FACULDADE DE ENGENHARIA E
INOVAÇÃO TÉCNICO PROFISSIONAL
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
JEFFERSON WILLIAM ROSA
ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA PARA INSTALAÇÃO DE
SISTEMA FOTOVOLTAICO EM INDÚSTRIA DE EPS
MARINGÁ-PR
2019
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INSTALAÇÃO DE SISTEMA FOTOVOLTAICO EM INDÚSTRIA, Teses (TCC) de Engenharia Elétrica
O presente estudo propõe analisar a viabilidade econômico financeira de um projeto fotovoltaico para geração de energia elétrica em uma indústria de produção e qualificação de EPS, comumente conhecido como Isopor®. O estudo de caso proposto é bastante pertinente ao atual cenário do setor elétrico brasileiro, pois diversificar a matriz energética, agregando novas fontes geradoras de energia, é uma necessidade urgente para garantir a oferta de energia.
Tipologia: Teses (TCC)
2021
1 / 89
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FACULDADE DE ENGENHARIA E
INOVAÇÃO TÉCNICO PROFISSIONAL
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
JEFFERSON WILLIAM ROSA
ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA PARA INSTALAÇÃO DE
SISTEMA FOTOVOLTAICO EM INDÚSTRIA DE EPS
MARINGÁ-PR
JEFFERSON WILLIAM ROSA
ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA PARA INSTALAÇÃO DE
SISTEMA FOTOVOLTAICO EM INDÚSTRIA DE EPS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à FEITEP – Faculdade de Engenharias e Arquitetura, como parte dos requisitos para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica Orientador: Prof. Diana Aline Gomes MARINGÁ 2019
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho à minha esposa, por me apoiar nos momentos bons e, sobretudo nos momentos ruins. Por aguentar o meu mau humor e intolerância. Amo-te minha “Vida”.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, pelo amor e dedicação na minha criação e na formação do meu caráter. Em especial a minha mãe Cida por nunca desistir de mim e sempre acreditar que eu poderia alcançar tudo quanto eu sonhasse, mesmo eu não acreditando. A minha exemplar esposa Cássia Tatiana Merlotto Rosa, que sempre me apoiou e suportou o meu mau humor. Minha parceira, minha cumplice. Aos meus fiadores do FIES, João Luiz Rosa– meu pai, Regiany, Eutália e Joaquim, sem vocês não seria possível eu ter chego até aqui. A Profª. Diana Aline Gomes, pela orientação que tornou possível a conclusão deste trabalho. Aos professores da FEITEP, pelos conhecimentos e experiências de vida compartilhados comigo.
RESUMO
O presente estudo propõe analisar a viabilidade econômico financeira de um projeto fotovoltaico para geração de energia elétrica em uma indústria de produção e qualificação de EPS, comumente conhecido como Isopor®, localizada na cidade de Sarandi. O estudo de caso proposto é bastante pertinente ao atual cenário do setor elétrico brasileiro, pois diversificar a matriz energética, agregando novas fontes geradoras de energia, é uma necessidade urgente para garantir a oferta de energia elétrica diante da crescente demanda consumida sobretudo pelo setor industrial. Por isso, o destaque mundial acerca do tema das fontes alternativas e renováveis de energia, gerando energia de forma viável economicamente e sem degradar o meio ambiente. A energia solar fotovoltaica se destaca em relação às outras fontes alternativas, por apresentar vantagens tanto sob o prisma ambiental e econômico, quanto por tratar-se de uma fonte inesgotável, limpa e renovável. Devido a estes argumentos, deixar de explorar uma fonte fotovoltaica em um país como o Brasil que apresenta um enorme potencial solar, não faz sentido. O grande desafio está em provar aos empresários a viabilidade desta tecnologia. A apresentação dos resultados se fundamentou na simulação de um comparativo entre a economia gerada após a implantação do sistema e sua rentabilidade contra aplicações financeiras conhecidas. O presente estudo comprovou que o investimento neste sistema de geração fotovoltaico é viável, pois apresentou rentabilidade de 16% e um payback de 5 anos. Palavras-chave: Energia solar. Painéis fotovoltaicos. Irradiação solar. Fontes renováveis. Matriz energética.
