O FATOR DE CARGA NO CUSTO DO KWH EMMICROS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS ISOLADAS

Gilnei Carvalho Ocácia1, Roberlaine Ribeiro Jorge1, Anildo Bristoti2 e Antenor Balbinot2

Departamentos: 1Ciências Agrárias e 2Matemática – Universidade Luterana do Brasil

RESUMO

Sistemas isolados de suprimento de energiaatendendo a um consumidor ou a um grupo de ummesmo padrão, requerem uma distribuição da cargaconsiderando restrição de horário para determinadasutilizações, minimizando picos de demanda,diminuindo o valor do investimento e do kWh.

Neste trabalho são considerados três casos:a) uma MCH, 50 KVA, queda de 10m e vazão de900 L.s-1, suprindo energia para onze residências epara irrigação de melão e funcionamento de umaagro-indústria de moagem e produção de embutidos;b) uma PicoCH, 5 kVA; para alimentar quatroresidências e pontos de iluminação; e, c) umaPicoCH, 2 kVA, 12m e 30 L.s-1, para suprir energiaresidencial e para refrigeração de leite.

No primeiro caso, há disponibilidademensal de 36 MWh, contra um consumo residencialmédio de 2,5 MWh perfazendo um fator de carga de6,94%. A agro-indústria viabilizará o investimento.O suprimento obedece a critérios de prioridades: aagro-indústria, funcionará somente durante o dia,exceto nos horários de irrigação e, o aquecimento deágua, somente nos períodos de pequena demanda. Autilização de “freezers” requer seu acionamento nanoite anterior a sua execução, para formação debanco de gelo.

No segundo caso, há uma disponibilidadede 540 kWh por residência devido ao elevado fatorde carga. No terceiro, o fator de carga fica entre 25 e33%. E uma pequena barragem de acumulaçãopermite a geração por 6 a 8 horas diárias. O sistemaatende o período de ordenha e a energia excedente éacumulada em baterias.

ABSTRACT

Isolated systems of energy supply assistinga consumer or a group of a same pattern, request adistribution of the load considering schedule

restriction for certain uses, reducing the cost of theinvestment and of the price for kWh.

In this work tree cases are analyzed: a) aSmall Hydro Power, of 50 KVA, fall of 10m andflow of 900 L.s-1, supplying energy for elevenhouses and for irrigation of melon farmings andoperation of a grinding agriculture-industry andproduction of sausages. b) a Pico Hydro Power, of 5kVA to energy supply for four residences andillumination points; and,; e, c)a Pico Hydro Power,of 2 kVA, 12 m and 30 L.s-1, to supply residentialenergy and for cooling of milk.

In the first case, while the monthly energyavailable would be 36 MWh, only 2,5 MWh is usedfor residential supply. Therefore the load factor is.The entrance in operation of the agriculture-industryis what will make viable the investment. The supplyobeys criteria of priorities. The agriculture-industryshould only work during the day, except in theperiod for irrigation. Heating of water isaccomplished in the periods of small demand of theother loads. The freezers should requests startworking in the previous night before its use, in orderto form a bank of ice.

In the second case, there is a readiness of540 kWh for residence due to the high load factor.On installation (c) the construction of a smallaccumulation dam allows the electric powergeneration for a period from 6 to 8 hours daily Theload factor is between 25 and 33%. The system isturned on during the period of milk cooling and thespare energy goes to a bank of batteries.

INTRODUÇÃO

PATTERSON (2000) defende a tese de quea eletricidade não é uma “commodity” (mercadoria).O motivo desta afirmação está no fato de que dosseis bilhões de habitantes existentes na Terra, cercade dois bilhões não tem acesso à eletricidade. Estessó poderão ingressar na modernidade ( partindo dopressuposto de que a eletricidade é fundamental para

este “desideratum”), produzindo eletricidade a partirde fontes primárias locais ou seja de formadescentralizada. As fontes primárias locais maisapropriadas são: hídrica, eólica e solar direta.

Por outro lado, na era da globalizaçào éinadmissível que cerca de um terço da humanidadenão disponha de eletricidade. Esta assertiva não sebaseia somente em sentimentos humanitários desolidariedade mas tambem tem motivos econômicos,pois o acesso à eletricidade traz consigo anecessidade da aquisição de eletrodomésticos, porexemplo. Situação que interessa muito aosfabricantes destes equipamentos.

