REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8045175
Murilo S. Silvaa*;
Carlos E. L. Noriegaa;
Rodrigo T. Bentoa,b
Resumo
O presente trabalho consiste em utilizar energia solar fotovoltaica integrada ao serviço auxiliar de uma subestação (88kV/13,8kV), o qual fornece alimentação aos equipamentos essenciais para proteção, supervisão e controle, e para os serviços básicos como iluminação, tomadas, sistema de climatização da casa de controle, motores do sistema de arrefecimento dos transformadores, desumidificação dos painéis de comando, bombas de água, dentre outros. A partir dos cálculos realizados, foi observado que o retorno dos investimentos financeiros dados para a instalação proposta se dá em menos de 7 anos – o que destaca a viabilidade econômica, social e, principalmente, sustentável do projeto.
Palavras-chave: energia solar fotovoltaica; subestação; sustentabilidade; eletricidade.
Abstract
The present paper aims to utilize integrated photovoltaic solar energy in the auxiliary service of a substation (88kV/13.8kV), which provides power to essential equipment for protection, supervision, and control, as well as basic services, such as lighting, outlets, control room air conditioning system, transformer cooling system motors, control panel dehumidification, water pumps, among others. It was observed from the calculations performed that the financial investments made for the proposed installation are recouped in less than 7 years, highlighting the economic, social, and particularly sustainable feasibility of the project.
Keywords: photovoltaic solar energy; substation; sustainability; electricity.
1. Introdução
A crescente demanda por energia elétrica, decorrente do rápido crescimento industrial, populacional e do modo de vida da sociedade moderna, vem sendo observada a urgente necessidade de conversão, transmissão e uso de mais de uma fonte de energia elétrica. As cidades são responsáveis por 75 % das emissões totais de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera, e recursos de energia renovável eficientes são necessários para reduzir sua demanda energética [1,2].
Sociedades sustentáveis dependem predominantemente de recursos naturais para atender às suas necessidades energéticas [3]. Assim, uma transição sustentável é viável a partir da implementação de planos climáticos locais [4,5]. Se bem-sucedidos, esses planos podem permitir que as cidades produzam energia suficiente para atender à demanda residencial, comercial e pública, aumentando assim a segurança energética e reduzindo as mudanças climáticas.
No Brasil, entre 2021 e 2031, o consumo total de energia elétrica cresceu anualmente, em média, 3,5 % com expansão de 27 gigawatts (GW), para um desempenho esperado do Produto Interno Bruto brasileiro de 2,9 % no mesmo período. Nesse sentido, é notável que o desenvolvimento urbano sustentável, por meio da transformação de algumas áreas subutilizadas em espaços produtivos (por exemplo, os telhados urbanos), pode ser uma alternativa verde para a geração de energia limpa e, assim, reduzir as emissões de gases de efeito estufa [6,7]. Em grande parte, a produção de energia nesses espaços utiliza painéis fotovoltaicos integrados. Embora a poluição ambiental seja bem explicada na literatura, soluções alternativas propostas para enfrentar esse problema demonstraram vários graus de desempenho [8]. No que diz respeito aos sistemas fotovoltaicos, cada sistema pode ser vinculado a um nível de emissão específico que deve ser equilibrado com qualquer redução no recurso energético substituído (por exemplo, uma mistura de combustíveis fósseis, com predominância de petróleo ou carvão; ou um portfólio de energia parcialmente composto por de recursos renováveis). No entanto, alguns países devem desenvolver infraestrutura de reciclagem para gerenciar resíduos de painéis solares.
O aproveitamento da energia fornecida pelo Sol consiste em uma fonte renovável e promissora, podendo ser realizada de forma limpa e de baixo impacto ambiental. Além de resultar em uma considerável economia financeira. A energia fotovoltaica consiste na geração de energia elétrica por meio de materiais semicondutores que apresentam o efeito fotovoltaico [9-11]. Esse fenômeno pode ser definido como a formação de tensão elétrica ou corrente em um material que é exposto à luz. Em subestações de distribuição de energia elétrica, são utilizadas fontes convencionais de energia para alimentar os equipamentos que compõem o sistema de controle e comando da subestação, sistemas de monitoramento e alarmes, iluminação interna, tomadas, entre outros.
No geral, a transição para fontes de energia sustentáveis é caracterizada por múltiplas estruturas envolvendo modelos de negócios inovadores, desenvolvimento tecnológico e ações políticas envolvendo residentes locais [12,13]. As políticas relativas a usinas fotovoltaicas não dizem respeito apenas aos setores de eletricidade e aquecimento, mas também ao setor de transporte [14], no qual os sistemas de armazenamento de energia desempenham um papel significativo.
