Análise de Risco de Geração de Eletricidade com Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede ...

204 Pages·2015·3.17 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ANÁLISE DE RISCO DE GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE USANDO O MÉTODO DE MONTE
CARLO

EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA

TD: 01/2015

UFPA / ITEC / PPGEE
Campus Universitário do Guamá
Belém-Pará-Brasil
2015
II

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA

ANÁLISE DE RISCO DE GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE USANDO O MÉTODO DE MONTE
CARLO

TD: 01/2015

UFPA / ITEC / PPGEE
Campus Universitário do Guamá
Belém-Pará-Brasil
2015
III

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA

ANÁLISE DE RISCO DE GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE USANDO O MÉTODO DE MONTE
CARLO

Tese submetida à Banca
Examinadora do Programa de
Pós-Graduação em Engenharia
Elétrica da UFPA para a
obtenção do grau de Doutor em
Engenharia Elétrica na Área de
Sistemas de Energia Elétrica.

UFPA / ITEC / PPGEE
Campus Universitário do Guamá
Belém-Pará-Brasil
2015
IV

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ
INSTITUTO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ANÁLISE DE RISCO DE GERAÇÃO DE ELETRICIDADE COM SISTEMAS
FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE USANDO O MÉTODO DE MONTE
CARLO

AUTOR: EDINALDO JOSÉ DA SILVA PEREIRA

TESE DE DOUTORADO SUBMETIDA À AVALIAÇÃO DA BANCA EXAMINADORA
APROVADA PELO COLEGIADO DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
ENGENHARIA ELÉTRICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ E JULGADA
ADEQUADA PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM ENGENHARIA
ELÉTRICA NA ÁREA DE SISTEMAS DE ENERGIA ELÉTRICA.

APROVADA EM: 28/01/2015

BANCA EXAMINADORA:

________________________________________________
PROF. DR.-ING. JOÃO TAVARES PINHO
ORIENTADOR – PPGEE/UFPA

________________________________________________
PROF. DR. ROBERTO ZILLES
MEMBRO – IEE/USP

________________________________________________
PROF. DR. PAULO CÉSAR MARQUES DE CARVALHO
MEMBRO – UFC

________________________________________________
PROF. DR. MARCOS ANDRÉ BARROS GALHARDO
MEMBRO – FEE/UFPA

________________________________________________
PROF. DR. UBIRATAN HOLANDA BEZERRA
MEMBRO – PPGEE/UFPA

________________________________________________
PROF. DR. WILSON NEGRÃO MACÊDO
MEMBRO – PPGEE/UFPA

VISTO:
________________________________________________
PROF. DR. EVALDO GONÇALVES PELAES
COORDENADOR DO PPGEE/ITEC/UFPA
V

À minha família, Leni, Elisa e Edinaldo, que
sempre me acompanham e são razão de meu
trabalho.
VI

AGRADECIMENTOS
A Deus, que me concedeu o dom da vida e me ampara nos momentos difíceis.
Àqueles a quem muito amo, minha esposa, Leni, que caminha comigo há 23 anos, sem
jamais desanimar, e meus filhos, Elisa e Edinaldo, que enchem de alegria minha casa.
Aos meus pais, José e Iraides, pessoas que não tenho palavras para agradecer tudo o
que já fizeram por mim, e que na simplicidade de suas vidas me ensinaram a importância de
lutar por um objetivo e sempre respeitar o próximo. Aos meus irmãos Edivaldo, Evaldo e
Ivanilde, que, mesmo quando distantes fisicamente, estão sempre próximos do coração.
Ao meu amigo, colega de profissão e orientador, Prof. João Tavares Pinho,
participante ativo de minhas conquistas acadêmicas, pelo permanente incentivo em buscar
novos espaços necessários ao crescimento de qualquer cidadão, não a qualquer custo, mas
preservando os princípios éticos da honestidade e respeito.
Aos prestativos, animados e solidários amigos do GEDAE, em especial os da
“Diretoria”, que se mostram presentes em todos os momentos, os de alegria e os de
dificuldade.
Aos amigos e colegas da Faculdade de Engenharia Elétrica que direta ou indiretamente
me incentivaram a concluir este trabalho.
VII