Considerando as três fontes primárias deorigem solar que podem suprir eletricidade pararesidências e comunidades distantes das redespúblicas (BALBINOT, 2002),a energia fotovoltáicaé sem sombra de dúvida a mais disponível ( o solnasce para todos diz o adágio popular). No entanto,atualmente, a eletricidade fotovoltáica ainda ébastante cara. Quanto à energia eólica, a questãoeconômica é mais favorável do que a solar direta.Porém, além de apresentar uma disponibilidademuito mais restrita, também não é competitiva comos aproveitamentos hidráulicos.Assim sendo, sempre que houver disponibilidade, aenergia de origem hídrica tem prioridade sobre asoutras duas. Esta situação deu origem a ummovimento mundial para difundir aproveitamentoshidrelétricos de baixíssima potência (KAREKEZI,1995), denominados de Pico Centrais Hidrelétricas(PiCHs ). A faixa das PiCHs vai até 5 kW.

Para cada região onde é pretendida aimplantação de unidades de geração, constituem umanecessidade a avaliação dos aspectos técnicos eeconômicos relativos à construção de PiCHs,levando-se em conta fatores tais comodisponibilidade de materiais locais para a construçãode pequenas barragens, tipo de formação geológicados leitos dos arroios e rios, topografia, métodosexpeditos de avaliação de vazão, etc. Porém, comoem todo e qualquer sistema energético, o fator decarga da instalação é fator decisivo no custo final daenergia utilizada.

FATOR DE CARGA

Tradicionalmente, o custo do kW instaladoé utilizado como referência dos investimentos emgeração hídrelétrica, servindo de parâmetro decomparação entre diferentes aproveitamentos,usualmente, na forma empregada para as usinas dosistema interligado que utilizam um referencial defator de carga de 50%. Desse modo, a potênciamédia utilizada apresenta um custo duas vezes maiordo que o custo de instalação. Nesses sistemas, acarga total instalada é muito superior a demanda reala cada instante, porém, como apresentam os maisdiversos fatores de carga e são independentes -somente os consumidores em tarifa horo-sazaonal

são submetidos a condicionantes tarifários – suadistribuição estocástica ao longo do dia faz com quea demanda efetiva seja muito inferior ao somatóriode todas as cargas supridas pelo sistema interligado.Na verdade, não são totalmente independentes poisexistem alguns condicionantes externos como porexemplo, a necessidade de iluminação pública, asatividades pessoais relacionadas com início e finalda jornada de trabalho, etc. Mas são tão diversas,que com a ajuda da política tarifária aplicada aosconsumidores com contrato horo-sazaonal, perfazemum fator de carga de 50%.Porém, para sistemas isolados, os padrõesestatísticos utilizados para situações com grandenúmero de eventos, como no sistema interligado,não são válidos. Quando o suprimento energético érealizado a um consumidor isolado, ou a um grupode consumidores de um mesmo padrão, a situaçãodeve ser analisada caso a caso. Estas unidades, semexceção, requerem uma distribuição da carga,considerando restrição de horário para determinadasutilizações, de modo a eliminar picos de demanda,aplainando esta curva, e, em consequência,requerendo uma menor potência instalada, com ummelhor fator de carga. Fatores de carga entre 25 e20%, elevam o custo do kW médio utilizado, emrelação ao custo do kW instalado, de 4 a 5 vezes,tornando o custo de geração entre 2 a 2,5 maior doque o custo de geração das unidades interligadas.Entretanto, convêm destacar que nos sistemasisolados a geração é realizado junto ao consumo, nãoincidindo custos do sistema interligado, como, porexemplo, os de transmissão.

CASOS

Neste trabalho são analisados três casos,todos em municípios situados no Rio Grande do Sul:

a) o primeiro, no município de Jóia, ondefoi implantada uma micro-usinahidrelétrica, de 50 KVA, queda de 10me vazão de 900 L.s-1, para suprirenergia para onze residências rurais,onde vivem 52 pessoas, para irrigaçãode lavouras de melão e funcionamentode uma agro-indústria de moagem eprodução de embutidos.

b) O segundo, no município de SãoFrancisco de Paula, de 5kVA, queda de75m e vazão de 12 L.s-1, para suprirenergia elétrica para quatro residênciase para iluminação de uma área de“camping”.

c) O terceiro, também no município deSão Francisco de Paula, onde foiimplantada uma pico-centralhidrelétrica, de 2 kVA, queda de 12 me vazão de 30 L.s-1, para suprir energiaresidencial e para refrigeração de leite.

