REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/pa10202504192223
Érick Barbosa Silva Ribas
Gabriel Santana David
Orientador: Prof. Msc. Selma Alves De Oliveira
RESUMO
O presente trabalho investigou a viabilidade da implementação de sistemas de armazenamento de energia associados à geração fotovoltaica, com foco em sistemas off-grid. Através de revisão bibliográfica, análise técnica e estudo de caso aplicado a um edifício residencial, foram avaliadas diferentes tecnologias de baterias, com destaque para as de íon-lítio. Os resultados mostraram que, apesar dos custos iniciais elevados, tais sistemas apresentam benefícios significativos em termos de sustentabilidade, eficiência energética e independência da rede elétrica. Conclui-se que a adoção de sistemas híbridos com armazenamento representa uma alternativa eficaz para ampliar o uso de fontes renováveis no Brasil.
Palavras-chave: Armazenamento de energia; Geração fotovoltaica; Sustentabilidade; Baterias de íon-lítio; Eficiência energética.
ABSTRACT
This work investigated the feasibility of implementing energy storage systems associated with photovoltaic generation, focusing on off-grid configurations. Through a literature review, technical analysis, and a case study applied to a residential building, different battery technologies were evaluated, highlighting lithium-ion batteries. The results showed that despite the high initial costs, such systems offer significant benefits in terms of sustainability, energy efficiency, and independence from the conventional power grid. It is concluded that hybrid systems with storage represent an effective alternative to expand the use of renewable sources in Brazil.
Keywords: Energy storage; Photovoltaic generation; Sustainability; Lithium-ion batteries; Energy efficiency
1. INTRODUÇÃO
Em tempos hodiernos, a utilização da energia elétrica tornou-se ainda mais essencial para o efetivo funcionamento, especialmente no que diz respeito às indústrias, aos estabelecimentos comerciais, aos hospitais, entre outros. A interrupção do fornecimento de energia, mesmo que por curtos períodos, pode acarretar impactos significativos e até desastrosos, incluindo atrasos operacionais, prejuízos financeiros e até mesmo riscos à vida. Para tanto, é necessário buscar medidas para mitigar esse risco, uma solução eficaz pode ser a implementação de sistemas de armazenamento de energia conhecidos como reserva elétrica.
Sem a existência da energia elétrica, seria quase impossível vivermos nos dias atuais, visto que, com sua crescente demanda, vemos dificuldades que se agravam cada vez mais. Pensando no meio ambiente, com usinas hidrelétricas onde a escassez hídrica gera baixos níveis nas barragens, ocasionando assim uma menor geração por meio das mesmas agora, com um olhar voltado para as termoelétricas, onde a queima constante de diesel aumenta os níveis de CO₂, poluindo a atmosfera. Por essa razão Furlan dizia em seu trabalho de 2008, que as fontes renováveis, com ênfase principal na fotovoltaica demonstrava-se como uma solução para as exigências de preservações ambientais, bem como seus custos mais atrativos. Hoje, com o advento de novas tecnologias, este custo ficou ainda menor, sendo assim, este trabalho busca analisar justamente a viabilidade de um sistema off-grid.
No entanto, a viabilidade financeira desse investimento deve ser cuidadosamente considerada, planejada e calculada. Assim, é, segundo o que diz SERRA, E. T.; et al. (2016, p.7) no ano de 2015,
…“a expectativa do crescimento do armazenamento de energia com baterias era numa evolução de 226 MW em 2015 para 2,1 GW em 2021”…“que as tecnologias de armazenamento energético auxiliam no equilíbrio da demanda, ajustando as diferenças temporais e geográficas. Classificando-as por meio da sua utilização, sejam elas a eletricidade ou térmica. Por fim, resumem que o armazenamento de energia é uma tecnologia que permite o gerenciamento, otimizando a oferta e demanda de energia.”
Portanto, refletir e buscar respostas para tal discussão é uma necessidade que muito contribuirá para que a utilização da energia elétrica, tão importante para todos, seja devidamente utilizada com investimentos que favoreçam o seu uso.
1.1. Objetivo Geral
Este estudo tem como objetivo avaliar a viabilidade da implementação de sistemas de armazenamento de energia, com foco na utilização de micro e minigeradores de fontes renováveis, especialmente os sistemas fotovoltaicos autônomos (off-grid).
1.2. Objetivos Específicos
Para melhor entendimento e conhecimento, é salutar considerar os aspectos técnicos, econômicos, ambientais e sociais envolvidos. Para tanto, este estudo irá:
- Dimensionar os componentes do sistema de geração e armazenamento.
- Analisar os impactos ambientais associados à tecnologia de armazenamento energético.
- Analisar as modificações necessárias para este tipo de geração, como localização dos equipamentos.
- Investigar os modelos de negócios e viabilidade econômica do armazenamento de energia em sistemas baseados em gerações renováveis.
- Calcular o custo da energia elétrica produzida pelo sistema convencional e de geração própria, e compará-las por meio de payback.
1.3. Hipótese
A avaliação das tecnologias de armazenamento disponíveis revelará oportunidades significativas e importantes para o aprimoramento da integração de fontes renováveis de energia. Ao analisar a eficiência, o custo, a capacidade de armazenamento e a durabilidade das diferentes tecnologias de armazenamento, espera-se identificar soluções que otimizem a utilização de fontes renováveis, reduzam a dependência de combustíveis fósseis e promovam a sustentabilidade energética.
1.4. Justificativa
Tendo em vista que a sociedade usufrui e necessita de modo constante e cada vez mais da energia elétrica, manter seu fornecimento é de extrema relevância.
Para que esse fornecimento tenha ótima qualidade e equilíbrio, é preciso manter essa constância, ou seja, manter o mais próximo de zero a diferença entre geração e consumo. No entanto, existe um problema a ser observado, a geração eólica que funciona apenas quando existem ventos e, principalmente, a fotovoltaica, que só é produzida durante o dia. Sendo assim, faz-se necessário estocar esta energia, não sendo possível estocar a luz do sol, como fazem as hidroelétricas estocando água em suas barragens.
Nesse momento do processo, entram as baterias armazenando então esta energia, já gerada, para possibilitar a estabilidade e equiparação do consumo, com a geração, já que são gerados somente no período diurno, e o consumo noturno é, muitas vezes, superior comparado aos consumos durante o dia.
