FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA - UNIR … Lara - A... · da residência do tipo Solar...

FUNDAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DE RONDÔNIA - UNIR CÂMPUSPROFESSOR FRANCISCO GONÇALVES QUILES

Departamento Acadêmico de Engenharia de Produção

Simone dos Santos Lara

A ABORDAGEM DA AVALIAÇÃO DO CICLO DE VIDA APLICADOS EMSISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE NO MUNICÍPIO DE

CACOAL E PIMENTA BUENO - RO

Cacoal – RO

2018

1

Simone dos Santos Lara

A ABORDAGEM DA AVALIAÇÃO DO CICLO DE VIDA APLICADOS EMSISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS À REDE NO MUNICÍPIO DE

CACOAL E PIMENTA BUENO - RO

Trabalho de conclusão de curso apresentado aodepartamento de Engenharia de Produção daFundação Universidade Federal de Rondônia,Campus Francisco Gonçalves Quiles.

Orientador: Prof. Dr. André Jun Miki.

Área de concentração: Gestão Ambiental dosProcessos Produtivos.

Cacoal - RO

2018

2

Agradecimentos

Dedico este trabalho primeiramente а Deus por ser essencial em minha vida,

mеυ guia, socorro presente na hora da angústia, ао mеυ pai Sebastião Gonçalves

Lara, minha mãe Arlete dos Santos Lara aos meus irmãos, cunhadas e sobrinhas.

Ao Curso de Engenharia de Produção е às pessoas com quem convivi nesse

espaço ао longo desses anos. А experiência de υmа produção compartilhada em

especial ao meu grande amigo e parceiro para todas as horas Patrick Jeckson

Cunha que tornou minha caminhada na universidade mais alegre e produtiva. Aos

meus parceiros de sala que colaboraram para minha formação nos encontros de

grupos de estudo, Camila Otto, Cristina Santos, Débora Zerbinato, Diego Ajala,

Diego Alves, Lucas Oliveira, Marcelo Garrido, Marly Ágatha, Thálita Freitas, Wesley

Gonçalves. Em especial dedico a conclusão deste trabalho aos meus amigos

Marcelo Garrido e Ágatha que enfrentaram ao meu lado uma parte digamos especial

da caminhada.

Ao meu professor e orientador André Jun Miki pela orientação, apoio e

confiança, agradeço a todos os professores por proporcionar o conhecimento não

apenas racional, mas a manifestação do carácter e afetividade da educação no

processo de formação profissional em especial aos professores Alessandro,

Carlaile, Edimar, Graziela, Priscilla, Tatiane.

Para trilhar o caminho na universidade é essencial que tenhamos apoio de

amigos do lado de fora com isso sempre pude contar com pessoas especiais minhas

amigas Solange Cristina e Gabriela Deina.

E agora no final e não deixando de ser essencial para minha formação, a

pessoa que vamos dizer entrou nos últimos minutos do jogo e fez o gol da vitória,

meu namorado e parceiro Jenerson Marcos Polinski, sem ele talvez seria mais difícil

chegar até aqui, com sua parceria pude abastecer minhas energias e finalmente

concluir o curso.

A todos qυе direta оυ indiretamente fizeram parte dа minha formação, о mеυ

muito obrigado.

Resumo

O propósito deste estudo foi avaliar o emprego da avaliação do ciclo de vida de umsistema fotovoltaico conectado à rede numa residência Solar Home System compotência instalada de 2,6 kWp no município de Cacoal – RO e numa indústriaenvasadora de água mineral e refrigerantes, com potência instalada de 500 kWp;Analisar comparativamente as diferentes causas e fatores para os sistemas degeração fotovoltaica como: a) nível da irradiação solar; b) eficiência dos módulos desilício monocristalino e policristalino; c) tipos de instalação; d) tecnologia demanufatura; e) ganho da irradiação solar pelos países, com sistema empregado nacidade de Manaus e na comunidade isolada de Sobrado/AM, que influenciam naobtenção do tempo de payback da energia EPBT e as taxas de emissão de CO2. Apesquisa adotou o estudo de caso de dois sistemas de geração fotovoltaicaconectados à rede, representando o constructo de uma investigação inédita para aelaboração de uma monografia científica, envolvendo dois sistemas de geraçãofotovoltaica o primeiro em uma residência Solar Home System de 2,6 kWp instaladano município de Cacoal - RO e em uma planta industrial com uma potência instaladade 500 kWp de Pimenta Bueno - RO, em se tratando de caso crítico adequado paratestar uma teoria em relação à aplicação das subcategorias dos impactos ambientaisda ACV para sistemas de geração fotovoltaica conectado à rede, em consonânciacom as REN da ANEEL 687/2015, pelos incisos I e II. A geração fotovoltaica, a partirda residência do tipo Solar Home System de 2,6 kWp, resultou em um EPBT de 2,36anos e uma taxa de emissão de CO2 em 0,063 kgCO2-eq./kWh. E para uma indústriade manufatura de refrigerante e envase de água mineral, com uma planta degeração fotovoltaica de 500 kWp, obteve um EPBT estimado entre 4,36 a 3,98 anos,com uma taxa de emissão em CO2 de 0,080 kgCO2 eq./kWhel. A análise comparativapara o EPBT, evidencia outras plantas de geração fotovoltaica com uso de silíciomonocristalino (mc-Si) para um SAPV de 4,2 kWp na Espanha, SAPV de 16,8 kWppara a CI de Sobrado-AM, e para uma residência Home Office de 10 kWp emManaus - AM, demonstrou uma progressiva redução do payback de energia pelaaplicação do método de produção anual de energia elétrica (8,99 – 2,99 home office– 2,84 anos) e pelo método do consumo anual de eletricidade (9,08 – 7,45 – 3,07 –1,46 anos). A abordagem do ciclo de vida ambiental, demonstrou um resultadopertinente para o decréscimo das taxas de emissões de CO2 estimada em (kgCO2-eq/kWh), por meio do método de consumo e produção anual de energia elétrica com(0,131kg – 0,129kg para SAPV 4,2 kWp); (0,107kg – 0,044kg – 0,041kg para oSAPV de 16,8 kWp) e (0,023kg para SIGFV de 10 kWp), em relação a equivalênciaa um sistema diesel-elétrico isolado com 1,270 kg. E com isso estabelece se umhorizonte promissor de no cenário energético mundial, nacional e regional para osmunicípios de Cacoal e Pimenta Bueno, no Estado de Rondônia, com um tempo dopayback de energia cada vez mais reduzido, assim como reduzidas taxas deemissões de CO2, contemplando os parâmetros recomendados pela abordagem daavaliação do ciclo de vida para sistemas de geração fotovoltaicas conectado à redee autônomos, de acordo com os Quadros 1 e 2 da literatura científica da seção 3,referente a metodologia.

Palavras – chaves: Avaliação do ciclo de vida, Sistemas de geração fotovoltaica,Energy payback time, Taxa de emissão de CO2, Sistemas fotovoltaicos on grid e offgrid.

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Macroetapas do planejamento e condução do estudo de caso................24

Figura 2 - Quadro de referência metodológica da ACV.............................................25

Figura 3 - Rendimento mensal mês de janeiro de 2017............................................42

Figura 4 - Rendimento mensal mês de fevereiro de 2017.........................................43

Figura 5 - Rendimento mensal mês de março de 2017.............................................43

Figura 6 - Rendimento mensal mês de abril de 2017................................................44

Figura 7 - Rendimento mensal mês de maio de 2017...............................................45

Figura 8 - Rendimento mensal mês de junho de 2017..............................................45

Figura 9 - Rendimento mensal mês de julho de 2017...............................................46

Figura 10 - Rendimento mensal mês de agosto de 2017..........................................47

Figura 11 - Rendimento mensal mês de setembro de 2017......................................47

Figura 12 - Rendimento mensal mês de outubro de 2017.........................................48

Figura 13 - Rendimento mensal mês de novembro de 2017.....................................49

Figura 14 - Rendimento mensal mês de dezembro de 2017.....................................49

Figura 15 - Comparativo de medição acumulada mensal do ano de 2017...............50

Figura 16 - Rendimento de geração ano de 2017.....................................................51

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Análise das publicações sobre a avaliação do ciclo de vida dos sistemas

de geração fotovoltaica conectado à rede..................................................................27

Quadro 2 - Análise das publicações sobre ACV e AACV referente a sistemas de

geração fotovoltaica autônomos e conectados à rede, para os anos de 2009 (a) e (b)

a 2015..........................................................................................................................29

LISTA DE GRÁFICO

Gráfico 1 - Irradiação solar plano horizontal em Cacoal-RO.....................................37



Gráfico 4 - Irradiação solar plano horizontal em Pimenta Bueno-RO.......................39



LISTA DE TABELAS

Tabela 1 : Balanço de massa em (kg) e energia incorporada em (MWhth) para o

Cálculo do EPBT para a instalação fotovoltaica conectado à rede para uma

residência do tipo Solar Home System de 2,6 kWp....................................................52

Tabela 2 - Massa especifica dos componentes eletroeletrônicos (Módulos FVe BOS)

.....................................................................................................................................55

Tabela 3 - Cálculo do EPBT para instalação fotovoltaica conectado à rede para uma

indústria de manufatura de refrigerante e envase de água mineral, com uma

potência instalada de 500 kWp, no município de Pimenta Bueno - RO.....................58

Tabela 4 -mostra a massa de CO2 incorporada para os componentes

eletroeletrônicos do sistema de geração fotovoltaico conectado à rede de uma

indústria com uma potência instalada de 500kWp, situada no município de Pimenta

Bueno - RO..................................................................................................................60

Tabela 5 - Resultados da ACV para sistemas FV’S...................................................65

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AACV: Avaliação Ambiental do Ciclo de Vida.

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

ACV: Avaliação do Ciclo de Vida.

ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica.

CRESESB: Centro de Referência para as Energias Solar e Eólica Sérgio de Salvo

de Brito.

CA: Corrente Alternada.

CB-Solar: Centro Brasileiro para o Desenvolvimento da Energia Solar fotovoltaica.

EPA: Environmental Protection Agency.

EPBT: Energy Pay-Back Time.

FV: Fotovoltaica

GEE: Gases de Efeito Estufa.

GHG: Green House Gases.

GHGPV: Emissões totais dos GEE referente ao balanço de massa para as emissões

de CO2, para os módulos fotovoltaicos.

GHGBOS: Emissões totais dos GEE referente ao balanço de massa para as emissões

de CO2, para os componentes eletroeletrônicos, cabos e suportes de estruturas metálicas.

GN: Gás Natural.

IEA: International Energy Agency.

ISO: International Organization for Standardization.

ONS: Operador Nacional do Sistema.

ONUDI: Organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento Industrial

REN: Renewable Energy Network.

RO: Rondônia

RPS: Renewable Portfolio Standards.

SAPV: Stand-Alone Photovoltaic Systems.

SETAC: Society of Environmental Toxicology and Chemistry.

SIN: Sistema Interligado Nacional.

UF: Unidade Funcional.

UNDP: United Nations Development Programme.

UNEP: United Nations Environment Programme.

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO.........................................................................................................111.1 Problema..............................................................................................................131.2 Objetivos..............................................................................................................141.2.1 Objetivo geral.....................................................................................................141.2.2 Objetivos específicos.........................................................................................141.3 Justificativa..........................................................................................................15

2 REFERENCIAL TEÓRICO......................................................................................172.1 Fontes renováveis de energia............................................................................172.2 Energia Fotovoltaica e sistema fotovoltaico....................................................182.2.1 O sistema fotovoltaico no Brasil e no mundo....................................................182.2.2 Vantagens de utilização do sistema fotovoltaico...............................................202.3 Sistema fotovoltaico conectado à rede.................................................................212.3.1 Sistemas distribuídos conectados à rede..........................................................212.3.2 Sistemas centrais conectados à rede................................................................222.4 Avaliação do ciclo de vida de sistemas de geração de energia fotovoltaica.....................................................................................................................................22

3 METODOLOGIA......................................................................................................243.1 Avaliação de impacto ambiental da ACV para emissões de CO2 do sistemaFV conectado à rede no município de Cacoal-RO e para a planta industrial demanufatura em refrigerante e envase de água mineral em Pimenta Bueno - RO.....................................................................................................................................35

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES.............................................................................364.1 Balanço de massa e energia incorporada para o cálculo do EPBT da instalação fotovoltaica conectado à rede em uma residência do tipo Solar Home System de 2,6 kWp no município de Cacoal - RO......................................514.2 Avaliação do Ciclo de Vida – Impacto Ambiental - Cálculo das Taxa de Emissões de Gases de Efeito Estufa, por CO2.......................................................544.3 Cálculo da taxa de emissão de CO2 em (kgCO2 – eq./kWh) para a residência Solar Home System de 2,6 kWp em Cacoal – RO..................................................564.4 Balanço de massa e energia incorporada para o cálculo do EPBT da instalação fotovoltaica conectado à rede em uma indústria de manufatura de refrigerante e envase de água, com potência instalada de 500 kWp no município de Pimenta Bueno - RO..........................................................................57

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................69

APÊNDICES................................................................................................................73

1 INTRODUÇÃO

A geração de energia elétrica no cenário mundial, nacional e regional é

realizada pela predominância dos sistemas de geração baseados, em combustíveis

fósseis, conduzindo a uma crescente elevação de custos na geração de eletricidade,

remetendo a necessidade de alternativas energéticas para a obtenção de

eletricidade por fontes renováveis de energia, em que a diversidade tecnológica, ,

inclui as energias eólica, fotovoltaica, biomassa e hidro cinéticos considerados como

tecnologias de geração consolidadas que encontram-se no contexto de

desenvolvimento de novos materiais e possui uma aderência incremental por

tecnologias que já alcançaram a fase comercial, a exemplo do crescente mercado

de geração distribuída por sistemas de geração Fotovoltaico (FV) conectado à rede

elétrica das concessionárias de energia no Brasil segundo Goldemberg (2006),

(UNDP, 2004; IEA, 2015) (ANEEL, 2015).

Os fatores determinantes para o uso da energia solar fotovoltaica, com a

finalidade de atender a autoprodução de energia elétrica na modalidade de geração

distribuída, tem sido demonstrado pelo decréscimo do payback de energia dos

sistemas de geração fotovoltaica on-grid, por meio da integração da Avaliação do

Ciclo de Vida (ACV) para a obtenção de indicadores quantitativos, conforme a

abordagem da metodologia de pesquisa adotado pelo presente estudo, de acordo o

limite do sistema (system boundary), desde a extração da matéria-prima até a fase

de descomissionamento dos componentes eletroeletrônicos da usina de geração

fotovoltaica, a partir da avaliação ambiental do ciclo de vida (AACV), com foco

específico dos impactos ambientais pertinentes nas emissões de gases de efeito

estufa (GEE) por CO2, em comparação ao uso de geradores diesel elétricos.