ABSTRACT
The present study proposes to analyze the financial economic viability of a photovoltaic project to generate electricity in a production and qualification industry of EPS, commonly known as Isopor®, located in the city of Sarandi. The proposed case study is very pertinent to the current scenario of the Brazilian electricity sector, since diversifying the energy matrix, adding new sources of energy, is an urgent need to guarantee the supply of electric energy in the face of the growing demand mainly by the industrial sector. For this reason, the worldwide prominence on the theme of alternative and renewable energy sources, generating energy in a viable way economically and without degrading the environment. Photovoltaic solar energy stands out in relation to other alternative sources, as it presents advantages both from the environmental and economic prism, and from being an inexhaustible source, clean and renewable. Because of these arguments, failing to exploit a photovoltaic source in a country like Brazil that has enormous solar potential does not make sense. The great challenge lies in proving to entrepreneurs the viability of this technology. The presentation of the results was based on the simulation of a comparison between the economy generated after the implementation of the system and its profitability against known financial investments. The present study proved that the investment in this photovoltaic generation system is viable, since it presented a profitability of 16% and a payback of 5 years. Keywords: Solar energy. Photovoltaic panels. Solar irradiation. Renewable sources. Energy matrix.
Figura 21 - Esquema de um SFV domiciliar: A - Painel Fotovoltaico; B - Controlador Figura 26 – Aterramento dos componentes de proteção de um sistema fotovoltaico
LISTA DE TABELAS
- SUMÁRIO
- INTRODUÇÃO
- 1.1. OBJETIVOS
- 1.1.1. Objetivo geral
- 1.1.2. Objetivos específicos
- CONHECENDO UM POUCO MAIS SOBRE ENERGIA SOLAR
- 2.1. O SOL
- 2.2. INCIDÊNCIA SOLAR
- 2.3. O EFEITO FOTOVOLTAICO
- 2.4. CÉLULA FOTOVOLTAICA
- 2.4.1. Silício Monocristalino (m-Si)
- 2.4.2. Silício Policristalino (p-Si)
- 2.4.3. Silício Amorfo (a-Si)
- IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA FOTOVOLTAICO
- 3.1. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS...................................................................
- 3.2. COMPONENTES BÁSICOS DO SISTEMA
- 3.2.1. Módulo foltovoltaico
- 3.2.2. Caixa de conexões
- 3.2.3. Diodo de desvio ou Bay-Pass
- 3.2.4. Diodo de proteção.......................................................................................
- 3.2.5. Fusíveis de proteção
- 3.2.6. Terminais
- 3.2.7. Baterias
- 3.2.8. Controladores de carga
- 3.2.9. Inversores de frequência
- 3.2.10. Medidor Bi-direcional................................................................................
- 3.2.11. Condutores
- 3.2.12. Disjuntores
- 3.2.13. Seccionadores
- 3.2.14. Dispositivo de proteção contra surto (DPS)
- 3.2.15. Aterramento
- 3.3. TIPOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
- 3.3.1. Sistema Conectado (On-Grid)
- 3.3.2. Sistema Isolado (Off-Grid)
- 3.4. LEGISLAÇÃO
- CONCEITOS PARA ANÁLISE DE VIABILIDADE ECONÔMICA
- 4.1. PAYBACK
- 4.2. VALOR PRESENTE LÍQUIDO - VPL
- 4.3. TAXA INTERNA DE RETORNO – TIR
- MATERIAIS E MÉTODOS
- 5.1. DEFINIÇÃO DO TIPO DE PESQUISA
- 5.2. DESCRIÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
- 5.3. AJUDA COMPUTACIONAL
- RESULTADO E DISCUSSÃO.............................................................................
- 6.1. CONSUMO ENERGÉTICO
- 6.2. ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO
- 6.3. GERADOR FOTOVOLTAICO
- 6.4. A ESCOLHA DO INVERSOR...........................................................................
- 6.5. RESULTADOS OBTIDOS NO SOLARIUS PV.................................................
- 6.6. DIAGRAMA UNIFILAR
- 6.7. VALORES ECONÔMICOS
- CONSIDERAÇÕES
- REFERÊNCIAS
- APÊNDICE A - DAGRAMA UNIFILAR
- ANEXO 1 – FATURA COPEL...................................................................................
- ANEXO 2 INVERSOSR FRONIUS
- ANEXO 3 PAINEL SOLAR BYD
- Figura 1 – Potencial Fotovoltaico LISTA DE FIGURAS
- Figura 2 - Estrutura em teia de diamantes de um cristal de Silício
- Figura 3 – Corte transversal célula fotovoltaica.........................................................
- Figura 4 – Efeito fotovoltaico
- Figura 5 – Silício Monocristalino................................................................................
- Figura 6 – Silício Policristalino...................................................................................