O volume total de baterias utilizadas no setor de energia ultrapassou 2.400 gigawatt-hora (GWh) em 2023, um aumento quatro vezes maior em relação a 2020. Nos últimos cinco anos, mais de 2.000 GWh de capacidade de baterias de íon de lítio foram adicionados globalmente, alimentando 40 milhões de veículos elétricos e milhares de projetos de armazenamento de energia. Os veículos elétricos representaram mais de 90% do uso de baterias no setor de energia, com volumes anuais atingindo um recorde de mais de 750 GWh em 2023 – principalmente para carros de passeio.
A capacidade de armazenamento de baterias no setor de energia está se expandindo rapidamente. Em 2023, foram adicionados mais de 40 gigawatts (GW), o dobro do aumento do ano anterior, divididos entre projetos em grande escala (65%) e sistemas distribuídos (35%). O armazenamento por baterias tem diversas funções nos sistemas elétricos: permite o deslocamento de energia a curto prazo, fornece serviços auxiliares, reduz a congestão da rede e ajuda a expandir o acesso à eletricidade. Os governos estão intensificando o apoio a essa tecnologia com mais metas, subsídios financeiros e reformas para melhorar o acesso ao mercado.
As baterias são altamente versáteis. Tanto o armazenamento de baterias de escala utilitária quanto o behind-the-meter podem fornecer uma ampla gama de serviços aos sistemas elétricos. Além do deslocamento de energia, que ajuda a equilibrar a oferta e demanda de eletricidade, o armazenamento de baterias de escala utilitária pode contribuir para manter a estabilidade da rede e a segurança do fornecimento, fornecendo serviços auxiliares como inércia, controle de voltagem e regulação de frequência, formação da rede e fornecimento de reservas de partida rápida. Também pode fornecer capacidade para garantir a adequação do sistema e ajudar a gerenciar congestionamento nas redes elétricas.
As baterias behind-the-meter podem fornecer energia de reserva e ajudar os consumidores a reduzirem suas contas de eletricidade, permitindo que aumentem o consumo de eletricidade gerada por eles mesmos, aproveitem tarifas variáveis de eletricidade ou reduzam o consumo de pico da rede. Se agregadas em plantas de energia virtuais (VPPs), essas baterias podem também fornecer muitos dos mesmos serviços que os sistemas maiores de escala utilitária.
Constatado pelo Ministério de Minas e Energia, a matriz energética brasileira possui 2% e possui prospecção de se elevar para 2,9. Nessa perspectiva é que o referido projeto se faz importante demonstrando as viabilidades do uso das baterias, já que a tendência é essa porcentagem sempre subir e, em contrapartida, as gerações que possuem armazenamento diminuam como a hidrelétrica e a nuclear.
De acordo com SERRA, E. T.; et al. (2016, p.11), no ano de apresentação de seu trabalho, existiam 1617 empreendimentos de armazenamento energético, tento capacidade total de 193,1 GW, deixando de fora deste cálculo as hidrelétricas com barragens realizando o armazenamento, explanando que os eletroquímicos, ou seja, as baterias eram responsáveis por 1,6% destes 193,1 GW, logo armazenando 3,06 GW de energia, o que fica constatado que já existem projetos com essa mesma visão, com pensamentos e expectativas voltados para este assunto.
2. ESTADO DA ARTE
O artigo “Os Desafios do Armazenamento de Energia no Setor Elétrico” de Delgado, Hage e Leite (2017), discute os desafios e avanços tecnológicos no armazenamento de energia elétrica, um componente crucial para a estabilidade e eficiência do sistema elétrico, especialmente com o aumento das fontes de energia renovável.
Desde o século XIX a eletricidade é usada para diversos fins, mas a capacidade de armazenamento eficaz sempre foi um desafio. Diferente da água e do gás, como já dito anteriormente, a eletricidade não pode ser armazenada facilmente, causando apagões quando a demanda excede a oferta.
Com o crescimento das fontes renováveis como solar e eólica, que são intermitentes, o armazenamento de energia se torna vital para garantir a segurança energética. Isso inclui evitar apagões e permitir o uso eficiente da energia gerada.
O artigo destaca ainda diversas tecnologias promissoras, como baterias de íon de lítio onde empresas como a Tesla estão investindo em grandes fábricas para aumentar a produção de baterias; o armazenamento por ar liquefeito onde se utiliza ciclos térmicos para armazenar energia em forma de ar liquefeito; e supercapacitores, Flywheels e água bombeada, que são tecnologias que estão em fase experimental e requerem mais investimento em pesquisa e desenvolvimento.
O Brasil ocupa uma posição de destaque na geração de energia eólica e está explorando o armazenamento para melhorar a eficiência do sistema. A ANEEL tem incentivado projetos de P&D para desenvolver e integrar novas tecnologias de armazenamento no setor elétrico brasileiro.
Como aplicações práticas no Brasil, temos os sistemas isolados, a exemplo do Norte do Brasil em que o armazenamento pode substituir geradores a diesel, reduzindo custos e impactos ambientais; os parques eólicos no Nordeste em que o armazenamento pode ajudar a equilibrar a intermitência da geração eólica; e redes inteligentes em que, com o aumento da geração distribuída, o armazenamento pode otimizar o funcionamento das redes de distribuição.
O artigo sublinha também a importância do desenvolvimento contínuo e da aplicação das tecnologias de armazenamento de energia para a evolução do setor elétrico, destacando a necessidade de investimentos e inovação para superar os desafios existentes.
Já o livro “Análise técnica da inserção de veículos elétricos e geração fotovoltaica no sistema de distribuição” de Cantane, Hamerschmidt e Junior (2020), enfoca principalmente as tecnologias de armazenamento de energia (SAE) e suas aplicações no setor elétrico. É abordada a evolução das pesquisas em SAE, destacando o crescimento significativo em publicações nos últimos anos, especialmente em tecnologias como baterias e armazenamento por ar comprimido (CAES).
O autor menciona trabalhos pioneiros como os de Ribeiro et al. (2001) e Kondoh et al. (2000), que destacaram os benefícios de integrar SAE às redes elétricas. As aplicações de SAE em veículos elétricos e redes de distribuição são ressaltadas, mostrando como esses sistemas podem aumentar a eficiência e estabilidade das redes, especialmente com a integração de fontes de energia renovável intermitente como solar e eólica.