Assim, os resultados são adequados às características de geração e

distribuição de energia elétrica para uma residência com um sistema Solar Home

System de 2,6 kWp no município de Cacoal - RO e uma indústria de água e

refrigerantes de Pimenta Bueno - RO, com uma potência instalada de 500 kWp, que

mesmo sendo atendida por uma rede elétrica convencional integrada ao Sistema

Interligado Nacional – SIN, os custos elevados da tarifa de energia elétrica

comercializada pela concessionária Eletrobrás Distribuição Rondônia, no município

de Cacoal e Pimenta Bueno, justifica a necessidade de ter alternativas de

autoprodução de eletricidade a um custo reduzido com a vertente de abater o

14

excedente de geração de eletricidade pelo próprio consumidor por possuir um

sistema de geração FV conectado à rede da própria concessionária. Em que o

abatimento da energia elétrica comercializada pela concessionária no município de

Cacoal, recebe benefícios pela autoprodução de eletricidade da própria unidade

consumidora, por meio da geração distribuída, conforme a alteração pela Resolução

Nº 687, de 24 de novembro de 2015, Art. 1º Alterar o art. 2º da Resolução Normativa

nº 482, de 17 de abril de 2012, que passa a vigorar com a seguinte redação,

conforme inciso I, em que é considerada a micro geração distribuída: central

geradora de energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e que

utilize cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, ou fontes

renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de

instalações de unidades consumidoras.

No presente estudo foi incluído a Avaliação do Ciclo de Vida – ACV, de um

sistema de geração fotovoltaica conectado à rede, com uma potência instalada de

500 kWp, em uma indústria de água mineral e refrigerantes situada no município de

Pimenta Bueno a 41,40 km de Cacoal – RO, com a finalidade de atender as

necessidades energéticas da planta industrial.

E com a potência de geração em 500 kW, devidamente qualificada com o

inciso II, conforme a disposição da Resolução Normativa Nº 687/2015, sendo

classificado como minigeração distribuída a central geradora de energia elétrica,

com potência instalada superior a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes

hídricas ou menor ou igual a 5 MW para cogeração qualificada, conforme

regulamentação da ANEEL, incluindo as demais fontes renováveis de energia

elétrica, conectada na rede de distribuição por meio de instalações de unidades

consumidoras.

A planta de geração fotovoltaica está em fase final de implementação, com a

instalação concluída dos arranjos fotovoltaicos com os módulos e, em fase de

conclusão dos circuitos elétricos de conexão com os (05) cinco inversores trifásicos

de 100 kW, dispostos em configuração paralela de conexão elétrica pela rede de

baixa tensão, sem a necessidade de adição de transformadores para adequação da

tensão de distribuição, totalizando a potência nominal de saída em corrente

alternada de 500 kW.

O dispositivo de conexão elétrica com a rede da concessionária é um inversor

solar fotovoltaico, do modelo Fronius Agilo 100.0.0 – 3, com uma tensão trifásica de

15

corrente alternada em paralelismo com a concessionaria de energia ajustada em

220 Volts / 60 Hz, no barramento primário de baixa tensão do transformador da

empresa de 625 kVA, além da instalação e teste do aplicativo de gerenciamento da

energia, por meio do sunny portal e o aguardo da licença de operação da

concessionária CERON - Centrais Elétricas de Rondônia de Pimenta Bueno – RO.

1.1 Problema

O tema abordado sobre a Avaliação do Ciclo de Vida para sistemas FV

conectados à rede, em uma residência Solar Home System de 2,6 kWp no município de

Cacoal e em uma indústria Pimenta Bueno, uma potência instalada de 500 kWp, se

mostra um estudo desafiador visto que o seu marco regulatório de adequação para

certificar a utilização desta modalidade de geração distribuída só surgiu, a partir da

Resolução Normativa nº 482, de 17 de abril de 2012, de acordo com as disposições

gerais do artigo 1o: Que estabelece as condições gerais para o acesso de

microgeração e minigeração distribuídas aos sistemas de distribuição de energia

elétrica e o sistema de compensação de energia elétrica. Sendo atualizado e

alterado os parâmetros sobre as condições gerais para o acesso de microgeração e

minigeração pela Resolução Normativa Nº 687, de 24 de novembro de 2015,

definindo novas faixas de potências por meio do artigo 2o (Incisos I e II), que trata a

microgeração e minigeração distribuída na forma de central geradora de energia

elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW e para potências instaladas

superiores a 75 kW e menor ou igual a 3 MW para fontes hídricas ou menor ou igual

a 5 MW para cogeração qualificada, conforme regulamentação da ANEEL, incluindo

as demais fontes renováveis de energia elétrica, conectada na rede de distribuição

por meio de instalações de unidades consumidoras. E de acordo com o uso de

fontes renováveis de energia, incluindo o sistema de geração fotovoltaica conectada

à rede de distribuição em baixa tensão, a partir do alimentador de baixa tensão da

própria instalação elétrica das unidades consumidoras, desonerando os custos

envolvidos em uma nova instalação elétrica para o cliente usuário desta modalidade

de utility. E em conformidade, com os autores de periódicos científicos consultados

na base Qualis Capes da Plataforma Sucupira no Brasil e no âmbito regulatório,

demonstram que a geração FV no Brasil, no Estado de Rondônia e no município de

Cacoal e em uma indústria em Pimenta Bueno, apresenta uma incógnita e uma

16

diversidade de informações a serem desveladas em relação, aos tipos de módulos

FV’s usados no município e os inversores bidirecionais utilizados para a geração de

energia elétrica, a adequação ao ilhamento em relação aos harmônicos provenientes

da rede de distribuição da concessionária de energia elétrica, o payback e retorno de

investimento realizado na aquisição do sistema de geração FV conectado à rede, o

payback de energia, as taxas de emissões de CO2 entre o sistema autônomos de

geração FV e sistemas conectados à rede elétrica da concessionária, conforme a

metodologia empregada por García-Valverde et al. (2009), Peng et al. (2013) e Miki

e Yang (2015).

O foco central do problema é desvelar porquê o sistema de geração

fotovoltaico conectado à rede se contrapõe ao elevado custo da tarifa de energia

elétrica? Seria devido a grande participação dos sistemas de geração termoelétrica

acionado óleo diesel assim como, o seu enfoque ambiental considerando de 20 a 30

anos de emissões evitadas de CO2 contabilizando baixas emissões liquidas de

carbono durante o seu ciclo de vida total, considerando impacto ambiental da ACV

proposta no enfoque do problema.

1.2 Objetivos

No presente tópico serão apresentados o objetivo geral e os objetivos

específicos da pesquisa, como os elementos de condução do estudo para a sua

análise e conseguinte resultado.

1.2.1 Objetivo geral

Avaliar o método do ciclo de vida de um sistema fotovoltaico conectado à rede

em uma residência Solar Home System com potência instalada de 2,6 kWp no

município de Cacoal – RO e em uma indústria envasadora de água mineral e

refrigerante, com potência instalada de 500 kWp.

1.2.2 Objetivos específicos

a) Realizar o levantamento bibliográfico acerca da utilização de uso dos sistemas

fotovoltaicos conectados à rede no mundo, no Brasil e em Rondônia nos municípios

de Cacoal e Pimenta Bueno;

17

b) Identificar a sazonalidade dos ganhos de radiação solar no Município de Cacoal e

Pimenta Bueno, de acordo com as estações chuvosas e as perdas na geração

fotovoltaica pelo acréscimo de espessamento das nuvens;

c) Analisar o payback de energia de um sistema fotovoltaico conectado à rede dos

sistemas de geração fotovoltaica de 2,6 kWp e 500 kWp na cidade de Cacoal e

Pimenta Bueno;

d) Analisar os ganhos da geração fotovoltaica conectado à rede, para a residência

Solar Home System de 2,6 kWp em Cacoal - RO, por meio do gerenciador de

energia sunny portal, em um horizonte de um ano;

e) Analisar os impactos ambientais pelas emissões de gases de efeito estufa por CO2,

incluindo as fases de construção e descomissionamento dos sistemas de geração

fotovoltaica, módulos, inversores, suportes e estruturas metálicas e cabos elétricos;

f) Comparar os resultados obtidos em relação ao tempo do payback de energia

(EPBT) e para as taxas de emissões por CO2 da residência Solar Home System de

2,6 kWp e de uma indústria com potência instalada de 500 kWp, analisando as

diferentes causas e fatores para os sistemas de geração FV como o nível da

irradiação solar, eficiência dos módulos, tipos de instalação, sistemas On-Grid e Off-

Grid (SAPV), tecnologia de manufatura, ganho da irradiação solar para os diferentes

países, assim como para a cidade de Cacoal e Pimenta Bueno - RO, que

influenciam na obtenção dos diferentes tempos de payback da energia EPBT e as

taxas de emissão de CO2 em (kgCO2 eq. - /kWhel).

1.3 Justificativa

A justificativa descrita para a geração de eletricidade por sistemas FV em

contraposição aos sistemas de geração diesel-elétrico acionado por combustíveis

fósseis é compensado por não emitir GEE durante a fase de operação com a

geração de eletricidade com o uso efetivo de todos os componentes

eletroeletrônicos da planta de geração FV, como ocorre nos sistemas de geração

fotovoltaica conectado à rede (On Grid e/ou Grid Tie). Com 20 a 30 anos de

emissões evitadas de CO2, contabilizando baixas emissões líquidas de carbono

durante o seu ciclo de vida total, considerando o impacto ambiental da ACV,

demonstrado por García-Valverde et al. (2009), Peng et al. (2013) e Miki (2015).

18

A importância energética estratégica para o cenário regional no município de

Cacoal, é precípua por ser atendida por uma rede convencional de energia elétrica

integrada ao Sistema Interligado Nacional (SIN), o que maximiza a possibilidade de

novas opções de autoprodução de energia elétrica pela própria unidade

consumidora desta utility, além de proporcionar a comercialização do excedente de

eletricidade gerada, com o abatimento da conta de energia pelo cliente da unidade

de consumo, em que a rede elétrica de distribuição da concessionária funciona

como um acumulador de energia elétrica. Estes condicionantes proponentes da

pesquisa conduzem o constructo teórico norteadores desta pesquisa,

desencadeando os futuros gateways científicos e tecnológicos para obtermos uma

energia mais disponível de acordo com as condições do ganho de irradiação solar

média no município de Cacoal-RO de 4,75 kWh/m2.dia, para os doze meses do ano

o que propicia a consolidação dos empreendimentos no segmento de energia

fotovoltaica.

O crescimento econômico e humano do município de Cacoal - RO, está ligado

efetivamente a quantidade dos recursos energéticos disponíveis, e ainda, pela

disponibilidade entre a fonte renovável de energia solar radiante, geração

fotovoltaica e o ponto de consumo, garantindo a flexibilidade e a confiabilidade no

suprimento de eletricidade, por meio da microgeração distribuída pela própria

unidade consumidora.

O presente estudo tem como finalidade, analisar um sistema fotovoltaico

conectado à rede, em que os dados irão ser coletados no município de Cacoal– RO

e obter a clareza necessária sobre as características de geração e armazenamento

do excedente de eletricidade gerado na própria rede elétrica de distribuição da

concessionária energia, demonstrado a partir dos gráficos de geração fotovoltaica.

Como a energia fotovoltaica é considerada uma energia renovável, um dos

possíveis resultados dessa pesquisa é demonstrar as características do sistema,

seu tempo de retorno em termos de investimento, sua capacidade de reserva de

energia e seu baixo custo a longo prazo, sem a utilização de combustíveis fósseis

durante o período de geração de eletricidade em horizonte de 20 anos.

19

2 REFERENCIAL TEÓRICO

2.1 Fontes renováveis de energia

De acordo com o Atlas Brasileiro de Energia Solar (2017), o desenvolvimento

e a disseminação da tecnologia solar fotovoltaica na modalidade de micro geração

distribuída têm sofrido atualizações para a potência instalada por unidade

consumidora com a ampliação da faixa de potência instalada do sistema de geração

fotovoltaica pela Resolução 687/2015 com um acréscimo de 4.000 kWp, em relação

a Resolução 482/2012, em que o limite de potência instalada era de apenas 1.000

kWp por unidade consumidora, sendo correspondente ao consumo médio de mais

de mil residências de classe média no Brasil. E os créditos de energia injetados na

rede elétrica têm validade de 60 meses para serem compensados. A evolução no

marco regulatório das Resoluções Normativas da ANEEL 482/2012 para a 687/2015

ampliando a faixa de potência instalada, demonstra a exigência na qualidade e

segurança energética do novo perfil de consumidores residências, demandando por

um serviço de utility, em que a sua essência está focada na ampliação do consumo

de energia elétrica, aliada ao baixo custo tarifário, satisfazendo as suas

necessidades inerentes a utilização desses recursos. A concepção do

desenvolvimento energético sustentável integrado ao cenário de microgeração

distribuída, converge para a vertente resultante de um processo de análise dos

impactos ambientais e do playback de energia, com um decréscimo progressivo de

tempo de 9 anos para 7 anos e consequentemente caminhando para 5 anos.

Segundo Miki e Yang (2015), os marcos de contextualização histórica para o

ano de 2012 foi a declaração realizada pela Assembleia Geral das Nações Unidas

como o ano internacional da energia sustentável, incluindo a expansão dos sistemas

de geração fotovoltaica conectado à rede elétrica e conforme REN 21/2017 para os

indicadores de energia renovável 2015 e 2017, temos a crescente capacidade

instalada de sistemas fotovoltaicos com um incremento de 228 GW para 303 GW.

Para a presente pesquisa consideraremos os marcos históricos mais

pertinentes para a contextualização do referencial teórico envolvendo o conjunto

temático das fontes renováveis de energia, de acordo com Goldemberg (2006), a

estimativa de crescimento acerca das energias renováveis nas próximas décadas

está em torno de 10% a 20% do consumo de energia do mundo. Essa estimativa,

20

impulsionará as energias renováveis como um segmento essencial para a indústria

mundial de energia no que tange um futuro energético sustentável.

Os dados do IEA - International Energy Agency (2015), no balanço do

consumo final de energia no período de 1973 a 2013 (40 anos) foi apontado um

crescimento de 8,6% no consumo de eletricidade global. Foi analisada também a

diminuição do uso de combustíveis fósseis a partir do petróleo em (8,4%) e carvão

em (2,1%) e aumentada em 1,1% a utilização de gás natural. Também foi

identificado uma diminuição no uso de biocombustíveis em (0,9%) bem como o

aumento de 1,7% em outras fontes renováveis de energia, englobando entre elas a

energia eólica, solar, térmica, fotovoltaica e geotérmica.

2.2 Energia Fotovoltaica e sistema fotovoltaico

A energia fotovoltaica é considerada um serviço moderno de utility (Energia

Elétrica), em que a sua geração é pertinente para os sistemas elétricos isolados, a

exemplo de comunidades isoladas que não possuem o suprimento de energia

elétrica garantido, por meio de uma rede elétrica convencional, necessitando de

sistemas de geração autônomos, implementando a melhoria na qualidade de vida de

inúmeros habitantes (em grande parte de comunidades desprovidas do acesso à

energia elétrica. Esse tipo de sistema é de extrema importância para o

desenvolvimento socioeconômico das comunidades remotas/isoladas pelo sistema

fotovoltaico de geração, possuir um horizonte de 20 a 30 anos de emissões de CO2

evitadas, quando comparado a fontes de geração de energia fósseis como os

geradores diesel elétrico.

