Geração de eletricidade para abastecimento de veículos elétricos

a partir de florestas energéticas

Marcos Carvalho Campos mccampos@demec.ufpr.br

UFPR – Setor de TecnologiaCuritiba, Paraná, Brasil

14 de julho de 2008.

TM-024 - Geração de Energia

São cada vez mais graves as crises energéticas mundiais em função da excessiva dependência de combustíveis fósseis.

Reserva energética e matéria-prima única que está sendo esgotada.

TM-024 - Geração de Energia

Os países europeus estão extremamente fragilizados por esta dependência, econômica e socialmente, bem como outros países.

As consequências ninguém sabe dizer ao certo, mas é possível reverter esta situação de fragilidade utilizando alternativas.

Recentemente, o governo português assinou acordo com montadora para disseminar o uso de veículos elétricos naquele país.

O problema será: onde obter energia elétrica para abastecer estes veículos, sem utilizar combustíveis fósseis ?

Pode não ser tão difícil se observarmos outras experiências, utilizar

criatividade e a cooperação entre cidadãos: os principais

interessados.

A idéia que se apresenta refere-se a

constituição de empresas que desenvolverão

florestas energéticas para fins de geração de energia elétrica

para veículos.

Complicou ? Não necessariamente:

Todos sabem que um veículo precisa de energia para se movimentar. 1 litro de gasolina contém aproximadamente 32 MJ (32 Mega-Joule) de energia.

Fazendo alguns cálculos simplificados, um veículo elétrico médio precisará de uma potência de 12,5 kW (12,5 kilo-Watts), instalada em algum lugar para se mover, ou seja, para recarregar suas baterias com determinada frequência.

Usei como exemplo uma pequena cidade de Portugal: Trancoso.

Coloquei um quadrado de área passível de ser reflorestada e manejada para fornecer energia para abastecer um veículo.

Aproximadamente 25 mil metros quadrados !!! Parece muito e é !!!Relativamente ...

A taxa de cálculo de produção é 500 kW (500 kilo-Watts) elétricos para 1 quilômetro quadrado de manejo.

Energia Solar Floresta energética Central Térmica Energia elétrica Carga para veículos

Fluxo de energia

Floresta energética é uma área constantemente replantada com determinada espécie, ou com variação de espécies, visando abastecer com

combustível renovável uma central térmica com turbina a vapor produzindo energia elétrica.

Em uma perspectiva maior, esta é área para abastecer 30 veículos,

ou seja, 0,75 km2.

Será que a pequena cidade tem este número de veículos ?

Considerando a área para 30 veículos ...

Observa-se que é uma área sem muita cobertura vegetal, pois é o que parece na imagem.

Isto ocorre em muitas áreas neste país e no mundo todo: muitas áreas que podem ser recuperadas para um fim útil e quase imediato.

Recuperar áreas degradadas >> Manejo florestal

Início dos ciclos de manejo florestal

De uma vista acima, observa-se que a área para 30 veículos, se torna “pequena” (observa-se pela escala da imagem) ...

Mais acima, a área fica quase desprezível ...

Em uma escala maior pode-se pensar em geração distribuída para abastecer uma

frota de veículos elétricos considerável !!!

A área total em branco na imagem equivaleria a 780 veículos médios, próximo a Viseu – Portugal .

As áreas de manejo florestal não precisam necessariamente ser contínuas em grande escala...

o importante é estarem próximas a central térmica e ...

localizadas em cotas (em relação ao nível do mar) acima da central para facilitar o transporte da madeira, em veículos elétricos maiores. Os rios indicam a declividade do terreno.

Central(10 MW) divisor de águas

Central(10 MW)

A área de abastecimento de energia elétrica da central poderá ser um sistema isolado ...

ou utilizar a rede elétrica local, o que dependerá de estudos específicos.

27.500 m2

73.500 m2

34.800 m2

63.600 m2

84.200 m2

48.500 m2

35.600 m2

69.000 m2

50.300 m2

101.900 m2

66.200 m2

72.300 m2

Total = 723.500 m2

Analisando uma área total de 10.970.000 m2 (da imagem) observa-se consideráveis extensões de terra que podem ser recuperadas e manejadas.

Cada região demandará estudos específicos para estabelecer áreas adequadas para florestas energéticas, considerando, em primeiro lugar, os interesses dos proprietários, que

poderiam se associar para fornecer matéria-prima para a central.

É provável que haja grandes áreas desmatadas próximas as cidades de médio porte.

925.000 m2

Alguns terrenos de rocha aflorada podem ser recuperados com cobertura de solos retirados das descargas de fundo de reservatórios de usinas hidrelétricas,

como parece ser o caso desta área na imagem de satélite.

