresentado na Figura 6, que serão utilizadas para abastecer a instalação em momentos em que a geração não é suficiente, como o período da noite e dias nublados ou chuvosos. Apesar de existirem opções de bateria como as de Níquel-Cádmio, que apresentam maior eficiência e vida útil, as mais utilizadas são as de chumbo ácidas devido a sua vantagem econômica. (LIMA, 2022)
Figura 7. Regulador de carga
Fonte: EPEVER (2024)
Reguladores ou controladores de carga, conforme apresentado na Figura 7, é o nome dado para o conjunto de equipamentos responsáveis pela proteção da bateria ou banco de baterias contra sobrecarga ou descarga profunda, devendo ser projetados de acordo com as características específicas para cada tipo de bateria do sistema. Esses reguladores constatam quando a bateria está completamente carregada, desconectando sua fonte de energia e quando um nível mínimo de segurança, interrompendo o fornecimento. Ambas medidas são necessárias para prolongar a vida útil das baterias. (ALVES, 2019)
2.5 Durabilidade e garantia
Um ponto que precisa ser levado em consideração para avaliar o custo dos equipamentos citados anteriormente é a sua durabilidade, que pode ser obtida através da garantia dada pelos fabricantes.
O mercado brasileiro possui uma vasta lista de marcas de inversores de frequência. O ponto que mais define a escolha de usuários para tal marca é o quão confiável e durável é o modelo de inversor. Neste sentido, nomes como Growatt, Sungrow, Deye e WEG estão no topo dos modelos mais vendidos no mercado nacional em 2023, de acordo com o blog Portal Solar. (PORTAL SOLAR, 2024)
Utilizando como exemplo a marca Growatt, de acordo com a fabricante, a garantia é de 10 anos para equipamentos do modelo on-grid e de 2 anos para o modelo off-grid. Uma diferença notável, visto que a vida útil de um inversor gira em torno de 10 a 15 anos. (GROWATT, 2024)
Analisando painéis solares, a fabricante WEG afirma que os seus modelos possuem garantia de até 25 anos, considerando performance em torno de 80%. Consultando blogs e sites relacionados, pode-se confirmar esse dado, o qual é uma base adotada por empresas em todo o mundo. (PORTAL SOLAR, 2024)
Nesta mesma análise é extremamente importante avaliar a durabilidade das baterias, uma vez que serão o diferencial de um sistema off-grid. Uma bateria ou grupo de baterias pode ter durabilidade entre 5 a 15 anos, a depender de marca, tipo de bateria e condições de uso. A vida útil dela pode ser medida por ciclos de carga e recarga. As baterias de íon-lítio têm vida útil superior às de chumbo-ácido, ultrapassando mais de mil ciclos. Esta tecnologia possui uma durabilidade superior a dez anos, enquanto as baterias de chumbo-ácido duram de três a cinco anos. (PORTAL SOLAR, 2024)
O regulador de carga (ou controlador de carga) é utilizado para evitar sobrecarga do sistema de baterias e otimizar o rendimento do mesmo. Esses aparelhos possuem vida útil estimada entre 5 a 10 anos e garantia ofertada geralmente em 2 anos. (NEOSOLAR, 2024)
3. METODOLOGIA
Para alcançar os objetivos anteriormente definidos, foi utilizada uma revisão bibliográfica sobre o tema. Este tipo de pesquisa utiliza materiais já existentes para seu desenvolvimento. Materiais como relatórios, artigos acadêmicos, sites, livros, manuais de produtos, dentre outros.
A revisão bibliográfica foi feita separando artigos da base de dados do Google Acadêmico. Foram selecionados trabalhos acadêmicos cujo título e resumo tinham relação com o tema proposto, sendo lidos posteriormente a fim de aprofundar mais o conhecimento e utilizando para corroborar o trabalho. Outros textos da área foram adicionados à base bibliográfica de forma a complementar a pesquisa com dados considerados necessários para a realização do estudo, como pesquisas do governo e normas técnicas.