De acordo com Tiepolo (2013), às regiões com grande irradiação solar

tendem a ser priorizadas com investimentos da tecnologia fotovoltaica. A área

destinada a esse tipo de geração de energia (fotovoltaica) é geralmente inclinada

por uma angulação de 10o a 13o e a área destinada a geração fotovoltaica deve ser

essencialmente livre do comprometimento por sombreamentos de coberturas

vegetais, residências e edificações prediais

2.2.1 O sistema fotovoltaico no Brasil e no mundo

Os dados da ONUDI (2013), demonstram o avanço tecnológico no âmbito dos

sistemas de geração fotovoltaica, por meio da concordância de variados fatores,

21

como: o crescimento da capacidade global de fabricação, maturidade tecnológica

dos componentes do sistema, programas de fomento de alguns países

(principalmente europeus), e outros fatores, como por exemplo, a alta no preço do

petróleo, foi-se possível o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos de geração

distribuída.

De acordo com a evolução da distribuição geográfica, houve também uma

evolução de fabricação de células solares no mundo. Em 2011, de acordo com o

acelerado crescimento de novos mercados, havia um domínio asiático

(principalmente chinês) no que tange à fabricação de células. Enquanto em 2006 o

principal produtor de células era o Japão, com 37% do total, e a Europa, com 28%,

em 2008 a China já produzia 32,7% (uma de cada três células), e em 2011 chegava

a 57%.

De acordo com o roteiro da IEA - International Energy Agency e REN21

(2017) há uma perspectiva de crescimento da geração fotovoltaica em todo o mundo

incluindo países da Ásia, após os da América Latina e da África, com um adicional

de 75 GW de potência fotovoltaica instalada, correspondendo a capacidade

fotovoltaica de 31.000 painéis solares fotovoltaicos instalados a cada hora em todo o

mundo.

Segundo dados do REN - Renewable Energy Policy Network (2014) os dados

de crescimento da capacidade total instalada de geração fotovoltaica no mundo:

a) 3,70 GW em 2004;

b) 70 GW em 2011;

c) 139 GW em 2013 (crescimento dado a partir da consolidação da Índia e China

como potências globais em tecnologias fotovoltaicas)

Segundo EPA (2002) e UNDP (2012) o perfil padrão de renováveis (RPS)

determina que uma porcentagem do somatório de eletricidade gerada deve derivar

de fontes renováveis de energia, como hidrelétrica, energia solar fotovoltaica, eólica,

térmica, gás de aterros sanitários, geotérmica e biomassa. No Brasil, através do

programa Luz para todos é utilizada uma política pelo governo Federal onde os

entraves de mercado relacionados a tecnologias em energia fotovoltaica (renovável),

o que garante um cenário de concorrência no que tange a geração de energia

elétrica.

22

De acordo com dados da ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico

(2009), da capacidade total instalada no SIN (Sistema integrado Nacional), os

sistemas autônomos de geração fotovoltaicas estão inseridos na capacidade

instalada de 20 MW e representando 0,02%, da capacidade instalada de geração de

energia no Brasil, essa taxa de geração vista pela ótica global é pequena, porém é

de grande importância para comunidades isoladas.

Segundo dados do IEA (2010), o Brasil é um país de destaque pela utilização

de sistemas fotovoltaicos para a eletrificação rural que propiciam bombeamento de

água e iluminação pública em comunidades rurais de baixa renda, desempenhando

dessa forma, papel relevante para a elaboração em tecnologias fotoelétrica. Ainda,

versa que o apesar de o mercado brasileiro de tecnologia fotovoltaica ser

assegurado por multinacionais, em 2004 foi criado o Centro Brasileiro para o

Desenvolvimento da Energia Solar fotovoltaica (CB - Solar), com o apoio do governo

federal que já desenvolveu uma planta piloto para a fabricação de módulos

fotovoltaicos e células solares de silício em escala, com a viabilização dos custos de

fabricação.

A disponibilidade do potencial de geração por sistemas de geração

fotovoltaica, conforme REN21 (2016), a capacidade mundial instalada relacionada a

energia fotovoltaica cresceu cerca de 25% no ano de 2014, elevando, dessa forma,

a capacidade de 138 GW (2013 e 2014) e de 177 GW (2015) para 227 GW em 2016.

De acordo com o grande crescimento global, impulsionado grande parte pelo

aumento do custo-competitividade, a energia fotovoltaica teve grande contribuição

em seu aumento através de mercados emergentes, apesar de que ainda, a China, o

Japão e os Estados Unidos novamente representaram a maioria da capacidade

adicional.

2.2.2 Vantagens de utilização do sistema fotovoltaico

De acordo com Das e Balakrishnan (2012), Miki e Yang (2015) uma das

vantagens provenientes da adoção de energias sustentáveis é a criação de uma

nova gama de emprego e postos de trabalho pela introdução dos empregos verdes

(green jobs), o que, além de empregar uma grande quantidade de cidadãos, pode

contribuir para a resolução de problemas de igualdade socioeconômica pelo acesso

à energia em comunidades isoladas.

23

Segundo Tiepolo (2013), o fato de as maiores fontes geradoras de energia

encontrarem-se em bacias hidrográficas específicas, normalmente distantes dos

centros de consumo, gera perdas elétricas expressivas durante sua transmissão.

Como vantagem do sistema fotovoltaico pode-se citar o fato do mesmo poder ser

instalado próximo ao próprio ponto de consumo (principalmente em regiões

urbanas), diminuindo significativamente, avarias entre o ponto de geração de

energia elétrica e o consumidor final.

De acordo com Onudi (2013), a energia solar fotovoltaica utiliza-se de

vantagens frente às outras fontes energéticas, vantagens essas, cujo algumas delas

podem ser citadas a seguir:

g) As suas unidades exigem um baixo nível de manutenção;

h) É uma tecnologia que vem se desenvolvendo de maneira rápida, ocasionando

painéis mais evoluídos e ao mesmo tempo, competitivos, o que gera custos de

aquisição mais baixos – abre portas para ser cada vez mais uma alternativa de

produção de energia viável;

i) É mais estável frente aos aumentos das tarifas de energia;

j) Pelo fato de o sol ser um recurso por definição interminável, a energia proveniente

dele é renovável;

k) Reduz o desperdício das perdas elétricas nas linhas de transmissão, pois os painéis

podem ser instalados no local do abastecimento de energia;

l) É uma energia renovável e sem emissão de poluentes.

2.3 Sistema fotovoltaico conectado à rede

De acordo com Alsema e Nieuwlaar (2000), os sistemas fotovoltaicos

conectados à rede (elétrica) são divididos em dois tipos: sistemas centrais e

sistemas distribuídos. Esses sistemas são viáveis do ponto de vista energético pois

a energia que foi utilizada para a fabricação desses sistemas é gerada nos primeiros

dois a três anos após a sua entrada em operação - em uma região com grande

incidência solar. Considerando que a vida útil destes sistemas é de 25 a 30 anos, e a

eficiência energética varia de 10% a 14%, conforme a composição de materiais

semicondutores, como (InGa). Porém, além desses sistemas serem bastante

utilizados, ele vem gradativamente reduzindo o tempo de payback

24

de energia. Segundo Oliver e Jackson (1999), há perspectivas de o

mercado de sistemas fotovoltaicos integrados à rede se tornar economicamente

viável por volta dos anos

2010, dependendo ainda, de decisões políticas.

2.3.1 Sistemas distribuídos conectados à rede

De acordo com Oliver e Jackson (1999), uma parcela grande da demanda por

energia elétrica é proveniente de prédios conhecidos como BIPV (Building Integrated

PhotoVoltaics) sendo assim, os mesmos se tornam um dos lugares mais apropriados

para instalar sistemas fotovoltaicos a fim de suprir esta demanda. Esse tipo de

sistema pode ser montado anexado a parte de seu revestimento (fachadas,

coberturas, etc) ou pode ser integrado a um prédio já existente. Esse tipo de sistema

distribuído (conectado à rede), é atualmente, a maior aplicação de energia

fotovoltaica.

Através do aprimoramento das tecnologias fotovoltaicas e da incorporação

dos custos ambientais, em relação às outras tecnologias de geração de energia

elétrica já existentes, a distribuição do mercado de sistemas fotovoltaicos

conectados à rede poderá se tornar viável de médio a curto prazo.

2.3.2 Sistemas centrais conectados à rede

Segundo Oliver e Jackson (1999), no que tange a prédios, os sistemas que

contemplam essas plantas, são sistemas fotovoltaicos centrais. No entanto, a

energia gerada em nesse tipo de sistema não será capaz de competir com outras

tecnologias como, por exemplo, energia nuclear. Além dessa limitação, as redes

elétricas não estão preparadas para administrar uma porcentagem maior do que

15% a 20% de energia fotovoltaica, pois nesse tipo de energia não há uma previsão

concreta de comportamento estimado em relação a quantidade de energia (variável)

e a mesma requer uma capacidade estocástica de grande escala. Para a evolução

desse tipo de sistema fotovoltaico, é necessário o desenvolvimento de tecnologias

viáveis de armazenamento de energia em larga escala e de uma redução dos custos

da energia fotovoltaica, porém, isso será possível com o aprimoramento das

tecnologias existentes ou a introdução de novas tecnologias, como a de células que

utilizem o fenômeno de “multiplicação das portadoras”.

25

2.4 Avaliação do ciclo de vida de sistemas de geração de energia fotovoltaica

É importante realizar uma análise do ciclo de vida (ACV) para geração de

energia fotovoltaica com o objetivo de analisar a eficácia do sistema, suas

características e seus impactos ambientais gerados ao longo do ciclo de vida, sendo

possível ainda, comparação de suas características com outras tecnologias.

De acordo com Varun (2009), essa análise é uma técnica que possui como

principal objetivo, avaliar características relacionadas com o desenvolvimento de um

produto ou serviço (no caso do presente estudo, energia) e o seu potencial impacte

durante a sua vida. De acordo com o autor, a ACV (análise do ciclo de vida) possui

de maneira intrínseca a vantagem de poder ser alterada quando são encontrados

novos dados científicos ou as tecnologias do estudo em causa são melhoradas.

26

3 METODOLOGIA

A presente pesquisa adotou o estudo de caso de dois sistemas de geração

fotovoltaicos conectados à rede, em conformidade com Yin (2001), por apresentar

características peculiares de um estudo revelatório, pela situação representar o

constructo de uma investigação inédita para a elaboração de uma monografia

científica, envolvendo dois sistemas de geração fotovoltaica o primeiro em uma

residência Solar Home System de 2,6 kWp instalada no município de Cacoal - RO e

em uma planta industrial com uma potência instalada de 500 kWp de Pimenta Bueno

- RO, em se tratando de caso crítico adequado para testar uma teoria em relação à

aplicação das subcategorias dos impactos ambientais da ACV, de acordo com as

recomendações da UNEP/SETAC (2013), para sistemas de geração fotovoltaica

conectado à rede, em consonância com as Resolução da ANEEL 482/2012 e

687/2015. A realização do estudo de caso utilizou o protocolo proposto por Miguel

(2007), segundo a Figura 1.

Figura 1 - Macroetapas do planejamento e condução do estudo de caso

Fonte: Yin (2001); Forza (2002); Souza (2003); Croom 2005; Miguel (2007)

O estudo de caso, conforme Yin (2001); Forza (2002); Souza (2003); Croom

(2005); Miguel (2007), investiga a natureza empírica de um determinado fenômeno

27

habitualmente contemporâneo, inerente a um contexto cotidiano da vida real na

ocasião, em que o limiar entre o fenômeno e o contexto no qual está inserido não

está claramente esclarecido, demandando-se de um aprofundamento analítico de

um ou mais objetos (casos), proporcionando expandir o conhecimento. E de

acordo com Mattar (2014), o objetivo é penetrar o conhecimento sobre um problema

que não foi exaustivamente definido, com a intenção de motivar a compreensão,

assim como desenvolver uma nova teoria.

A ACV no Brasil manifestou-se, de acordo com as recomendações da

Organização Internacional de Padronização - (International Organization for

Standardization), pela ISO 14040, publicada no Brasil pela Associação Brasileira de

Normas Técnicas (ABNT) (WILLERS, 2013).

A ACV para Willers (2013) é uma metodologia usada para comparar, analisar

a energia requerida pela Unidade Funcional de Produção e os impactos ambientais

associados com o desenvolvimento de produtos ao longo do seu ciclo de vida. A

ACV é composta por quatro estágios distintos que se intercomunicam a partir do: i)

objetivo e definição do escopo; ii) análise de inventário; iii) avaliação e iv)

interpretação do impacto.

Os respectivos estágios encontram-se de acordo com as recomendações a

partir da ISO 14040, juntamente com os seus princípios normativos e pela estrutura

teórica com a ISO 14041, que estabelece os objetivos e a definição do escopo pela

ISO 14042, para a avaliação de impacto ambiental do ciclo de vida é proposto pela

ISO 14043, na interpretação do ciclo de vida com a integração dos autores

especializados em sistemas de geração fotovoltaica. É ilustrada pela Figura 2

(WILLERS e PENG et al. 2013).

Fonte: ISO 14040, (1997); ISO 14040, (1998); ISO 14042, (2000); ISO 14043, (2000); JUNGBLUTH,

28

Figura 2 - Quadro de referência metodológica da ACV.

N. (2005); REBITZER et al., 2004; ISO 14040 (2006).A abordagem do ciclo de vida inclui as especificações técnicas dos

componentes eletroeletrônicos, entradas e saídas de matérias-primas, energias

térmicas e elétricas, assim como a avaliação dos impactos ambientais, a partir do

balanço de massa e energia para as emissões CO2, considerando os GEE, com o

foco principal na unidade funcional componentes do sistema de geração fotovoltaica,

de acordo com as principais recomendações elaboradas por Garcia-Valverde et al.

(2009); Traverso et al.(2012); Becalli et al.(2014) e Yang et al.(2015).

A abordagem do ciclo de vida para sistemas de geração fotovoltaica

conectada à rede considerou o balanço de massa e energia para concepção dos

módulos fotovoltaicos, inversores bidirecionais, cabos, conectores elétricos, de

acordo com as principais recomendações formuladas por Garcia-Valverde et al.

(2009); Traverso et al. (2012); Becalli et al. (2014) e Yang et al. (2015).

O impacto ambiental focou as emissões de gases de efeito estufa por meio de

CO2, em conformidade com as recomendações de (Fthenakis e Alsema, (2006);

Peng et al. (2013), em se fazer a comparação com os outros sistemas de geração a

exemplo dos geradores diesel elétrico que emitem CO2 desde a extração da sua

matéria prima para a fabricação do motor diesel e gerador elétrico até a chegar ao

processo de reciclagem “do berço ao túmulo”, com uma atenção especial as taxas

de emissões comparativas de CO2 para os sistemas diesel elétrico e entre sistemas

conectados à rede e isolados de geração fotovoltaica.

A função do objetivo e da definição do escopo, conforme Willers e Valdivia et

al. (2013) é a de determinar o objetivo da pesquisa e os limites dos sistemas e/ou

fronteiras do sistema (systems boundaries). A fase de interpretação da ACV aplicado

ao sistema de energia fotovoltaica é fundamentado teoricamente pelos critérios

metodológicos recomendados para a fase de avaliação ambiental, considerando o

consumo de energia, matérias-primas e as emissões de poluentes pela emissão de

CO2 (WILLERS; VALDIVIA et al., 2013).