Comparando a área afetada pelo manejo com a área de atendimento do sistema elétrico, observa-se uma relação de um para um, a grosso modo.

Central(10 MW)

Será que esta região, de aproximadamente 300 km2 , em torno da cidade de Viseu comporta, está capacitada para, mais do que 780 carros de porte médio (até 1.200 kg) ? E o transporte público (um ônibus demanda aprox. 150 kW) ? Aumentaria muito a área de manejo florestal para atender também o transporte público ?

E os custos ?

e mais um pouco de conceitos em energia ...

Julho, 2008

Começando pelos preços e câmbios

recentes,

A energia térmica de 1 MJ (Mega-Joule) tem um equivalente elétrico de 0,27 kWh (kilo-Watt hora), se pensarmos em termos da máquina, de veículos e outros objetos que consomem energia.

Ou seja, o litro de gasolina que um veículo comum recebe equivale a 32 MJ térmico, será o equivalente para um veículo elétrico receber 8,8 kWh em energia elétrica.

Custo equivalente elétrico da gasolina

O que cada tipo de veículo realiza com a mesma quantidade de energia fornecida dependerá da eficiência deste e de outros fatores.

Então, considerando o preço de um litro de gasolina igual a :R$ 2,50 EU$ 1,33 US$ 0,79

Chega-se a conclusão que, em termos elétricos, o custo da energia equivalente fornecida será :

R$ 2,50 / 8,8 kWh = R$ 0,284 / kWh = R$ 284,10 / MWh.

Brasil

€ 1,33 / 8,8 kWh = € 0,151 / kWh = € 151,14 / MWh.

Portugal

US$ 0,79 / 8,8 kWh = US$ 0,089 / kWh = US$ 89,77 / MWh.

USA

R$ 143,64 / MWh.

USABrasil

1 US$ = R$ 1,60

1 € = R$ 2,50

R$ 377,50 / MWh.

Brasil Portugal

Observa-se que a energia que alimenta os veículos em Portugal está 33% mais cara que no Brasil e

162 % a mais que nos Estados Unidos.

R$ 284,00 / MWh. € 151,14 / MWh. US$ 89,77 / MWh.

De maneira simplificada, estes são os preços que deve-se comparar com os custos de geração e distribuição de energia elétrica até os veículos elétricos, para se ter uma noção inicial da vantagem do uso de florestas energéticas, ou qualquer outra fonte renovável, para abastecer veículos elétricos.

Não se irá, aqui, “utilizar” o aquecimento global como justificativa para o uso de fontes renováveis de energia em substituição ao petróleo para locomoção.

Espera-se mostrar que o preço da energia seja uma boa justificativa.

Para se fazer uma comparação é preciso analisar os custos de geração das fontes de energia renováveis.

Fontes de energia renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar

Térmicas solares (com concentradores)

Foto-voltaica

Torres solares(com turbinas eólicas)

Não se considerará, neste caso, os resíduos urbanos como fonte renovável em função da composição deste, que pode conter plásticos com origem no petróleo. Nesta análise excluiu-se também a biodigestão de resíduos da área rural, energia geotérmica e a energia possível de ser extraída de ondas do mar e marés.

Um aspecto importante é o fator de capacidade de uma usina ou central para avaliação de custos. Representa o quanto gera-se efetivamente de energia elétrica em função da potência instalada máxima desta usina.

Fontes deEnergia

Centrais ou

usinas

Sistema elétrico

EA EE

PINST

EP

Isto ocorre devido ao fato de que a fonte de energia pode não ser constante ao longo do período de tempo considerado para cada tipo de fonte de energia.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

De maneira simplificada, então, calcula-se a energia elétrica gerada anualmente em uma usina com a seguinte fórmula:

EG = PINST x FC x 8.760

EG = Energia elétrica gerada anualmente (MWh)

PINST = Potência elétrica máxima instalada na usina (MW)

FC = Fator de Capacidade médio da usina ( de 0 a 1 )

8.760 = Número de horas em um ano

Fator de capacidade de

usinas de energia renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar0,2 a 0,4

0 1

0,3 a 0,5

0 1

0,8 a 0,95

0 1

0,4 a 0,7

0

Alguns valores típicos de fator de capacidade:

Os fatores de capacidade de hidroelétricas e de centrais com biomassa são maiores porque pode-se “armazenar” a energia: reservatório de hidrelétricas e pátios de biomassa das centrais.