Figrura 1. Vista da barragem, aparecendo a comporta para limpeza de fundo e o vertedouro. MCH de 50 kVA

Caso 1Neste caso, o curso de água oferece uma

vazão firme superior a vazão turbinada. Assim, nãohá necessidade de lago para armazenamento de água,no entanto, a declividade do terreno é pequena, demodo que a altura da barragem (figura 1), de 4 m, édecisiva para formar a queda de 10m.

A disponibilidade mensal de energiaelétrica, é de 36 MWh, contra um consumoresidencial médio estimado, de 2,5 MWh, parasuprimento de 11 casas, perfazendo um total de 52pessoas. A usina atendendo somente ao consumoresidencial, apresenta fator de carga de 6,94%. Istoeleva o custo em torno de 7 vezes em relação aforma com que usualmente é calculado o custo paraas unidades do sistema interligado quando éconsiderado um fator de carga de 50%. A entrada emoperação de uma agro-indústria de moagem de grãose de produção de embutidos de origem suina é queviabilizará o investimento.

Para atendimento de todas as cargas, com amanutenção de um fator de carga satisfatório, noprojeto foi determinado que o suprimento dademanda obedeça a critérios de prioridades. A agro-indústria, que está em implantação, deverá funcionarsomente durante o dia, exceto nos horários previstospara irrigação de lavouras de melão. No consumoresidencial, o aquecimento de água somente pode serrealizado em horário noturno, nos períodos em quenão houver atividades na agro-indústria. Paraconservação da carne “in natura” e dos embutidosproduzidos, há necessidade de utilização de“freezers”. Estes equipamentos devem ser acionadosna noite anterior ao dia em que é necessário suautilização, de maneira a formar um banco de gelo noperíodo em que há uma ociosidade da MCH, fazendocom que seu consumo durante os períodos em que

exitem outras demandas, seja minimizado. EstaMCH apresenta um custo US$ 35.000,00 ou de US$700,00/kVA.

Caso 2Neste caso, foi empregado um modo bastante

interessante de manter um elevado fator de carga,em pequenas unidades isoladas. É o métodoapresentado por BRISTOT (2000). Consiste doemprego de cargas resistivas em reservatórios deágua (boilers), montadas em paralelo com as demaiscargas, e sendo acionadas sempre que uma carga saide serviço. Quando isto acontece, é detectado pelorespectivo relé de corrente que aciona umaresistência de mesma potência da carga por elemonitorada, de modo que a demanda do sistemapermanece constante.

O Núcleo de Energia da ULBRA estátestando uma pico-central hidrelétrica implantadano município de São Francisco de Paula. Esteaproveitamento foi realizado em uma queda d’água(figuras 2 e 3) situada no Parque das Cachoeiras,com potência limitada, para manutenção dacachoeira, mesmo nos períodos de estiagem, poisesta é uma atração turística do local. Assim, omáximo de água turbinada corresponde a 20% damenor vazão estimada. Foi instalada uma turbinaPelton, acionando um gerador de 5 kVA, atuandocom uma vazão máxima de 12 L.s-1 e uma altura de75 m. Esta unidade supre a energia de quatroresidências e de iluminação de uma área de“camping”.

Foi disponibilizada, para cada residência,uma potência firme (constante) de 750 W que supreenergia para as demandas domésticas de iluminação,comunicações, refrigeração e, inclusive, água quente

Figura 2. Cachoeira da Usina do Remanso

para o banheiro e para a cozinha. Embora o valor dapotência seja pequeno, não permitindo a utilizaçãode forma generalizada de equipamentos porlimitação de demanda, a disponibilidade mensal deenergia, por residência, fica em torno de 540 kWh.Esta unidade apresenta um custo estimado,BALBINOT (2002), de US$ 2.350,00, ou de US$470,00/kVA.

