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ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA DOS INVESTIMENTOS EM PEQUENOS APROVEITAMENTOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
Registration Nº: (Abstract)
INSTITUIÇÕES UNIJUÍ – UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO RS UFSM – UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA DEMEI – DEPARTAMENTO MUNICIPAL DE ENERGIA DE IJUÍ
Name MAURO F. RODRIGUES
Authors of the paper Country Brasil
e-mail
[email protected]
TAFAREL FRANCO MILKE
Brasil
[email protected]
LUCIANO MALAQUIAS
Brasil
[email protected]
MOISÉS MACHADO SANTOS
Brasil
[email protected]
ALZENIRA DA ROSA ABAIDE
Brasil
[email protected]
CRISTIANO V. S. CZYZESKI
Brasil
[email protected]
Keywords Geração distribuída; Métodos matemáticos de otimização; Smart Grid; Fontes renováveis de energia; Distribuição de energia elétrica. RESUMO As tecnologias de geração de energia estão sempre em estudo e desenvolvimento, sobretudo com fontes renováveis, e criando novos cenários no sistema elétrico brasileiro e mundial, principalmente neste segundo. A aplicação dessas fontes em sistemas de geração cada vez menores vem criando a necessidade de novas regulamentações que atendam as características da unidade geradora e da rede de distribuição onde será conectada. Com isso, a Resolução 482/2012 da ANEEL veio suprir essa lacuna e introduzir, definitivamente, no SEP – Sistema Elétrico de Potência – os conceitos de micro e minigeração de energia elétrica a partir de fontes renováveis de energia. Com esta norma, os sistemas implantados ou em implantação ganharam definições como: capacidade de potência, caracterização, sistema de compensação de energia, modo de solicitação para interligação e inserção nos PRODIST – Procedimentos de Distribuição. Nesse contexto a microgeração e a minigeração de energia, através da Resolução 482/2012 da ANEEL, tomam forma e se credenciam como alternativas importantes para inserção de energia no sistema e suprir cargas pontuais, realizando geração diretamente a partir dos clientes; compensando a potência gerada e consumida do cliente; criando novas alternativas energéticas para incrementar o quantitativo disponível; gerando aproveitamento de pequenas fontes de energia; agregando valor aos negócios de energia de pequeno porte. Como o sistema de distribuição de energia elétrica brasileiro é privado, concedido pelo poder público, e a inserção destas micro e minicentrais de geração devem ser oriundas da iniciativa privada, faz-se necessário avaliar o retorno financeiro que poderá ser alcançado a partir das fontes de energia renováveis que forem utilizadas nesses empreendimentos. Esse estudo baseia-se no projeto para inserção de uma rede de microgeração distribuída a partir de pequenas estações de telecomunicações no Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, analisando o sistema proposto, quanto aos custos, e propondo um fluxograma para
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o processo. Com isso, pretende-se agilizar a análise da viabilização financeira para os empreendimentos através do equacionamento aplicado ao Método Simplex da Programação Linear, mapeando os dados necessários e as análises iniciais requeridas para tal. Além disso, busca-se caracterizar as diferenças entre um sistema de geração isolada e outro de geração distribuída. I. INTRODUÇÃO A geração de energia com fontes renováveis é uma alternativa a outras formas de geração que agridem o meio ambiente. Portanto, devem ser constantemente avaliadas quanto aos requisitos técnicos e financeiros para sua aplicação. Nesse contexto a microgeração e a minigeração de energia, a partir da Resolução 482/2012 [1] da ANEEL, tomam forma e se credenciam como alternativas importantes para inserção de energia no sistema e poder suprir cargas pontuais, realizando: - geração diretamente a partir dos clientes, compensando seu consumo; - criação de novas alternativas energéticas para incrementar o quantitativo disponível; - aproveitamento de pequenas fontes de energia. Para avaliar a microgeração distribuída, este estudo propõe o método simplex de programação linear [2], associando análise numérica e geométrica, para a interpretação e o entendimento dos dados analisados, auxiliando na tomada de decisão. Com base nos dados obtidos pelo método, será apresentado um fluxograma com as tarefas de grande porte que devem fornecer as informações básicas para analisar a viabilidade simplificada do processo, em termos financeiros. Assim, a partir da proposta de um sistema de microgeração de energia inserido em prédios de pequeno porte da rede de telecomunicações da região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul [3], será realizada a avaliação da viabilidade financeira do projeto. Para isso, serão utilizadas entradas de dados que serão apresentadas em forma de fluxograma padrão para realizar essa tarefa.
