Artigo Geracao Eletricidade Renovavel Veiculos Eletricos

GERAÇÃO DE ELETRICIDADE A PARTIR DE FONTES RENOVÁVEIS PARA ABASTECIMENTO DE VEÍCULOS ELÉTRICOS

Campos, M.C. [1], Pugnaloni, I.A.A. [2] [1] Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Curitiba-PR-Brasil - [email protected] [2] Enercons Consultoria em Energia, Curitiba-PR-Brasil - [email protected] Resumo Este trabalho apresenta uma análise de preços de energia elétrica, com origem em fontes renováveis, visando abastecimento de veículos elétricos. O objetivo final será comparar estes preços com valores atuais do preço da energia equivalente de combustíveis fósseis, no caso a gasolina. Como fonte renovável de energia via biomassa, considera-se a utilização de florestas energéticas, calculando o preço final de energia elétrica a partir desta modalidade em cinco cenários de preços de madeira de reflorestamentos. A análise comparativa parte de custos unitários de implantação típicos das fontes renováveis, bem como de seus respectivos fatores de capacidade, utiliza valores de referência de custos de operação e manutenção, e fixando percentuais de custos de transmissão, de distribuição, e de ganhos de investidores e impostos, obtém valores de preços de energia elétrica de fontes renováveis. Palavras-chave: Custos de energia renovável, Florestas energéticas, Veículos elétricos. 1. Introdução São cada vez mais graves as consequências das flutuações dos preços dos combustíveis fósseis, com variações mais positivas do que negativas, entre eles a gasolina utilizada nos veículos particulares e de transporte. Os países europeus em geral estão sob forte pressão inflacionária devido aos altos níveis atuais dos preços dos combustíveis. Sendo assim, é oportuno rever e analisar os atuais custos de geração de energia elétrica a partir de fontes renováveis, visando o abastecimento de veículos elétricos no futuro. Este trabalho apresenta uma análise comparativa de custos de geração de energia elétrica a partir de quatro fontes renováveis de energia: a hídrica, a eólica, a da biomassa e a energia solar direta, e ao final realiza uma comparação com o preço equivalente da gasolina. Não se considerará, neste estudo, os resíduos urbanos como fonte renovável em função da composição destes resíduos, que podem 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.

A análise utiliza dados atuais de custos unitários de implantação e de custos unitários de operação e manutenção respectivos. No caso da geração por biomassa, este trabalho, utilizará o conceito de florestas energéticas, descrito a seguir, analisando os custos de geração em função de cenários dos preços de biomassa de reflorestamentos. Florestas energéticas são áreas constantemente replantadas com determinada espécie vegetal, ou com variação de espécies, visando abastecer com combustível renovável uma central térmica com turbina a vapor produzindo energia elétrica. As áreas de manejo florestal não precisam necessariamente ser contínuas em larga escala, sendo importante estarem próximas a central térmica, para evitar custos excessivos de transporte. 2. Custos e preço da energia elétrica Os custos de energia elétrica são compostos de: i) amortização do capital investido na central, ii) custos de operação e manutenção, iii) custos de combustível (caso da central à biomassa), iv) custos de transmissão, v) custos de distribuição. O total destes custos serão aqui denominados custos totais e acrescentando o ganho ou lucro dos investidores e impostos aos custos totais obtém-se o preço da energia. Os itens i, ii e iii são denominados custos internos ou custos de geração. Neste trabalho, utilizou-se a nomenclatura de custos ou preço quando se referencia a custos ou preços por unidade de energia (€/MWh) e custos ou outros valores absolutos quando se trata de valores monetários (€). 2.1 Fator de capacidade e energia gerada. Um parâmetro importante que afeta significativamente os custos de geração através de fontes renováveis é o fator de capacidade de uma central elétrica de cada tipo de fonte. Devido ao fato de que a fonte de energia nunca é constante ao longo de um determinado período de tempo, geralmente um ano, o fator de capacidade representará o quanto gera-se efetivamente de energia em função da potência instalada máxima em uma central. O fator de capacidade de uma central elétrica inclui os tempos de paradas programada e forçada. Pode-se então calcular, de maneira simplificada, a energia elétrica gerada anualmente em uma usina com a seguinte equação: EG = PINST FC 8.760

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onde EG é a energia elétrica gerada anualmente, em MWh, PINST é a potência elétrica máxima instalada na central, em MW, FC é o fator de capacidade médio da central, que varia de 0 a 1 e 8.760 é o número de horas em um ano. Alguns valores típicos de fator de capacidade para centrais utilizando as quatro fonte de energia renováveis são mostradas na figura 1 (Noord et al, 2004) .