A capacidade global de eletricidade movida a energia solar teve um crescimento exponencial na última década, atingindo cerca de 290 GW no final de 2016. De acordo com a agência de Estatísticas de Capacidade de Energia Renovável (IRENA), atualmente a China é o principal produtor de energia solar, seguida pelo Japão, Alemanha, e Estados Unidos. Além disso, a Europa lidera a capacidade solar instalada por região, com mais de 98,8 GW, seguida de perto pela Ásia com 92,3 GW. A África tem a menor capacidade solar instalada com cerca de 1,92 GW [15,16].
Diante disso, visando o crescimento de tal demanda de energia elétrica, o presente estudo tem como principais objetivos avaliar a viabilidade econômica da instalação de células fotovoltaicas interligadas ao sistema elétrico de baixa tensão de uma subestação de transformação e distribuição de energia elétrica. O consumo médio de uma Estação de Transformação e Distribuição (ETD) para esses equipamentos é de 300 kW/mês. Sendo necessário um baixo investimento financeiro por parte da concessionária. Nesse sentido, a proposta é uma solução verde, social e economicamente promissora para reduzir os custos e minimizar os impactos ambientais causados pela utilização de energia elétrica proveniente de fontes não sustentáveis.
2. Experimental
2.1. Estudo de caso
O trabalho proposto traz um estudo para a instalação de um sistema fotovoltaico conectado à rede CA do serviço auxiliar de uma subestação de distribuição 88kV/13,8kV, a qual opera com dois transformadores 32MVA/40MVA. Cada transformador alimenta duas barras de 13,8 kV com oito alimentadores de circuito de distribuição e dois bancos de capacitores de 2,4 MVA cada. A subestação alimenta um total de 20.132 clientes e tem demanda máxima mensal de 33,96 MW no horário de ponta e de 34,65 MW no horário fora de ponta. O objetivo do presente estudo é comprovar a viabilidade técnica e econômica no aproveitamento do potencial energético solar, utilizando o espaço disponível no perímetro da subestação, telhado ou áreas livres, e instalar painéis fotovoltaicos para a geração de energia elétrica. O esquema de conexão e dimensionamento do Sistema Fotovoltaico Conectado à Rede (SFVCR), é o mesmo da geração distribuída (GD), só que aplicado em ambiente de subestação, para isso, foi analisado o consumo do serviço auxiliar de uma subestação em um determinado período para dimensionar um sistema fotovoltaico conectado a rede CA do serviço auxiliar. O estudo é baseado em uma subestação com dois transformadores de potência e dois transformadores de serviços auxiliares.
A principal fonte de suprimento para a operação do sistema, é a própria tensão alternada da subestação através de um Transformador de Serviço Auxiliar (TSA). Normalmente as subestações operam com os serviços auxiliares em regime de redundância: assim, cada serviço auxiliar é dimensionado para suprir todo consumo das cargas que pertencem ao serviço auxiliar da subestação. A Eq. 1 facilita o entendimento do dimensionamento do TSA [17]. O levantamento das cargas, bem como a definição de quais são essenciais e não essenciais para a operação da subestação, devem ser destacadas pelo projetista.
Onde Pnt é a potência nominal do transformador de serviço auxiliar; Σ Ppsene representa as cargas permanentes simultâneas, essenciais e não essenciais; Σ Pisene são as cargas intermitentes simultâneas, essenciais e não essenciais; e Fse é o fator de segurança (em geral, variando entre 1,1 e 1,3).
O serviço auxiliar CA da subestação é composto por dois transformadores do tipo distribuição de 150 kVA, que são ligados, um em cada secundário dos transformadores de potência. Têm tensão de entrada 13.800V e saída 220/127 V. Cada serviço auxiliar é dimensionado para suprir todo consumo da subestação. Em caso de falha ou perda de potencial em qualquer um deles, por problema interno ou externo, é acionado o sistema de transferência automática, isolando o serviço auxiliar com defeito e transferindo a carga para o outro que está com alimentação normal. Assim, é necessário dimensionar um SFVCR para cada serviço auxiliar existente. A Fig. 1 mostra o diagrama unifilar dos serviços auxiliares em operação, as linhas onde indicam “Vai para QSA”, alimentam dois barramentos do Quadro de Serviço Auxiliar, onde estão conectadas as cargas que operam em corrente alternada, incluindo os retificadores carregadores dos bancos de baterias.
