Aspectos técnicos, econômicos e ambientais de sistemas híbridos aplicados em edificações familiares e propriedades rurais

Abstract

Nesse trabalho são apresentadas propostas de sistemas híbridos de geração de energia (SHGE) para o fornecimento de energia elétrica. O Caso 1 propõe um SHGE conectado à rede elétrica (on-grid) para atender a demanda elétrica de edifícios urbanos. O Caso 2 propõe um SHGE aplicado a áreas rurais com disponibilidade de rede elétrica local. O Caso 3 considera uma propriedade rural sem rede elétrica local, portanto propõe-se um SHGE com armazenamento de energia (off-grid). Os três casos são analisados em termos técnicos, econômicos e ambientais para três cidades brasileiras: Fortaleza (CE), Guaratinguetá (SP) e Florianópolis (SC). Para o dimensionamento do SHGE, desenvolve-se um algoritmo de otimização cuja função objetivo é a minimização do custo de geração de energia elétrica. Utiliza-se o software LINGO para a determinação da solução ótima do arranjo SHGE para cada caso. A análise econômica leva em consideração os custos de investimento, operação e manutenção para determinação do período de retorno (payback) e da receita anual esperada. A análise ambiental é feita através do cálculo da eficiência ecológica dos sistemas de geração de energia estudados. Os resultados mostram que o Caso 2 – SHGE on-grid: Propriedade Rural possui o menor período de retorno de investimento, entre 1 e 2 anos. Para todos os casos, a cidade de Fortaleza é onde evidencia-se o menor custo de investimento dos SHGE e, consequentemente, menor custo de geração de eletricidade dada seus elevados potenciais energéticos solar e eólico. O período de payback do Caso 1 – SHGE on-grid: Edifício Urbano é em torno de 2 e 3 anos. Já na situação off-grid, Caso 3, o sistema de armazenamento encarece significantemente o custo de investimento do SHGE e eleva o período de retorno de investimento para 5 a 7 anos em todos os locais estudados, considerando as taxas de juros mais baixas. Todas as tecnologias analisadas são ecologicamente eficientes, sendo que a geração eólica apresenta eficiência ecológica de aproximadamente 98%, a solar fotovoltaica em torno de 91% e a geração a partir de conjuntos motor a combustão interna e gerador de 85%.

This work presents hybrid power systems (HPS) proposals for the supply of electricity. Case 1 proposes an HPS connected to the power grid (on-grid) to meet the electrical demand of urban buildings. Case 2 proposes an HPS applied to rural areas with availability of local power grid. Case 3 considers a rural property without local power grid, so it is proposed an HPS with energy storage (off-grid). The three cases are analyzed in technical, economic and environmental terms for three Brazilian cities: Fortaleza (CE), Guaratinguetá (SP) and Florianópolis (SC). For the HPS design, an optimization algorithm is developed whose objective function is to minimize the cost of electric power generation. The LINGO software is used to determine the optimal solution of the HPS arrangement for each case. Further, the economic analysis considers the calculation of cost of electricity generation considering the costs of investment, operation and maintenance to determine the payback period and the expected annual revenue. Environmental analysis is done by calculating the ecological efficiency of the energy generation systems which integrate the HPS configurations. Results show that Case 2 - HPS on-grid: Rural Property has the shortest period of return on investment, ranging from 1 to 2 years. For all the cases, the city of Fortaleza is where it is evidenced lower costs of investment of HPS and, consequently, lower costs of electricity generation given its high solar and wind energy potential. The payback period of Case 1 - HPS on-grid: Urban Building ranges from 2 to 3 years. In the off-grid situation, Case 3, the storage system significantly increases HPS investment cost thus resulting on a payback period ranging from 5 to 7 years in all locations studied, for lowest interest rates. All technologies analyzed are ecologically efficient, with wind power presenting an ecological efficiency of approximately 98%, solar photovoltaic around 91% and generation from internal combustion engines operating with biogas around 85%