Figura 1 – Fatores de capacidade típicos de centrais de fontes renováveis de energia

Os altos fatores de capacidade de centrais a biomassa estão relacionados com o fato de que se realiza o armazenamento da biomassa, para um determinado período de tempo de operação, de modo que é possível manter a geração no nível máximo de potência, durante grandes intervalos de tempo. Os reservatórios de hidrelétricas podem realizam este processo, porém, não atingem fatores de capacidade altos. A energia elétrica gerada anualmente (MWh/ano) em uma usina de 1 MW elétrico, para cada tipo de central, utilizando a equação (1), estão mostradas na figura 2.

Figura 2 – Energia gerada em uma central de 1 MW para cada fonte (MWh/ano) 2.2 - Peso da amortização do investimento no custo da energia elétrica gerada Utilizando os valores típicos de custos unitários de implantação, em €/kW, mostrados na figura 3 (Noord et al, 2004), pode-se calcular valores de investimento de capital para uma usina de 1 MW em €, que serão os mesmos valores na figura 3, multiplicados por 1.000.

Figura 3 – Custos unitários típicos de centrais de fontes renováveis (€/kW) Sequencialmente, calculou-se os valores de amortização de capital anual, considerando-se taxa de juros de 5% e período de amortização de 8 anos, parâmetros que fornecem um fator de recuperação de capital igual a 0,1547 (Newman e Lavelle, 2000) , para uma usina de 1 MW, de cada uma das fontes de energia, valores mostrados na figura 4.

Figura 4 - Parcelas de amortização anual de central de 1 MW (€ / n=8 anos / j=5% a.a.)

Dividindo-se o custo anual de amortização pela energia elétrica gerada neste período, tem-se o peso ou parcela da amortização de capital investido no custo da energia, em €/MWh, valores mostrados na figura 5.

Figura 5 - Parcela de amortização no custo de geração (€/MWh) Observa-se o efeito do alto custo de implantação de centrais solares e de seus fatores de capacidade somente nesta parcela do custo da energia elétrica gerada através desta fonte diretamente. Estes níveis de custos de energia elétrica são inviáveis para abastecimento de veículos elétricos, como será observado. Ressalta-se que as três demais fontes são originárias indiretamente da energia solar, portanto, ao utilizar-se estas fontes pode-se afirmar que utiliza-se energia solar de forma mais barata. Por estes motivos as centrais solares serão descartadas para efeito de análise de abastecimento de veículos elétricos. 2.3 - Peso dos custos de operação e manutenção no custo da energia elétrica gerada Usando os seguintes valores típicos de custos unitários de operação e manutenção, apresentados na figura 6, calcula-se os custos anuais de operação e manutenção para uma usina de 1 MW, que serão os valores apresentados na figura 6 multiplicados por 1.000. Dividindo-se os custos anuais de operação e manutenção pela energia elétrica gerada anualmente tem-se a parcela deste item, conforme apresentada na figura 7.

Figura 6 - Custos unitários de Operação e Manutenção (€/kW/ano)

Figura 7 - Parcela de O.M. no custo da energia gerada (€/MWh)

2.4 - Soma das parcelas de amortização e os de operação e manutenção no custo da energia Somando-se os custos anuais de amortização do investimento na usina com os custos anuais de operação e manutenção, ambos com base na energia elétrica anualmente gerada, tem-se os valores apresentados na figura 8.