SUMÁRIO
SUMÁRIO ............................................................................................................................. VII
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ................................................................................................ XII
LISTA DE TABELAS ........................................................................................................... XV
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ...................................................................... XVII
LISTA DE SÍMBOLOS ...................................................................................................... XIX
RESUMO ........................................................................................................................... XXIII
ABSTRACT ........................................................................................................................ XXIV
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 1
CAPÍTULO 1 – Estado da Arte e Desenvolvimento das Tecnologias de Fontes
Renováveis de Energia ................................................................................. 5
1.1. Fontes de Energia para Produção de Eletricidade no Brasil e no Mundo .................. 5
1.2. Fontes Não Renováveis .............................................................................................. 7
1.3. Fontes Renováveis ..................................................................................................... 9
1.3.1. A Energia Solar ............................................................................................. 10
1.3.1.1. Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede ................................... 11
1.3.1.2. Solar Térmica ................................................................................. 15
1.3.1.3. Solar Térmica com Concentradores ............................................... 15
1.3.2. A Energia Eólica ........................................................................................... 16
1.3.3. A Energia Hídrica ......................................................................................... 20
1.3.4. A Energia da Biomassa ................................................................................. 22
1.4. Aspectos Gerais do Desenvolvimento Mundial das Energias Renováveis .............. 24
1.5. Histórico do Desenvolvimento das Energias Renováveis em Alguns Países .......... 28
1.5.1. Alemanha ...................................................................................................... 28
1.5.2. Espanha ......................................................................................................... 32
1.5.3. China ............................................................................................................. 35
1.5.4. Estados Unidos .............................................................................................. 38
1.5.5. Brasil ............................................................................................................. 42
VIII

CAPÍTULO 2 – Edificações Energeticamente Eficientes, Dimensionamento e Análise de
Desempenho de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede ....................... 48
2.1. Aspectos Gerais ........................................................................................................ 48
2.2. Uso Racional de Energia .......................................................................................... 48
2.3. Eficiência Energética ............................................................................................... 49
2.4. Conceituação do Laboratório de Energias Renováveis e Eficiência Energética do
GEDAE/UFPA ........................................................................................................ 51
2.5. Levantamento da Carga .......................................................................................... 54
2.6. Levantamento da Geração ....................................................................................... 56
2.6.1. Fotovoltaica ................................................................................................... 57
2.6.2. Eólica ............................................................................................................ 57
2.6.3. Grupo Gerador a Diesel ................................................................................ 58
2.6.4. Conexão à Rede ............................................................................................ 58
2.7. Aproveitamento de Ventilação e Iluminação Naturais ............................................ 58
2.7.1. Sensores ........................................................................................................ 58
2.8. Monitoração e Controle ........................................................................................... 60
2.8.1. Geração ......................................................................................................... 61
2.8.1.1. Fotovoltaica .................................................................................... 61
2.8.1.2. Eólica .............................................................................................. 63
2.8.1.3. Diesel .............................................................................................. 64
2.8.1.4. Conexão à Rede .............................................................................. 65
2.9. Ambiente .................................................................................................................. 66
2.9.1. Iluminação ..................................................................................................... 66
2.9.2. Temperatura .................................................................................................. 67
2.9.3. Umidade ........................................................................................................ 67
2.10. Tipos de Consumo ................................................................................................. 69
2.10.1. Iluminação ................................................................................................... 70
2.10.2. Tomadas Livres ........................................................................................... 70
2.10.3. Lâmpadas .................................................................................................... 70
2.10.4. Luminárias .................................................................................................. 71
2.10.5. Equipamentos .............................................................................................. 71
2.11. Meteorologia .......................................................................................................... 72
2.12. Segurança ............................................................................................................... 72
IX