Foi realizada uma pesquisa de preços, em lojas virtuais do segmento, com o objetivo de coletar dados que servirão de parâmetros comparativos entre os dois sistemas (on-grid e offgrid), para posteriormente definir pontos consideráveis na escolha de algum dos dois modelos de geração de energia.
4. RESULTADOS
4.1 Análise de custos do Sistema on-grid
Para avaliar a viabilidade de uma instalação off-grid, foi observado um caso já existente de um restaurante com sistema fotovoltaico on-grid, constatando as especificações dos equipamentos utilizados para a demanda solicitada e será avaliado a diferença de custo para um projeto off-grid com as mesmas características.
Trata-se de uma instalação de sistema de energia solar on-grid, localizada na rua Estorgilda Dias Sentineli, em Miracema/RJ, composta por 20 placas solares da marca Honor com potência estimada de 570W cada, observado na Figura 8, ligadas em um inversor monofásico 220V de 10kW da marca Growatt, apresentado na Figura 9. Este sistema possui média mensal de geração de 1.558,60kWh, com retorno de investimento esperado de 11 meses e economia acima dos 750 mil reais em 25 anos de funcionamento, como mostra a Figura 10.
Figura 8. Painéis solares em laje
Fonte: PROJETO DO RESTAURANTE (2024)
Figura 9. Inversor Growatt 10kw
Fonte: PROJETO DO RESTAURANTE (2024)
Figura 10. Retorno de investimento por ano concluído
Fonte: PROJETO DO RESTAURANTE (2024)
Avaliando somente o valor da atual estrutura de energia solar, pode-se estimar o custo de uma placa solar com a mesma potência, em torno de 500 reais. E o custo do inversor da marca Growatt, possui valor de mercado de 6 mil reais. Totalizando, em média, 16 mil reais.
Conforme apresentado na Figura 10, o valor total da proposta é de 20 mil reais. Pode-se afirmar que os custos com mão de obra, estrutura metálica de sustentação e cabeamento estão em torno de 4 mil reais, devido a subtração do valor das placas e do inversor solar.
A Tabela 1 foi desenvolvida com o objetivo de facilitar a visualização de custos do sistema on-grid.
Tabela 1. Custos do sistema on-grid
4.2 Análise de custos de um sistema off-grid
Para um projeto off-grid com essas mesmas especificações, será necessário alterar o inversor de frequência, adicionar um banco de baterias e um regulador de cargas.
O inversor para um sistema solar off-grid definido foi o “Inversor Carregador Off Grid 10000W 48V/220V MPPT 80A Growatt – SPF 10KT HVM”, modelo com a mesma capacidade e marca do inversor on-grid. Seu custo está entre 11 e 12 mil reais.
Também foi necessário determinar a especificação do banco de baterias a ser adquirido. Considerando um consumo médio de 1.550 kWh, deve-se estimar um fator de correção para a instalação. Estimando a eficiência da bateria de chumbo-ácido, em torno de 85%, e a média de eficiência dos inversores, também em torno de 85%, chega-se a um fator de correção de 0,72 (eficiência da bateria x eficiência do inversor). De acordo com o cálculo de fator de correção, conclui-se que o consumo corrigido será de 2.153 kWh/mês (consumo médio / fator de correção). (JYC BATTERY, 2023)
Visando uma autonomia de um dia, o banco de baterias de chumbo-ácido (modelo mais utilizado) deve ter a capacidade de potência por volta de 72 kWh/dia (consumo corrigido / 30 dias). Caso seja determinada uma maior autonomia, basta multiplicar a capacidade de potência diária pelo número de dias de autonomia desejados. Vale destacar que para baterias de chumbo ácido, a profundidade de descarga recomendada é de 30%. Para definir o número de baterias em paralelo, deve-se realizar o cálculo da energia armazenada, que é a potência dividida pela profundidade de descarga, ou seja, 240kWh. (ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2024)
Como a capacidade da bateria é expressa em Ah (Ampere x hora), deve-se transformar a medida de Wh para Ah dividindo a energia armazenada de 240kWh por 48 V, que é a tensão do banco de baterias. Como resultado, tem-se 5.000Ah. (ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2024)
Tomado como exemplo a “Bateria Estacionária Moura Solar 12MS234 (220Ah)”, para obter a quantidade necessária de baterias para tocar o sistema, deve-se realizar três cálculos:
Primeiro, será necessário definir quantas baterias devem ser utilizadas em série para obter a tensão igual ao inversor. Deve-se utilizar 4 baterias de 12V em série devido a especificação do inversor de frequência (48V).