Figura 8 - Soma dos peso dos custos de amortização, operação e manuteção nos custos de geração - €/MWh Observa-se pela figura 8 que os valores calculados destas parcelas do custo de geração por biomassa e por energia hidráulica são as menores dentre as analisadas. Isto ocorre principalmente em função de seus maiores fatores de capacidade, que pode atingir 0,95 para centrais a biomassa corretamente projetadas e operadas. O maior custo de geração ocorre para a geração através de energia eólica, dentre os três tipos acima, principalmente devido aos menores fatores de capacidade e maiores custos unitários de implantação, apesar dos seus custos de operação e manutenção serem menores dentre as três fontes analisadas. 2.5 - Peso do combustível renovável nos custos da energia elétrica gerada por biomassa. Neste trabalho considerou-se o poder calorífico inferior da madeira (PCIm), obtida dos reflorestamentos, constante e igual a 4.200 kcal/kg, valor equivalente a 17.556 MJ/ton. Para calcular a quantidade de combustível renovável (madeira) necessária por ano, considerou-se a eficiência térmica constante e igual a 25%, e utilizou-se a equação: QAM = 3.600 x EG / (0,25 x PCIm )

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onde QAM é a quantidade anual de combustível (madeira), em ton/ano, EG é a energia elétrica gerada anualmente, em MWh/ano, e PCIm é o poder calorífico inferior da madeira, em MJ/ton. Para os níveis máximo e mínimo de geração de energia elétrica a partir de madeira utilizados neste trabalho, respectivamente, 7.446 e 8.322 MWh/ano, calculou-se a quantidade necessária de madeira por ano, utilizando a equação (2), em 6.107 e 6.826 ton/ano, respectivamente. Observa-se, da equação (2), que a relação QAM por EG, será uma constante, uma vez que a eficiência da central e o poder calorífico da madeira foram considerados constantes. Esta relação é 0,820 ton/MWh. De acordo com estas premissas, o peso do custo do combustível renovável no custo da energia elétrica gerada dependerá somente do preço do combustível. Neste trabalho foram analisados cinco cenários de preços da madeira para atender a central térmica, iniciando em € 40,00 por ton até € 60,00 por ton. com intervalos de € 5,00 por ton. Estes cenários de preços

da madeira para a central fornecerão pesos de custo de combustível de € 32,80/MWh até € 48,20/MWh com intervalos de € 4,10/MWh. A figura 9 apresenta a soma dos pesos dos custos de amortização, operação e manuteção e combustível, para o caso de biomassa, em cinco cenários de preço de combustível renovável.

Figura 9 - Soma dos peso dos custos de amortização, operação, manuteção (valores médios) e combustível nos custos de geração - €/MWh As três formas renováveis de geração estão com os custos internos menores do que € 115,00/MWh, inclusive para a geração através de florestas energéticas com o maior preço de madeira considerado. 2.7 - Peso da transmissão nos custos da energia elétrica. Os custos de transmissão de energia elétrica serão considerados aceitáveis, para o objetivo de abastecimento de veículos elétricos, quando onerarem a energia gerada até no máximo 5% do valor do custo de geração. Neste trabalho utilizou-se este patamar fixo para todas as fontes de energia renováveis para simplificar a análise comparativa com a energia elétrica equivalente dos combustíveis fósseis. A figura 10 mostra os custos internos da energia elétrica gerada nas centrais, somados aos custos de transmissão. 2.8 - Peso da distribuição nos custos e preço final da energia elétrica. A distribuição da energia elétrica para veículos pode ser realizada de várias maneiras, porém, não se definiu uma forma específica de distribuição, neste trabalho. Para quantificar os custos de distribuição de energia elétrica adotou-se o percentual de 15% sobre os custos anteriormente calculados, iguais para todas as fontes de energia renováveis. Os custos de energia elétrica anteriores acrescidos dos custos de distribuíção, são aqui denominados custos finais e estão mostrados na figura 10. 2.9 - Peso dos impostos e lucros no preço final da energia elétrica para veículos elétricos Foi também adotado um percentual total único de impostos e lucros dos investidores no sistema de abastecimento de veículos, incluindo geração, transmissão e distribuição, para simplificar a comparação com o preço equivalente elétrico da gasolina. O percentual total único de impostos e lucros adotado foi de 30%. Os custos finais e o preço da energia elétrica estão mostrados na figura 10.

