Comparação econômica de fontes alternativas de geração de energia como backup de energia na zona rural – Estudo de caso

Por: Fernando Carvalho Assunção Da Silva - Fernando Nunes Belchior - Marcelo Nunes Fonseca

Atualmente, a concessionária EQUATORIAL-GO, antiga ENEL-GO, apresenta desempenho insatisfatório no quesito qualidade do serviço prestado, principalmente nos parâmetros relativos à frequência e duração das interrupções do fornecimento de energia. Através de medições realizadas pela Agência Nacional de Energia Elétrica ANEEL (2023) a EQUATORIAL-GO figura entre as 3 piores concessionárias do Brasil nos últimos anos, apresentando altos índices de interrupções de energia.

Constantes notícias são apresentadas nos meios de comunicação (Fig.1), onde são relatados os problemas e prejuízos enfrentados pela população devido à interrupção no fornecimento de energia elétrica. Se observa um maior impacto com essas frequentes e duradouras interrupções na zona rural, onde ocorrem severos prejuízos financeiros devido principalmente a parada da linha de produção, perda de alimentos armazenados em refrigeradores e perda de animais em locais com temperatura controlada, como ocorrem com os produtores de leite, frigoríficos e granjas (FEITOSA, 2022).

Fig. 1 – Produtora joga 750 litros de leite fora após cerca de 20 fazendas ficarem sem energia em Orizona (SILVA, 2023).

Nesta pesquisa foi possível avaliar a solução mais viável economicamente considerando os parâmetros Investimento inicial (CAPEX), Valor Presente Líquido (VPL), payback descontado e Custo Nivelado da Energia Levelized Cost of Electricity (LCOE) das seguintes fontes alternativas de geração: 1) Rede Elétrica EQUATORIAL + GRUPO MOTOR GERADOR (GMG); 2) Rede Elétrica EQUATORIAL + Sistema fotovoltaico off-Grid + GMG; 3) Rede Elétrica EQUATORIAL + Sistema fotovoltaico off-Grid + Baterias.

Estudo de caso

O estudo foi realizado em um laticínio localizado na zona rural no município de Cezarina – GO, local este escolhido por apresentar frequentes interrupções no fornecimento de energia elétrica, prejudicando tanto a retirada do leite quanto o seu armazenamento. Na estrutura do laticínio encontra-se o tanque resfriador de leite de 500L, principal equipamento do local, responsável pelo armazenamento e condicionamento do leite. A propriedade é atendida por um centro de medição monofásico a três condutores (duas fases + neutro), transformador monofásico de 10kVA com tensão de 220V/440V.

Com o auxílio do formulário pré-estabelecido, foi identificada a potência e o horário de funcionamento de cada equipamento, onde estes dados foram transformados em uma curva de carga (Fig. 2). O proprietário do local informou que a falta de energia ocorre em média 3 vezes por semana, sendo mais comum no início da noite e tem duração média de 12 horas.

Fig. 2 – Curva de carga diária considerada.

Cenário atual do estabelecimento

A principal atividade financeira do estabelecimento que está intimamente ligado a qualidade da energia é a venda do leite armazenado para um distribuidor. Dessa forma, quando ocorre interrupção no fornecimento de energia, esse leite antes vendido por R$3,50, passa a ser vendido por R$3,00 o litro, assim 25% de prejuízo nesta operação, visto que se não for vendido e coletado pelo distribuidor este insumo é perdido. O custo total anual do estabelecimento é de R$47.242,42, valor referente ao custo da energia elétrica adicionado ao prejuízo relativo à venda do leite.

Rede Elétrica + GMG

Como forma de dimensionar uma solução alternativa para o suprimento de energia elétrica em momentos de não fornecimento da concessionária local, é analisada a curva de carga, obtendo assim um modelo de GMG a diesel que atenda a demanda exigida pelos equipamentos instalados. O modelo comercialmente encontrado foi o GMG à diesel 8000T Motor 13HP 4T Trifásico 380V da marca Matsuyama, GMG com potência nominal de saída de 6,9 kVA (Fig.3).

Fig. 3 – GMG a diesel Matsuyama 6,9kVA.

Após o levantamento dos principais custos deste cenário é possível estender estes para o horizonte de 30 anos. Assim, esta configuração apresenta um CAPEX de R$11.819,94, fluxo de caixa negativo de R$29.752,40 por ano e substituição do GMG a cada 20 mil horas. O fluxo de caixa negativo engloba o custo com energia elétrica da rede da concessionária, custo com o óleo diesel no GMG e custo com manutenções. Os indicadores financeiros considerando uma TMA de 15% foram: VPL de R$210.260,29, Payback descontado em 0,48 anos e LCOE de R$0,547/kWh.

Rede Elétrica + Sistema fotovoltaico off-grid + GMG

Esta configuração de sistema possui duas fontes de alimentação CA, sendo a principal fonte a rede elétrica e a secundária o GMG a diesel, além de uma fonte de alimentação DC, formada pelos módulos fotovoltaicos (Fig. 4). Assim, durante o dia a fonte de alimentação DC atende a demanda de energia, de modo a proporcionar economia da energia que seria utilizada da rede elétrica. Durante o período noturno é utilizada a rede elétrica como fonte principal, e quando esta apresenta falha no fornecimento é automaticamente comutado para o GMG a diesel assumir como fonte principal para atendimento às cargas.

Fig. 4 – Esquema de ligação por arranjo – Rede Elétrica + Sistema fotovoltaico off-grid + GMG.