elétrica destinada ao comércio de toda ou parte da energia produzida, por sua conta e risco. • Autoprodutor, pessoa física ou jurídica ou empresas reunidas em consórcio que recebam concessão ou autorização para produzir energia elétrica destinada ao seu uso exclusivo. Em 2009, foi emitida a Resolução 389/2009 [5], que formalizou os conceitos de autoprodutor de energia e produtor independente de energia, colocando aos empreendedores particulares a capacidade de formalizarem suas instalações e, por sua vez, contribuírem com suas centrais geradoras para o sistema nacional de energia elétrica. Com isso, caracterizou-se definitivamente a geração distribuída no sistema elétrico de potência. Os quantitativos de agentes autorizados para exploração dos serviços de energia no país, em 2012, estão apresentados na Tabela 1, que mostra o resumo de empreendedores detentores de licença de autoprodutor, produtor independente, agências estaduais, concessionárias, permissionárias e outros.
A. A Microgeração e a Minigeração de Energia Elétrica Conectada à Rede de Distribuição
Por fim, com a publicação da Resolução 482/2012 [1] em abril de 2012 pela ANEEL, a microgeração de energia elétrica ficou completamente inserida no sistema, podendo ocorrer diretamente na rede de distribuição de baixa tensão desde que o consumidor/produtor independente atenda a todos os requisitos impostos pela distribuidora local.
Desde 2005, com a Resolução 167 da ANEEL [3], o Brasil vem se preparando para a inserção da microgeração de energia elétrica a partir dos consumidores. Com esta norma foi instituído o conceito de geração distribuída com pequenas fontes e reconhecido o direito de interligar estas fontes de energia ao SIN – Sistema Interligado Nacional. O Decreto Presidencial no 2003 de 10/09/1996 [4], define: • Produtor independente, pessoa jurídica ou empresas reunidas em consórcio que receberam concessão ou autorização para produzir energia
Tabela 1 – Agentes do Mercado de Energia AGENTE QUANTIDADE PRODUTOR INDEPENDENTE
B.
1041
AUTOPRODUTOR
593
DEMAIS AGENTES
393
TOTAL
2027
Definindo a Proposta de Microgeração
Genericamente, existem passos que preparam o problema para ser analisado sob a ótica das metodologias de otimização. São eles: - identificar o problema; - elaborar a metodologia para solução;
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PAPER - aplicar a metodologia; - analisar os resultados obtidos. Quanto mais assertivas forem as equações analíticas iniciais, maior será a chance de obter um ponto ótimo durante a execução da programação linear, que será a metodologia utilizada neste trabalho. Assim, este trabalho apresenta uma metodologia de análise que permite vislumbrar a viabilidade econômica do projeto, verificando: - capacidade de geração de energia por ano; - tempo de vida útil da instalação, em anos; - valor da tarifa local; - valor total para instalar a geração de energia. A partir destas variáveis, busca-se identificar em qual momento o projeto passa a ser viabilizado, aproveitando a venda da energia produzida neste sistema de microgeração de energia elétrica e a economia gerada para o consumidor, tendo a análise balizada pela programação linear, método simplex. II. A MICROGERAÇÃO DISTRIBUÍDA Os pequenos aproveitamentos de energia, a partir de microcentrais geradoras, tendem a ser uma realidade no futuro. Esse conceito recebe suporte de argumentos como: • colocar a geração de energia mais próxima aos