- Figura 7 – Silício Amorfo
- Figura 8 – Irradiação Solar diária média
- Figura 9 – Irradiação Solar no Plano Inclinado..........................................................
- Figura 10 – Curva I x V painel solar
- Figura 11 – Curvas I x V em função da radiação
- Figura 12 – Representação Módulo Fotovoltaico
- Figura 13 – Caixa de conexões (esquerda) e diagrama de ligações (direita)
- Figura 14 – Caixa de proteção – String Box
- Figura 15 – Diagrama de ligação de diodos by-pass
- Figura 16 – Esquema de funcionamento diodo by-pass
- Figura 17 – Diodo de bloqueio
- Figura 18 – Diodo de bloqueio em sistema com baterias
- Figura 19 – Diagrama de uso de fusíveis de proteção
- Figura 20 – Conectores de engate rápido MC4.........................................................
- C.A. (equipamentos elétricos). de Carga; C - Banco de Baterias; D - Inversores; E - Caixa de conexão; F - Cargas
- Figura 22 – Inversores SMA instalados sob geradores fotovoltaicos
- Figura 23 – Esquema com medidor bidirecional
- Figura 24 – Disjuntor Bipolar
- Figura 25 - DPS.........................................................................................................
- Figura 27 – Exemplo de Sistema Híbrido
- Figura 28 - Sistema Fotovoltaico On-Grid (Conectado à Rede)
- Figura 29 - Sistema Fotovoltaico Off-Grid (Isolado da Rede)
- Figura 30 - Fluxograma Procedimentos e etapas de acesso PRODIST
- Figura 31 - Representação simples do telhado
- Figura 32 - Local de instalação dos geradores fotovoltaicos
- Figura 33 - Fachada da Dplac
- Figura 34 - Irradiação Solar diária média
- Figura 35 - Comparação Atlas Solar Paraná x CRESESB
- Figura 36 - Eficiência módulo fotovoltaico BYD 310P6C
- Figura 37 - Irradiação diária mensal
- Figura 38 - Energia mensal estimada (kWh)
- Figura 39 - Fluxo de caixa cumulativo
- geradoras Tabela 1 - Níveis de tensão considerados para conexão de micro e minicentrais
- Tabela 2 - Consumo dentro de um período de 12 meses
- Tabela 3 - Cálculo do ângulo de inclinação para instalação do painel
- Tabela 4 - Média de radiação solar diária por mês no plano horizontal (kWh/m²).....
- Tabela 5 - Dados do cliente e informações de geração
- Tabela 6 - Energia mensal gerada (kWh)
- Tabela 7 - Custos dos equipamentos
- Tabela 8 - Dados para cálculo do payback
- Tabela 9 - Demonstrativo econômico
- Tabela 10 - Comparativo com aplicações financeiras
1. INTRODUÇÃO
A busca por novas tecnologias para a exploração de fontes renováveis de geração de energia vem se intensificando nos últimos anos, uma vez que a geração pelos métodos tradicionais causa um grande impacto ao meio ambiente e ainda apresenta o fator de escassez dos recursos, como por exemplo a água, carvão e petróleo. Devemos ainda considerar os altos custos com combustíveis fósseis, que em 2015 corresponderam a quase 26% da oferta de energia, associado à preocupação com o meio ambiente o que favorece ainda mais as fontes alternativas de geração de energia menos agressivas (INPE, 2017 ). O apelo ambiental faz com que este tipo de matriz energética esteja em crescimento, uma vez que é considerada de fonte renovável, sem grande degradação ao meio ambiente e ainda possibilita o acesso à energia elétrica por famílias que moram longe dos grandes centros de distribuição. O aumento da demanda por energia se apresenta de forma exponencial e o setor gerador não vem acompanhando esta aceleração. Através do Anuário Estatístico de Energia Elétrica (201 7 ) a Empresa de Pesquisa Energética do Ministério de Minas e Energias – EPE – demonstra que o setor industrial é responsável em consumir 35,7% da energia gerada, tornando-o, desta maneira, peça chave para a evolução e crescimento do Brasil, como de qualquer outro país. Dentre as tecnologias que temos disponíveis, a energia solar vem ganhando cada vez mais adeptos, por ser uma fonte limpa e renovável, o que neste caso seria melhor classificada como inesgotável se considerarmos o nosso tempo de vida no planeta. Não só pelo fator de inesgotabilidade, o que por si só já poderia ser considerado suficiente, mas a facilidade de implantação associada às novas técnicas de arquitetura que consistem desde a harmonização entre o ambiente interno e externo até a eficiência energética (CORDELLA, 2011). Fora o já exposto, devemos levar em consideração o fato de que o Brasil tem um potencial de geração fotovoltaica gigantesco, sendo que sua menor média diária é de 3,8 KWh e como menor média anual 1.387 KWh (GLOBAL SOLAR ATLAS, 2019 ). De acordo com SALAMONI E RÜTHER ( 2007 ) as regiões menos ensolaradas do Brasil apresentam índices de irradiação solar na casa dos 1.300 KWh, o que se
1.1.2. Objetivos específicos
- Levantar custos para a implantação de um sistema fotovoltaico para a geração de energia elétrica.