A energia elétrica gerada anualmente (MWh anuais) em uma usina de 1 MW será então:

EG = PINST x FC x 8.760

Geração anual de usinas de energia

renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar1.750 a 3.500

08.760 MWh

2.630 a 4.380

0

7.000 a 8.350

0

3.500 a 6.130

0

Os custos de geração de energia elétrica são compostos de:

Composição de custos de geração

1 - Amortização do capital investido na usina

2 - Custos de operação e manutenção

3 - Combustível (caso da usina à biomassa)

4 - Ganho dos investidores

5 - Impostos

Usando os seguintes valores típicos de custos unitários de implantação ...

Custos unitários de implantação de

usinas de energia renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar4.000 ou mais

0US$ 10.000 / kW

ouUS$ 10.000.000 / MW

1.300 a 2.000

0

1.000 a 1.800

0

800 a 2.500 US$/kW

0

*

Aquecedores solares tem custos equivalentes menores, mas não geram energia elétrica.*

1 - Analisando o peso da amortização do investimento na usina no custo da energia elétrica gerada, para as fontes consideradas:

Custos de implantação de usinas 1 MW de

energia renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar4 milhões ou mais

0US$ 10 milhões

1,3 a 2 milhões

0

1 a 1,8 milhões

0

800 mil a 2,5 milhões US$

0

pode-se calcular valores de investimento de capital para uma usina de 1 MW em US$, e ...

então, é possível calcular valores de amortização de capital anual, considerando-se taxa de juros de 5% e período de amortização de 10 anos (Fator de recuperação de capital igual a 0,13) para uma usina de 1 MW, de cada uma das fontes de energia:

Custos de amortização anual de usinas 1 MW de energia renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar520 mil ou mais

0US$ 1,3 milhões

170 a 260 mil

0

130 a 235 mil

0

100 a 325 mil US$

0

Dividindo-se o custo anual de amortização pela energia elétrica gerada neste período, tem-se a parcela deste item no custo da energia, em US$/MWh (dólares por Mega-Watt hora):

Parcela de custos de

amortização anual em usinas

1 MW

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

Solar0

US$ 150,00 / MWh

0

18,60 a 28,20

0

0

59,40 a 64,60

148,60 ou mais

28,60 a 53,00

Observa-se o efeito do alto custo de implantação de usinas solares e de seu baixo fator de capacidade somente nesta parcela do custo da energia gerada por esta fonte diretamente.

Felizmente, as três demais fontes são originárias da energia solar, de maneira indireta. Portanto, ao utilizarmos estas fontes, de fato estaremos utilizando energia solar mais barata.

Espera-se que, no futuro, os custos de conversão direta da radiação solar em energia elétrica sejam bem inferiores aos atuais. Como não é coerente adiantar esta possibilidade, nesta análise, se descartará a alternativa de energia solar direta, a partir deste ponto.

Usando os seguintes valores típicos de custos unitários de operação e manutenção ...

Custos unitários de operação e manutenção de

usinas de energia

renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

US$ 500 / kW / ano

40 a 100

0

200 a 300

0

100 a 150 US$ / kW / ano

0

2 - Analisando o peso dos custos de operação e manutenção da usina no custo da energia elétrica gerada, para vários tipos de fonte:

calcula-se os custos anuais de operação e manutenção para uma usina de 1 MW (1.000 kW).

Custos anuais de operação e

manutenção de usinas de energia

renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

US$ 500 mil / ano

40 a 100 mil

0

200 a 300 mil

0

100 a 150 mil US$ / ano

0

Dividindo-se os custos anuais de operação e manutenção pela energia elétrica anualmente gerada tem-se a parcela deste item no custo da energia, em US$/MWh (dólares por Mega-Watt hora):

Parcela de custos de

operação e manutenção

anual em usinas 1 MW

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

0

28,60 a 35,90

0

0

15,20 a 22,80

24,50 a 28,60

US$ 50,00 / MWh

Observa-se que o custo de geração por biomassa é menor que os demais, principalmente em função de seu maior fator de capacidade, que pode chegar a 0,95.

Somando-se os custos anuais médios de amortização do investimento na usina com os custos anuais médios de operação e manutenção, ambos com base na energia elétrica anualmente gerada, tem-se os seguintes valores:

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

US$ 200,00 / MWh0

0

0

62,00

41,00 26,50

67,50 US$ / MWh

23,40 32,30

55,70 US$ / MWh

19,00

81,00 US$ / MWh

O maior custo de geração ocorre para energia eólica, dentre os três tipos acima, principalmente devido aos seus menores fatores de capacidade, apesar dos seus custos de operação e manutenção serem menores.