Algumas tecnologias ainda estão em estágios iniciais de desenvolvimento, necessitando de esforços significativos para comercialização. A maturidade tecnológica de diversas SAE é apresentada com ênfase em baterias de fluxo e CAES, que ainda enfrentam desafios para alcançar a plena comercialização.
O livro aborda a tendência de uso de baterias no contexto brasileiro, especialmente na integração com geração distribuída e como uma resposta às mudanças regulatórias e tarifárias em curso. A flexibilidade e versatilidade das baterias são destacadas como vantagens significativas para aplicações diversas dentro do sistema elétrico nacional.
O documento fornece uma visão abrangente do estado atual das tecnologias de armazenamento de energia, destacando tanto os avanços quanto os desafios. A literatura revisada aponta para um crescimento contínuo na pesquisa e desenvolvimento dessas tecnologias, com um foco particular nas aplicações práticas e nos benefícios para a rede elétrica, de modo especial em contextos que envolvem fontes de energia renováveis e geração distribuída.
A abordagem apresentada no artigo “Novas tecnologias e infraestrutura do setor elétrico brasileiro – armazenamento de energia em baterias” de Silva (2022), mostra o uso de sistemas de armazenamento em baterias no setor elétrico brasileiro, explorando suas aplicações, tecnologias, regulamentações e perspectivas futuras tanto no cenário internacional quanto nacional. O estudo enfatiza a importância de integrar esses sistemas na infraestrutura elétrica para melhorar a eficiência, a confiabilidade e a sustentabilidade energética do país.
A implementação de SAE no setor elétrico varia desde a rede básica até os consumidores finais. Diferentes modelos de negócio e estruturas regulatórias são necessários para acomodar essa diversidade. No Brasil, a regulamentação ainda precisa evoluir para incluir o armazenamento de energia como um serviço ancilar, a criação de um modelo de operador do sistema de distribuição e o desenvolvimento de usinas virtuais.
O desenvolvimento e a inovação em tecnologias de armazenamento são cruciais para a adoção ampla de SAE. O artigo destaca diversos projetos piloto e sistemas em operação no Brasil como o sistema de armazenamento instalado na Usina Hidrelétrica de Bariri em São Paulo pela AES Tietê, utilizando tecnologia de lítio fornecida pela Fluence.
Os projetos de armazenamento de energia no Brasil variam em aplicação e tecnologia. Alguns exemplos incluem a redução de consumo na ponta e aumento de confiabilidade com tecnologia de chumbo-carbono em Belo Jardim, Pernambuco; a micro rede utilizando baterias de lítio em Fernando de Noronha, Pernambuco; e o controle de limite de demanda e back-up com potência de 5 MW em Mangaratiba, Rio de Janeiro.
A adoção de SAE no Brasil enfrenta vários desafios, incluindo a necessidade de políticas regulatórias claras, incentivos financeiros e desenvolvimento tecnológico. Estudos de caso, como o realizado pela Greener em 2021, mostram a viabilidade econômica desses sistemas, destacando uma taxa interna de retorno (TIR) de 21,4% e um payback descontado de 5,8 anos para sistemas instalados no estado do Pará.
3. REFERENCIAL TEÓRICO
3.1. Energia elétrica
Delgado, Hage e Leite (2017, p.11) verificaram que o armazenamento de energia é uma grande solução para os problemas técnicos e deve ser visto assim. Além da necessidade da mudança na expansão da matriz energética nacional que obviamente conta com a presença crescente das energias renováveis.
Segundo Mário, Pacheco e Oliveira (2021, p. 259), as condições climáticas e o vasto território que o Brasil possui são pontos que o colocam em posição vantajosa no mercado da energia elétrica, e o país vem investindo na possibilidade de negócios internacionais.
Em um sistema de energia sustentável, a matriz energética mundial só deveria contar com fontes de energia limpa e renováveis (hidroelétrica, solar, eólica, hidrogênio, geotérmica, das marés, das ondas e biomassa), não devendo contar, portanto, com o uso dos combustíveis fósseis (petróleo, carvão e gás natural) e energia nuclear. (ALCOFORADO, 2022, p.2)
Bueno e Brandão (2015, p.6), explicam que a energia é a capacidade de realizar trabalho, logo energia elétrica é a realização de trabalho utilizando-se da diferença de potência e circulação de corrente elétrica.
3.2. Geração fotovoltaica
De acordo com Abaide, Farret, Neto e Piotrowski (2021, p. 1), a energia limpa, a alta no custo da energia elétrica e o barateamento de painéis fotovoltaicos estão sendo responsáveis pela curiosidade dos consumidores em testar essa tecnologia e produzir sua própria energia. Este fato vem colocando o Brasil como um grande candidato para o crescimento da geração fotovoltaica nos próximos anos. “A matriz elétrica brasileira é uma das mais renováveis do mundo com uma proporção de 48%, indicador mais de três vezes superior ao mundial.”, é o que afirma (OSÓRIO, 2022)
Não há emissão de CO2 e outros gases, sequer de poluentes líquidos ou sólidos durante a geração de energia elétrica com sistemas fotovoltaicos. Também são baixos os volumes de emissão nas etapas de fabricação dos equipamentos utilizados no setor fotovoltaico. A quantidade de energia gerada ao longo da vida útil dos sistemas fotovoltaicos é de oito a dezessete vezes maior que a energia consumida em sua fabricação. No final do ciclo de vida de um sistema fotovoltaico, mais de 85% de seus componentes podem ser reciclados e reaproveitados, de forma que os impactos ambientais, já bastante reduzidos, tendem a se tornar ainda menores no longo prazo. (DANTAS, 2020, p. 13)
Apesar de ser uma tendência mundial com potencial de mudar significativamente o planejamento, a operação e o controle dos Sistemas de Energia Elétrica, os SAEs se encontram em fase inicial de desenvolvimento no Brasil, necessitando de avaliações e estudos intensos para que possam ser consolidados no país, diz Cantane, Hamerschmidt e Junior (2020, p. 46).