clientes; • economizar recursos de transmissão de energia; • descentralizar o sistema elétrico; • realizar o aproveitamento de pequenas fontes de energia; • maximizar o aproveitamento energético de fontes renováveis. Conforme apresentado anteriormente, a geração distribuída conta com regulamentação difundida desde 2005. Os autoprodutores e produtores independentes de energia estão normatizados e têm suas operações previstas nas Normas de Distribuição de Energia editadas pela ANEEL e expandidas através das novas regulamentações para Smart Grid. Esses conceitos servirão de base para formular a proposta do sistema de microgeração a ser analisado nesse estudo, que deverá conter, de acordo com a Resolução 482/2012, todos esses pontos para estar de acordo com a regulamentação atual. A proposta a ser analisada como sistema de microgeração é projetada para uma estação de telecomunicações, utilizando células fotovoltaicas e geradores eólicos. A escolha dos sistemas de microgeração com essas duas fontes tem o objetivo de gerar uma economia de valores que beneficiará o custo
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total do projeto, já que os equipamentos de telecomunicações e essas pequenas fontes geradoras apresentam estruturas comuns, como segue: - corrente contínua; - tensão de 48 V; - banco de baterias dimensionado para a carga; - controlador de carga e descarga das baterias. A viabilização desse sistema depende, basicamente, de incentivos governamentais, conforme RODRIGUES et al [8], mas com os novos dados da Resolução 482/2012 [1] esse processo tende a obter nova condição financeira a partir da venda de energia para a distribuidora. No entanto, o empreendimento inicial requer um investimento maior na instalação da medição, para atender regras impostas pela própria distribuidora de energia de forma a garantir, no mínimo, a qualidade da energia e a segurança das instalações dos terceiros. Com base nesses dados pode-se inferir que há um caminho sendo trilhado para que novos empreendimentos de geração distribuída no sistema tornem-se uma tendência. Inclusive para os clientes residenciais que poderão usufruir deste recurso para atender outras demandas de carga, como veículos elétricos e automação residencial, e de tarifa maior nos horários de pico, como a tarifa horária diferenciada, chamada de Tarifa Branca [9]. Para analisar a viabilidade financeira desse novo conceito de rede (a partir de cada ponto de microgeração) com pequenos aproveitamentos de energia, de forma que o aporte de energia passe a representar um ganho significativo para a rede, em termos de potência instalada e fornecida ao sistema de distribuição de energia elétrica, será aplicado o método simplex a partir das restrições adquiridas. Assim, com a viabilização individual de cada microgeração isolada, o conjunto formará uma rede de microgeração distribuída que deve mitigar ou eliminar a maioria dos problemas colocados pelas distribuidoras para a interligação das pequenas fontes no sistema de distribuição de energia elétrica, tais como: saber a quantidade de energia gerada. A. Energia da Microgeração Pode ser Considerada no Sistema Esse é um dos principais problemas alegados pelas distribuidoras para resistir à interligação das pequenas fontes geradoras. O fornecimento de energia a partir da microgeração pode significar um aporte de potência que pode não estar presente na rede no momento que a empresa concessionária mais precisar desta.