Após isso, deve-se utilizar 23 baterias em paralelo, número necessário para suprir a capacidade total do banco em Ah.
Por último deve-se multiplicar os grupos série x paralelo para obter o total de baterias necessárias para o banco. Neste caso, seria necessário um total de 92 baterias para suprir a demanda energética do sistema.
Uma Bateria Estacionária Moura Solar 12MS234 (220Ah) possui custo estimado entre 1500 e 2000 reais. Calculando com o preço mais baixo, a fim de obter certa economia, observa-se que o total gasto somente em baterias seria de 138 mil reais. (GOOGLE, 2024)
O regulador de carga compatível com o sistema foi um modelo importado encontrado de 10kW e 48VDc com custo de aproximadamente R$ 7500,00. Não será considerado frete e impostos, pois são calculados à parte, de acordo com a política de importação vigente. (GOOGLE, 2024)
O sistema com a mesma potência instalada no modelo off-grid, teria um custo total de aproximadamente 175 mil reais. Este valor considera custos estrutura e mão de obra um pouco mais caros comparados ao sistema on-grid, por ter a obrigação de se construir uma “casa” para o banco de baterias, podendo estimar custo em torno de 9 mil reais. O resumo de custos do sistema off-grid encontra-se discriminado na Tabela 2.
Tabela 2. Custos do Sistema off-grid
5. CONCLUSÃO
Para um projeto com potência de 10kW, os custos de implementação de um sistema ongrid são 9 vezes mais baratos, comparado ao sistema off-grid com a mesma potência. Enquanto o preço total da instalação on-grid foi de 20 mil reais, o modelo off-grid custa em torno de 180 mil reais para autonomia de 1 dia, desprezando custos de estrutura, cabeamento e mão de obra. O retorno do investimento, que seria em 11 meses, aumentaria para 8 anos e 3 meses.
Deve-se observar também, a diferença de tempo de garantia ofertados pelos fabricantes de inversor solar, tendo o modelo on-grid garantia de 10 anos e o modelo off-grid possuindo apenas 2 anos, de acordo com a fabricante Growatt. Destaca-se que a vida útil de um inversor está em torno de 10 a 15 anos.
Se um usuário tem a intenção de adquirir o modelo de geração off-grid para ter a vantagem de não estar conectado a rede elétrica, se prevenir de problemas na rede da concessionária, não precisar pagar conta de luz e gerar sua própria energia, deve atentar-se para o fato de que neste modelo o custo de implementação é mais alto e o retorno do valor investido demanda longos anos.
O cliente só teria o retorno do investimento 6 anos após o vencimento da garantia do seu inversor de frequência (2 anos), equipamento com maior custo unitário do sistema. E nesse período seria necessário realizar a troca de seu banco de baterias de 2 a 3 vezes, às quais possuem maior valor agregado.
Este tipo de projeto mostra-se desfavorável do ponto de vista financeiro, de modo que a sua utilização deve ser considerada somente se o cliente busca ou necessita de independência da rede elétrica disponibilizada pela concessionária. Caso contrário, os sistemas tradicionais e on-grid são mais vantajosos.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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1Discente do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Instituto Universitário Redentor Campus Itaperuna/RJ e-mail: afonsoschelck2015@gmail.com
2Discente do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Instituto Universitário Redentor Campus Itaperuna/RJ e-mail: luccadacunha@gmail.com
3Docente do Curso Superior de Engenharia Elétrica do Instituto Universitário Redentor Campus Itaperuna/RJ. Mestre em Modelagem Computacional, Ciências e Tecnologias (UFF/RJ). e-mail: maeziops@id.uff.br