De uma perspectiva tecnológica, o armazenamento por baterias atualmente pode ser considerado estabelecido, mas isso não significa que o desenvolvimento desta tecnologia, em suas variadas instâncias, se encontra estagnado. Pelo contrário, existem ainda muitas barreiras a serem ultrapassadas e que já estão sendo estudadas para que o armazenamento por baterias seja completamente integrado ao setor elétrico. (SILVA, BORTONI, 2016, p. 51)
Já Bueno e Brandão (2015, p. 24), destacam que, SAE beneficia todo o processo dos sistemas de energia, desde a geração até o consumidor. Essas instalações integram o sistema de geração de energia renovável em larga escala, além de flexibilizar as redes elétricas inteligentes.
3.4. Baterias
Como dito por Delgado, Hage e Leite (2017, p. 10), num vídeo famoso, Bill Gates menciona que mesmo juntando todas as baterias do mundo, elas não suportariam suprir a demanda global de energia por mais de 10 minutos. Além de também constatar que, mesmo após décadas da sua utilização, se tornando um bem indispensável para a sociedade, a eletricidade não foi agraciada pela engenharia com um sistema de armazenamento eficaz e barato, como uma caixa d’água.
Durante o processo de carga, há possibilidade de ocorrência de diferentes comportamentos das reações eletroquímicas nas células das baterias, devido a diferenças de manufatura, de temperatura ou de outros fatores, o que pode originar sobrecargas em algumas células enquanto outras ainda não tenham se carregado. (VIAN. A.; Et al, 2021, p. 26)
Ainda conforme Silva (2022, p. 7), a bateria possui uma gama de aplicações que vão de pequenos aparelhos eletrônicos utilizados por todos, até grandes plantas nos sistemas de distribuição e transmissão.
Baterias convencionais são constituídas por dois eletrodos (anodo e catodo) e um eletrólito mantidos em um recipiente selado. Durante a descarga da bateria ocorrem reações eletroquímicas no anodo (oxidação) e no catodo (redução) com migração de elétrons entre os eletrodos através do circuito metálico externo e a migração iônica através do eletrólito. Durante a etapa de carga da bateria as reações eletroquímicas se invertem seguindo percursos inversos tanto para a condução iônica como eletrônica. As baterias convencionais mais utilizadas são a chumbo ácido, níquel-cadmio e íon-lítio. (SERRA, E. T.; et al. 2024, p.22)
3.5. Viabilidade econômica
De acordo com Azevêdo (2020, p. 55), o fator principal que determina a viabilidade econômica é o custo de investimento inicial, por ser o valor mais alto e muitas vezes inclui custos de transporte, mão-de-obra, construção e instalação. Apesar disso, é necessário observar o projeto como um todo, pois a avaliação da viabilidade depende de cada caso, podendo ser menos ou mais viável. É o que complementa Rosa, 2022:
Consegue-se observar que esse tipo de investimento pode apresentar viabilidade econômica, nos casos de unidades consumidoras optantes pela modalidade tarifária horária verde. e que, quanto maior a capacidade do acumulador, menor deve ser o seu custo por kWh, para que esse sistema seja viável ao investidor. (ROSA, 2022, p. 65)
Segundo Gonçalves (2021, p. 7), a variação da geração fotovoltaica e do consumo de energia não estão em sincronia, o que gera falhas na adequação dos sistemas e, consequentemente perdas econômicas. O armazenamento de energia surge então para resolver esse problema, compensando a intermitência das energias renováveis.
Os autores a seguir, Serra e Júnior apresentam suas considerações acerca do assunto enfatizando:
Apesar dos custos ainda elevados, as instalações de armazenamento de energia aparecem cada vez mais como alternativa viável para o reexame de novas adições à capacidade de geração em países que pretendem manter/ampliar seus investimentos em energias renováveis, limpas e intermitentes. Este é o caso do SEB no qual se prevê um aumento significativo da geração solar fotovoltaica nos próximos anos e o crescimento continuado da geração eólica. (SERRA, E. T.; et al. 2024, p.22)
O armazenamento de energia por baterias ainda é uma tecnologia em fase de amadurecimento. Mesmo com os rápidos desenvolvimentos e avanços alcançados nos últimos anos, o estado da arte desta tecnologia ainda sofre muitas limitações, incluindo o alto custo. Ao redor do mundo o número de instalações de armazenamento de energia ainda é baixo, entretanto, segundo projeções da Bloomberg NEF, o potencial de instalações de armazenamento de energia subirá para pouco mais de cerca de 1000 GW. (JUNIOR, E. S. S. 2023, pág.31)
4. METODOLOGIA
Este trabalho visa analisar a utilidade de um sistema fotovoltaico híbrido, demonstrar a sua eficiência no que diz respeito em diminuir demanda de consumo em horário de pico.
4.1. Intenção de pesquisa
De acordo com Abaide, Farret, Neto e Piotrowski (2021, p. 1), alta no custo da energia elétrica e o barateamento de painéis fotovoltaicos estão sendo responsáveis pela curiosidade dos consumidores em testar essa tecnologia solar e produzir sua própria energia. Este fato vem colocando o Brasil como um grande candidato para o crescimento da geração fotovoltaica nos próximos anos. “A matriz elétrica brasileira é uma das mais renováveis do mundo com uma proporção de 48%, indicador mais de três vezes superior ao mundial.”, é o que afirma (OSÓRIO, 2022)
No setor de energia, estão se tornando cada vez mais relevantes em aplicações em grande escala e no armazenamento distribuído, à medida que seus custos diminuem e a participação da eletricidade gerada por solar e vento aumenta. Neste setor, o armazenamento de energia, especialmente por baterias, contribui para a segurança elétrica ao manter a estabilidade da rede, atender à demanda de pico e melhorar a integração das energias renováveis variáveis. Para garantir um fornecimento de energia estável e confiável, a geração e a demanda de eletricidade precisam estar sempre em equilíbrio. Historicamente, fontes convencionais, como carvão e gás natural, operaram de forma flexível para ajustar sua produção conforme a demanda. O armazenamento de energia por meio de hidrelétricas com reservatórios tem sido uma solução amplamente utilizada, proporcionando um equilíbrio entre a oferta de eletricidade e a demanda. Mais recentemente, as baterias surgiram como uma alternativa viável para armazenar energia. A redução dos custos tornou as baterias uma opção competitiva para oferecer flexibilidade em diversas partes do mundo, tanto em aplicações independentes quanto em combinação com energia solar fotovoltaica (PV) ou eólica.