Caso 3Neste caso, o curso de água apresenta uma

vazão inferior a requerida para funcionamentocontínuo do sistema, pois pela manhã há umademanda muito superior à média diária devido asoperações de ordenha e resfriamento do leite. Asolução adotada foi a construção de uma pequenabarragem de acumulação (figura 4) que permite ageração de energia elétrica por um período de 6 a 8horas diárias, conforme a época do ano. Assim, ofator de carga fica entre 25 e 33%. O sistema é postoem marcha pela manhã, às seis horas, atende operíodo de ordenha e a energia excedente é

Figura 3. Casa de máquinas da Usia do Remanso, com a cahoeiraao fundo.

armazenada em baterias para atendimento daresidência no período em que a comportaestá fechada para enchimento da barragem, atravésde um inversor cc/ca.

Foi instalada uma turbina Banki (figura 5),atuando com uma vazão de 30 l.s-1 e uma queda de12 m. Esta PicoCH apresenta um custo de US$1.300,00, ou US$ 650,00/kVA (ver tabela 1).

CustosO custo da MCH (50 kVA) resultou maior do

que o das PicoCHs, devido as característicastopográficas e de solo dos locais de implantação.Para implantação desta unidade foi necessário aconstrução de um canal de adução de 600 m paraobtenção da altura de 10 m, pois a declividade dolocal é muito pequena.

Tabela 1. Custos das usinas e do kVA instalado

Usina Potência(KVA)

Custo total(US$)

Custo/kVA(US$/kVA)

I 50 35.000,00 700,00II 5 2.350,00 470,00III 2 1.300,00 650,00

Figura 8. Barragem da PicoCentral Hidrelétrica do Cerrito.

Figura 5. Montagem da PicoCH do Cerrito e construção da casa de máquinas

Na figura 6, são apresentadas curvas deestimativas de custos do kWh, considerandoinvestimentos de US$ 400,00 a US$ 800,00 porkVA instalado, taxa de juros de 12%aa e 20 anospara amortização.Utilizando-se US$ 0,03/kWhcomo referência, verifica-se que para investimentosde US$ 400/kVA, um fator de carga de 20% jáconfere atratividade ao investimento. Verifica-se,também, que a cada US$ 100,00 de acréscimo noinvestimento, há necessidade de um acréscimo de5% no fator de carga.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em relação aos casos considerados nestetrabalho, verifica-se que para a unidade de 50 kVA,consideradas as condições acima referidas, énecessário um fator de carga mínimo de 35%. Jápara a unidade de 2 kVA, um fator de carga mínimode 33%. Ou seja esta unidade, como tem fator decarga inferior a este, atua com custo do kWhsuperior a US$ 0,03/kWh. A PicoCH de 5 kVA,demandaria um fator de carga de 24%, porém comotrabalha com um fator elevadíssimo, apresenta umcusto muito baixo do kWh, inferior a US$ 0,01.

O valor do fator de carga que torna a viávela implantação de uma unidade de geração, dependedo valor do investimento e do custo admitido para okWh, além é claro das condições de financiamento.

BIBLIOGRAFIA

[1] PATTERSON, Waltt. TransformingElectricity. Editora Earthscan. 2000.

[2] BALBINOT, A. Aspectos Técnicos eEconômicos na Construção de uma PicoCentral Hidrelétrica. Dissertação deMestrado. Programa de Pós-Graduação emEnergia, Ambiente e Materiais. ULBRA.Canoas. 2002.

[3] KAREKEZI, S.; RANJA, T. e FRANCIS, O.Small Hydro Power in Africa. RenewableEnergy for Development. October 1995, Vol.8, No. 3.

[4] BRISTOT, Anildo, SANTOS, João CarlosVernetti dos, BARRETO, Gelson Luis Fernandes. A Model of Electric PowerDistribution Starting from CommunityMicropower Systems. In: World RenewableEnergy Congress VII, 2000, Brighton, GrãBretanha. Anais. Oxford: Pergamon, 2000, p.1608-10.

Custo do kWh X Fator de Carga

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%

Fator de Carga (%)

Cu

sto

de

Ger

ação

(

cen

ts d

e U

S$)

US$ 400/kVA US$ 500/kVA US$ 600/kVA US$ 700/kVA US$ 800/kVA

Figura 6. Custo da energia produzida versus fator de carga, para diferentes valores do custo de implantação do kVA