Fonte: Adaptação projeto de subestação Enel São Paulo.
O Serviço auxiliar CC é composto por dois retificadores e dois bancos de baterias de 50Ah cada, que estão com suas respectivas saídas conectadas paralelamente através de diodos de polarização, formando uma única barra de CC onde estão conectados os equipamentos essenciais para a proteção, operação e supervisão da subestação.
Os serviços auxiliares são vitais para a operação do SEP. A utilização de energia renovável nesse tipo de instalação traz benefícios ambientais, pois utilizará energia com baixo índice de poluição ambiental, contribuindo com a redução de gases de efeito estufa, e também benefícios econômicos. A distribuidora de energia elétrica possui diversas subestações sob seu controle, por isso, pode usar o excedente de energia elétrica ativa gerada em uma unidade, para ser compensada em outra subestação da distribuidora, como na modalidade autoconsumo remoto que o consumidor participante do Sistema de Compensação de Energia Elétrica (SCEE) já utiliza.
Cada SFVCR será conectado na rede de cada TSA, que funcionará em paralelo fornecendo energia elétrica individualmente. Porém, se houver falta de potencial em qualquer TSA, ocorrerá a transferência automática das cargas incluindo o SFVCR que ficou sem potencial. Esse irá sincronizar com o TSA ativo, ficando o SFVCR-1 e CFVCR-2 em paralelo com a geração de energia normal. Quando restabelecer o serviço auxiliar que estava com defeito, cada SFVCR sincronizará com seu respectivo TSA voltando a normalidade. O SFVCR poderá ser instalado sem alterações no projeto do serviço auxiliar existente tampouco haverá alterações das proteções, apenas os medidores de energia (M3 e M4), terão que ser substituídos por medidores bidirecionais para o monitoramento da geração e consumo de energia elétrica.
2.2. Levantamento de dados
O primeiro passo para o dimensionamento do sistema fotovoltaico, foi o levantamento dos dados da instalação existente, bem como, tensão de operação, regime de operação, consumo de energia, local da instalação e a disponibilidade de espaço para a instalação dos painéis fotovoltaicos. A tensão de operação do serviço auxiliar existente, é fornecida por um TSA trifásico do tipo distribuição, com tensão nominal de entrada 13.800V e saída 220V/127V. A Fig. 2 apresenta as grandezas elétricas do equipamento em operação incluindo o diagrama fasorial: essas informações são importantes para a escolha do inversor.
Fonte: Enel.
A informação do consumo de energia é a parte mais importante para o dimensionamento correto de um SFVCR. A Tab. 1 mostra o consumo dos dois serviços auxiliares. Esses valores são resultados da somatória da medição de consumo dos serviços auxiliares, extraída em um período de 30 dias.
O potencial de energia solar da localidade precisa ser conhecido para auxiliar no dimensionamento. Para isso, foi feita uma pesquisa no site do CRESESB, com as coordenadas geográficas:
• Latitude: 23,548449° Sul
• Longitude: 46,557003º Oeste
Os dados vêm da estação de medição mais próxima, que fica à 5 km do local da instalação. Para melhor aproveitamento do potencial de energia solar na instalação, será utilizada a maior média anual de irradiação solar que é de 4,65 kWh/m².dia, com uma inclinação dos módulos de 21° para o norte.
Tabela 1 – Consumo mensal dos serviços auxiliares.
Foi verificado, no local da instalação, a disponibilidade de espaço para a instalação dos painéis fotovoltaicos. É importante que os painéis sejam instalados em áreas que dificultem a ação de vândalos e que facilite a manutenção e limpeza dos painéis.
Por se tratar de ambiente de subestação, é imprescindível que a instalação fique em áreas livres de pontos energizados e de fácil acesso, sem que coloque em risco pessoas que venham a interagir com SFVCR. Convém utilizar preferencialmente áreas de coberturas que ofereçam condições seguras, A área verificada no local de destino possibilita a instalação dos painéis fotovoltaicos de, aproximadamente, 181 m².
2.3. Dimensionamento do SFVCR
Cada serviço auxiliar deve ter capacidade para suprir o consumo de todas as cargas em tempo real. Como existem dois serviços auxiliares na subestação, logo, terão que ser instalados dois SFVCR com capacidade para gerar toda energia consumida. A capacidade de cada gerador fotovoltaico é dada pela Eq. 2.