Esta solução foi dimensionada com 2 arranjos de 12 módulos JINKO JKM470N-60HL4-V TIGER NEO em cada, totalizando uma potência de 11,28kWp, 2 inversores solar Growatt off grid SPF 5000 ESG totalizando 10kW, e o mesmo GMG a diesel de 6,9kVA utilizado no cenário anterior. Este sistema apresentou um CAPEX de R$67.960,12, fluxo de caixa negativo de R$25.050,21 por ano, substituição do GMG a cada 20 mil horas e substituição dos inversores a cada 10 anos. O fluxo de caixa negativo se dá pelo custo com energia elétrica da rede da concessionária, custo com o óleo diesel no GMG e custo com manutenções. Os indicadores financeiros considerando uma TMA de 15% foram: VPL de R$238.379,30, Payback descontado em 4,43 anos e LCOE de R$0,593/kWh.

Rede Elétrica + Sistema fotovoltaico off-grid + Baterias

Esta configuração de sistema possui uma fonte de alimentação CA (rede elétrica da concessionária), e mais duas fontes de alimentação DC, formadas pelos módulos fotovoltaicos como fonte DC primária e o banco de baterias como fonte DC secundária, responsável pelo backup de energia nos momentos de interrupção do fornecimento pela concessionária. Desta forma, durante o dia, os módulos fotovoltaicos atendem à demanda de energia do estabelecimento, assim, gerando economia da energia durante este período. Para o período noturno a energia fornecida pela concessionária é utilizada como fonte principal, porém, quando ocorre a interrupção deste fornecimento neste período, o fornecimento se dá pelo banco de baterias (Fig. 5).

Fig. 5 – Esquema de ligação por arranjo – Rede Elétrica + Sistema fotovoltaico off-grid + Baterias.

Esta configuração foi dimensionada com 2 arranjos de 12 módulos JINKO JKM470N-60HL4-V TIGER NEO em cada, totalizando uma potência de 11,28kWp, 2 inversores solar Growatt off grid SPF 5000 ESG totalizando 10kW, acrescentando com forma de backup de energia um banco de baterias com 4 Baterias solar de lítio DYNESS A48100 48V LITIO LIFEPO4 4,8KWH. Assim, este sistema apresenta CAPEX de R$106.578,00, fluxo de caixa de -R$3.540,23 por ano e substituição dos inversores a cada 10 anos. O fluxo de caixa negativo se dá pelo custo com energia elétrica da rede da concessionária e com manutenções. Os indicadores financeiros considerando uma TMA de 15% foram: VPL de R$132.676,36, Payback descontado em 3,27 anos e LCOE de R$0,330/kWh.

Conforme informação do fabricante, o banco de baterias possui uma vida útil de 6.000 ciclos considerando uma descarga de até 100%, porém como o banco de baterias só opera nos momentos de interrupções da rede elétrica, ao longo de 30 anos de operação serão 4.680 ciclos. Desta forma, o banco de baterias não necessita ser substituído.

Conclusões

Através das análises concluiu-se que as três soluções analisadas apresentaram viabilidade em comparação ao atual cenário do estabelecimento, e que apesar de apresentar CAPEX de R$106.578,00, significativamente maior entre as soluções investigadas, o cenário Rede Elétrica + Sistema fotovoltaico off-grid + Baterias é a solução mais viável para o estabelecimento estudado, visto que este apresentou menor OPEX de R$3.540,23, VPL de R$132.676,36, LCOE de R$0,330/kWh e um payback descontado de 3,27 anos.

Referências

ANEEL, Confira o ranking da continuidade do serviço de distribuição de energia elétrica de 2022, 29 de mar. de 2023, Disponível em: < https://www.gov.br/aneel/pt-br/centrais-de-conteudos/relatorios-e-indicadores/distribuicao/ranking-de-continuidade/2022>. Acesso em 17 de out. de 2023.

FEITOSA, L., Produtores rurais de Mineiros sofrem com falta de energia elétrica há três dias. Mais Goiás, Goiânia, 17 de fev. de 2022. Disponível em: <https://www.maisgoias.com.br/produtores-rurais-de-mineiros-sofrem-com-falta-de-energia-eletrica-ha-tres-dias/>. Acesso em: 08 de mai. de 2022.

SILVA, V., Produtora joga 750 litros de leite fora após cerca de 20 fazendas ficarem sem energia em Orizona, O Popular, 15 de out. de 2023. Disponível em:  <https://opopular.com.br/cidades/produtora-joga-750-litros-de-leite-fora-apos-cerca-de-20-fazendas-ficarem-sem-energia-em-orizona-1.3074232>. Acesso em 17 de out. de 2023.

Sobre os autores

Fernando Carvalho Assunção Da Silva, Engenheiro Eletricista na SmartSET, mestrado em Engenharia de Produção na Universidade Federal de Goiás. Experiência com ensino e gestão de pessoas, com a realização de monitoria de Geometria Analítica pelo Instituto de Matemática e Estatística da Universidade Federal de Goiás. Contato: [email protected].

Fernando Nunes Belchior, FCT/UFG, Aparecida de Goiânia-GO – Professor na Universidade Federal de Goiás, Campus Aparecida de Goiânia. Áreas de interesse: Qualidade da Energia Elétrica, Eficiência Energética, Geração Distribuída. Contato: [email protected].

Marcelo Nunes Fonseca, Universidade Mackenzie, SP – Professor na Universidade Mackenzie, SP, Áreas de interesse: engenharia econômica; energia renovável (principalmente sistemas fotovoltaicos); gestão de custos; finanças corporativas (equivalente a contabilidade gerencial). Contato: [email protected].

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