- Estudar a viabilidade econômica de implantação do sistema fotovoltaico em uma indústria de EPS.
- Verificar a rentabilidade do valor gasto na implantação com um fundo de investimentos.
2. CONHECENDO UM POUCO MAIS SOBRE ENERGIA SOLAR
2.1. O SOL
Conforme descrito em SANTOS, 2013, a energia solar tem origem no núcleo do Sol atavés de reações de fusão nuclear que liberam uma enorme quantidade de energia. A energia que é emitida do Sol corresponde ao poder de emissão de um corpo negro com temperatura de 5777K (Kelvin) (DUFFIE; BECKMAN, 1991). Na Física, um corpo negro é um objeto hipotético que absorve toda a radiação eletromagnética que nele incide: nenhuma luz o atravessa e nem é refletida. Um corpo com essa propriedade, em princípio, não poderia ser visto, daí o nome corpo negro (OLIVEIRA; SARAIVA, 2014). O Sol com sua forma esférica de 1,39 x 10⁹ m de diâmetro, encontra-se a aproximadamente 1,5 x 1011 m de distância da Terra (DUFFIE; BECKMAN, 1991). Sua composição química é formada por 91,2% de Hidrogênio, 8,7% de Hélio, e 0,078% de Carbono (OLIVEIRA; SARAIVA, 201 4 ). A energia recebida pela Terra atravéz da irradiação solar está na casa dos 1.360 W/m², se considerarmos uma superfície perpendicular aos raios solares na parte externa da atmosfera, esta absorve e reflete parte desta radiação. Ainda assim a quantidade de energia recebida do Sol a cada hora, é maior que a quantidade de energia que toda a população da Terra utiliza em um ano (HONSBERG; STUART, 2013). 2.2. INCIDÊNCIA SOLAR A energia solar é aquela proveniente do Sol, seja ela térmica ou luminosa. Estima-se que a energia solar recebida pela terra, anualmente, é na ordem de 15* 1018 KWh, este valor é equivalente à 10.000 vezes o consumo global (BRITO, 2006).
Figura 1 – Potencial Fotovoltaico Fonte: INPE - Atlas Brasileiro de Energia Solar ( 2017 ) Toda unidade geradora conectada à rede elétrica pública injeta o excedente e por consequencia gera créditos que podem ser consumidos no futuro. O limite de potência regulamentado pela REN 482/2012 que era de 1.000 KWp passou para 5. KWp em 2016 pela REN 687/2015.
2.3. O EFEITO FOTOVOLTAICO
O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel em 1839, é produzido pela excitação dos elétrons de alguns materiais na presença da luz visível o que gera uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura montada a partir destes materiais semicondutores, desta maneira podemos converter a luz solar em energia elétrica (INCENTIVE SOLAR, 2018). Entre os materiais mais adequados para a conversão da radiação solar em energia elétrica destaca-se o silício. Seus átomos se caracterizam por possuírem quatro elétrons na camada de valência e ainda se apresenta como o segundo elemento mais abundante na Terra (CRESESB, 2006). Naturalmente obtemos o Silício a partir de areia, rocha, solo e, através de processos adequados, têm-se o Silício em sua forma pura. Um átomo de Silício (Si) é formado por 14 Prótons e 14 Elétrons, tendo em sua camada de valência apenas quatro destes Elétrons. Ao ser concebido, os átomos de Silício alinham-se segundo uma estrutura, chamada de teia de diamante, assim formando uma ligação covalente com quatro átomos vizinhos, conforme mostra a Figura 2 (MOEHLECKE; ZANESCO, 2005 ). O processo de dopagem do Silício com o Fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (Silício tipo N). Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentado Boro ao invés do elemento Fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, falta de elétrons ou material com cargas positivas livres (Silício tipo P) (CRESESB, 20 0 8).