O volume de uso de baterias no setor de energia ultrapassou 2.400 gigawatt- hora (GWh) em 2023, um aumento quatro vezes maior desde 2020. Nos últimos cinco anos, mais de 2.000 GWh de baterias de íon de lítio foram adicionados, abastecendo mais de 40 milhões de veículos elétricos e milhares de projetos de armazenamento de energia (Figura 1).
E conforme tal afirmação, este estudo visa analisar o qual viável economicamente é um sistema híbrido de geração fotovoltaica. Utilizando-se de comparações entre os diferentes tipos de baterias, considerando suas características, a fim de chegar no melhor custo benefício em eficiência energética. Para tal, este sistema é empregado numa unidade habitacional conjunta, ou seja, em um prédio de apartamentos, que possui dependências de uso comum, onde o sistema fará o papel de repositor energético, no lugar dos convencionais geradores a diesel ou gasolina.
4.2. Instrumentos de coleta de dados
Serão utilizados documentos, principalmente artigos científicos e livros, para a busca de informações e dados quantitativos, preferivelmente com menos de dez anos desde as suas publicações, para entender o atual estado da tecnologia de armazenamento energético e sua integração com micros geradores. Estes artigos serão validados por meio da busca em sistemas de pesquisa confiáveis como exemplos: Google Acadêmico e SciELO – Brasil.
Além de artigos e livros, será utilizado o seguinte projeto de condomínio, desenvolvido de forma fictícia somente para este trabalho.
O edifício é composto por quatro pavimentos, contendo dois apartamentos por andar, além das áreas comuns do residencial. Por meio da figura 4, é possível averiguar parte do desenvolvimento do mesmo, por meio de um recorte do projeto elétrico criado.
Figura 2: Vista parcial da área comum do condomínio
Um aspecto relevante do projeto é a escolha da tensão de fase adotada para as unidades residenciais e áreas comuns. Foi optado o uso de tensão de fase de 127V, e HSP médio de 5.10, valor que pode ser encontrado por meio da plataforma do CRESESB, exemplo observada pela figura 1, onde fui buscada o HSP da FAINOR, para calcular o sistema. O HSP é a grandeza que representa a quantidade de horas em que a irradiância solar seria constante de 1000 W/m². Ele auxilia no cálculo de dimensionamento do sistema de geração solar, já que este dado quantifica o número
Com o intuito de chegar a um valor médio de demanda, foram criados os quadros de distribuição de cargas de cada ambiente, de forma a garantir um levantamento preciso da demanda energética do empreendimento.
Figura 4: Vista parcial dos apartamentos tipo
Estes quadros foram calculados com base nas dimensões de cada apartamento e das áreas comuns do residencial, além de seguir rigorosamente as normas e regras existentes na NBR 5410. Após toda estruturação das planilhas, chegamos nos seguintes QDCs:
Tabela 1: Quadro de cargas dos apartamentos 101 e 102
Tabela 2: Quadro de cargas dos apartamentos 201 e 202
Tabela 3: Quadro de cargas dos apartamentos 301 e 302
Tabela 4: Quadro de cargas dos apartamentos 401 e 402
Tabela 5: Cálculo de demanda do edifício
4.3. Dimensionamento do Sistema
Delgado, Hage e Leite (2017, p.11) verificaram que o armazenamento de energia é uma grande solução para os problemas técnicos e deve ser visto assim. Além da necessidade da mudança na expansão da matriz energética nacional que obviamente conta com a presença crescente das energias renováveis.
O sistema fotovoltaico a ser projetado terá como base a demanda energética calculada, buscando suprir o consumo médio dos circuitos denominados essenciais. Para isso, será avaliado o dimensionamento ideal do sistema, considerando fatores como irradiação solar local, eficiência dos painéis fotovoltaicos e estratégias de armazenamento ou injeção de energia excedente na rede elétrica.
Não há emissão de CO2 e outros gases, sequer de poluentes líquidos ou sólidos durante a geração de energia elétrica com sistemas fotovoltaicos. Também são baixos os volumes de emissão nas etapas de fabricação dos equipamentos utilizados no setor fotovoltaico. A quantidade de energia gerada ao longo da vida útil dos sistemas fotovoltaicos é de oito a dezessete vezes maior que a energia consumida em sua fabricação. No final do ciclo de vida de um sistema fotovoltaico, mais de 85% de seus componentes podem ser reciclados e reaproveitados, de forma que os impactos ambientais, já bastante reduzidos, tendem a se tornar ainda menores no longo prazo. (DANTAS, 2020, p. 13)
A fim de diminuir as emissões, como Dantas comprova em seu trabalho de 2020, a energia fotovoltaica agride muito menos e meio ambiente, tornando assim um sistema mais limpo de reposição de energia. Já Bueno e Brandão (2015, p. 24), destacam que, SAE beneficia todo o processo dos sistemas de energia, desde a geração até o consumidor. Essas instalações integram o sistema de geração de energia renovável em larga escala, além de flexibilizar as redes elétricas inteligentes.
Com base na tabela 5, foram realizados cálculos e buscas para realizar o dimensionamento do sistema. Para determinar a energia necessária, é multiplicado a potência com o tempo de operação. Chegamos então nos seguintes cálculos:
Sabemos que as baterias funcionarão 40% de 2 horas, ou seja:
Para determinar a capacidade das baterias, calculamos a energia sobre a tensão:
Sabendo que o HSP de Vitória da Conquista é de 4,7, então a potência necessária dos painéis será:
Utilizando painéis de 550W, a quantidade necessária será:
Por fim, para determinar a quantidade de baterias, utilizando baterias de lítio de 12V e 200Ah. Dividindo o valor da tensão pelo valor da bateria, é obtido 11 baterias em série. Para atingir o valor de 448,82Ah, é necessário baterias em paralelo, já que as baterias em série não aumentam a capacidade em Ah. Sendo assim é obtido o seguinte cálculo:
Multiplicando a quantidade de baterias em série pelo valor de strings em paralelo, é obtido o valor de baterias necessárias para o sistema, sendo este valor, 33 baterias.