3 - Analisando o peso do combustível renovável (biomassa) nos custos da energia elétrica gerada para este tipo:

Para obter 8.100 MWh anuais de energia elétrica, a partir de biomassa plantada especificamente para este objetivo, considerou-se a eficiência da central térmica de 1 MW próxima do valor de 31%, de modo a determinar a energia térmica necessária:

Quantidade anual de madeira =

Energia Térmica anual

PCI

Equivalente a :Energia Térmica = 94.000.000 MJ / ano

Energia Elétrica = 8.100 MWh / anoEnergia Térmica = 26.130 MWh / ano 31% (inverso)

Quantidade anual de madeira =

94.000.000

16.720= 5.620 ton / ano

Poder calorífico da madeira:

PCI = 4.000 kcal / kg

PCI = 16.720 MJ / ton

PCI = 16.720 kJ / kg

Considerando o preço de uma tonelada de madeira igual a :US$ 52,00

(Este valor foi adotado com base nos preços do Brasil, que na atualidade são menores)

Calcula-se os custos anuais de aquisição de combustível para uma usina a biomassa de 1 MW, com fator de capacidade igual a 0,92:

Custos anuais de combustíveis de

usinas de energia

renováveis

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

US$ 500 mil / ano0

290 mil

0

0

0

O custo do combustível por unidade de energia gerada será igual a:

Custo por unidade de energia =

US$ 290.000

8.100 MWh36,00 US$ / MWh=

Somando-se os custos obtidos até aqui, tem-se os seguintes valores:

Somando o combustível necessário, a geração com biomassa passa a ter o maior custo de geração.

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

US$ 200,00 / MWh0

0

0

62,00

41,00 26,50

67,50 US$ / MWh

23,40 32,30

91,70 US$ / MWh

19,00

81,00 US$ / MWh

36,00

Porém, as três formas renováveis de geração estão com os custos internos menores do que US$ 100,00 / MWh (cem dólares por Mega-Watt hora), considerando as premissas anteriores.

Estes custos em € :

As três formas renováveis de geração estão com os custos internos menores do que € 60,00 / MWh (sessenta euros por Mega-Watt hora), considerando as premissas anteriores.

Hidroelétrica

Eólica

Biomassa

€ 130,00 / MWh0

0

0

43,30 € / MWh

58,70 € / MWh

51,92 € / MWh

Gasolina€ 151,14 / MWh

Infelizmente, novos aproveitamentos hidroelétricos serão poucos, e as usinas eólicas ficarão cada vez mais longe dos centros de carga, implicando em custos de transmissão.

Brasil Portugal USA

R$ 284,00 / MWh. R$ 377,85 / MWh. R$ 143,63 / MWh.

€$ 113,60 / MWh. €$ 151,14 / MWh. €$ 57,54 / MWh.

US$ 177,50 / MWh. US$ 236,16 / MWh. US$ 89,77 / MWh.

Lembrando o preço da energia (equivalente elétrica) de um litro de gasolina:

A partir deste ponto da análise será necessário estimar preços de venda da energia, conforme o mercado objetivo estabelecido.

€ 151,14 / MWh Acredita-se que se possa trabalhar com uma perspectiva de € 130,00 / MWh

para o preço final da energia no abastecimento de veículos,

sendo que 65% deste seria destinada à geração e os outros 35% à distribuição, uma vez que os cuidados com as baterias devem ser diferenciados.

Com estes números pode-se calcular as parcelas de lucro e impostos para cada MWh fornecido por centrais térmicas a biomassa e por outras fontes renováveis.

Isto sugere a criação de outras empresas associadas ao sistema de veículos elétricos, além das de geração de energia com fontes renováveis: empresas especializadas em baterias de veículos.

Portugal Área total de 92.391 km2 População de 10.600.000

Área de 9.239 km2

10 % de florestas energéticas (estimativa) 1 veículo particular para cada 20 habitantes (estimativa)

530.000 veículos

Potência instalada: 4.620 MW

500 kW para cada km2 de manejo (uma produtividade normal)

1 veículo particular médio precisa de 12,5 kW(São necessários mais estudos para quantificar melhor esta

premissa, que dependerá fortemente dos utilizadores)

Potência necessária: 6.625 MW

Esta análise simplificada mostra que é possível buscar um objetivo tão almejado: locomoção com balanço de emissões igual a zero.

São necessários estudos mais aprofundados, mas se considerarmos que a estimativa de 12,5 kW é um pouco alta para veículos elétricos de médio porte, e que a eficiência deste tipo de veículo é maior, a potência necessária poderá ser um pouco menor.

O transporte público poderá ser atendido prioritariamente, em função de seu maior uso pela população.

70% 4.620

6.625 =

Por exemplo, para uma potência média por veículo de 10 kW (14 CV), o percentual acima passa de 70% para 87% !

Navegar por mares nunca dantes navegados

22 de julho de 2008.

Agradecimentos ao Eng. Ivo Augusto de Abreu Pugnaloni,

neto de portugueses.

Parcerias rendem frutos.