A avaliação ambiental do ciclo de vida compreende o balanço de massa e a

energia requerida no processo de manufatura dos componentes físicos e

eletroeletrônicos do sistema de geração fotovoltaica, em que compreende os

sistemas de geração conectados à rede elétrica da concessionária de energia,

conforme os autores das literaturas científicas mostradas nos Quadros 1 e 2

29

(GARCIA-VALVERDE et al. 2009; TRAVERSO et al. 2012; WILLERS; VALDIVIA et

al., 2013; BECALLI et al. 2014 e YANG et al. 2015).

Quadro 1 - Análise das publicações sobre a avaliação do ciclo de vida dos sistemas degeração fotovoltaica conectado à rede.

Autores Assunto abordado no periódico

Periódico/Congresso Ano

PALZ e ZIBETTA Payback de energia para módulos FV`s

International Journal of Sustainable Energy

1991

SCHAEFER et al Características ambientaiscorrelacionadas com a geração de energia FV

Renewable Energy 1992

WILSON e YOUNG

Payback de energia para instalação FV`s Integrada a arquitetura predial

Bullding and Environment 1996

KATO et al. Payback de energia e o ciclo de vida das emissões de CO2 dos módulos de silício em sistemas FV`s residenciais

Progress in Photovoltaics Research and Applications

1998

ALSEMA et al. Payback de energia em sistemas FV`s de geração distribuída: o estado da arte e as perspectivas para o futuro

2nd World Conference onPhotovoltaic Solar EnergyConversion

1998

DONES e FRISCHKNECHT

Avaliação do ciclo de vida dos sistemas FV`s: resultados de estudos nas cadeias de energiada suíça

Progress in Photovoltaics Research and Applications

1998

KNAPP e JESTER

Investigação empírica do payback de energia para módulos FV`s

Solar Energy 2001

MEIJER et al. Avaliação do ciclo de vida dos módulos fotovoltaicos: Comparação dos módulos FV (monoc-Si),(InGaP) e (InGaPmulticr-Si)

Progress in Photovoltaics: Research and Applications

2003

30

JAHN e NASSE Desempenho operacional de sistemasFV`s conectados à rede elétrica em edifícios na Alemanha

Progress in Photovoltaics: Research and Applications

2004

JUNGBLUTHAvaliação do ciclo de vida com o uso do banco de dados (ecoinvent) dos módulosFV`s cristalino

2005

ALSEMA et al. Impactos ambientais na produção de módulos FV`s por meio do silício cristalino

Proceedings of Materiais Research Society Fall Meeting

2005

KORONEOS etal.

ACV de sistemas FV`s de silício multicristalino: a situação presente e perspectivas futuras

International Journal of LifeCycle Assessment

2006(a)

KORONEOS etal.

ACV de sistemas FV`s de silício multicristalino: aplicações em ilhas de economia

International Journal of LifeCycle Assessment

2006(b)

KANNAN et al. Estudo da avaliação do ciclo de vida de sistemas FV`s de 2,7 kWp para geração distribuída em Singapura

Solar Energy 2006

NAWAZ e TIWARI

Análise de Energia incorporada em Macro eMicro Sistemas FV`s

Energy Policy 2006

FTHENAKIS e ALSEMA

Payback de energia dos sistemas FV`s e a avaliação ambiental do ciclo de vida pela emissão de gases deefeito estufa

Progress in Photovoltaics: Application and Research

2006

STOPPATO Avaliação do ciclo de vida da geração de eletricidade FV

Energy 2008

31

WILD- SCHOLTEN

Payback de energia para módulos e sistemas FV`s

Workshop Photovoltaik- Modultechnik Koin

2009

Fonte: autores de periódicos científicos, conforme Qualis Capes Plataforma Sucupira.

Quadro 2 - Análise das publicações sobre ACV e AACV referente a sistemas de geraçãofotovoltaica autônomos e conectados à rede, para os anos de 2009 (a) e (b) a 2015

Autores Assunto abordado no periódico

Periódico/Congresso Ano

ALSEMA et al Diretrizes metodológicas sobre a avaliação do ciclo de vida sobre a eletricidade gerada por sistemas FV`s

IEA PVPS Task 12,Subtask 20, LCA Report

2009(a)

FTHENAKIS et al. Diretrizes metodológicas sobre a avaliação do ciclo de vida sobre a eletricidade gerada por sistemas FV`s

2nd ed, IEA PVPS Task 12

2009(b)

GARCÍA-VALVERDE et al.

Avaliação do ciclo de vida de um sistema autônomo de geração FVde 4,2 kWp

Solar Energy 2009

KALDELLIS et al Análise do payback de energia dos sistemas autônomos de geração FV

Renewable Energy 2010

SHERWANI et al Avaliação do ciclo de vida de sistemas autônomos de geração FV`s: uma revisão de literatura

Renewable and Sustainable Energy Reviews

2010

FTHENAKIS e KIM Análise do ciclo de vida dos Sistemas FV`s

Solar Energy 2011

FTHENAKIS et al Avaliação do ciclo de vida e o inventário do ciclo de vida dos Sistemas FV`s

International EnergyAgency (IEA) PVPS Task12

2011

32

SUMPER et al. Avaliação do ciclo de vida de um sistema FV na Catalunha (Espanha)


2011

DUFO-LÓPEZ etal

Avaliação Tecno- econômico de um sistema FV de geração, com acesso a eletricidade e

Applied Energy 2012

equipamentos elétricos para cocção de alimentos em área rurais de países em desenvolvimento

TRAVERSO et al. A avaliação de sustentabilidade do ciclo de vida: na implementação dos Módulos FV`s

International Journal of Life Cycle Assessment

2012

PENG et al. Revisões de literatura sobre a avaliação do ciclo de vida: payback deenergia e emissão de gases de efeito estufa desistema FV`s


2013

TURCONI et al. Avaliação do ciclo de vida das tecnologias de geração de eletricidade: Visão geral, comparabilidade e limitações


2013

BECALLI et al. Avaliação de desempenho do ciclo de vida de pequenos sistemas solares térmicos de refrigeração,assistidas por plantas convencionais de geração FV

Solar Energy 2014

33

YANG et al. Avaliação do ciclo de vida do silício multicristalino para módulos FV`s na China, considerando o comérciointernacional

Journal of Cleaner Production

2015

Fonte: autores de periódicos científicos, conforme Qualis Capes Plataforma Sucupira.

A avaliação do ciclo de vida, é realizada a partir do cálculo do Energy Pay-

Back Time (EPBT), envolvendo a energia requerida no processo de manufatura dos

componentes eletroeletrônicos fornecida pela base de dados do fabricante, sendo

aderente de acordo com os autores dos periódicos, mostrados pelos Quadros 1 e 2,

com destaque para Fthenakis e Alsema (2006); Stoppato (2008); Wild-Scholten

(2009); García-Valverde et al. (2009); Kaldellis et al. (2010); Sumper et al. (2011);

Peng et al. (2013); Traverso et al.(2012); Becalli et al.(2014) e Yang et al.(2015).

Estes autores ponderam o conjunto de componentes eletroeletrônicos utilizados no

sistema de geração fotovoltaica, compostos por módulos FV’s, inversores

bidirecionais, estruturas metálicas e acessórios utilizados para a montagem dos

módulos FV’s, cabos elétricos de força e dados dos sistemas de gerenciamento da

qualidade de energia, além do banco de baterias e controlador de carga e inversor

para geração autônoma, em se tratando de sistemas conectados à rede e isolados

instalados em comunidades isoladas e/ou remotas.

A avaliação do impacto ambiental do ciclo de vida dos sistemas fotovoltaicos

enfocou:

a) A emissão dos gases de efeito estufa por CO2 para a fase de construção e

descomissionamento.

O inventário do ciclo de vida determina o balanço de massa e energia e as

suas relações de causa-efeito para os diferentes problemas ambientais, tais como o

potencial de aquecimento global, acidificação do solo, destruição da camada de

ozônio, ecotoxidade e outros condicionantes de impacto ambiental; mas nesta

pesquisa delimitamos a abordagem dos impactos ambientais da avaliação do ciclo

de vida, na análise das taxas de emissões dos gases de efeito estufa por CO2,

como emissão gasosa contribuinte para o potencial de aquecimento global

34

(FTHENAKIS; ALSEMA, 2006; STOPPATO, 2008; GARCÍA-VALVERDE et al. (2009);

TRAVERSO et al. 2012).

A descrição do inventário do ciclo de vida contabiliza os balanços de massa e

de energia, para entrada de matérias-primas. Com relação ao balanço de energia é

incluída o mix de energéticos utilizados como o carvão mineral, óleo diesel, GN e

energia elétrica, assim como a energia requerida para o processo de manufatura dos

componentes eletroeletrônicos do sistema de geração fotovoltaica, composta pelos

módulos fotovoltaicos e o inversor bidirecional conectado à rede elétrica da

concessionária.

O cálculo do payback de energia demonstrado pela (Equação 1), é utilizado

para o sistema fotovoltaico de uma residência Solar Home System de 2,6 kWp

conectado à rede no município de Cacoal – RO e para a planta industrial de 500

kWp em Pimenta Bueno - RO, em que apenas a residência possui o

gerenciador de energia sunny portal em plena operação com o banco de

dados da medição da energia elétrica produzida anualmente para o ano de

2017 e dando continuidade na progressão das medições com o registro no

banco de dados para o ano de 2018, pois a indústria de manufatura de

refrigerantes e envase de água mineral com a potência instalada de 500 kWp

ainda não esta em fase de operação quanto a geração e gerenciamento de

medição e armazenamento de dados da produção anual de energia elétrica,

de acordo com a razão (EEMB, el / EUSE, el). Em que a aplicação desta

metodologia para o Cálculo do EPBT é aderente para a realidade do município de

Cacoal e Pimenta Bueno no Estado de Rondônia, considerando o ganho de

irradiação solar para a baixa e a alta estação de pluviométrica, em que contribui

significativamente para a geração FV conectado à rede, conforme a Equação 1.

Eq. (1)

Assim, a equação 1 considera a energia térmica incorporada (EEMB), por

meio da conversão de eficiência termelétrica considerando ɳth-el ≈ 35%, sendo

resultante na energia elétrica equivalente para o sistema fotovoltaico representado

pelo termo componente da equação (EEMB, el) tendo como unidade o (MWhel) e

35

consequentemente para efeito de cálculo converte-se para (kWhel). Dessa forma, o

termo (EPBT) é a razão entre (EEMB, el / EUSE, el), ou seja o EEMB, el

corresponde a energia incorporada no processo de manufatura dos módulos

fotovoltaicos e do balanço do sistema (Balance of System - BOS) que inclui os

componentes eletroeletrônicos como o inversor solar bidirecional, cabos elétricos e

suporte e estruturas metálicas e o EUSE, el, representa a eletricidade gerada

anualmente pela instalação fotovoltaica caso o sistema de geração possua um

software aplicativo de gerenciamento de energia em operação como o sunny portal,

proporcionando a utilização de valores de geração medidos e armazenados na

forma de banco de dados.

E caso o sistema de geração fotovoltaica não esteja em operação com a

presença de um gerenciador de energia em condições de executar e a armazenar os

parâmetros anual de produção de eletricidade da usina, pela mesma estar em fase

de construção / instalação opta-se pelo o uso da Eq. 2, a partir da expressão (

EUSE , pr=PRHi PSTC

GSTC), para se estimar o tempo por meio do payback de energia.

Dessa forma, a partir da Eq. 2 é possível estima-se a eletricidade que será

gerada anualmente pelo sistema fotovoltaico conectado à rede usado para calcular o

tempo de payback de energia do sistema de geração fotovoltaico conectado à rede,

aplicado no município de Cacoal em uma residência do tipo Solar Home System de

2,6 kWp conectado à rede elétrica da concessionária Eletrobrás de Cacoal – RO e

para uma indústria de manufatura de refrigerantes e envase de água mineral com

uma planta de geração com potência instalada de 500 kWp, em fase final de

implementação das instalações elétricas de cabeamento para a conexão no

barramento de baixa tensão, em uma voltagem trifásica de 220 V / 60 Hz, conforme

a metodologia elaborada por García-Valverde et al. (2009); Peng et al. (2013) e

Becalli et al. (2014), Yang et al. e Miki (2015) para sistemas de geração fotovoltaica

conectado à rede elétrica da concessionária.

O segundo método utilizado para o cálculo do payback de energia ponderou a

produção anual de energia elétrica pelo uso da equação (2) e (1), sendo (EPBT)

EEMB, el / EUSE, pr, com o uso das especificações técnicas do fabricante dos

36

módulos fotovoltaicos e os inversores bidirecionais para sistemas de geração

conectado à rede.

Eq. (2)O termo Hi corresponde ao ganho de irradiação solar anual recomendada

pelo atlas de energia solar 2017 com o uso indicado para a geração fotovoltaica,

GSTC é a irradiância na condição padrão de teste (1,00 kW/m2) e PSTC

corresponde a potência nominal do gerador fotovoltaico, ponderando o máximo

ponto de potência para voltagem (Vmpp) e amperagem (Impp), em que (STC -

Standard Test Conditions) representa condições padrões de teste, ou seja

corresponde ao produtório do número total de módulos, Vmpp: máximo ponto de

tensão, Impp: máximo ponto de corrente. A produção anual de energia elétrica

(EUSE,pr) é determinada pelo fator de desempenho (Performance Ratio - PR), em

que é usualmente menor para os sistemas fotovoltaicos conectados à rede elétrica,

destinados a residência do tipo Solar Home System, devido à inexistência do banco

de baterias e os controladores de carga, mesmo incluindo na contabilização o

inversor solar bidirecional, suportes e estruturas metálicas de montagem dos

módulos fotovoltaicos, cabos elétricos de força e controle para os sistemas

fotovoltaicos conectados à rede elétrica da concessionária como ocorre no estudo

de caso no município de Cacoal-RO e para uma indústria com uma potência de

geração instalada em 500 kWp, destinada a manufatura de refrigerantes e envase

de água mineral localizada na cidade de Pimenta Bueno - RO.

O método de cálculo pela estimativa de produção anual da eletricidade

(EUSE,pr) para o sistema fotovoltaico, ocorre a partir de um valor atribuído ao fator

de desempenho PR, apresentado pela equação (2) sobre a (EUSE, pr), para a

geração fotovoltaica de 2,6 kWp na modalidade conectado à rede elétrica em Cacoal

– RO e em uma indústria com uma potência de geração instalada em 500 kWp,

destinada a manufatura de refrigerantes e envase de água mineral localizada na

cidade de Pimenta Bueno - RO.

O gerenciador de energia fotovoltaica encontra-se em operação somente para

a residência Solar Home System, pois a indústria de Pimenta Bueno – RO, ainda

encontra-se em fase final de instalação dos sistemas de geração, proporciona

37

medições da energia produzida no sistema de geração fotovoltaica por meio do

gerenciador de energia Sunny Portal User instalada na residência Solar Home

System em Cacoal - RO, com o envio dos parâmetros de geração, mediada por um

software computacional chamado Sunny Portal User, permitindo o monitoramento

direto da energia solar gerada diariamente, mensalmente e anualmente, assim como

a eletricidade em CA fornecida à carga, o que permite determinar o melhor fator de

desempenho médio PR a ser usado, conforme 0,77b, adequado para as instalações

fotovoltaicas conectadas à rede elétrica da concessionária (GARCÍA-VALVERDE et

al., 2009; NREL, 2015b; YANG et al. e MIKI, (2015).