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PAPER Por exemplo, o desligamento de uma pequena central pelo proprietário para manutenção pode ocorrer a qualquer momento, inclusive quando a distribuidora estiver necessitando dessa potência na rede. No entanto, se o conceito de geração distribuída for considerado, essa potência pode ser compensada pelo funcionamento das demais microgeradoras, podendo ser considerada uma potência média de fornecimento para o conjunto, caracterizando uma única fonte de maior porte. Baseado nisso, o estudo usará o sistema brasileiro de telecomunicações como base para a instalação desta microgeração distribuída, mais especificamente na região Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul. Para o caso, será utilizado o levantamento de custo da energia para operação do sistema de telecomunicações e a possibilidade de venda ao sistema de distribuição, baseado nos argumentos apresentados. Assim, sobre esta estrutura montada será aplicado o algoritmo simplex para avaliar o momento onde se passa a obter resultado positivo, partindo das premissas da instalação e operação do sistema de microgeração proposto. O objetivo final é criar uma metodologia de análise para futuros sistemas deste tipo, bastando adaptar os valores e dados fornecidos ao algoritmo. B. Microgeração Distribuída com Fontes Renováveis de Energia Conforme [1] existirá duas designações para as pequenas centrais geradoras de energia a partir de fontes renováveis (hidráulica, solar, eólica, biomassa e cogeração qualificada): microgeração e minigeração distribuída. A microgeração distribuída incentivada consiste numa central geradora com capacidade inferior ou igual a 100 kW, conectada na rede de baixa tensão da distribuidora, podendo operar em paralelo ou isolada e não despachada pelo ONS. A minigeração distribuída incentivada é formada por central com potência superior a 100 kW e inferior a 1 MW, conectada na rede da distribuidora, em qualquer tensão, ou através da instalação de unidades consumidoras, podendo operar em paralelo ou isolada e não despachada pelo ONS. No entanto, a Resolução 482/2012 da ANEEL não diferencia geração isolada de geração distribuída. O sistema proposto e analisado neste estudo busca usar a infraestrutura dos prédios de telecomunicações e estão baseados nas características comuns entre a microgeração proposta e a rede de telecomunicações, conforme apresentado anteriormente.
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Assim, foram priorizadas as fontes eólica e solar para efetuar o estudo, pois ambas poderiam compartilhar a estrutura física existente sem grandes investimentos estruturais nos prédios e servem de base para as análises a serem efetuadas de forma a criar a metodologia com o algoritmo simplex voltado para a microgeração de energia elétrica. III. ANÁLISE DO INVESTIMENTO E RETORNO DE ACORDO COM VALORES DE VENDA DE ENERGIA A Tabela 2 a seguir apresenta os valores da tarifa de algumas fontes na região Noroeste do RS. Tabela 2 – Valor da Tarifa de Energia R$/MWh R$/MWh Fonte Obs. Junho/04 Julho/10 PCH Valor 117,02 161,56 Valor 204,35 282,14 máximo Eólica Valor 180,18 248,77 mínimo Bagaço de 93,77 129,46 cana Casca de 103,20 142,48 arroz Biomassa Resíduo de 101,35 139,93 madeira Biogás de 169,08 233,44 aterro Embora exista variação de preço no mercado de energia, atualmente são divulgadas pela ANEEL as tarifas para os sistemas geradores em operação com fontes incentivadas (termo usado pela ANEEL para as fontes renováveis de energia) nos termos da legislação vigente. Para a microgeração de energia os valores devem ficar na troca de energia efetuada no sistema de compensação de energia elétrica, onde consumo e geração devem ser compensados por kW entre a distribuidora e o consumidor-microgerador, caracterizando, assim, um ganho menor que a Tabela 2 apresenta. A.
Custos Envolvidos na Implantação da Microgeração
Para aplicar a programação linear e criar o modelo do algoritmo simplex desejado, serão utilizados os valores referenciados [3], no que diz respeito aos custos de instalação. Nesse trabalho, foi utilizado um prédio padrão, na área em estudo que tem área de 35 m2 e situa-se no centro da região avaliada. Dessa forma, foram verificados os valores necessários para adquirir os equipamentos
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PAPER complementares à prestação do serviço de telecomunicações. Como são dados de 2010, não há a inclusão dos custos para a medição, mas esse detalhe não afetará o modelo a ser proposto, pois bastará incluir esse valor no custo de instalação do projeto. A Tabela 3apresenta a geração estimada para o prédio em estudo, baseado no mapa solar da ANEEL [10] e mapa de ventos do estado do RS [11]. O nível de irradiação solar adotado foi 5 kWh/m2 e a velocidade do vento foi 4,5 m/s a 50 m do solo, aproveitando torre de telecomunicações instalada. Com isso, obteve-se uma capacidade de geração de 200 kWh/mês para a fonte eólica e 169 kWh/mês para a fonte fotovoltaica. De posse desses valores, buscaram-se no mercado os custos para instalação de um sistema com essa configuração, obtendo os valores apresentados na Tabela 3. Como os valores utilizados para efetuar esta estimativa são conservadores, ou seja, os menores da faixa há uma folga para atingir parâmetros melhores na capacidade de geração. Os percentuais da coluna “Demanda Atendida” são referenciais a quanto se economizará de energia nessa estação de telecomunicações após a instalação do sistema. Tabela 3 – Geração estimada para a região Tipo de Geração Eólica Solar
Capacidade em kWh/mês 200 169
Custo total em R$
Custo /kWh em R$
Demanda Atendida
12.000 58.125
60,00 343,93
20,3% 17,17%
A partir disso, pode-se obter o primeiro retorno financeiro a ser avaliado para verificar a viabilidade econômica do projeto: economia na conta de energia. Além disso, existe a possibilidade de vender energia para a distribuidora, o que pode ampliar a receita gerada por essa instalação e classificá-la como projeto viável economicamente. B.