Para alimentar um sistema com potência demandada de 71,25 kW, armazenando energia suficiente para 0,8 horas de operação, será necessário um banco de 33 baterias de lítio de 12V e 200Ah, configuradas em 3 strings de 11 baterias em série, totalizando 57 kWh de armazenamento. O sistema solar deverá fornecer 12,13 kW, sendo necessário um total de 22 painéis solares de 550W, considerando um HSP de 4,70.
4.4. Análise das Diferentes Baterias
Nesta etapa ocorre a comparação das tecnologias existentes para as baterias vendidas atualmente no mercado, estes dados serão obtidos das variadas fontes de informações, buscando os melhores custos e benefícios.
Importante observar a comparação das tecnologias de armazenamento disponíveis em termos de custo, eficiência e viabilidade de integração com sistemas fotovoltaicos, avaliação do impacto ambiental de cada tecnologia, considerando a produção, o uso e o descarte dos componentes. Para que se realize um sistema otimizado, sem perdas financeiras ou de rendimento é preciso averiguar de maneira detalhada o dimensionamento deste gerador, pois a parte mais onerosa deste modelo são as baterias, onde Furlan (2008) explica que o número elevado de baterias se dá pela limitação no carregamento, onde os painéis fornecem cargas elevadas, e para as baterias o ideal são cargas mais baixas e prolongadas, fazendo assim um carregamento lento e completo.
A comparação das baterias no estudo de caso analisou diversas opções disponíveis no mercado, incluindo chumbo-ácido, níquel-cádmio e íon-lítio. As baterias de chumbo-ácido são uma das tecnologias mais tradicionais e acessíveis, sendo amplamente utilizadas em sistemas de armazenamento de energia. No entanto, apesar de seu baixo custo inicial, possuem eficiência relativamente baixa, ciclo de vida curto e exigem manutenção frequente, além de serem volumosas e pesadas.
As baterias de níquel-cádmio, por outro lado, apresentam maior durabilidade e resistência a variações de temperatura, mas sofrem com o efeito memória, o que pode reduzir sua capacidade ao longo do tempo, além de serem ambientalmente problemáticas devido ao uso de cádmio, um metal tóxico. Já as baterias de íon-lítio emergiram como a melhor alternativa para aplicações modernas, destacando-se por sua alta densidade energética, eficiência superior e longa vida útil, fatores que justificaram sua escolha para o projeto analisado.
As baterias de íon-lítio possuem diversas qualidades que as tornam ideais para sistemas de armazenamento de energia renovável. Elas apresentam alta eficiência de carga e descarga, com perdas mínimas de energia durante o processo, além de suportarem um número significativamente maior de ciclos de carga em comparação com outras tecnologias. Sua elevada densidade energética permite armazenar mais energia em um volume reduzido, tornando o sistema mais compacto e eficiente. Além disso, a baixa taxa de autodescarga significa que a energia armazenada pode ser mantida por longos períodos sem perdas significativas.
No contexto do estudo de caso, a escolha dessa tecnologia foi motivada por esses fatores, pois garantiria maior confiabilidade ao sistema off-grid, reduzindo a necessidade de manutenção frequente e proporcionando um retorno de investimento mais atraente ao longo do tempo.
Porém, como qualquer tecnologia, as baterias de íon-lítio também apresentam algumas limitações. O principal desafio associado a essa tecnologia é o alto custo inicial, que ainda representa um fator limitante para muitos projetos. Além disso, as baterias de íon-lítio requerem sistemas de gerenciamento sofisticados para garantir segurança e evitar riscos como superaquecimento e incêndios, já que são sensíveis a variações térmicas e podem sofrer degradação caso operem fora das condições ideais. Outra preocupação envolve a extração de lítio e outros metais essenciais para sua fabricação, um processo que pode gerar impactos ambientais significativos se não for realizado de forma sustentável. Os custos médios das baterias caíram 90% desde 2010 devido aos avanços na química e na fabricação. Hoje, as baterias de íon de lítio são a base das economias modernas, tendo revolucionado os dispositivos eletrônicos e a mobilidade elétrica, além de ganharem espaço nos sistemas de energia. No entanto, novas químicas de baterias em desenvolvimento podem desafiar a dominância das baterias de íon de lítio nos próximos anos.
Nos últimos dez anos, as baterias de íon de lítio se destacaram devido à sua maior densidade energética e vida útil em comparação com as antigas alternativas, como as de chumbo-ácido. As baterias de íon de lítio possuem uma capacidade específica de 90-300 Wh/kg, permitindo pacotes de baterias mais compactos e leves. Elas são compostas por cátodo, ânodo, eletrólito e separador. Embora haja diversas variações em seu design, as pesquisas continuam a aprimorar aspectos como segurança e eficiência, ao mesmo tempo em que reduzem os custos.
A queda nos preços das baterias, de 800 USD/kWh para menos de 140 USD/kWh em 2023, foi impulsionada por inovações e economias de escala. No entanto, o custo das baterias ainda depende dos preços dos minerais críticos, que são voláteis. Por exemplo, em 2022 houve uma alta nos preços dos metais, mas em 2023
os preços caíram devido ao aumento da oferta de minerais e capacidade de produção. indústria de baterias continua a investir na química de cátodo de baixo custo conhecida como fosfato de ferro-lítio (LFP). Esses pacotes e células tiveram os preços médios globais mais baixos de todas as baterias de íon de lítio em 2023, com preços caindo abaixo de 100 USD/kWh pela primeira vez. Mesmo nos primeiros meses de 2024, os preços das células LFP continuaram sua trajetória de queda, estando bem abaixo de 100 USD/kWh em março de 2024.
Apesar dessas limitações, a escolha pelas baterias de íon-lítio para o projeto foi baseada em sua maior durabilidade e eficiência operacional, garantindo um melhor custo-benefício no longo prazo. Sua capacidade de armazenar energia de forma confiável e eficiente as torna uma solução ideal para sistemas fotovoltaicos off-grid, permitindo um fornecimento contínuo de energia, mesmo em períodos de baixa geração solar. Dessa forma, o estudo de caso concluiu que, apesar do investimento inicial mais alto, as vantagens oferecidas pelas baterias de íon-lítio superam suas desvantagens, tornando-as a opção mais viável para garantir um sistema energético eficiente e sustentável.