Nesse caso, a instalação pode gerar 100% da energia que será consumida, pois não se trata de cliente do mercado cativo. O cálculo para o dimensionamento será feito para uma unidade do SFVCR, mas no projeto final serão consideradas duas unidades idênticas. Sabendo a quantidade de energia que precisa ser gerada, e o potencial solar da localidade, pode-se calcular a quantidade de painéis fotovoltaico que serão usados em uma unidade da instalação. Foi escolhido o modelo HiKu6- CS6W-555, monocristalino de 555 W.
O número de painéis fotovoltaicos pode ser obtido pela Eq. 3, onde Erede representa a energia que o SFVCR deve fornecer para a rede elétrica (kWh/dia); N é o número de painéis fotovoltaicos; HSP é a hora de sol pleno (h); Pmax representa a potência nominal do painel fotovoltaico (W); e TD é a taxa de desempenho:
A taxa de desempenho (TD) é um valor experimental quando não se conhece todas as perdas que envolve o sistema. Segundo o CRESESB, TD leva em consideração o rendimento do inversor, temperatura de operação do painel fotovoltaico e sujeiras em sua superfície, perdas no cabeamento, entre outras. Para o Brasil, é recomendado uma TD na faixa de 0,7 < (TD) < 0,8. HSP é estimado utilizando-se o valor médio anual de irradiação solar diária:
Calculando-se o número de painéis fotovoltaicos, para a energia diária que será injetada na rede, considerando TD = 0,75, temperatura de operação de 25°C e irradiância de 1000W/m²:
Com a potência de pico do gerador fotovoltaico (Eq. 5), foi escolhido um inversor trifásico da Fronius, modelo Symo 12.5-3-M, com potência nominal de saída de 12,5kW em CA.
Para se certificar que o inversor escolhido está dentro dos parâmetros de operação aceitável para a potência do gerador fotovoltaico, foi necessário verificar o FDI (Fator de Dimensionamento do Inversor), que é a razão dada pela Eq. 6, onde PinCA re´resenta a potência nominal do inversor em corrente alternada; e PpGFV é a potência de pico do gerador fotovoltaico.
A maior produtividade de energia anual, por kWp, encontra-se no intervalo 0,6 ≤ (FDI) ≤ 0,9 [18] – tendência similar à encontrada no presente estudo.
2.4. Monitoramento remoto
A subestação já é monitorada e controlada remotamente através do sistema SCADA. O inversor escolhido possui protocolo de comunicação Modbus com possibilidade de integração com o sistema SCADA para monitoramento remoto – ou ser monitorado pelo protocolo de comunicação do proprietário, que permite o acompanhamento remoto em tempo real da geração. A Fig. 3 exibe um gráfico da produção de energia em tempo real que pode ser acessado de qualquer lugar através da plataforma do fabricante. O gráfico exemplificado foi extraído de uma instalação existente onde mostra a geração de energia diária.
Fonte: Próprio autor.
2.5. Proteção do sistema fotovoltaico
Para a segurança da operação do sistema fotovoltaico, é necessário a instalação de dispositivos de proteção contra sobrecorrentes, tanto no lado CC quanto do lado CA, e também dispositivos de proteção contra surto, seguindo a NBR 5410/2004 e a NBR 16690/2019, que estabelecem regras para o dimensionamento dessas proteções. A Fig. 4 mostra o diagrama unifilar do SFVCR. Serão consideradas duas unidades idênticas por localidade.
Fonte: Próprio autor.
3. Resultados e discussão
A capacidade de geração de energia elétrica mensal pelo sistema fotovoltaico de uma localidade é de 3.597kWh/mês, e equivale ao fornecimento de energia elétrica para 20 residências da região sudeste, conforme dados do Anuário Estatístico de Energia Elétrica 2020, divulgado pela Empresa de Pesquisas Energética EPE. Tais números evidenciam melhor o benefício econômico que a instalação proposta no presente estudo pode colaborar.
3.1. Custos de energia elétrica e de investimento
A instalação escolhida não segue o padrão da maioria das instalações regidas pelo sistema de tarifação nacional. Contudo, para análise dos resultados, foi considerada uma instalação do grupo A2 (88 kV), aplicando-se apenas Tarifas de Energia (TE) e Tarifa de Uso do Sistema de Distribuição (TUSD). Apesar da energia ser de uso próprio da distribuidora, os encargos setoriais não foram estimados. As tarifas de uso de energia permitiram criar valores de referência para o investimento e retorno do valor investido (payback). Os dados foram reunidos na Tab. 2 e, a partir deles, foi estimado um custo de energia mensal de R$ 3.085,83.
Tabela 2 – Custo mensal de energia elétrica.
