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
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