4.5. Viabilidade técnica, ambiental e financeira
Os sistemas de geração offgrid, conforme apontado por Furlan (2008), apresentam um custo elevado em comparação aos sistemas convencionais. Embora essa afirmação ainda seja válida, a diferença de custos tem diminuído com os avanços tecnológicos. O principal desafio desses sistemas está no investimento inicial elevado, cujo retorno financeiro só é perceptível no longo prazo.
No setor energético, a relevância dos sistemas off-grid tem crescido, especialmente em aplicações de grande escala e no armazenamento distribuído. À medida que os custos diminuem e a participação da eletricidade gerada por fontes renováveis, como solar e eólica, aumenta, o armazenamento de energia se torna um elemento crucial para garantir estabilidade e segurança elétrica. As baterias desempenham um papel essencial nesse contexto, permitindo a regulação da demanda, a estabilidade da rede e a integração eficiente das energias renováveis variáveis.
Historicamente, fontes convencionais como carvão e gás natural supriram essa flexibilidade, enquanto usinas hidrelétricas com reservatórios foram amplamente utilizadas para equilibrar oferta e demanda. Mais recentemente, o avanço tecnológico reduziu os custos das baterias, tornando-as uma alternativa competitiva para armazenamento de energia, seja de forma independente ou combinada com sistemas fotovoltaicos e eólicos.
Apesar dos avanços na eficiência dos painéis solares e na redução dos custos de produção, o armazenamento de energia continua sendo um dos principais desafios, tanto em termos técnicos quanto financeiros. A análise comparativa entre diferentes tecnologias de baterias permitirá identificar um equilíbrio entre custo, eficiência e impacto ambiental.
As baterias de íon-lítio se destacam por sua maior eficiência e vida útil prolongada, apesar do investimento inicial mais elevado. Além da questão financeira, a viabilidade ambiental desses sistemas está diretamente ligada ao descarte adequado das baterias, reforçando a necessidade de políticas sustentáveis para mitigar impactos negativos.
Conclui-se que a microgeração fotovoltaica híbrida pode contribuir significativamente para a sustentabilidade energética, desde que os desafios técnicos e financeiros sejam cuidadosamente considerados. No entanto, para maximizar a eficiência e minimizar os impactos ambientais, é essencial um planejamento detalhado, com ênfase na escolha das baterias e no descarte responsável.
5. CONCLUSÃO
Neste trabalho, o principal objetivo foi explorar a viabilidade de sistemas de armazenamento de energia, utilizando tecnologias modernas, em conjunto com microgeração fotovoltaica em ambientes fora da rede elétrica convencional, com foco em um estudo de caso em um edifício residencial. Os resultados mostraram que esses sistemas não apenas trazem uma solução técnica eficiente, mas também se revelam uma alternativa sustentável para atender à crescente demanda por energia elétrica, principalmente em áreas onde o acesso à rede é restrito ou onde se busca maior autonomia energética.
Analisamos os principais desafios enfrentados ao utilizar essas tecnologias, como os altos custos iniciais, a durabilidade das baterias e as questões ambientais relacionadas ao seu descarte. Mesmo assim, notamos que os avanços tecnológicos, as economias de escala e os incentivos do governo têm ajudado bastante a reduzir os preços, tornando a adoção de sistemas de armazenamento de energia cada vez mais atraente. A parte técnica do estudo de caso mostrou que é totalmente viável integrar um sistema fotovoltaico eficiente com baterias de íon-lítio, garantindo que as necessidades específicas de energia em uma residência sejam atendidas, especialmente durante os horários de pico.
Em termos ambientais, os sistemas híbridos se mostram essenciais para reduzir as emissões de gases de efeito estufa, diminuindo a dependência de geradores a diesel e incentivando o uso de fontes de energia renováveis e limpas. Optar pelas baterias de íon-lítio, apesar de serem mais caras, acaba sendo vantajoso devido à sua alta capacidade de armazenamento, longa vida útil e baixa necessidade de manutenção, características ideais para quem busca confiabilidade e eficiência.
Por fim, a comparação entre diferentes tecnologias de armazenamento e os dados do nosso estudo de caso reforçam a importância de um planejamento técnico cuidadoso e da adoção de boas práticas no projeto, para garantir o melhor custo- benefício e a sustentabilidade do sistema ao longo do tempo. O investimento em armazenamento de energia deve ser encarado não apenas como um gasto, mas como um passo estratégico em direção a um modelo energético mais resiliente, limpo e descentralizado.
Com base nas conclusões alcançadas, acreditamos que os sistemas off-grid com armazenamento energético são uma alternativa real e promissora para o futuro da matriz energética brasileira, especialmente em um contexto de transição energética e busca por soluções sustentáveis. Para fortalecer esse modelo, será fundamental o contínuo avanço tecnológico, políticas públicas adequadas e o estímulo à pesquisa e inovação na área.
5.1. Sugestões de Trabalhos Futuros
Por meio dos resultados encontrados e pelas lacunas observadas durante a realização deste trabalho de conclusão de curso, é recomendável realizar as seguintes pesquisas futuras:
- Aprimoramento de baterias de estado sólido e outras tecnologias avançadas, visando aumentar a eficiência, reduzir custos e prolongar a vida útil dos sistemas de armazenamento.
- Integração de sistemas de armazenamento com redes inteligentes, explorando o potencial de controle dinâmico e otimização de fluxos de energia em cenários de geração distribuída.
- Aplicação de inteligência artificial na previsão de consumo, gerenciamento de cargas e maximização da eficiência de sistemas fotovoltaicos com armazenamento.
Essas áreas representam caminhos promissores para ampliação do conhecimento e promoção de soluções inovadoras no setor de energia renovável, contribuindo para a sustentabilidade e eficiência energética em âmbito global.
6. REFERÊNCIAS
ABAIDE, A.; FARRET, F.; NETO, J.; PIOTROWSKI, L. Análise técnica da inserção de veículos elétricos e geração fotovoltaica no sistema de distribuição. Universidade Federal de Santa Maria. 2021. Disponível em: https://repositorio.ufsm.br/bitstream/handle/1/21796/044%20- %20Ana%cc%81lise%20Te%cc%81cnica%20da%20Inserc%cc%a7a%cc%83o%20 de%20Vei%cc%81culos%20Ele%cc%81tricos%20e%20Gerac%cc%a7a%cc%83o% 20Fotovoltaica%20no%20Sistema%20de%20Distribuic%cc%a7a%cc%83o.pdf Acessado em 17 de abril de 2024.