Os principais itens do projeto foram cotados com valor atual de mercado. Assim, foi possível estimar o custo total do projeto incluindo a mão de obra para instalação, conforme mostra a Tab. 3. Esses valores são correspondentes a duas unidades idênticas do SFVCR. O custo dos demais materiais e acessórios, o que inclui estrutura e materiais elétricos de modo geral, corresponde a 25 % do custo total do projeto, e o custo da mão de obra foi estimado um valor de mercado equivalente a R$ 797,5/kWp.
Tabela 3 – Valores do investimento no dois SFVCR.
Considerando que o projeto seja executado com capital próprio, bem como o não pagamento de taxa mensal pela disponibilidade de energia elétrica, o investimento gera uma Taxa Interna de Retorno (TIR) de 1,19 % ao mês, ou 15,24 % ao ano, além de um payback simples de 6,6 anos. Considerando a vida útil dos equipamentos de 20 anos, não incluindo manutenção, o Valor Presente Líquido (VPL) do investimento é em torno de R$ 496.265,87, demonstrando que o presente projeto proposto é versátil e tem potencial social, sustentável e econômico. Na Fig. 5 é possível visualizar graficamente o retorno do investimento, dado em, aproximadamente, menos de 7 anos.
Fonte: Próprio autor.
Um efeito inverso acontece se o projeto for executado com capital de terceiros, onde a TIR limita a TMA para que o projeto seja viável. Por exemplo, se houver investimento de capital de terceiros com uma TMA de 6,17 % ao ano, o tempo de retorno do investimento (Payback Descontado) fica em torno de 8,4 anos (Fig. 6).
Fonte: Próprio autor.
O retorno do investimento em projetos dessa natureza, normalmente acontece com a redução do pagamento da tarifa de energia elétrica em instalações de microgeração e minigeração distribuída do mercado cativo. No caso da instalação em discussão, se analisado junto à ANEEL e tratado como caso especial, esse investimento pode ser utilizado para abatimento nas perdas técnicas de alta tensão, ou incluído na revisão tarifária.
4. Conclusões
A elaboração do presente trabalho deixou uma visão mais clara das vantagens que a energia solar fotovoltaica proporciona, e das inúmeras opções de tecnologia no mercado desenvolvidas especificamente para a geração de energia fotovoltaica, o que viabiliza o acesso aos componentes necessários para a execução de projetos, seja de pequeno, médio ou grande porte. Tal efeito promove benefícios à quem escolhe a opção de usar energia solar fotovoltaica: os consumidores e empreendedores escolhem usar energia renovável visando o retorno financeiro, o que, consequentemente, acaba beneficiando o meio ambiente.
A aplicação de SFVCR nos serviços auxiliares das subestações pode trazer inúmeras vantagens. Por se tratar de uma instalação que sempre teve importantíssima contribuição na eletrificação poderá contribuir muito mais para a transição energética. Com relação ao consumo de energia em uma única localidade, parece um valor insignificante, em comparado com o fluxo de energia da subestação, mas considerando por exemplo, a média de consumo para as 162 subestações sob responsabilidade da distribuidora, já chegaria a uma capacidade de geração de 583 MWh anual. Tal resultado seria de grande contribuição para o meio ambiente, pois deixaria de emitir em torno de 2,44 tCO2 na atmosfera.
Conforme observado, o retorno do investimento com capital próprio acontece em 6,6 anos, com as premissas iniciais adotadas para estipular o custo de energia elétrica. Se considerar os impostos como PIS (Programa de Integração Social), CONFINS (Contribuição para Financiamento da Seguridade Social) e ICMS (Imposto Sobre Circulação de Mercadoria e Serviços), o custo de energia aumenta, aumentando também o fluxo de caixa e, consequentemente, o tempo de retorno do investimento diminui – o que ressalta a viabilidade econômica, social e sustentável da presente proposta.
Como sugestão para futuros estudos, a melhoria nos serviços auxiliares. O serviço auxiliar 1 (SA1) tem um consumo maior entre as 18 e 6 horas. Isso ocorre em virtude da iluminação do pátio da subestação. Analisando-se a medição, o consumo a mais nesse período corresponde a 32 % do consumo total, necessitando então de uma análise mais detalhada, principalmente no sistema de iluminação e aquecimento, com possível execução de um projeto de eficiência energética.
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aUniversidade São Judas – Mooca, SP, Brasil.
bUniversidade São Judas – São Bernardo do Campo, SP, Brasil.
*Autor para correspondência: rodrigo.bento@saojudas.br