3.1 Avaliação de impacto ambiental da ACV para emissões de CO2 do sistema

FV conectado à rede no município de Cacoal-RO e para a planta industrial de

manufatura em refrigerante e envase de água mineral em Pimenta Bueno – RO

A avaliação de impacto ambiental do ciclo de vida é realizada a partir da

análise dos GEE pela taxa de emissão de CO2, proposta pela comparação com

outros sistemas de geração de energia elétrica, como a equivalência termoelétrica

adotada mesmo para a geração hidroelétrica pelo acréscimo da geração térmica por

grupos geradores diesel elétrico, adotado pelas concessionárias de energia no

cenário nacional e pelas empresas que atuam regionalmente como a Eletrobrás

Cacoal e Pimenta Bueno - RO. A avaliação pode ser realizada através de outras

fontes renováveis com baixa emissão de CO2, a exemplo dos sistemas fotovoltaicos

conectados à rede, que não contribuem para o aumento do potencial de

aquecimento global, pela emissão de CO2 na fase de operação da mini usina FV

instalada na residência, sendo uma opção mais adequada para o município de

Cacoal-RO, recomendadas por García- Valverde et al. (2009); Peng et al. (2013);

Becalli et al. (2014); Miki (2015). O cálculo para as taxas de emissões em CO2 foi

adequado para sistemas fotovoltaicos residenciais, na modalidade de microgeração

conectados à rede no município de Cacoal - RO, com uma potência instalada de

geração de 2,6 kWp em uma residência do tipo Solar Home System e em uma

indústria de manufatura de refrigerantes e envase de água mineral, com uma

potência instalada de 500 kWp, no município de Pimenta Bueno - RO, comparando

os resultados obtidos com os sistemas de geração na fotovoltaica de outras

localidades do continente, comunidades isoladas do Estado do Amazonas, pela

38

aplicação da Equação 3, de acordo com García-Valverde et al. (2009); Peng et al.

(2013); Becalli et al. (2014); Miki (2015).

Eq. (3)

Em que o GHGe-rate corresponde a taxa de emissão dos GEE por CO2,

através da eletricidade gerada pelos sistemas fotovoltaicos, representada em (kg

CO2- eq./kWh); GEEe-total corresponde a quantidade total de emissões por GEE

em todo o ciclo de vida discriminada em (kg CO2-eq.); ELCA-output é a energia

elétrica total gerada pelo sistema fotovoltaico durante o seu ciclo de utilização,

estimado em horizonte de tempo de 20 anos livre de emissões de CO2 em (kWh).

A terminologia GHGpv corresponde às emissões totais dos GEE referente ao

balanço de massa para as emissões de CO2, para os módulos fotovoltaicos;

GHGBoS caracteriza o balanço de massa para as emissões de CO2, incluindo todos

os componentes eletroeletrônicos, como inversor bidirecional, cabos elétricos,

suportes e estruturas metálicas para a montagem dos arranjos fotovoltaicos.

As considerações finais da estrutura conceitual-teórica da ACV para o sistema

fotovoltaico conectado à rede no município de Cacoal, proporciona a identificação do

potencial de redução dos impactos ambientais negativos pela aplicação do método

proposto por García-Valverde et al. (2009); Peng et al. (2013); Miki (2015), sobre o

meio ambiente pela redução das taxas de emissão de CO2, em conformidade com

as recomendações (UNEP/SETAC, 2009; 2011; 2013; MIKI, 2015).

Na presente pesquisa, a metodologia da ACV foi usada para avaliar e

comparar os benefícios do sistema fotovoltaico, pelas necessidades de demanda por

eletricidade no município de Cacoal - RO pelo consumidor residencial urbano com

uma potência instalada de 2,6 kWp e por uma indústria de manufatura de

refrigerantes e envase de água, com uma planta de geração de 500 kWp no

município de Pimenta Bueno - RO, na modalidade de microgeração e minigeração

distribuída, conforme a Resolução 687/2015 compondo uma central geradora de

energia elétrica, com potência instalada menor ou igual a 75 kW, pela redução no

consumo de combustíveis fósseis destinados a geração termelétrica (UNEP/SETAC,

2009; 2011; 2013; MIKI, 2015; ANEEL, 2015).

39

4 RESULTADOS E DISCUSSÕES

A pertinência do ganho de irradiação solar no plano horizontal para a geração

fotovoltaica conectado à rede para as plantas de geração de 2,6 kWp e 500 kWp de

Cacoal e Pimenta Bueno – RO é demonstrado pelo acesso ao aplicativo on line do

CRESESB SUN DATA, por meio do Centro de Referência para as Energias Solar e

Eólica Sérgio de Salvo de Brito, em que proporcionou a coleta de dados realizadas

para a pesquisa conforme o monitoramento via satélite no município de Cacoal - RO

e Pimenta Bueno - RO, para as três distâncias georeferenciadas pelo satélite,

primeiro para uma latitude de 11, 4° voltadas para ao sul, e 61, 449° ao oeste com

uma distância de 4,3 Km do satélite até a coordenada de medição. O Gráfico 1

corresponde a progressão dos 12 meses para o ganho de irradiação solar diária

média, com a unidade de medição da irradiância solar no plano horizontal em:

[kWh/m2.dia] em Cacoal/RO, sendo para o mês de janeiro 4,34; fevereiro 4,36;

março 4,48; abril 4,52; maio 4,14, junho 4,39; julho 4,54; agosto 4,96; setembro 4,92;

outubro 5,11; novembro 4,97 de dezembro 4,74.

Gráfico 1 - Irradiação solar plano horizontal em Cacoal-RO

Fonte: adaptado CRESESB, 2018.

O Gráfico 2 corresponde a segunda medição que foi realizada com uma

latitude de 11,501° voltadas para o sul, e 61,449° ao oeste com uma distância de 6,9

Km do satélite até a coordenada de medição. A segunda medição demonstra a

progressão dos 12 meses para o ganho de irradiação solar diária média, com a

unidade de medição da irradiância solar no plano horizontal em [kWh/m2.dia] em

Cacoal/RO, sendo para o mês de janeiro 4,39; fevereiro 4,39; março 4,50; abril 4,51;

40

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez4

4,24,44,64,8

55,25,4

4,34 4,364,48 4,52

4,14

4,394,54

4,96 4,925,11

4,97

4,74

Irradiação solar no plano horizontal para localidades próximas

Irrad

iaçã

o (K

Wh/

m2.

dia

maio 4,16; junho 4,40; julho 4,52; agosto 4,96; setembro 4,90; outubro 5,11;

novembro 4,98 e dezembro 4,75.

Gráfico 2 - Irradiação solar plano horizontal em Cacoal-ROFonte: adaptado CRESESB, 2018.

No Gráfico 3 corresponde a terceira medição onde a latitude foi de 11,4°

voltadas para o sul, e 61,349° ao oeste com uma distância de 11,5 Km do satélite

até a coordenada de medição. A terceira medição demonstra a progressão dos 12

meses para o ganho de irradiação solar diária média, com a unidade de medição da

irradiância solar no plano horizontal em [kWh/m2.dia] em Cacoal/RO, sendo para o

mês de janeiro 4,42; fevereiro 4,40; março 4,45; abril 4,51; maio 4,17; junho 4,41;

julho 4,54; agosto 4,99; setembro 4,94; outubro 5,11; novembro 4,98 e dezembro

4,76.

41

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez4,00

4,20

4,40

4,60

4,80

5,00

5,20

4,39 4,394,50 4,51

4,16

4,404,52

4,964,90

5,11

4,98

4,75


Irrad

iaçã

o (K

Wh/

m2.

dia)

Gráfico 3 - Irradiação solar plano horizontal em Cacoal-RO

Fonte: adaptado CRESESB, 2018.

As análises das medições do ganho de irradiação solar monitorado via satélite

também foram utilizadas para o município de Pimenta Bueno - RO, pois neste

estudo corroborou para discutir os dados a respeito da instalação de placas

fotovoltaicas numa indústria de manufatura de refrigerantes e envase de água

mineral, com uma potência instalada de 500 kWp, situada neste município, o projeto

ainda está em fase final de implementação, mesmo assim identificamos a

pertinência desta discussão, já que são essenciais para o cálculo do EPBT e a

determinação das Taxas de Emissões, por CO2.

A partir do acesso ao portal CRESESB foi monitorada as três distâncias

georreferenciadas pelo satélite, primeiro para uma latitude de 11, 701° voltadas para

ao sul, e 61, 149° ao oeste com uma distância de 5,8 Km do satélite até a

coordenada de medição. O Gráfico 4 corresponde a progressão dos 12 meses para

o ganho de irradiação solar diária média, com a unidade de medição da irradiância

solar no plano horizontal em [kWh/m2.dia] em Pimenta Bueno/RO, sendo para o mês

de janeiro 4,43 kWh/m2.dia; fevereiro 4,41; março 4,55; abril 4,51; maio 4,19, junho

4,40; julho 4,55; agosto 5,00; setembro 4,89; outubro 5,09; novembro 4,98 de

dezembro 4,82.

42

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez4,00

4,20

4,40

4,60

4,80

5,00

5,20

4,42 4,40 4,454,51

4,17

4,414,54

4,99 4,94

5,114,98

4,76

Irradiação solar no plano horizontal para localidades próximasIrr

adia

ção

(KW

h/m

2.di

a)

Gráfico 4 - Irradiação solar plano horizontal em Pimenta Bueno-RO.


4,2

4,4

4,6

4,8

5

5,2

5,4

4,43 4,414,55 4,51

4,19

4,44,55

54,89

5,094,98

4,82

Irradiação solar no plano horizontal para localidades próximasIrr

adia

ção

(KW

h/m

2.di

a)

Fonte: adaptado CRESESB, 2018

O Gráfico 5 corresponde a segunda medição que foi realizada com uma

latitude de 11,701° voltadas para o sul, e 61,249° ao oeste com uma distância de 6,8

km do satélite até a coordenada de medição. A segunda medição demonstra a

progressão dos 12 meses para o ganho de irradiação solar diária média, com a

unidade de medição da irradiância solar no plano horizontal em [kWh/m2.dia], para o

município de Pimenta Bueno/RO, sendo para o mês de janeiro 4,42; fevereiro 4,41;

março 4,53; abril 4,58; maio 4,23; junho 4,39; julho 4,55; agosto 4,97; setembro 4,89;

outubro 5,07; novembro 4,95 e dezembro 4,65.

Gráfico 5 - Irradiação solar plano horizontal em Pimenta Bueno-RO


4,2

4,4

4,6

4,8

5

5,2

5,4

4,42 4,414,53 4,58

4,234,39

4,55

4,974,89

5,074,95

4,65


Irrad

iaçã

o (K

Wh/

m2.

dia)


43

O Gráfico 6 corresponde a terceira medição em que a latitude foi de 11,601°

voltadas para o sul e 61,149° ao oeste com uma distância de 9,3 km do satélite até a

coordenada de medição. A terceira medição demonstra a progressão dos 12 meses

para o ganho de irradiação solar diária média, com a unidade de medição da

irradiância solar no plano horizontal em [kWh/m2.dia], para o município de Pimenta

Bueno/RO, sendo para o mês de janeiro 4,46; fevereiro 4,43; março 4,55; abril 4,50;

maio 4,17; junho 4,39; julho 4,55; agosto 5,00; setembro 4,92; outubro 5,12;

novembro 5,00 e dezembro 4,66.

Gráfico 6 - Irradiação solar plano horizontal em Pimenta Bueno-RO.


4,2

4,4

4,6

4,8

5

5,2

5,4

4,46 4,434,55 4,5

4,17

4,394,55

54,92

5,125

4,66


Irrad

iaçã

o (K

Wh/

m2.

dia)


Finalizando a análise discursiva dos resultados sobre o ganho de irradiação

para as duas localizadas do Estado de Rondônia, Cacoal e Pimenta Bueno, a

próxima discussão será sobre os parâmetros de geração do sistema fotovoltaico

conectado à rede com potência de 2,6 kWp numa residência do tipo Solar Home

System situada no município de Cacoal/RO, com gerenciamento da energia gerada

44

por meio do sunny portal e para a indústria de manufatura de refrigerantes e envase

de água mineral em fase final de instalação do sistema fotovoltaico de 500 kWp,

localizada no município de Pimenta Bueno.

A partir de dados coletados por meio do sunny portal estabelecemos a

discussão do histórico geração do sistema fotovoltaico conectado à rede com uma

potência instalada de 2,6 kWp numa residência do tipo Solar home System instalada

no município de Cacoal - RO, ao qual a analise refere-se à geração diária e mensal

entre os períodos de janeiro a dezembro de 2017.

O demonstrativo de geração do sistema fotovoltaico conectado à rede para o

mês de janeiro de 2017 representa o rendimento total de geração, nesse mês

somente será verificado o percentual de produção a partir do dia 23/01/2017, pois foi

neste dia que entrou em operação o sistema de geração fotovoltaico conectado a

rede, juntamente com controle de monitoramento do perfil de geração mensal e

anual, no entanto, os registros do histórico de geração mensal e anual revelaram

variações entre a meta programada pelo sistema sunny portal, embora não

houvesse o registro de alcance para a potência de 15 kWh/dia, em que o dia mais

significativo foi 30/01/2017 com geração de 14 kWh/dia e com isso a medição anual

correspondente ao mês de janeiro foi registrada em 90 kWh/mês. Conforme a Figura

3 e a Figura 15 da página 51.

Este sistema de medição gerenciada da produção de energia elétrica pelo

sunny portal atribui uma estimativa de geração mensal que nem sempre

corresponde a sua meta de geração, podendo ficar abaixo da meta estabelecida ou

acima da meta estabelecida.

45

Figura 3 - Rendimento mensal mês de janeiro de 2017.

Fonte: Sunny Portal, 2017.

O demonstrativo de geração do sistema fotovoltaico conectado a rede para o

mês de fevereiro de 2017 representa o rendimento total de geração, com o alcance

da meta de geração no dia 20/02/2017 em 16 kWh/dia o segundo dia mais

expressivo de geração foi no dia 03/02/2017 atingindo 14 kWh/dia. E com isso o

registro da medição anual correspondente ao mês de fevereiro resultou numa

geração de 275 kWh/mês. Conforme a Figura 4 e a Figura 15 da página 51.

Figura 4 - Rendimento mensal mês de fevereiro de 2017.

46


O demonstrativo de geração do sistema fotovoltaico conectado a rede para o

mês de março de 2017 representa o rendimento total de geração, por ultrapassar a

meta de 15 kWh/dia no dia 04/03/2017, sendo a segunda medida de maior destaque

de geração correspondente foi registrada no dia 27/03/2017, alcançando 15

kWh/dia, a partir da terceira medição destacam se valores mais expressivos para os

dias 01, 03, 21, 22, 25 e 26/03/2017 alcançando 14 kWh/dia de geração. E com isso

na representação do computo da medição anual para o mês de março resultou

numa geração de 320 kWh/mês. Conforme a Figura 5 e a Figura 15 da página 51.

Figura 5 - Rendimento mensal mês de março de 2017.


O demonstrativo de geração para o mês de abril de 2017 representa o

rendimento total de geração, contudo nesse mês houve um problema no registro de

47

geração, havendo o cadastro do histórico de geração registrado somente a partir do

dia 15/04/2017, com o destaque por ter ultrapassado a meta programada pelo sunny

portal de 14 kWh/dia nos dias 24, 25 e 29/04/2017, nos dias 26/04/2017 e

30/04/2017 atingiram exatamente 14 kWh/dia, os próximos dias com valores

considerados bons foram 16, 17, 18, 19 e 28/04/2017 com um valor aproximado de

13 kWh/dia de geração. E com isso a medição anual correspondente ao mês de abril

resultou numa geração de 180 kWh/mês. Conforme a Figura 6 abaixo e a Figura 15

da página 51.