Equacionamento para Programação Linear
Os sistemas matemáticos de otimização são comumente aplicados na engenharia para sistemas complexos onde mais de uma variável e/ou equação precisa considerada para modelar um problema. Para a utilização adequada do método alguns requisitos devem ser atendidos [2]. • Escolha das variáveis que influenciam o problema analisado, a solução do problema.
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• Definição da função objetivo que representa o objetivo principal do estudo. • Delimitação do espaço de soluções a partir das equações e inequações que expressem as restrições do problema. A Figura 1, a seguir, ilustra, genericamente, o espaço útil, a região do alvo e o ponto a ser buscado nesta região de forma a atingir a solução ótima na análise das restrições impostas.
Figura 1 – Espaço de soluções e função objetivo [2] A partir dos dados apresentados na Tabela 3 para capacidade de geração, custo do projeto e economia gerada na conta de energia, pode-se modelar o problema para aplicar o algoritmo simplex. Com isso, se pode montar o modelo, onde as variáveis X e Y serão as variáveis de decisão e o valor buscado é a restrição do problema. Assim, surge a Tabela 4 apresentada a seguir. Tabela 4 – Resumo para análise gráfica Tipo de Geração Eólic a Solar
Capacidade Produti va (kWh /ano)
Tarif a Vend a (R$)
Custo /ano (R$)
Tempo (anos)
Valor Busca do em R$
2.400
X1
2.400
X2
12.000
2.000
Y1
2.900
Y2
58.000
A partir desta Tabela, se obtém as equações (1) e (2) a seguir que refletem a forma como o algoritmo deve buscar maximizar sua função. (1) (2)
2.400*X1 + 2.400*X2 >= 12.000 2.000*Y1 + 2.900*Y2 >= 58.000
A Tabela 4 apresenta as relações para formar as equações e as restrições. Em (1) tem-se a função objetivo da microgeração eólica e em (2) tem-se a função objetivo da microgeração fotovoltaica, para o período de 1 ano. As restrições estão presas ao valor de investimento e a capacidade de geração de energia durante o período de vida útil das instalações, de forma a viabilizar o projeto economicamente, ou seja, gerar recursos suficientes para
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PAPER cobrir todo custo de implantação da unidade geradora de energia. Assim, serão considerados 5 anos para a microgeração eólica e 20 anos para a microgeração fotovoltaica. Com essas informações será aplicado o método de otimização que utiliza o algoritmo simplex da programação linear para evidenciar os pontos ótimos ou, neste caso, as necessidades mínimas para geração e venda de energia de forma a viabilizar todo processo.
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consumidor/microgerador, caracterizando, assim, um ganho menor que a Tabela 2 apresenta. Na Figura 3 é apresentada a relação para a microgeração fotovoltaica. Percebe-se que esta tem uma garantia maior, mas um custo de instalação muito elevado, o que é mostrado pela área acima da curva, onde o processo se viabiliza. Esse custo exigirá tarifa e tempo maiores para que ocorra o retorno financeiro necessário ao investimento.