ALCOFORADO, F. O futuro da energia requerido para o mundo. Curitiba: Editora CRV, 2022. Disponível em: https://www.academia.edu/download/108089039/O_FUTURO_DA_ENERGIA_REQ UERIDO_PARA_O_MUNDO.pdf Acessado em 17 de abril de 2024.
AZEVÊDO, R. Análise de fatores determinantes na viabilidade econômica de investimentos em energia solar e eólica. Universidade Federal da Paraíba. 2020. Disponível em: https://repositorio.ufpb.br/jspui/bitstream/123456789/22669/1/R%c3%b4muloDeOlive iraAzev%c3%aado_Dissert.pdf Acessado em 18 de abril de 2024.
BUENO, A.F.M.; BRANDÃO, C.A.L. Visão Geral de tecnologia e Mercado para os Sistemas de Armazenamento de Energia Elétrica no Brasil. Associação Brasileira de Armazenamento e Qualidade de Energia. Belo Horizonte. Disponível em: https://abaque.com.br/wp- content/uploads/2017/07/Estudo_Mercado_Armazenamento_Brasil.pdf Acessado em 15 de abril de 2024.
CANTANE, D.; HAMERSCHMIDT, M.; JUNIOR, O. Tecnologias de Armazenamento de Energia Aplicadas ao Setor Elétrico Brasileiro. Editora Scienza. 2020. Disponível em: https://editorascienza.com.br/pdfs/pti/livro_tecnologias.pdf Acessado em 18 de abril de 2024.
DANTAS, S. Oportunidades e desafios da geração solar fotovoltaica no semiárido do Brasil. Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada. 2020. Disponível em: https://www.econstor.eu/bitstream/10419/240736/1/td-2541.pdf Acessado em 18 de abril de 2024.
FURLAN, A. L. Análise Comparativa de Sistemas de Armazenamento de Energia Elétrica Fotovoltaica por meio de Baterias e Hidrogênio em Localidades Isoladas da Região Amazônica. Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica. Campinas, 2008. Disponível em: https://bdtd.ibict.br/vufind/Record/UNICAMP- 30_a603d1c89f142185bbcded24ab446c68 Acessado em 23 de fevereiro de 2025.
JUNIOR, E. S. S. Sistemas de Armazenamento de Energia por Baterias: Histórico, Aplicações e Desafios. Departamento de Engenharia Elétrica, PUC Rio., 2023. Disponível em: https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/63011/63011.PDF Acessado em 07 de junho de 2024
LEITE, N.; DELGADO, M.; HAGE, F. Os desafios do armazenamento de energia no setor elétrico. FGV Energia, Boletim Energético. Jan. 2017. Disponível em: https://repositorio.fgv.br/server/api/core/bitstreams/6cddea62-119c-4386-b7a0- 7762f56789e9/content Acessado em 17 de abril de 2024.
MARIO, M.; PACHECO, M.; OLIVEIRA, A. Fontes renováveis de energia elétrica: evolução da oferta de energia fotovoltaica no Brasil até 2050. Brazilian Applied Science Review. Fev. 2021. Disponível em: https://ojs.brazilianjournals.com.br/ojs/index.php/BASR/article/view/23315/18748 Acessado em 17 de abril de 2024.
OSÓRIO, A. Energia renovável chega a quase 50% da matriz elétrica brasileira. Ministério de Minas e Energia. 2022. Disponível em: https://www.gov.br/pt- br/noticias/energia-minerais-e-combustiveis/2021/08/energia-renovavel-chega-a- quase-50-da-matriz-eletrica-brasileira Acessado em 10 de abril de 2024.
ROSA, M. Viabilidade econômica de acumuladores de energia em sistemas de minigeração fotovoltaica em função da modalidade tarifária de energia elétrica. Instituto Federal do Espírito Santo. Vitória, 2022. Disponível em: https://repositorio.ifes.edu.br/bitstream/handle/123456789/2370/TCC_VIABILIDADE_ ECON%c3%94MICA_ACUMULADORES_ENERGIA_SISTEMAS_MINIGERA%c3%87%c3%83O.pdf Acessado em 16 de abril de 2024.
SERRA, E. T.; et al. ARMAZENAMENTO DE ENERGIA: Situação Atual, Perspectivas e Recomendações. COMITÊ DE ENERGIA DA ACADEMIA NACIONAL DE ENGENHARIA. dez.2016. Disponível em: https://anebrasil.org.br/wp- content/uploads/2022/10/Armazenamento-de-Energia-Situacao-Atual-Perspectivas- e-Recomendacoes.pdf Acessado em 05 de maio de 2024.
SILVA, R. Novas tecnologias e infraestrutura do setor elétrico brasileiro – armazenamento de energia em baterias. Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada. 2022. Disponível em: https://www.econstor.eu/bitstream/10419/265265/1/1799749533.pdf Acessado em 18 de abril de 2024.
SILVA, Y.; BORTONI, E. Sistemas de Armazenamento de Energia Elétrica em Redes Inteligentes: Características, Oportunidades e Barreiras. Revista Brasileira de Energia, v. 22, nº 1. Disponível em: https://energiasroraima.com.br/wp- content/uploads/2020/01/ACUMULACAO-DE-ENERGIA-_-351-Texto-do-artigo-332- 1-10-20180308.pdf Acessado em 10 de abril de 2024.
VIAN. A.; Et al. ARMAZENAMENTO DE ENERGIA: fundamentos, tecnologias e aplicações. Editora Edgar Blucher LTDA. Ed 1. 2021. Disponível em: https://books.google.com.br/books?hl=pt- BR&lr=&id=NP8kEAAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA11&dq=armazenamento+de+energia+el %C3%A9trica&ots=kEFJYyDaX2&sig=XyuRyQlWTgBu1b7Utf3irmFszws#v=onepage &q=armazenamento%20de%20energia%20el%C3%A9trica&f=false Acessado em 15 de abril de 2024.