Figura 6 - Rendimento mensal mês de abril de 2017.


O demonstrativo de geração para o mês de maio de 2017 representa o

rendimento total de geração, por ter ultrapassado a meta estabelecida pela

programação da rotina de geração do sunny portal, alcançando 13 kWh/dia nos dias

02, 04, 06, 07, 10, 11, 12, 18 e 26/05/2017, a segunda medição mais expressiva

aconteceram nos dias 05, 13 e 25/05/2017 com valor aproximado de 12 kWh/dia,

com isso a medição anual correspondente ao mês de maio resultou numa geração

de 340 kWh/mês. Conforme a Figura 7 e a Figura 15 da página 51.

48

Figura 7 - Rendimento mensal mês de maio de 2017.


O demonstrativo para o mês de junho de 2017 representa o rendimento total de

geração, com a ultrapassagem da meta que é 12 kWh/dia para os dias 03, 06, 07,

08, 09, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 e

30/06/2017 nos dias 02, 04 e 19/06/2017 a geração foi de 12 kWh/dia. Com isso a

medição anual correspondente ao mês de junho resultou numa geração de 400

kWh/mês. Conforme a Figura 8 e a Figura 15 da página 51.

Figura 8 - Rendimento mensal mês de junho de 2017.


49

O demonstrativo para o mês de julho de 2017 representa o rendimento total de

geração, em que os únicos dias que não atingiram a meta programada pelo sunny

portal foram os dias 15/06/2017 e 22/06/2017 com isso a medição anual

correspondente ao mês de julho resultou numa geração de 420 kWh/mês. Conforme

a Figura 9 e a Figura 15 da página 51.

Figura 9 - Rendimento mensal mês de julho de 2017.


O demonstrativo para o mês de agosto de 2017 representa o rendimento total

de geração, com a ultrapassagem da meta que é 14 kWh/dia nos dias 15, 19, 22, 26,

27 e 31/08/2017 nos dias 01, 02, 04, e 05 a geração foi de exatamente 14 kWh/dia a

terceira medição com valor expressivo foram os dias 03, 06, 08, 09, 16, e

28/08/2017com aproximadamente 13 kWh/dia com isso a medição anual

correspondente ao mês de agosto resultou numa geração de 380 kWh/mês.

Conforme a Figura 10 e a Figura 15 da página 51.

50

Figura 10 - Rendimento mensal mês de agosto de 2017.


O demonstrativo para o mês de setembro de 2017 representa o rendimento total

de geração, com a ultrapassagem da meta programada pelo sunny portal de 14

kWh/dia nos dias 06, 17, e 18/09/2017. E nos dias 05, 16, e 30/09/2017 a geração

foram de aproximadamente 14 kWh/dia e o terceiro valor mais expressivos foi do dia

12/09/2017 alcançando mais de 13 kWh/dia. E com isso a medição anual

correspondente ao mês de setembro resultou numa geração de 370 kWh/mês.


Figura 11 - Rendimento mensal mês de setembro de 2017.


51

O demonstrativo para o mês de outubro de 2017 representa o rendimento total

de geração, com a ultrapassagem da meta de 15 kWh/dia para os dias 02, 04, 05,

15, 19, 27 e 31/10/2017 e dos dias 01 a 16/10/2017 a geração foi de 15 kWh/dia.

Neste mês apresentou a terceira medição mais expressiva para o dia 06/10/2017

alcançando 14 kWh/dia. E com isso a medição anual correspondente ao mês de

outubro, registrada pelo sunny portal foi de 390 kWh/mês. Conforme a Figura 12 e a

Figura 15 da página 51.

Figura 12 - Rendimento mensal mês de outubro de 2017.


O demonstrativo para o mês de novembro de 2017 representa o rendimento

total de geração, com a ultrapassagem da meta programada pelo sunny portal de 15

kWh/dia no dia 27/11/2017 e para os dias 07, 12 e 23/11/2017 a geração foi de 14

kWh/dia. E com isso a medição anual correspondente ao mês de novembro resultou

numa geração de 330 kWh/mês. Conforme a Figura 13 e a Figura 15 da página 51.

52

Figura 13 - Rendimento mensal mês de novembro de 2017.


O demonstrativo para o mês de dezembro de 2017 representa o rendimento

total de geração, com a ultrapassagem da meta de 15 kWh/dia para o dia

05/12/2017 e nos dias 29 a 31/12/2017 a geração foi de 14 kWh/dia. Este mês

apresentou uma terceira medição expressiva referente aos dias 02 e 17/12/2017

alcançando o valor aproximado de 13 kWh/dia. E com isso a medição anual

correspondente ao mês de dezembro resultou numa geração de 300 kWh/mês.


Figura 14 - Rendimento mensal mês de dezembro de 2017.


53

Comparativo de geração de energia do mês de janeiro ao mês de dezembro

de 2017, a Figura 15 ilustra a geração alcançada juntamente com a geração

prevista. Conforme ilustrado o mês de junho alcançou 400 kWp/mês e julho 420

kWp/mês esses foram os meses que obtiveram maior geração durante o ano de

2017 seguido do mês de outubro 390 kWp/mês e agosto com uma geração de

380kWp/mês.

Figura 15 - Comparativo de medição acumulada mensal do ano de 2017.


A Figura 16 reproduz o rendimento anual de geração de energia no ano de

2017, conforme a projeção de geração do sunny portal em 5000 kWh/ano, contudo o

valor anual da energia elétrica gerada registrada pelo gerenciador de energia foi de

3900 kWhel/ano, vale ressaltar que a medição ocorreu a partir do dia vinte e três de

janeiro do respectivo ano de 2017. O registro da medição do mês de abril com a

falha decorrente no sistema de ilhamento do inversor bidirecional com a rede da

concessionária Eletrobrás Rondônia Energia, foram referentes do dia primeiro ao

décimo quarto dia do mês de abril de 2017. Dessa forma, no gráfico abaixo plotado

pelo programa do sunny portal incorporou todos estes déficits de geração para o ano

de 2017, no sistema de geração conectado à rede da residência do tipo Solar Home

System com a potência instalada de 2,6 kWp.

54

Figura 16 - Rendimento de geração ano de 2017.


4.1 Balanço de massa e energia incorporada para o cálculo do EPBT da

instalação fotovoltaica conectado à rede em uma residência do tipo Solar

Home System de 2,6 kWp no município de Cacoal - RO.

O Cálculo do tempo de payback de energia (energy pay-back time – EPBT) é

definido pela razão da energia incorporada, que conforme os autores da literatura

científica dos Quadros 1 ao 2 da seção 3, de acordo com a metodologia, conforme a

Equação 1, EPBT=EEMB , thȠth−el

EUSE ,el.

A partir do cálculo da energia total incorporada do sistema de geração Solar

Home System de 2,6 KWp, ou seja, incluindo todos os componentes

eletroeletrônicos como os (08) oito módulos fotovoltaicos de silício policristalinos

(Poly - Si), modelo CS6U325P da Canadian Solar, com potência nominal máxima:

325 W, tensão operacional ideal Vmpp: 37,0 V, corrente operacional ideal Impp: 8,78

A, eficiência do módulo FV em η=16,72% , massa específica do módulo: 22,4 kg

e com dimensões de: 1.960 x 992 x 40 mm.

E um inversor trifásico de 5,0 KWp, modelo Fronius IG Plus 55 V-3 da Fronius

Brasil, com as seguintes especificações elétricas: fator de potência cos ⱷ = 0,85,

eficiência máxima η=95,9% , tensão de conexão: 230/400V, frequência: 50/60 Hz,

massa especifica do inversor: 49,2 kg e com dimensões de: 1263 x 434 x 250 mm.

A Tabela 1, corresponde a energia incorporada de todos os componentes

eletroeletrônicos do sistema de geração FV de 2,6 kWp, incluindo os (08) oito

55

módulos fotovoltaicos, (01) inversor, suportes e estruturas metálicas e cabos

elétricos de força e de dados.

Tabela 1 : Balanço de massa em (kg) e energia incorporada em (MWhth) para o Cálculo doEPBT para a instalação fotovoltaica conectado à rede para uma residência do tipo Solar

Home System de 2,6 kWp.

Fonte: dados da Fronius Brasil.

A energia incorporada total de todos os componentes da planta de geração FV,

com potência instalada de 2,6 kWp, da residência Solar Home System de Cacoal

-RO, corresponde a 26,35 MWhth pelos processos empregados na transformação e

elaboração de materiais semicondutores, utilizarem rota tecnológica metalúrgica e

são energointensiva em energia térmica e de acordo com García-Valverde et al.;

NREL e Miki, (2009; 2015), recomenda-se o uso do fator de conversão da eficiência

termoelétrica em Ƞth−el em 35%, de acordo com a Tabela 1 acima, em que a

Energia Incorporada Total para os componentes Eletroeletrônicos da residência do

tipo Solar Home System com uma potência instalada de 2,6 kWp, com um inversor

trifásico de 5,00 kW, com uma tensão elétrica de saída para a conexão para a rede

da concessionária em baixa tensão de 220 Volts e fator de potência de cos ⱷ = 0,85.

Todos os valores contidos na Tabela 1, foram calculados conforme as

recomendações da literatura científica pelos autores referenciados na seção 3 da

metodologia, por meio dos Quadro 1 e 2 e pela NREL (2018).

Dessa forma, consideramos a energia incorporada total dos componentes

eletroeletrônicos sendo 26,35 MWhth. E para efeito de cálculo do EPBT (Energy

Payback Time), consideramos a (Eq.1) a baixo, em que convertemos em (kWhth)

obtendo 26.350 kWhth e, por meio da conversão termoelétrica de eficiência de 35%

obtemos 9.222,50 kWhel e a produção anual de energia elétrica estimada pela

literatura científica tomando como base uma planta de geração de 4,2 kWp para a

56

Componentes eletroeletrônicos Massa (kg) Energia incorporada (MWhth)

Módulo FV 179

,00 22,27

Inversor 5KW-3F 49

,20 1,66

Suporte de estrutura 277

,00 1,58

Cabos elétricos 27

,26 0,84

Total 532,46 26,35

residência Solar Home System de 2,6 kWp no município de Cacoal –RO, sendo

estimado como EUSE,el = 3.112, 72 kWhel/ano, obtendo o EPBT(1) de 2,96 anos. E pela

substituição da Equação 2 na Equação 1 obtemos o EPBT(2) de 2,70 anos e com o

uso do valor medido e registrado pelo gerenciador de energia do sunny portal, temos

EUSE,el,md = 3.900 kWhel/ano, obtendo o EPBT(3) de 2,36 anos.

EPBT(1)=EEMB ,thȠth−el

EUSE , el =

9.222,50 kWhel3.112, 72kWhel /ano

= 2,96 anos.

(Eq. 1);

Considerando a Eq. 2, para obter EPBT(2), temos EUSE=PRHi PSTC

GSTC para a

Geração Anual de Eletricidade estimada pela instalação da residência Solar Home

System de 2,6 kWp no município de Cacoal –RO. Abaixo representamos os termos

da (Eq. 2) e os valores numéricos correspondentes, conforme o Laboratório Nacional

de Energia Renovável (National Renewable Energy Laboratory - NREL), foram

calculados conforme as recomendações da literatura científica de García-Valverde et

al.; NREL e Miki, (2009; 2015).

PR=0,77 (National Renewable Energy Laboratory – NREL);

ConformeHi=1701 kW h /m2/ano−1

¿ Atlasde EnergiaSolar ,2017 ¿ ;

Vmpp: 37,00 Volts (CS6U325P - Canadian Solar Data Sheet);

Impp: 8,78 Amperes (CS6U325P - Canadian Solar Data Sheet);

PSTC = No. Total de Módulos x Vmpp x Impp = 8 x 37,0 x 8,78 = 2.599 W ≈ 2.600 W

ou 2,6 kW;

GSTC= 1.000 W/m2 ou 1,0 kW/m2 (Baixa irradiação para a Condição Padrão de Teste,

MA: Massa de Ar: 1,5 a 25oC).

EUSE , pr=PRHi PSTC

GSTC =

3.405,40201

= 3.405,402 kWh/ano-1

Para o cálculo do EPBT com o uso da Eq. 2, substitui-se a Eq. 2 na Eq. 1 é

obtemos:

57

EPBT(2)=EEMB ,thȠth−el

EUSE , pr =

9.222,503.405,402

= 2,70 anos.

O cálculo do EPBT, considerando o valor medido de pelo gerenciador de energia

do sunny portal EUSE,el,md = 3.900 kWhel/ano, substituindo diretamente na Equação 1.

EPBT (3)=EEMB ,thȠth−el

EUSE , el ,md =

9.222,503.900

= 2,36 anos.

Na seção 4.2 tratará do impacto ambiental da avaliação do ciclo de vida, a partir

das taxas de emissões de CO2, considerando a fase de construção até o

descomissionamento dos sistemas de geração fotovoltaica de uma planta de

geração de 2,6 kWp, em uma residência Solar Home System instalada no município

de Cacoal - RO e em uma indústria de manufatura de refrigerantes e envase de

água mineral, com potência instalada de 500 kWp, no município de Pimenta Bueno –

RO.

4.2 Avaliação do Ciclo de Vida – Impacto Ambiental - Cálculo das Taxa de

Emissões de Gases de Efeito Estufa, por CO2

O impacto ambiental da avaliação do ciclo de vida, tem a função de determinar

as taxas de emissão dos gases de efeito CO2, incorporados nos componentes

eletroeletrônicos (módulos fotovoltaicos e pelo BOS - Balance of System – Balanço

do Sistema aos demais componentes como inversor e cabos elétricos e os

acessórios do sistema de geração fotovoltaica como estruturas e suportes metálicos

incluindo parafusos, porcas, arruelas, arruelas de pressão, abraçadeiras de aço

zincado, em uma residência do tipo solar home system de 2,6 KWp em (Kg),

conforme a Eq. 03, para os dados enunciados na Tabela 2.

Em que, GHGe-rate é a taxa de emissão dos GEE por CO2, pela energia

elétrica gerada por sistema FV (em kg CO2-eq./kWh); GEEe-total é a quantidade

total de emissões de GEE em todo o ciclo de vida em (kg CO2-eq.); ELCA-output é

a energia elétrica total gerada pelo sistema FV durante seu ciclo de vida, estimado

em 20 anos (em kg CO2-eq./kWh), conforme a literatura cientifica dispostas nos

Quadros 1 e 2 na seção 3 da metodologia.

O termo GHGpv corresponde às emissões totais de GEE em relação ao

balanço de massa para as emissões de CO2, referente aos módulos FV; GHGBoS

representa o balanço de massa para as emissões de CO2, incluindo todos os

58

componentes eletroeletrônicos, como controlador de carga, banco de baterias,

inversor, cabos elétricos, suportes e estruturas metálicas para a montagem dos

arranjos FV’s, conforme a literatura cientifica dispostas nos Quadros 1 e 2 na seção

3 da metodologia.