2.13. Central de Energia .................................................................................................. 72
2.14. Dimensionamento do SFCR ................................................................................... 73
2.14.1. Horas Diárias de Sol Pleno (HSP) .............................................................. 73
2.14.2. Dimensionamento do Gerador Fotovoltaico ............................................... 73
2.14.3. Dimensionamento do Inversor .................................................................... 74
2.14.4. Dimensionamento do Banco de Baterias .................................................... 75
2.15. Análise de Desempenho do SFCR ......................................................................... 75
2.15.1. Produtividade do SFCR (Prod) ................................................................... 75
2.15.2. Fator de Capacidade (FC) ........................................................................... 76
CAPÍTULO 3 – Análise Econômica e de Risco para Sistemas de Geração de Energia
Elétrica via Método de Monte Carlo e Estudo de Caso do Laboratório de
Energias Renováveis e Eficiência Energética do GEDAE/UFPA ................. 77
3.1. Análise Econômica de um Sistema de Geração de Energia Elétrica ....................... 77
3.1.1. Fator de Recuperação de Capital (FRC) ....................................................... 77
3.1.2. Custo do Ciclo de Vida Útil (CCV) .............................................................. 78
3.1.3. Custo do Ciclo de Vida Útil Anualizado (CCVA) ......................................... 78
3.1.4. Custo da Energia Produzida (C ) ................................................................ 78
EN
3.1.5. Valor Presente Líquido (VPL) ....................................................................... 78
3.1.6. Payback Simples e Payback Descontado (PBS e PBD) ............................... 80
3.1.7. Taxa Interna de Retorno e Taxa Interna de Retorno Modificada (TIR e
TIRM) .............................................................................................................. 80
3.2. Análise de Risco de um Sistema de Geração de Energia Elétrica ........................... 81
3.2.1. Métodos Determinísticos para Análise de Investimentos ............................. 81
3.2.2. Métodos Probabilísticos para Análise de Investimentos ............................... 83
3.2.3. O Método de Monte Carlo (MMC) ............................................................... 85
3.2.4. O MMC Aplicado à Análise de Risco de Sistemas de Geração de Energia
Elétrica ........................................................................................................... 87
3.2.4.1. Definição do Modelo Matemático ....................................................... 87
3.2.4.2. Escolha das Variáveis Independentes .................................................. 87
3.2.4.3. Escolha das Variáveis Dependentes ..................................................... 88
3.2.4.4. Escolha das Funções Distribuição de Probabilidade ........................... 88
3.2.4.5. Execução e Resultados dos MMC ....................................................... 88
3.2.4.6. Análise e Decisão ................................................................................. 88
X

3.3. Estudo de Caso: Laboratório de Energias Renováveis e Eficiência Energética do
GEDAE ................................................................................................................... 89
3.3.1. Localização e Características ........................................................................ 89
3.3.2. Cargas Prioritárias ......................................................................................... 90
3.3.3. Horas Diárias de Sol Pleno (HSP) ................................................................ 91
3.3.4. Dimensionamento dos Módulos Fotovoltaicos ............................................. 92
3.3.5. Dimensionamento do Inversor ...................................................................... 92
3.3.6. Dimensionamento do Banco de Baterias ...................................................... 92
3.3.7. Análise de Desempenho do SFCR ................................................................ 93
3.3.7.1. Produtividade do SFCR ....................................................................... 93
3.3.7.2. Fator de Capacidade ............................................................................. 93
3.3.8. Análise Econômica do SFCR ........................................................................ 93
3.3.8.1. Fator de Recuperação de Capital..........................................................93
3.3.8.2. Custo do Ciclo de Vida Útil ................................................................. 94
3.3.8.3. Custo do Ciclo de Vida Útil Anualizado ............................................. 96
3.3.8.4. Custo da Energia Produzida ................................................................. 96
3.3.8.5. Valor Presente Líquido ........................................................................ 96
3.3.9. O MMC Aplicado à Análise de Risco do SFCR do GEDAE/UFPA ............ 99
3.3.9.1. Definição do Modelo Matemático ..................................................... 101
3.3.9.2. Escolha das Variáveis Independentes ................................................ 101
3.3.9.3. Escolha das Variáveis Dependentes ................................................... 102
3.3.9.4. Escolha das Funções Distribuição de Probabilidade ......................... 102
3.3.9.5. Execução e Resultados dos MMC ..................................................... 105
3.3.9.6. Análise e Decisão ............................................................................... 108
3.3.9.6.1. SFCR sem o Banco de baterias – Caso MMC14SB .............. 113
CAPÍTULO 4 – Regulamentação e Uso das Energias Renováveis .................................. 123
4.1. Proposta de Incentivo à Energia Solar Fotovoltaica para SFCRs no Brasil .......... 123
CONCLUSÕES ..................................................................................................................... 135
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 137
APÊNDICE A ....................................................................................................................... 144