IV. ANÁLISE DO MÉTODO PROPOSTO O estudo de RODRIGUES et al [8]) buscou formas de viabilizar esse projeto a partir de incentivos governamentais, apresentando resultados satisfatórios a partir da retirada dos impostos que incidem sobre todo processo. Este estudo, no entanto, visa criar uma metodologia de análise que gere um fluxo de dados capaz de trazer esta resposta a partir das características de cada instalação de microgeração. A.
Análise Gráfica Através das Equações (1) e (2)
Os dados obtidos a partir dos levantamentos efetuados nos levam a montar os seguintes gráficos a partir de (1) e (2), como é mostrado na Figura 2, onde a microgeração eólica apresenta uma relação coincidente entre suas variáveis, pois sua capacidade de geração para 5 anos é 12 kWh e seu custo de mercado é R$ 12.000,00. Assim, na área acima da curva está a região onde se inicia o retorno do investimento, de acordo com as restrições impostas.
Figura 3 – Pontos de convergência entre a tarifa e o tempo para retorno do investimento na fonte fotovoltaica a partir da economia de energia.
B.
Discriminação dos gráficos obtidos Com a implementação de restrições, o analista pode determinar o melhor ponto a partir da parametrização proposta. Neste caso, para exemplificar, foi determinado: - na microgeração eólica, um prazo máximo de 3 anos e meio para retorno financeiro requer uma tarifa com valor de venda superior a R$ 1,50; - na microgeração fotovoltaica, um prazo de 15 anos para retorno financeiro, requer uma tarifa superior a R$ 10,00.
Figura 2. Pontos de convergência entre a tarifa e o tempo para retorno do investimento na fonte eólica a partir da economia de energia.
Para a microgeração os valores devem ficar na troca de energia efetuada no sistema de compensação de energia elétrica, onde consumo e geração devem ser compensados por kW entre a distribuidora e o
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Por outro lado, a análise gráfica evidencia que basta determinar o tempo desejado para o retorno do investimento e pode-se obter o valor necessário de tarifa para realizar este intento, sobre a reta que delimita a região viável. É uma forma visual de interpretar o problema e obter a resposta a partir da interseção de pontos com as características desejadas. Neste estudo, a premissa de viabilidade para todo sistema parte da viabilização de cada unidade de microgeração. Assim, o requisito básico do sistema como um todo é obter o retorno financeiro para a implantação do sistema durante a vida útil dos equipamentos. Para o caso em estudo, o objetivo é demonstrar que um método matemático geométrico, somado a um fluxograma que solicite as informações necessárias sobre o projeto, pode criar uma maneira simples e direta para identificar o melhor momento, a partir do qual se pode viabilizar o sistema proposto. Figura 4 – Fluxograma proposto para análise da viabilidade financeira de pequenas centrais geradoras de energia elétrica.
Na Figura 4, é apresentado o fluxograma de análise proposto. Percebe-se, pelas restrições impostas, que a microgeração fotovoltaica não apresentaria retorno financeiro possível dentro destes limites, pois não atingiria a reta oriunda do simplex a partir de (2). Com estas informações e dados apresentados pode-se observar o fluxo das operações necessárias para avaliar o processo como um todo, de forma genérica. Assim, para outros sistemas de microgeração, basta utilizar o fluxograma anterior como base para realizar a análise da viabilidade financeira do projeto, aplicando o método proposto. Assim, ao conduzir cada análise de maneira adequada e assertiva, as entradas de dados trarão as informações necessárias para apresentar a resposta adequada ao processo a partir da aplicação deste método. V. CONCLUSÃO A programação linear usa análise de equações lineares que expressam problemas reais. O estudo efetuado busca os melhores pontos de acordo com as restrições impostas, num sistema de inequações. Neste caso específico, aplicando o método de otimização proposto, para obter retorno do investimento em microgeração distribuída de energia, onde se busca pontos acima da reta gerada porque ela limita os valores mínimos necessários, a partir dos quais se pode realizar a análise da viabilidade financeira.
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