GHGPV+GHGBOS∗¿

ELCA−output

GHGe−rate=GHGe−Total

ELCA−output

=¿

Eq. 3

Todos os valores contidos na Tabela 2, foram calculados conforme as

recomendações da literatura científica pelos autores referenciados na seção 3 da

metodologia, por meio dos Quadro 1 e 2 e pela NREL (2018).

Tabela 2 - Massa especifica dos componentes eletroeletrônicos (Módulos FVe BOS)Componentes Eletroeletrônicos deInstalação

Fase de construção (Kg)

Fase de descomissionamento (Kg)

Total(Kg)

Moldura de Alumínio 363,30 27,30 390,60

Moldura FV 3220,33 ─3220,3

3Inversor 48,71 ─ 48,71Suporte e Estruturas Metálicas 240,62 158,16 398,78Cabos elétricos 133,37 108,66 242,03

Total 4006,33 294,124300,4

5


Considerando a Eq. 3, substituímos a Eq.2 no denominador sendo ELCA –

output, para obter GHGe−rate , temos GHGe−rate=PRHi .PSTC .20

GSTC para a geração

de eletricidade estimada com 20 anos de emissões CO2 evitadas pela instalação da

residência Solar Home System de 2,6 kWp no município de Cacoal –RO. Sendo os

componentes da Eq. 2, o termo (PR): corresponde ao Fator de Desempenho

(Performance Ratio); (Hi): corresponde ao ganho de irradiação solar anual

recomendada pelo atlas de energia solar 2017, com o uso indicado para a geração

fotovoltaica; (GSTC): é a irradiância na condição padrão de teste (1,00 kW/m2) e

(PSTC): corresponde a potência nominal do gerador fotovoltaico, ponderando o

máximo ponto de potência para voltagem (Vmpp) e amperagem (Impp), em que

(STC - Standard Test Conditions) representa condições padrões de teste, ou seja

59

corresponde ao produtório do número total de módulos, Vmpp: máximo ponto de

tensão, Impp: máximo ponto de corrente e (GEEE): corresponde a 20 anos de

emissões evitadas de CO2 pela geração de energia elétrica pelo sistema fotovoltaico.

De acordo com, na literatura cientifica com 20 anos de tempo médio de vida para os

módulos. Abaixo representamos os termos da (Eq. 3) e os valores numéricos

correspondentes, conforme o Laboratório Nacional de Energia Renovável (National

Renewable Energy Laboratory - NREL), foram calculados conforme as

recomendações da literatura científica de García-Valverde et al.; Miki e NREL, (2009;

2015; 2018).

4.3 Cálculo da taxa de emissão de CO2 em (kgCO2 – eq./kWh) para a residência

Solar Home System de 2,6 kWp em Cacoal – RO.

GHGPV+GHGBOS∗¿

ELCA−output


ELCA−output

=¿

( 3.220,33 kg+363,30 kg+27,30 kg¿+(48,71 kg+398,78 kg+242,03 kg)

GHGe−Total=(3.610,93 kg )+(689,52 kg)=4.300,45kg

ELCA−output=PRHi .PSTC .GEEE

GSTC

PR=0,77 (NREL)

Hi=1.701 kWh /m2/ano →Atlasde Energia Solar 2017

GSTC=1.000W /m2=1,0 kW /m2 - (Baixa irradiação para a Condição Padrão de

Teste, MA: Massa de Ar: 1,5 a 25oC).

PSTC=N ° .Total .Mod .×Vmpp×Impp=8,00×37,0(V )×8,78(A)=2.598,880W

GEEE=20 anos (Geração de Eletricidade comEmissão Evitadas por 20anos )→Tempode vidaestimado em20 anos .

ELCA−output=EUSE=PR×Hi× PSTC×20

GSTC

0,77×1.701×2,6×(20)1,0

=68108,04 kWh/ano

0,063141591 kgCO2−eq ./kWh→63,14 gCO2−eq/kWh

60

GHGe−rate=4300,45 (kgCO2)

68108,04 kWh /ano=0,063141591 kgCO2−eq /kWh , donde

GHGe−rate=0,063 kgCO2−eq/kWh

Dessa forma, obtemos a taxa de emissão de CO2 considerado o balanço de

massa da taxa de emissão dos GEE por CO2, pela energia elétrica gerada por

sistema FV no horizonte de 20 anos de emissões evitadas em (0,063 kgCO2-

eq./kWh); com EPBT (Energy Payback Time) estimado com o uso da Eq. 1 e Eq. 2

em (2,96 anos e 2,70 anos) e o EPBT medido pelo gerenciador de energia do sunny

portal é de (2,36 anos), para uma planta de geração de 2,6 kWp para a residência

Solar Home System no município de Cacoal –RO.

4.4 Balanço de massa e energia incorporada para o cálculo do EPBT da

instalação fotovoltaica conectado à rede em uma indústria de manufatura de

refrigerante e envase de água, com potência instalada de 500 kWp no

município de Pimenta Bueno - RO.

O cálculo do tempo de payback de energia (energy pay-back time – EPBT) é

definido pela razão da energia incorporada, que conforme os autores da literatura

científica dos Quadros 1 e 2 da seção 3, de acordo com a metodologia, conforme a

Equação 1, sendo: EPBT=EEMB , thȠth−el

EUSE ,el, para uma indústria de manufatura de

refrigerante e envase de água, com potência instalada de 500 kWp no município de

Pimenta Bueno – RO.

A partir do cálculo da energia total incorporada do sistema de geração FV, com

potência instalada de 500 kWp, ou seja, incluindo todos os componentes

eletroeletrônicos como os (1.540) hum mil e quinhentos e quarenta módulos

fotovoltaicos de silício policristalinos (Poly - Si), modelo CS6U325P da Canadian

Solar, com potência nominal máxima: 325 W, tensão operacional ideal Vmpp: 37,0 V,

corrente operacional ideal Impp: 8,78 A, eficiência do módulo FV em η=16,72% ,

massa específica do módulo: 22,4 kg e com dimensões de: 1.960 x 992 x 40 mm.

Com (05) cinco inversores trifásicos de 100,0 kWp, totalizando 500 kWp,

conformo o modelo FRONIUS AGILO 100.0-3, fabricado pela Fronius Brasil, com as

seguintes especificações elétricas: com range de ajuste do fator de potência em

cos ⱷ = 0,80 a 1,00, grau de eficiência máxima η=97,2% , com range da tensão

61

de conexão: 3 F + NPE 230 a 400V, com range de frequência ajustável de: 45 a 65

Hz, calibrado em 60 Hz, massa especifica do inversor: 834 kg e com dimensões de:

1.800 x 1.100 x 700 mm.

Todos os valores contidos na Tabela 3, para o cálculo do EPBT foram

calculados, conforme as recomendações da literatura científica pelos autores

referenciados na seção 3 da metodologia, por meio dos Quadro 1 e 2 e pela NREL

(2018).

Tabela 3 - Cálculo do EPBT para instalação fotovoltaica conectado à rede para uma indústriade manufatura de refrigerante e envase de água mineral, com uma potência instalada de 500

kWp, no município de Pimenta Bueno - RO.


O cálculo do EPBT considerou a energia incorporada, por meio da conversão da

eficiência termoelétrica ɳth-el ≈35%, para energia incorporada correspondente ao

equivalente elétrico em (MWhel), para uma instalação FV industrial com uma

potência instalada de 500 kWp, tem-se EEMB,th ηth−el=¿ 7.457,24 (MWhth) x 0,35 =

(2.610,034000(MWhel), para efeito de cálculo do EPBT, converte-se (MWhel em

kWhel), resultando em EEMB,th ηth−el=¿ 2.610.034,000 kWhel).

A produção anual de energia elétrica adotada nesta pesquisa foi estimada, em

5.028,24 kWhel/ano, com base na literatura científica, a partir de uma planta de

geração de 4,2 kWp, conforme a literatura científica presentes nos Quadros 1 e 2, da

seção 3, ao qual trata da abordagem metodológica da ACV, proposta para esta

pesquisa, sendo replicável para uma planta de geração de 500 kWp, instalada no

município de Pimenta Bueno – RO.

EPBT (1)(500 kWp)=EEMB , thɳ th−el

EUSE ,el

=2.610.034,000 kW hel

598.600,000kW helano−1

=4,360230538anos .

62

Componentes Massa(Kg)

Energia incorporada(MWhth)

Módulos Fotovoltaicos CS6U325P 34496,00 6813,10Inversor FRONIUS AGILO 100.0-3 834,00 98,81

Suporte e Estruturas Metálicas 66913,10 383,33

Cabos Elétricos 5244,05 162,00

Total 107487,15 7457,24

EPBT(1)(500 kWp) = 4,36 anos.

O presente estudo de ACV prevê a utilização da Eq. (2), EUSE , pr=PR .Hi . PSTC

GSTC,

para calcular a eletricidade anual gerada pelo sistema fotovoltaico, pois a planta de

geração FV de 500 kWp da indústria de Pimenta Bueno – RO, ainda se encontra em

fase final de construção e instalação, não sendo possível o acesso a medição pelo

gerenciamento de energia, por meio do sunny portal, fazendo necessário estimar o

cálculo do EPBT, por meio da substituição da Eq. 2 na Eq. 1 pela inclusão da

eletricidade gerada anualmente diretamente na Eq. (1), sendo o cálculo do

EPBT=EEMB , thɳ th−el

EUSE ,elepr

.

O Cálculo do EUSE, pr para indústria de água mineral e refrigerante, com sistema

conectado à rede de 500 kWp é discriminado pelos seguintes termos.

PR=0,77 (National Renewable Energy Laboratory – NREL);

Hi=1.701 kW h /m2/¿ ano Conforme¿

Atlasde EnergiaSolar ,2017 ¿ ;

GSTC=1.000W /m2=1,0 kW /m2 .

PSTC=N ° .Total .Mód .×Vmpp×Impp=1540×37,0(V )×8,78 ( A )=500.284,40 (W )emkilowatts1000

, donde PSTC=500 kW

EUSE , pr=PR .Hi . PSTC

GSTC

=0,77×1.701 x500

1

EUSE , pr=654.885,0000 kW hel /ano

EEMB,th ηt h−el=¿ 2.610.034,000 kWhel

EPBT (2 )(500kW)=2.610 .034,000 kW hel

654885,000 kW hele/ano= 3,985484474 anos

EPBT(2)(500kWp )=3,98anos .

Na seção 4.5 tratará do impacto ambiental da avaliação do ciclo de vida, a

partir das taxas de emissões de CO2, considerando a fase de construção até o

descomissionamento dos sistemas de geração fotovoltaica de uma planta de

63

geração de 500 kWp, em uma indústria de manufatura de refrigerantes e envase de

água mineral instalada no município de Pimenta Bueno - RO.

4.5 Cálculo da taxa de emissão de CO2 em (KgCO2 – eq./kWh) para uma

indústria de manufatura de refrigerante e envase de água, com potência

instalada de 500 kWp em Pimenta Bueno – RO.

Tabela 4 -mostra a massa de CO2 incorporada para os componentes eletroeletrônicos dosistema de geração fotovoltaico conectado à rede de uma indústria com uma potência

instalada de 500kWp, situada no município de Pimenta Bueno - RO.

Componentes Eletroeletrônicosda instalação 500kWp

Fase de Construção (kg)

Fase de descomissionamento (kg) Total (kg)

Molduras de Alumínio 293.450,00 5.246,43 298.696,43

Módulos FV (Poly-Si) 619.294,05 ─ 619.294,05

Inversor 9.367,86 ─ 9.367,86

Suportes e Estruturas Metálicas 46.273,81 30.415,48 76.689,29

Cabos Elétricos 25.648,81 20.896,43 46.545,24

Total 994.034,53 56.558,34 1.050.592,87Fonte: dados da Fronius Brasil.

Considerando a Eq. 3, substituímos a Eq.2 no denominador sendo ELCA –

output, para obter ELCA−output , temos ELCA−output=PRHi .PSTC .20

GSTC para a geração

de eletricidade estimada com 20 anos de emissões em CO2 evitadas pela instalação

da indústria de manufatura de refrigerantes e envase de água mineral, com potência

instalada de 500 kWp no município de Pimenta Bueno –RO. Sendo os componentes

da Eq. 2, o termo (PR): corresponde ao Fator de Desempenho (Performance Ratio);

(Hi): corresponde ao ganho de irradiação solar anual recomendada pelo atlas de

energia solar 2017, com o uso indicado para a geração fotovoltaica; (GSTC): é a

irradiância na condição padrão de teste (1,00 kW/m2) e (PSTC): corresponde a

potência nominal do gerador fotovoltaico, ponderando o máximo ponto de potência

64

para voltagem (Vmpp) e amperagem (Impp), em que (STC - Standard Test

Conditions) representa condições padrões de teste, ou seja corresponde ao

produtório do número total de módulos, Vmpp: máximo ponto de tensão, Impp:

máximo ponto de corrente e (GEEE): corresponde a 20 anos de emissões evitadas

de CO2 pela geração de energia elétrica.

A literatura cientifica referência 20 anos de tempo médio de vida para os

módulos FV. Abaixo representamos os termos da (Eq. 3) e os valores numéricos

correspondentes, conforme o Laboratório Nacional de Energia Renovável (National

Renewable Energy Laboratory - NREL),foram calculados conforme as

recomendações da literatura científica de García-Valverde et al.; NREL e Miki, (2009;

2015).

GHGPV+GHGBOS∗¿

ELCA−output


ELCA−output

=¿

GHGPV=619294,05+293450,00+5246,43=917.990,48 kg

GHGBOS=9367,86+76689,29+46545,24=132.602,39 kg

GHGe−rate=917.990,48+132.602,39=1.050.592,87 kg

ELCA−output=EUSE=PRHi . PSTC .GEEE

GSTC

PR=0,77−National Renwable Laboratory−NREL (2017 ) .

Hi=1.701 kWh /m2/¿ ano−Atlasde EnergiaSolar (2017 ) .

PSTC=N ° .Total .Mód .×Vmpp×Impp=1.540×37,0(V )×8,78 ( A )=500.284,4000 (W )emkilowatts1000

, donde PSTC=500 kW

GSTC=1,0kW /m2 - (Baixa irradiação para a Condição Padrão de Teste, MA:

Massa de Ar: 1,5 a 25oC – STC: Standard Test Conditions).

GEEE=20 anos (Geraçãode Eletricidade comEmissãoevitadas por 20anos)→Tempomédiodevida estimado em20anos .

ELCA−output=0,77×1.701×500×(20)

1,0

ELCA−output=13.097.700,00 kWh.

65

Eq. 3

GHGe−rate=1.050.592,87 (kgCO2)

13.097 .700,00 kWh

GHGe−rate=0,080212012 kgCO2−eq ./kWh

GHGe−rate=0,080 kgCO2−eq ./kWh

Dessa forma, obtemos a taxa de emissão de CO2 considerado o balanço de

massa da taxa de emissão dos GEE por CO2, pela energia elétrica gerada por

sistema FV no horizonte de 20 anos de emissões evitadas em (0,080 kgCO2-

eq./kWh); com EPBT (Energy Payback Time) estimado com o uso da Eq. 1 e Eq. 2

em (4,36 anos e 3,98 anos), para uma planta de geração de 500 kWp para uma

indústria de manufatura de refrigerante e envase de água mineral localizada no

município de Pimenta Bueno – RO.