Figura 10 - Custos e preços de energia elétrica - €/MWh A figura 11 mostra os valores, em € anuais, dos custos absolutos de distribuição, com o percentual fixo de 15% sobre os custos internos e de transmissão, nas condições de energia gerada mínima e máxima, para cada tipo de central de 1 MW, inclusive para os cenários de preços de madeira, no caso de geração com biomassa. A mesma figura mostra os valores, também em € anuais, dos montantes absolutos de lucro e impostos calculados com o percentual fixo de 30% sobre os custos anteriores.

Figura 11 - Custos absolutos de distribuição, lucros e impostos (€ - Centrais de 1 MW) 3 - Preço equivalente elétrico de combustíveis fósseis Um veículo movido a motor de combustão interna utiliza gasolina, cujo PCI é 44 MJ/kg e densidade em torno de 0,72, ou seja um PCI na base volumétrica de 32 MJ/lit. Sendo 1 MJ igual a 0,277 kWh, pode-se afirmar que abastecer um veículo com motor de combustão interna com um litro de gasolina será equivalente a abastecer um veículo elétrico com 8,88 kWh ou 0,00888 MWh. O percurso que cada tipo de veículo desenvolve com a mesma quantidade de energia fornecida dependerá das eficiências destes e de outros fatores externos. Utilizando o preço de um litro de gasolina igual € 1,33 significa que os veículos com motores a combustão interna são abastecidos com preços de energia elétrica equivalente a € 149,77/MWh (€ 1,33 / 0,00888 MWh). 4 - Análise dos resultados Era esperado que os preços de energia elétrica de fonte hidráulica fossem os menores, devido aos fatores de capacidade e custos de implantação desta fonte de energia, sendo o preço médio calculado com impostos e lucros, mostrado na figura 10, € 83,61/MWh, igual a 55,8 % do preço equivalente elétrico da gasolina, € 149,77/MWh. Outro resultado mostra que o preço médio da energia eólica, € 134,14/MWh, considerando as premissas adotadas, está 10,4 % abaixo do equivalente elétrico da gasolina, € 149,77/MWh. O preço médio da energia

elétrica gerada com biomassa a € 50,00/ton, € 148,57/MWh, é praticamente igual ao preço equivalente elétrico da gasolina. Os valores de preços finais indicados na figura 10 são semelhantes aos indicados por por Skytte et al (2006), que incluem outras fontes renováveis de energia. Os resultados mostrados na figura 11 indicam que os valores absolutos de lucros e impostos, são maiores para centrais a biomassa do que para as demais fontes, para uma mesma potência instalada. Isto ocorre principalmente devido às maiores quantidades de energia produzidas pelas centrais de biomassa para uma mesma potência instalada, em comparação com centrais eólicas e hidrelétricas. 5- Conclusões De maneira simplificada, e atribuindo percentuais fixos para custos de transmissão, distribuição, impostos e lucros, foi possível detectar a viabilidade atual de abastecimento de veículos elétricos por meio de fontes renováveis de energia. Com os resultados obtidos podese afirmar que existe uma significativa atratividade econômica no uso de energia elétrica de fontes renováveis para a mobilidade. Os valores de custos de distribuição, lucros e impostos mostrados na figura 11 indicam claramente que devido a possibilidade de altos fatores de capacidade de centrais a biomassa, pode-se cobrir os custos de implantação de sistemas de distribuição de energia elétrica para veículos de modo distribuído em áreas específicas de um país, semelhantes aos atuais postos de gasolina. O possível uso de florestas energéticas como uma fonte renovável de energia, ao contrário do uso de resíduos florestais com fins energéticos, possui a vantagem de concentrar em determinadas áreas a geração de biomassa necessária para central. Tal vantagem permite o fornecimento de combustível renovável a custos menores do que o de resíduos florestais, devido principalmente aos menores custos de coleta por unidade de massa. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SKYTTE, K, et al., Electricity from biomass in the European union - with ou without biomass impor. Biomass & Energy, v. 30, p. 385-392, 2006. NOORD, M. de, et al., Potencial and costs for renewable electricity generation: a data overview. ECN-C-03-006, 2004. NEWMAN, D.G. e LAVELLE, J.P., Fundamentos da engenharia econômica, Rio de Janeiro: LTC, 2000.