4.6 Análise comparativa dos resultados obtidos pela aplicação da abordagem

da ACV em sistemas fotovoltaicos de geração para os diferentes países e para

os municípios de Cacoal e Pimenta Bueno no Estado de Rondônia.

A análise comparativa dos resultados obtidos em relação ao tempo do payback

de energia (EPBT) e para as taxas de emissões por CO2 da residência do tipo Solar

Home System, com uma potência instalada de 2,6 kWp e de uma indústria de

manufatura de refrigerantes e envase de água mineral, com potência instalada de

500 kWp, demonstra as diferentes causas e fatores para os diferentes sistemas de

geração FV, como o nível da irradiação solar, eficiência dos módulos, tipos de

instalação, sistemas On-Grid e Off-Grid (SAPV). E de como as diferentes

tecnologias de manufatura de módulos fotovoltaicos e ganho da irradiação solar para

os diferentes países, assim como para a cidade de Cacoal e Pimenta Bueno - RO,

que influenciaram na obtenção dos diferentes tempos de payback da energia EPBT

e nas taxas de emissão de CO2 em (kgCO2 - eq./kWhel).

A Tabela 5 considera diferentes causas e fatores para os sistemas de geração

FV como o nível da irradiação solar, eficiência dos módulos, tipos de instalação,

tecnologia de manufatura, ganho da irradiação solar pelos países, para os

municípios de Cacoal e Pimenta Bueno no Estado de Rondônia, que influenciam na

66

obtenção de diferentes tempos de payback da energia EPBT e as taxas de emissão

de CO2.

A tecnologia do silício policristalino (Poly-Si), utilizada no município de

Cacoal -RO, em uma residência do tipo Solar Home System, com potência instalada

de 2,6 kWp, demonstra o seu resultado no item (11.a), com o tempo de payback de

energia EPBT em (2,96; 2,70 e 2,36) anos, em que variação dos tempos em (anos),

corresponde ao emprego do método cálculo por estimação da geração de energia e

pela utilização da equação de energia produzida EUSE , pr=PR .Hi . PSTC

GSTC dos

módulos fotovoltaicos, considerando os termos como: o fator de desempenho (PR)

em 0,77; ganho anual de irradiação solar (Hi: 1.701 kWh/m2/ano), segundo o Atlas

de Energia Solar 2017, PSTC: o produto No Total de Módulos; Vmpp: máximo ponto de

potência da tensão; Impp: máximo ponto de potência da corrente do módulo e o GSTC

sendo 1,0 kW/m2, considerando a baixa irradiação para a condição padrão de teste,

MA: Massa de Ar em: 1,5 a 25oC e para a produção anual de energia elétrica em

2017, medida pelo gerenciador de energia, sunny portal em 3.900 kWh/ano,

resultando em um menor tempo de payback de energia, com 2,36 anos e para a

taxa de emissão de CO2 não houve variação pois consideramos a (Eq. 3)


ELCA−output , resultando em 0,063 kgCO2-eq./kWhel, para uma

estimativa média de 20 anos de vida para os módulos fotovoltaicos, de acordo com

os autores das literaturas científicas.

A tecnologia do módulo fotovoltaico de silício policristalino (Poly-Si), também foi

utilizada no município de Pimenta Bueno - RO, em uma indústria de manufatura de

refrigerantes e envase de água mineral, com potência instalada de 500kWp,

demonstra o seu resultado no item (11.a), com o tempo de payback de energia

EPBT em (4,36 e 3,98) anos, em que variação dos tempos em (anos), corresponde

ao emprego do método cálculo por estimação da geração de energia e pela

utilização da equação de energia produzida EUSE , pr=PR .Hi . PSTC

GSTC dos módulos

fotovoltaicos, considerando os termos como: o fator de desempenho (PR) em 0,77;

ganho anual de irradiação solar (Hi: 1.701 kWh/m2/ano), segundo o Atlas de Energia

Solar 2017, PSTC: o produto No Total de Módulos; Vmpp: máximo ponto de potência

67

da tensão; Impp: máximo ponto de potência da corrente do módulo e o GSTC sendo

1,0 kW/m2, considerando a baixa irradiação para a Condição Padrão de Teste, MA:

Massa de Ar em: 1,5 a 25oC e para a taxa de emissão de CO2 não houve variação

pois consideramos a (Eq. 3) GHGe−rate=GHGe−Total

ELCA−output , resultando em 0,080 kgCO2-

eq./kWhel, considerando uma estimativa média de 20 anos de vida para os módulos

fotovoltaicos, de acordo com os autores das literaturas científicas.

E para o Sul da Europa resultou em um payback de energia de 1,75 anos, com

uma estimativa de 30 anos de geração para os módulos FV’s. O EPBT mais longo

foi encontrado no Reino Unido para o resultado (1) em um intervalo de 7,40 anos até

12 anos, com 20 anos de geração por módulos FV, não aplicado a estimação da

emissão de CO2.

O resultado (9) representa a comunidade isolada de Sobrado/AM com a

obtenção do EPBT em 7,45, 3,07 e 2,84 anos, pela aplicação do método de

produção e consumo anual de energia elétrica, com uma taxa de emissão de CO2 de

0,107 kg, 0,044 kg e 0,041 kg, com uma estimativa de geração para módulos FV’s

em 20 anos, com a substituição das baterias de chumbo ácido por

descomissionamento de 8 a 10 anos para o SAPV.

O EPBT de 2,50 anos corresponde ao resultado (8) com uma emissão de

0,050 kgCO2eq./kWhel, para sistemas de geração FV de grande escala destinados

para as regiões desérticas da China. O número de resultado (10.a e 10.b)

representa a cidade de Manaus/AM com o EPBT de 2,99 a 1,46 anos, resultante de

um sistema FV conectado à rede elétrica de 10kWp, com uma estimativa de geração

de 20 anos.

O EPBT obtido no Japão, pelo resultado (2), corresponde a 8,90 anos com uma

taxa de emissão de 0,061 kgCO2-eq./kWhel, pela aplicação do método de produção

anual de energia elétrica, para 20 anos de geração para os módulos FV’s.

Os componentes da planta de geração FV, com potência instalada de 2,6 kWp,

da residência Solar Home System de Cacoal -RO, utilizou molduras em alumínio

produzido pela indústria Fronius Brasil fabricadas com silício policristalino, vale

ressaltar caso o fornecedor das placas seja diferente da pesquisa os valores podem

sofrer alterações, pois na pesquisa foi levado em consideração o clima, o ganho de

68

irradiação, caso seja submetida outro tipo de placa os valores serão alterados a

pesquisa adotou somente um fabricante.

A instalação industrial de água mineral e refrigerantes de 500 kWp em Pimenta

Bueno – RO utilizou estruturas de aço galvanizado produzido pela indústria Fronius

Brasil, caso os valores adotados forem de outros fornecedores os tempos também

serão modificados.

69

Tabela 5 - Resultados da ACV para sistemas FV’S

Fonte: Adaptado de Miki (2015).

70

De forma similar, para a universidade de Murcia corresponde ao número de

resultado (7.a pela aplicação do método da produção anual de eletricidade e 7.b

pela aplicação do método de consumo anual de energia elétrica), com um EPBT de

9,08 anos e 0,131 kgCO2-eq./kWhel e, 8,99 anos com uma emissão de 0,129 kgCO2-

eq./kWhel, com o ciclo de vida da geração dos módulos estimado em 20 anos.

O resultado (3) para o Sul da Europa obteve um EPBT de 2,60 anos com uma

emissão de CO2 de 0,041 kgCO2-eq./kWhel e o resultado (4) para o mesmo país é

de 0,035 kgCO2-eq./kWhel, com um EPBT de 2,10 anos, já o resultado (5)

corresponde a um EPBT de 3,30 anos para 30 anos de geração por módulos (mc-

Si), não aplicado a estimação da emissão de CO2.

Dessa forma, os resultados obtidos para o tempo de payback da energia e para

as taxas de emissão de CO2 para o Estado de Rondônia para os municípios de

Cacoal e Pimenta Bueno, após análise comparativa comprovaram a importância da

deste estudo, por demonstrar o reduzido tempo de payback, em relação ao sistema

de geração fotovoltaica conectado à rede para empreendimentos residências de

2,6 kWp a industrias de manufatura de refrigerantes e envase de água mineral, com

potência instalada de 500 kWp, com tempo significativamente decrescente quando

pode se utilizar um valor medido da produção anual de energia elétrica pelo sistema

de geração fotovoltaica, com EPBT de 2,36 anos e taxa de emissão de CO2 em

0,063 kgCO2-eq./kWh e para uma planta indústria com sistema de geração

conectado à rede de 500 kWp, tem-se um EPBT estimado entre 4,36 a 3,98 anos,

com uma taxa de emissão em CO2 de 0,080 kgCO2 eq./kWhel.

71

5 CONCLUSÃO

A demonstração da produção anual de energia elétrica pela usina fotovoltaica, a

partir da residência do tipo Solar Home System, com potência instalada de

2,6 kWp, confirmou que a utilização do gerenciamento de energia, com a medição e

registro em banco de dados do sunny portal, demonstrou o melhor prospecto para o

tempo de payback de energia, a partir do valor da geração anual correspondente a

3.900 kWh/ano para o ano de 2017, mesmo com uma implementação da geração ter

sido feita apenas no 22o dia do mês de janeiro de 2017, além da interrupção na

geração pelo problema de calibração do sistema de ilhamento com a rede elétrica da

concessionária Eletrobras Cacoal Energia, registrando a geração somente a partir

do 15o dia do mês de abril de 2017, resultando em um EPBT de 2,36 anos e taxa de

emissão de CO2 em 0,063 kgCO2-eq./kWh.

E quanto a indústria de manufatura de refrigerante e envase de água mineral,

com uma planta de geração fotovoltaica de 500 kWp, como o sistema de geração

fotovoltaica ainda esta em fase final de instalação sem a operação de um sistema de

gerenciamento de energia, como na residência Solar Home System, os valores de

EPBT e as taxas de emissão de CO2, resultou em um EPBT estimado entre 4,36 a

3,98 anos, com uma taxa de emissão em CO2 de 0,080 kgCO2 eq./kWhel.

A análise comparativa para o EPBT, evidencia outras plantas de geração

fotovoltaica para um SAPV de 4,2 kWp na Espanha, SAPV de 16,8 kWp para a CI

de Sobrado-AM, e para uma residência Home Office de 10 kWp em Manaus - AM,

demonstrou uma progressiva redução do payback de energia pela aplicação do

método de produção anual de energia elétrica (8,99 – 2,99 home office – 2,84 anos)

e pelo método do consumo anual de eletricidade (9,08 – 7,45 – 3,07 – 1,46 anos).

A abordagem do ciclo de vida ambiental, demonstrou um resultado pertinente

para o decréscimo das taxas de emissões de CO2 estimada em (kgCO2-eq/kWh),

por meio do método de consumo e produção anual de energia elétrica com (0,131kg

– 0,129kg para SAPV 4,2 kWp); (0,107kg – 0,044kg – 0,041kg para o SAPV de 16,8

kWp) e (0,023kg para SIGFV de 10 kWp), em relação a um sistema diesel-elétrico

isolado com 1,270 kg.

E com isso estabelece se um horizonte promissor no cenário energético

mundial, nacional e regional para os municípios de Cacoal e Pimenta Bueno, no

Estado de Rondônia, com um tempo do payback de energia cada vez mais reduzido,

72

assim como reduzidas taxas de emissões de CO2, contemplando os parâmetros

recomendados pela abordagem da avaliação do ciclo de vida para sistemas de

geração fotovoltaicas conectado à rede e autônomos, de acordo com os Quadros 1

e 2 da literatura científica da seção 3, referente a metodologia.

73

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APÊNDICES

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Apêndice A

Ao proprietário da residência que será base dessa pesquisa serão feitas asseguintes perguntas:

1 - O que levou você escolher o sistema fotovoltaico mesmo com a existência de uma rede elétrica convencional integrada ao SIN?

a) Questão Ambiental;b) Pela modularidade do sistema de geração fotovoltaica;c) Redução no custo da tarifação de energia elétrica;d) Sistema de geração eficiente;e) Todas as questões anteriores;

2 – Qual a perspectiva de economicidade pela penetração da geração fotovoltaica em relação a energia elétrica fornecida pela concessionaria Eletrobrás Rondônia:

a) Com a penetração de100% de geração fotovoltaica para a residência;b) Com a penetração de 80% de geração fotovoltaica para a residência;c) Com a penetração de 50% de geração fotovoltaica para a residência;d) Somente pensei na questão ambiental;

3 – Qual foi o fator principal na tomada de decisão para a aquisição de um sistema fotovoltaico de geração conectado a rede:

a) Por meio de empresas sediadas no município de Cacoal - RO;b) Através do proprietário da Neon Solarc) Em pesquisas de energia sustentável;d) Objetivo de implantação para redução do custo de tarifação praticado pelaconcessionaria de energia na cidade de Cacoal;e) Pela facilidade na integração da arquitetura predial da residência;

4 – Qual foi o principal benefício após a instalação do sistema fotovoltaico conectadoà rede:

a) Redução na tarifa em 80%;b) Redução na tarifa em 75%;c) Redução na tarifa em 60%;d) Redução na tarifa em 50%;e) Redução na tarifa em 35%;

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Apêndice B

Ao proprietário da Neon Solar que será base dessa pesquisa serão feitas as seguintes perguntas:

1 - O que levou você escolher trabalhar com energia fotovoltaica:

a) Energia sustentável, o meio ambiente é meu principal foco de proteção;b) Devido representar um nicho de mercado pelo preço da alta tarifação deenergia elétrica praticado pela concessionária em relação a redução dos custosmostrados nos componentes eletroeletrônicos de geração fotovoltaica conectado arede;c) Questão econômica, somente pensei nos ganhos, minha lucratividade é o principal foco do meu trabalho;d) Quero andar junto com os novos métodos de energia sustentável;e) O sonho da energia sustentável sempre foi minha meta de vida;f) Nenhuma das alternativas anteriores;

2 - Qual sua perspectiva para o crescimento e expansão de mercado na venda e instalação dos sistemas de geração fotovoltaica no município de Cacoal – RO:

a) Pretendo atingir 30% da população Cacoalense;b) Pretendo atingir 15% da população Cacoalense;c) Pretendo atingir 5% da população Cacoalense;d) Não pensei em meta a ser atingida;e) Nenhuma das alternativas anteriores;

3 – Em relação ao sistema fotovoltaico conectado a rede:

a) Prefiro trabalhar com sistema isolado;b) Prefiro trabalhar com sistema Home Office para as residências atendendo a microrregião de Cacoal ;c) É o melhor sistema a ser trabalhado;d) Trabalho com ambos os sistemas sem restrição na escolha de um ou de outro;e) Minha meta é somente a lucratividade, trabalho com ambos os sistemas;

4 – A nível de Rondônia qual a perspectiva da empresa Neon Solar em expandir sua rede de clientes:

a) Em 10 anos atingir todo o estado com implantação do sistema fotovoltaico;b) Em 5 anos atingir a maior quantidade de municípios do estado;

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c) Não temos perspectivas de crescimento elevado, já que o sistemafotovoltaico é novo e necessita de muito investimento por parte dos clientes;d) Trabalhamos conforme a demanda, não almejamos grandes expansões;

e) Nenhuma das alternativas anteriores;

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